基于大功率LED光強調制的可見光通信研究

潘國興　田豐　李軒　王茹鈺　張龍飛

摘要：大功率LED不僅可以提供室內照明，而且可以應用到無線光通信系統中，滿足室內個人網絡需求。文章對基于大功率白光LED的室內可見光通信系統進行了研究，對LED用作通信時的輻射模式及機理做了理論上的探討，進而研究了通信系統的通信信道，對通信鏈路的構成進行了分析，給出了一種基于大功率LED光強調制的聲音信號無線傳輸系統。

關鍵詞：大功率LED；光強調制；可見光通信；通信信道；輻射模式 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN929 文章編號：1009-2374（2015）27-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.013

基于大功率LED光強調制的可見光通信系統的設計目的在于幫助理解如何利用大功率LED傳遞聲音信號，如何進行光強的處理和調制，聲音信號或聲波電信號如何調制LED光強；攜帶了聲音信號的光如何解調恢復原來的聲音信號。本文的設計思路來自于光纖通信技術課程以及其鼻祖貝爾博士的光電話裝置。本文采用10W大功率LED作為光源，采用以PT2201為核心芯片的開關恒壓電源給整個系統供電，以實現LED的功率穩定。設計獨特的大功率LED驅動電路來實現對光強的

調制。

1 方案論證與設計

1.1 系統結構

該系統結構包括可見光通信發端裝置、光通信收端裝置、可見光通道以TPS4021為核心芯片的開關恒壓電源、8Ω揚聲器等。

1.2 模塊功能與方案論證

1.2.1 電源模塊。大功率白光LED通信收發模塊的供電裝置。

方案一：開關電源是直流電轉變為高頻脈沖電流，將電能儲存到電感、電容元件中，利用電感、電容的特性將電能按預定的要求釋放出來，以改變輸出電壓或

電流。

方案二：線性電源沒有高頻脈沖和儲存元件，它利用元器件線性特性在負載變化時瞬間反饋控制輸入達到穩定電壓和電流。

比較兩種方案，開關電源可以降壓，也可以升壓；線性電源只能降壓。開關電源效率高；線性電源效率低。開關電源波紋大；線性電源控制速度快，波紋小。綜上所述，選擇方案二。

1.2.2 可見光通信發端模塊。通過驅動電路將輸入的電信號轉換成大功率LED等的光強變化，從而實現對聲音信號的電光轉換。

方案一：數字信號傳輸。先將輸入的模擬電信號轉化為數字信號，然后通過占空比的變化來控制LED的

亮度。

方案二：模擬信號傳輸。通過放大電路驅動LED燈，直接將輸入的模擬信號轉化為光信號。

通過比較兩種方案，數字傳輸干擾較少，靜噪功能較強，但是電路實現復雜。而模擬傳輸雖然會產生噪聲，但是通過一些簡單的電路就能達到很好的防干擾效果，且電路實現簡單，易于調試及其他操作，故選方

案二。

1.2.3 可見光通信接收端模塊。將發端模塊傳輸的光信號轉換成電線號，再通過放大電路驅動揚聲器，還原輸入信號，從而實現光電傳輸功能。

方案一：光敏電阻。電阻值根據光照強度發生

變化。

方案二：硅光電池。根據光照強度可以輸出電壓和電流。

方案三：光敏二極管。二極管反向電流根據光照強度發生變化。

方案四：太陽能電池板。有光照就產生電勢差，可以輸出一定的電能。

理論上講，以上四種方案都可以完成所要求的功能，但這里主要是對電壓信號的控制，涉及到光強的高速調制，所以選用了精度、靈敏度較高的硅光電池來完成光電轉換。

2 設計原理

2.1 白光通信收發裝置示意圖

白光通信收發裝置示意圖如圖1所示：

圖1 系統原理示意圖

2.2 發送聲音信號

一般采用麥克風/MP3將聲音信號轉換成電信號或信號發生器產生的低頻模擬信號。受實驗條件限制和簡便起見，本實驗裝置采用電腦耳機輸出信號作為輸入信號，該信號是一個隨聲波信號振蕩的電壓信號。

2.3 驅動電路優化設計

電腦耳機接口輸出的是隨聲音信號振蕩的電壓信號（簡稱聲波電信號），大約0.2V左右，聲波電信號為弱電壓信號，不足以直接驅動LED工作，需要放大電路進行電信號放大。以精密運放OPA2227為核心的放大電路后的聲波電信號，經過電壓比較器將聲音信號做一個簡單的調制，比較器輸出的信號來驅動MOS管TPS28225驅動電路，進而驅動LED來閃爍，以完成對LED光強的調制。經過這樣的一個調制過程，LED光源輸出的光強亦能隨聲波信號振蕩。調制帶寬是衡量LED的調制能力的參數，是LED用于無線光通信的重要參數之一，它關系到LED的數據傳輸速度大小。LED的調制帶寬主要受有源區載流子復合壽命和PN結電容的影響。在白光LED制造工藝上，除了減少載流子復合壽命和減小寄生電容，我們還可采用具有很大的潛在調制帶寬的多芯片型白光LED。

解調得到的聲波電信號，即光電流，電流值很小，一般小于0.1mA。如此小的聲波電信號顯然無法驅動傳統的揚聲器設備，需要放大電路進行電信號放大。

2.4 白光LED的線性特性

圖2所示是通過白光LED的調制信號與輸出功率的關系曲線。為了獲得線性調制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分必須在加調制信號電流的同時加一適當的偏置電流I，這樣就可以使輸出的光信號不失真。

圖2 LED的調制信號與輸出功率的關系曲線

2.5 半導體光源的調制

無論是LD或LED做光源，都要施加偏置電流，使工作點處于LD或LED的P-I特性曲線直線段，如圖2所示，其調制線性好壞與調制深度m有關：

2.6 接收LED光源信號

要把攜帶了聲音信號的LED光接收下來，需要光敏元器件，一般采用硅光電池（光敏二極管）或光敏電阻，太陽能電池板也可以，由以上論證可選擇靈敏度較高的硅光電池。

2.7 解調LED光源信號及聲音還原

硅光電池將接收到的光信號轉換成電壓信號，相應地攜帶了聲音信息的光強轉換成為聲波電信號，解調得到的聲波電信號，即光電流，電流值很小，一般小于0.1mA。如此小的聲波電信號顯然無法驅動傳統的揚聲器設備，需要經OPA222為核心的放大電路放大，以驅動揚聲器還原出聲音。

圖3

3 結果分析

經過測量，該裝置達到并且很多地方超過了設計要求，但仍然有很多提升空間，例如硅光電池接收信號以后的電路所驅動的喇叭聲音不是很大、靜噪部分做得也不夠完善等，可通過增加功放、靜噪模塊來完善聲音效果和提高系統的抗干擾能力。

4 結語

（1）采用大功率LED做光源既增大了傳輸距離，又可以很好地排除外界光的干擾，增強了系統的穩定性；（2）采用了較少的元器件和設備，實現了聲光調制、LED光的空間傳輸、光聲解調，對于很好地理解光電特性、光信息處理、對大功率LED光的調制解調、光信息傳輸具有一定的意義；（3）本設計電源采用開關恒壓電源，為系統提供穩定的電壓，大功率白光通信收發模塊采用大功率LED將輸入的聲音信號或單頻聲信號，通過高精度的硅光電池接收，然后由驅動電路驅動喇叭還原輸入信號。經過測試，該系統能夠完成大功率LED可見光通信功能，并且所有指標都已達到設計預想要求。

參考文獻

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作者簡介：潘國興（1992-），男，山東理工大學電氣與電子工程學院學生，研究方向：光信息科學與技術。

（責任編輯：周 瓊）