基于大功率LED的可見光通信系統設計

楊曉日

【摘要】 基于大功率LED的可見光通信系統，充分的利用了LED的優點，能夠在LED可見光上進行信號的傳輸，并且該種通信技術還具有無電磁干擾、發射功率高以及對人眼無害等眾多優點，被廣泛的推廣和應用在通信領域。因此，文章研究了大功率LED輻射模式，設計了基于大功率LED的可見光通信系統，并對該系統進行了測試，以供參考。

【關鍵詞】 大功率 LED 可見光通信系統 設計

一、前言

現階段，通過利用LED的優點，實現LED和通信的融合，逐漸的形成一種全新的可見光通信系統，該種通信技術和傳統通信技術相比，具有不受電磁干擾、降低成本、提高私密性和安全性、寬帶高、覆蓋面廣等眾多優點。但是，基于大功率LED的可見光通信系統設計相對復雜，需要對大功率LED的輻射模式進行研究，并嚴格的控制可見光通信系統設計的各個要點，以便于更好的提高基于大功率LED可見光通信系統的設計質量，更好的滿足通信要求。因此，文章針對基于大功率LED可見光通信系統設計的研究具有非常重要的現實意義。

二、大功率LED輻射模式研究

LED燈的發光強度會隨著輻射角度的變化發生一定的變化，所以接收端在不同角度接收到的光強度也存在差異。通常狀況下，LED燈具的輻射特性服從朗伯輻射模型，由發光芯片參數決定模型的朗伯模式和朗伯分量的方向性，由LED自身結構的透鏡參數、密封層以及反射片等決定LED發光模式中的高斯模式以及高斯分量的方向性。LED發光強度模型包括兩種，即余弦類發光模型（公式1）和高斯類發光模型（公式2），分別表現為：

式中：i表示模式序號；I（θ）表示發光強度分布函數；θ表示發射角；c1i、c2i、c3i表示余弦發光模式參數；g1i、g2i、g3i表示高斯發光模式參數。

為了獲得一種通用的發光模型，可以對不同的分量進行線性重疊，這樣能夠獲得全新的發光模型：

式中：η0表示朗伯傳遞函數；ηi表示高斯模式權重系數；m表示朗伯模式的方向性指數；wi表示高斯法功模式的光斑半徑；k表示高斯模式分量的數量。

三、基于大功率LED的可見光通信系統設計

3.1可見光通信系統設計關鍵技術

基于大功率LED的可見光通信系統設計關鍵技術主要包括以下幾個方面：

1、調制、編碼和解調技術。現階段，可見光通信系統通常采用強度調制的直接檢測非相干系統，并采用二進制啟閉鍵控編碼的編碼方式。因為OFDM能夠有效的降低多徑傳播過程中符號間的干擾，和傳統的均衡器單載波系統相比，該系統的設計復雜程度較低，通常采用正交頻分復用調制技術進行設計。

2、光源選擇。光源作為可見光通信系統的照明設備，具有輻射范圍廣、功耗低、散熱小以及亮度高等優點，并且作為光通信系統的光源，具有發射功率大、響應靈敏度高、調制性能好以及使用壽命長等優點。因此，在設計基于大功率LED的可見光通信系統時，最好的光源為白光LED。系統實際應用的環境、設施等不同，為了達到最佳的通信效果，應該保證室內光強度分布的穩定性，盡可能的防止出現通信盲區。因此，這就需要根據房間的實際狀況，對LED等的布局進行合理的安排。

3、碼間干擾克服技術。由于受到LED燈分布位置以及大氣信道中粒子散射的印象，會導致光脈沖、傳輸在時間上有一定的延伸，所有符號的脈沖都會加寬延伸到相鄰符號的時間間隔內，對系統產生一定的碼間干擾，這就要求采用碼間干擾克服技術進行處理，避免出現系統性能惡化的現象。

4、可見光信道。可見光通信系統和紅外無線通信的信道沖激響應不同，兩種系統發生碼間串擾的原因也存在差異，需要對時變信道環境、多光源的VLC系統的信號沖激響應導致的ISI進行深入的研究，這樣能夠有效的解決ISI問題。

3.2發射端設計

1、LED驅動電路。采用DD311恒流驅動器能夠對LED驅動電路輸入高達1A的電流，并且輸入電流的大小可以通過調整輸入電流來進行控制。為了提高帶那樣的穩定性，應該在電源輸入部分輸入100μH的電感，當電壓超過3.3V時，導通輸出電流；當電壓為0時，將關閉輸出電流。

2、PWN調制電路。通過TL494脈沖寬度對放大后的音頻信號進行調制，通過調節外部電容和電阻調節振蕩頻率，通過對電容的正極性鋸齒波、控制信號進行比較，調控輸出脈沖的寬度，為了提高調制效果，則應該將頻率調制為3×105Hz。

3、前置放大。發射端輸入音頻信號電壓峰的峰值為100mV，前置放大電路偷偷農場應用LM324，供電電源電壓控制在3V-32V之間，靜態功耗相對較小，可以對單電源進行兩級放大，能夠將音頻信號增大至峰值的五倍。

3.3接收端設計

接收端采用最小的失真和附加噪聲，恢復通過無線光信道傳輸后光載波傳播的信息，因此接收端的輸出性能，會對可見光通信性能的性能產生巨大的影響。接收端設計主要包括以下幾個方面：

1、AGC電路設計。接收端的主放大器為兩片AD603，采用順序級聯方式，由9018完成自動增益控制檢波，并且送出控制電壓，通過兩級AD603放大的信號一路由C10傳輸至9018進行AGC檢波，另一路由J2送到下一級通道。隨著信號輸入增大，9018的瞬時電流和相應的集電極電流也會隨之增大，同時增大兩端的瞬時壓降，降低集電極的瞬時電壓，隨之降低AGC控制電壓。當輸入信號降低時，會增加AGC控制電壓，即輸入信號的強度和控制電壓成反比，能夠很好的滿足AGC電壓反向控制要求。

2、光電轉換模塊。光敏二極管是光電轉換模塊的核心，為了保證其能夠正常的運行需要加上反向電壓。光電轉換模塊采用規格為（1×1）mm的PIN探測器，相應波長介于400nm-1000nm之間，對可見光波段進行覆蓋。當沒有光照時，只有很小的暗電流（飽和反向剩余電流），此時截止光敏二極管。當有光照時，會顯著的增加暗電流，產生光電流，并且隨著入射光強度的變化發生相應的變化。如果光線照射PN結，能夠讓PN結形成電子空穴對，在一定程度上能夠增加載流子的密度。在反向電壓的作用下，這些載流子會隨之漂移，導致反向電流增大，光電流的強度隨著可見光的強弱發生變化。

四、系統測試

為了保證基于大功率LED的可見光通信系統具有良好的音頻傳輸功能，則應該對設計好的可見光通信系統進行測試，在距離光二極管1m的位置放置大功率LED，并采用手機在室內進行播放音樂作為輸入信號，通過測試獲得輸出端的波形圖，如圖1所示：

五、結束語

綜上所述，在進行基于大功率LED的可見光通信系統設計時，應該根據LED輻射模型，并嚴格的控制各個設計要點，主要包括可見光通信系統設計關鍵技術、發射端設計要點、接收端設計要點等，并且當可見光通信系統設計完成之后，為了驗證其音頻傳輸功能，還應該對設計好的可見光通信系統進行測試，根據測試獲得的輸出端波形圖，判斷其音頻輸出性能是否符合實際通信要求。

參 考 文 獻

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