应用分集接收技术的LED可见光音频传输演示装置

刘泽畅，冯雅莉，张 尊，高洪民

(北京理工大学，北京 102488)



应用分集接收技术的LED可见光音频传输演示装置

刘泽畅，冯雅莉，张 尊，高洪民*

(北京理工大学，北京 102488)

演示装置通过在接收端以多个光敏二极管进行分集接收的形式完成信号接收，达到演示可见光光通信目的。该装置性能稳定、操作方便，能直观演示整个传输过程，能够使学生更深入全面地理解可见光通信技术的实际应用。

白光LED；可见光通信；分集接收技术

白光LED被称为第四代环保照明产品。与传统照明光源相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小等优点且可以实现高速调制，因此更适用于高速数据通信。将白光LED照明系统和通信技术结合为人们提供了一种全新的无线光通信技术——可见光通信VLC(Visible Light Communication，简称VLC)。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响，传统上用于短波通信来克服多径衰落的影响。分集接收技术应用于LED可见光音频传输演示装置，可以避免出现因光信号在传输过程中衰减、背景光干扰导致的传输中断的情况，使演示过程高效准确地进行，从而加强演示装置的精确度和可信度，在演示过程中有利于学生增强对通信技术的了解，深入理解可见光通信技术的实际应用[1-4]。

1 接收端分集接收的原理

装置对接收端进行了改进，应用多个光敏探测器进行信号的多路分集式接收。这样在信号传输过程中，只要不是所有的探测器都被遮挡，就能够进行正常的信号传送，而且即使光源角度发生变化，也总会有探测器能够接收到较强的光信号[5-8]。

在接收端，将多个探测器均匀放置在一个半球面上，它的个数和分布受具体的通信环境影响[9-12]。对于单个光敏探测器接收到的光功率满足公式(1)：

(1)

其中，A1是光敏探测器的光敏面面积，Dd1是探测器到光源的距离，Φ1是光源的发光角度，ψ1是入射角。对于同一个白光LED光源，它的半值角是确定的，即对于不同的光电探测器m值相同。因此在下一个探测器处接收到的光功率满足公式(2)：

(2)

公式(2)中各项的意义和公式(1)中相同。若选取的光电探测器的规格相同，则A1=A2，又因为探测器所在半球面的半径远小于光源到光接收机的距离，因此可以把探测器所在的半球面看成一个点，就有Dd1=Dd2，Ø1=Ø2，光集中器的增益只和探测器本身的接受视角有关[13-14]。综合考虑接受效果和探测器个数后，选择两个探测器之间的位置关系满足公式(3)：

(3)

图1 分集接收时探测器的布局图

2 实验装置

总体工作流程框图如图2所示。

图2 工程流程框图

应用分集接收技术的LED可见光音频传输演示装置包括发射模块、接收模块和外置电源模块；发射模块包括白光LED灯支架与白光LED灯106、白光LED灯驱动电路105、信号放大电路104、MP3语音播放模块103；接收模块包括分集接收模块107、比较器108、继电器109、扬声器112、多级放大电路110、功率放大器111；外置电源模块包括5V直流电源适配器101、开关102。

分集接收模块中光敏二极管的分布如图3所示。

图3 分集接收模块中光敏二极管分布图

分集接收模块107包括三角支架207与四个光敏二极管；四个光敏二极管为四个相同的光敏二极管，分别为第一光敏二极管201、第二光敏二极管202、第三光敏二极管203和第四光敏二极管204；第一光敏二极管201、第二光敏二极管202、第三光敏二极管203均匀放置在一个半球面上，均与水平面呈60°夹角被安装在三角支架207上，每个光敏二极管的表面均与球面半径垂直；在三个光敏二极管的中间位置，即在球面顶部的水平位置，安装第四光敏二极管204。白光LED灯206固定在另一竖直支架205上，两支架相距1 m正对放置。

3 实验结果分析

在分集接收的电路设计中，需要从四个接收器接收到的四路信号中选取一路信号最强的，作为通信信号。如图4所示。

四个信号发生器代表哥四个光敏二极管,1号和2号光敏二极管探测到的信号经过比较器进行比较选通信号强的一路； 3号和4号光电探测器比较后也选通信号强的一路；最后再比较两路选通信号，从中选出信号最强的一路，进行选通输出。本文中某一路信号的导通或截止是通过继电器来实现的。

在Multisim软件中仿真设计的分集接收电路，仿真结果为：

1.当四个信号发生器产生的信号均是方波时(方波对应于数字信号)，它们的幅值分别为10 V,8 V,6 V,4 V，最终输出的是幅值为10 V的方波，如图5所示：

图4 多路信号选通电路设计图

图5 输入方波仿真结果图

2.当输入端均是正弦波时(即模拟信号)，它们的幅值分别为10 V,8 V,6 V,4 V，最终输出的是幅值为10 V的正弦波，如图6所示：

从图6的仿真结果可以看出，不管输入是正弦波还是方波，设计的分集接收电路都可以从接收到的四路信号中选通信号幅值最大的一路进行传输，从而使演示过程顺利进行。

图6 输入正弦波仿真结果图

5 结 论

利用LED灯发光强度高、稳定性好、响应高速的特性，通过LED发出高速明暗闪烁信号来传播信息；与现有技术相比，在接收端采用分集接收技术，增加接收端光电探测器的个数，增加了接收面积；对多个光电探测器进行合理布局，克服不同路径引起地码间干扰的影响，避免出现因光信号在传输过程中衰减、背景光干扰导致的传输中断的情况，保证信息传递的畅通，准确接收信号，使演示过程高效准确地进行。能直观高效地展示可见光通信技术，并应用于可见光语音通信。

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LIU Ze-chang,FENG Ya-li,ZHANG Zun,GAO Hong-min

(Beijing Institution of Technology,Beijing 102488)

In order to demonstrate the visible light communication,the device receives the signals by using diversity reception of photodiodes in the receiver.This device works steadily and operates easily,and it demonstrates the whole transmission process intuitively,which can help the students understand the practical application of visible light communication technology more deeply and more roundly.

white LED；visible light communication system；diversity reception

2016-04-14

北京理工大学信息与电子学院大学生创新创业训练计划项目(2015年-079)

1007-2934(2016)05-0015-04

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.004

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