短距離LED可見光音頻傳輸系統設計

梁烈勇

(廣西桂林市空管站 技術保障部，廣西 桂林541004)

利用照明LED作為通信基站進行信息傳輸已成為當前國內外無線光通信領域的研究熱點之一。白光LED具有高亮度、低功耗、使用壽命長、尺寸小、綠色環保等優點，被視為第四代節能環保型的照明光源[1-3]。不僅如此，白光LED還具有響應靈敏度高、調制特性好的優點。利用LED上述優良的特性，在LED照明的同時，將信號調制到LED可見光上進行傳輸，實現一種新興的無線光通信技術，即可見光通信VLC（Visible Light Communication）技術 。由于VLC技術具有對人眼安全、發射功率高、無需申請無線電頻譜證、無電磁干擾等優點，因而，VLC技術具有極大的發展前景，為光通信提供了一種全新的數據接入方式[4]，已被人們廣泛關注。

本文利用白光LED設計室內短距離可見光音頻傳輸系統，白光LED發出可見光，且發散角較大，可以在大范圍內安全傳輸信號。同時，利用白光LED高速調制特性，可將音頻信號調制到LED可見光上實現信息傳輸。這種通信方式不再依賴傳統有線傳輸的模式，減少了搭建通信鏈路的時間，降低了通信成本，減少了電磁輻射對環境的影響，具有快速便捷、高可靠性、低能耗等優點，為“綠色通信”的實現提供了一種新思路。

1 可見光傳輸模型與影響因素

可見光通信系統中，白光LED不僅可作為照明光源，還可作為信號源以實現數據無線傳輸。根據可見光在大氣中的傳輸理論[5]，可將白光LED輻射光近似為球面波進行處理，由麥克斯韋方程組推導得出球面光波傳播的表達式如下：

式中，E0為波源電場強度；ω為光波的角頻率(ω=2πv，取v＞0)；t為時間；k為光波沿傳播方向的波矢量(稱為波數)， 其大小為 k=2π/λ；r為空間坐標；Ψ0為初始相位。由式(1)可知，白光LED發散角較大，便于光信號接收。

室內短距離可見光在傳輸時，信號傳輸信道是隨機信道，白光LED可見光的波長與室內大氣中的塵灰、氣體分子的尺寸相近甚至更小，容易產生光的散射和吸收造成信號的嚴重衰減。可見光通信可見光波長較短，瑞利散射的作用較強烈。根據瑞利（Rayleigh）散射定律[6]可得入射光波衰減系數為：

式中，λ為入射光波長，N是單位體積內的分子數，n是粒子的折射率，σ是退偏振因子。

瑞利散射的前向散射和后向散射的比重大約各占一半，衰減系數與λ4成反比，因此短波光比長波光散射更明顯，導致可見光衰減比較嚴重，降低了系統的通信性能。另外，太陽光及一些人造光源（如白熾燈、熒光燈發出的光等）背景光也會對系統的性能產生影響；行人、設備等的遮擋，會在接收機表面形成 “陰影”，影響通信性能。因此，設計通信系統時，應采取相關技術手段減弱瑞利散射和背景光等影響，以改善系統通信性能。

2 可見光通信系統設計

2.1 系統方案

短距離白光LED可見光音頻傳輸系統如圖1所示，包括光源白光LED、可見光發射端、光電探測器和可見光接收端等。發射端電路將待傳輸的音頻信號轉換成便于在光載波上傳輸的信號，經白光LED驅動電路將電信號調制成LED的光載波強度變化的光信號，以光束的形式發射到大氣信道中進行傳輸，再由光電探測器接收光信號，將光信號轉換成電信號，接收端電路對轉換后的信號進行放大、整形處理，并將音頻信號解調還原出來。

2.2 可見光發射端設計

發射端如圖2所示，由語音合成芯片SYN6288產生音頻信號，通過芯片TL494產生寬度可調的PWM脈沖。白光LED驅動電路采用DD311設計，將電信號直接調制為白光LED輸出的光信號。為保證白光LED亮度的一致性，采用脈沖寬度調制(PWM)調光方法，即在大于200 Hz的某頻率下以不同占空比來導通和關斷LED。導通期間LED滿電流工作，而關斷期間LED上無電流流過。PWM頻率采用100 kHz，避免了白光LED驅動器周圍的電感和輸出電容產生人耳聽得見的噪聲。音頻信號變調后，利用白光LED轉換成光信號發送出去，而PWM脈沖和恒流驅動共同作用保證了信號傳輸過程中LED能均勻恒定地發光。

2.3 可見光接收端設計

2.3.1 接收端工作原理

光接收端的主要任務是以最小的附加噪聲及失真，恢復出經無線信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此，光接收端的輸出特性綜合反映了整個可見光通信系統的性能。接收端電路由光電探測器、前置放大電路、主放大器、AGC電路、限幅電路和低通濾器構成，如圖3所示。光電探測器將經無線信道傳輸的已調光信號轉換為微弱電信號，由前置放大電路、主放大器、AGC電路、限幅電路和低通濾器(LPF)將電信號轉換成可被終端識別、處理和輸出的信號。

2.3.2 光電探測器

光電探測器是光接收端的核心器件。由于通信光源白光LED的特殊性，選擇光探測器時需考慮以下因素：(1)光電探測器的光譜范圍應該足夠寬，工作波段覆蓋可見光波長范圍；(2)工作波長的光電轉換效率高，對于一定的入射光信號功率，光電檢測器應能輸出盡可能大的光電流；(3)響應速度快、線性度好、信號失真小；(4)檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能小；(5)可靠性高、壽命長、工作電壓低。由于PIN光電二極管的光電轉換線性度好、響應速度快、價格較低且無需高工作電壓，所以本設計中的光電探測器采用PIN光電二極管。

2.3.3 前置放大器設計

PIN光電二極管將光信號轉化為電信號，一般需經多級放大器放大才可由終端輸出。由弗里斯公式[7]可知，多級放大器的噪聲系數F近似取決于第1級的噪聲系數F1，而接收端最小噪聲系數很大程度取決于前置放大器。因此，前置放大器應具有低噪聲、高增益的特點，且具有一定的帶寬。

根據放大器的En-In噪聲模型[8-9]，將接收端內部噪聲源折合為前置放大器輸入端的等效噪聲源來分析，得到噪聲系數F為：

式中，RS為等效信號源內阻，En、In分別為等效輸入端噪聲電壓、電流，K為波爾茲曼常數，T為絕對溫度，△f為噪聲帶寬。對式(3)求導即 dF/dRS=0，得到最佳源電阻RSO=En/In。由此可知，在最佳源電阻鄰近區域，F能取較小的值，這是正確選擇源電阻以達到最佳噪聲性能的依據。

光電探測器可等效為源電阻很高的信號源，需要與高阻抗的負載電阻進行匹配以獲得最大增益。跨阻前置放大器可在直接耦合下滿足RSO≈RS的要求，在輸入端和輸出端之間跨接反饋電阻，形成電壓并聯負反饋，使得電路增益穩定、動態范圍增大、頻帶展寬，并且不需要均衡電路，低噪聲前置放大器的電路如圖4所示。跨阻前置放大器由集成運放器OPA2354設計來實現，能產生足夠大的輸出電壓克服后續電路噪聲的影響，其寬頻帶能匹配信號速率，從而獲得較好的噪聲和碼間干擾性能。

3 系統測試

為了驗證可見光通信音頻傳輸系統的傳輸效果，在室內對系統進行測試，觀察音頻信號在可見光上傳輸的接收效果。系統采用白光LED陣列(10×15)作為信號光源，音頻信號由語音合成芯片SYN6288產生，信號頻率可調。為了避免發射端調制信號的幅度過調制，造成載波脈沖信號寬度變化過大，使照明LED出現閃爍現象，發射端調制信號的幅度要適當控制，語音調制信號應在0.1 V～1.5 V之間。將發射端架設于離地面3 m高處，適當調整發射光源傾角，使其保持在5°～20°之間。采用PIN陣列進行接收，接收端在50 m×10 m范圍以一定的速度移動。為判斷接收到的是所需的光信號，可采用遮擋物阻斷通信鏈路來確認。經測試發現，在白光LED陣列50 m×10 m覆蓋區域內，語音信號頻率為300 Hz～2 600 Hz之間，在5～35 Lux光照度范圍內，PIN陣列均能正常接收語音信號；大于35 Lux時，解調輸出信號開始變形；大于128 Lux時，傳輸信號幅度過大臨近失真。光照度發生變化時，PIN陣列接收到的信號幅度會發生變化，但AGC輸出幅度值基本維持不變。限幅放大器將AGC輸出信號整形處理得到更平滑的輸出信號，輸出信號不隨光照度的變化而發生變化，幅度維持恒定值。由于低通濾波器的限制，語音信號頻率超過2 600 Hz時，解調出的信號波形會發生變形。圖5為音頻信號輸入發射端調制后得到的PWM信號，圖6為接收端輸出信號的波形，其背景信號噪聲弱。

利用白光LED構建短距離可見光音頻傳輸系統，實現了音頻信號在可見光上可靠傳輸。使照明LED在實現節約能源的同時，還能為高速寬帶的無線光接入提供一種新途徑，也為解決現有無線電頻帶資源嚴重有限的困境提供了一種新思路，為遠距離、大功率可見光通信系統的研究提供了一定借鑒和參考。但要真正實現高速可見光通信，還需要面對很多挑戰，如光源的帶寬拓展技術、調制編碼技術、無線信道傳輸技術等相關技術還需要進一步優化。

[1]駱宏圖，陳長纓，傅倩，等.白光 LED室內可見光通信的關鍵技術[J].光通信技術，2011（2）：56-59.

[2]胡國永.基于LED的可見光無線通信關鍵技術研究[D].廣州：暨南大學，2007.

[3]趙俊.基于白光LED陣列光源的可見光通信系統研究[D].廣州：暨南大學，2009.

[4]劉宏展，呂曉旭，王發強，等.白光 LED照明的可見光通信的現狀及發展[J].光通信技術，2007（7）：53-56.

[5]吳健，楊春平，劉建斌.大氣中的光傳輸理論[M].北京：北京郵電大學出版社，2006：1-30.

[6]胡晟，艾勇.自由空間光通信中氣象因素影響分析[J].光學與光電技術，2003，1(3)：17-20.

[7]郭玉，趙順平.低噪聲前置放大器有源器件的選擇[J].電測與儀表，2007，44（6）：62-64.

[8]周勝海，郭淑紅.基于低噪聲運放的傳感器前置放大器設計[J].儀表技術與傳感，2006（9）：38-39.

[9]唐立田，張海英，黃清華，等.一種高增益低噪聲低功耗跨阻放大器設計與實現[J].電子器件，2009，32(3)：566-567.