梁景熙++劉宏展

摘 要： 可見光通信（VLC）是一種基于白光發(fā)光二極管（LED）的新穎無線光通信技術(shù)，它能夠?qū)⒄彰饕约巴ㄐ艃纱蠊δ芎隙橐?。為了提高傳輸距離，考慮到白光LED本身帶寬有限，提出一種二進制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制預(yù)處理方案，設(shè)計與實現(xiàn)了相應(yīng)的LED調(diào)制發(fā)射、解調(diào)接收系統(tǒng)。分模塊闡述了系統(tǒng)各部分的原理與電路結(jié)構(gòu)，并且在硬件實驗中探究該通信系統(tǒng)的性能。結(jié)果證明，在調(diào)制信號頻率為50 kHz時，該系統(tǒng)最大不失真?zhèn)鬏斁嚯x達到503 cm，滿足低速、較長距離通信的要求。

關(guān)鍵詞： 可見光通信； 白光發(fā)光二極管； 二進制振幅鍵控； 硬件設(shè)計； 調(diào)制效果

中圖分類號： TN914.1?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0056?04

Hardware design and realization of visible light communication

system based on 2ASK modulation

LIANG Jingxi， LIU Hongzhan

（School of Information and Optoelectronic Science and Engineering， South China Normal University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The visible light communication （VLC） is a novel wireless optical communication technology based on white LED. It can integrate the illumination function with communication function. To increase the transmission distance， the binary amplitude shift keying （2ASK） modulation and pretreatment scheme is proposed by considering the limited bandwidth of white LED. The corresponding LED modulation transmitting and demodulation receiving systems were designed and realized. The principle and circuit structure of each module in the system are described. The performance of this communication system was explored in hardware experiments. The experimental results prove that the maximum distortionless transmission distance can reach 503 cm when the modulation frequency is 50 kHz， which can satisfy the requirement of low?speed long?distance transmission.

Keywords： visible light communication； white LED； 2ASK； hardware design； modulation effect

0 引 言

由于可見光通信具有保密性好、無電磁干擾等特點，如何提升VLC系統(tǒng)的傳輸速率、傳輸距離、穩(wěn)定度成為無線光通信研究的焦點。1999年，香港大學(xué)的Grantham Pang將音樂、電話等信號使用100 kHz的載波頻率發(fā)送到個人耳機，系統(tǒng)傳輸速率為28.8 KB/s，加入聚光鏡后的傳輸距離[1]為200 cm。2008年，長春理工大學(xué)的魏承功用OFDM的調(diào)制方法實現(xiàn)了最遠(yuǎn)90 cm的傳輸[2]，調(diào)制頻率達到1 MHz。2011年，華中科技大學(xué)的譚家杰使用FPGA進行PPM調(diào)制[3]，系統(tǒng)的傳輸速率可達3 MHz，6個LED在無聚焦透鏡的情況下可傳輸210 cm?？煽闯鲆酝难芯恐攸c大多放在速率上，很少以提高傳輸距離作為改良方向，而在調(diào)制光源方面，越來越多的研究結(jié)果中采用的是光脈沖調(diào)制[4]。但在對光源進行脈沖調(diào)制時，加載在白光LED上的信號有明顯失真。本系統(tǒng)為了減小這種失真，并達到更遠(yuǎn)的傳輸距離，提出對信號先進行預(yù)處理的設(shè)計方案，即對信號進行二進制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制，再對光源進行模擬強度調(diào)制。另一方面，在文章中將會著重分析如何去實現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)射和接收模塊的電路結(jié)構(gòu)。

1 2ASK預(yù)處理的可見光通信系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，本系統(tǒng)由發(fā)射模塊以及接收模塊組成，其中發(fā)射模塊具有重要的LED調(diào)制模塊、LED驅(qū)動模塊，是解決失真問題、提高傳輸距離的關(guān)鍵所在。另一方面，接收模塊也配合作出相應(yīng)的放大、濾波、解調(diào)等設(shè)計，力求獲得接近信號源的還原信號。

1.1 2ASK調(diào)制模塊

近年以來，可見光通信系統(tǒng)較為簡單的調(diào)制方式有OOK和PPM兩種，它們均屬于數(shù)字基帶調(diào)制，是直接去調(diào)制光脈沖，分別以光脈沖的有無和光脈沖的位置來表示所傳輸?shù)男盘朳5?6]。從本質(zhì)上看，LED搭載的是一個數(shù)字信號，通過傅里葉變換分析可得到高次諧波分量?？紤]到發(fā)射端電路中的各種電子元件（如驅(qū)動電路中的三極管等）具有一定的增益帶寬積，且由于白光LED受自身磷熒光粉的影響，其有效的3 dB帶寬僅為1 MHz左右[7]，調(diào)制在LED上的數(shù)字信號會有一定的失真，影響系統(tǒng)發(fā)射信號的波形。本文的調(diào)制方式針對帶寬有限，先對信號做預(yù)處理。若信號源發(fā)出的是數(shù)字信號，為了避免LED上的失真，可對信號進行2ASK調(diào)制，把調(diào)制后的信號再輸入到LED驅(qū)動電路。二進制振幅鍵控（2ASK）信號的碼元“1”和“0”用有無正弦載波傳送[8]，簡單易行，表達式為：

2ASK調(diào)制方式有2種實現(xiàn)方法：相乘法與開關(guān)法，本系統(tǒng)用開關(guān)電路來實現(xiàn)，也可稱之為OOK調(diào)制。若把系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)字信號當(dāng)作單極性碼，即數(shù)字“1”用高電平表示，數(shù)字“0”用零電平表示，可采用模擬開關(guān)很簡便地實現(xiàn)，載波在二進制信號“1”和“0”的控制下接通和斷開，如圖2所示。

這種調(diào)制方式把高電平轉(zhuǎn)換成固定頻率的載波，不僅能夠很好地克服發(fā)射端信號失真的問題，又使接收端更方便地進行濾波；另一方面，為了使已調(diào)信號更加穩(wěn)定、精確，使用有源晶振產(chǎn)生一個1 MHz的正弦載波信號，晶振的選頻電路以及模擬開關(guān)（4066BD）組成的調(diào)制電路如圖3所示。

系統(tǒng)中選用了高頻三極管2SC1815，使載波的峰值足夠大，選頻電路調(diào)諧在1 MHz附近，確保正弦載波沒有多余噪聲，調(diào)制信號從4066BD的S1口輸入，已調(diào)信號從D1口輸出到LED驅(qū)動電路中，在理論上來說，若發(fā)射模塊的總帶寬可以達到1 MHz以上，在LED處所測到的調(diào)制信號便不會失真。

1.2 大功率LED驅(qū)動模塊

LED光源的直接強度調(diào)制有兩種，分別是數(shù)字信號對其進行脈沖調(diào)制或者模擬信號對其進行模擬強度調(diào)制[9]。本文的方案屬于對光源的模擬強度調(diào)制。為了把2ASK調(diào)制后的電流量準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為LED所發(fā)出的光強度量，LED的工作電流必須與發(fā)射功率滿足近似線性關(guān)系，即必須要遵循LED的調(diào)制特性，可由光功率?電流曲線描述。另一方面，定義光調(diào)制度[m]為：

[m=12I調(diào)制I偏置] （3）

式中[m]表示交流調(diào)制信號與直流偏置的關(guān)系。由P?I曲線可知，直流偏置線應(yīng)盡量位于線性部分的中點處，在不失真的前提下使調(diào)制信號趨向于最大，即可以使光調(diào)制度最大。目的是讓接收端更容易探測到光信號的變化，降低所需的總光功率大小。

為了驅(qū)動大功率LED燈，驅(qū)動電路采用共集電極型放大電路，這樣能夠把已調(diào)信號的電流量充分放大，同時又給LED一個直流偏置，使之工作在P?I曲線的線性部分中點處，各電阻、電容取值如圖4所示。

1.3 接收模塊

1.3.1 PIN管與前置放大器

接收模塊中的前置放大器對后級來說尤為重要，既起到把光電流轉(zhuǎn)成電壓的作用，又有一定的放大性能。根據(jù)多級效應(yīng)，前置放大器作為接收端的第一級，必須要有噪聲較小、帶寬較大的特點。本裝置選用了超低失真、低噪聲、高轉(zhuǎn)換速率運算放大器中的LM4562，其轉(zhuǎn)換速率達20 V/μs，增益帶寬積達55 MHz，符合前置放大器的要求，由LM4562組成的電路如圖5所示。

PIN光電二極管選用型號為BPW34，感光面為方形，具有暗電流小、靈敏度高的特點，適合用于可見光通信系統(tǒng)中。在電路上為了避免噪聲的干擾，并考慮PIN管更加精確的線性工作，本電路采用光伏模式（零偏置工作模式）。圖中[R1]作為限流電阻，[R2，C1]構(gòu)成負(fù)反饋電路，放大輸入信號，[R3]作為運算放大器正極的補償電阻。

1.3.2 高通濾波電路

可見光通信系統(tǒng)可接收到來自白熾燈、太陽等的背景光，它們都屬于低頻信號。本裝置的第二級采用壓控電壓源二階高通濾波電路，把多余的低頻成分都濾除，還原成較為理想的2ASK調(diào)制波形，有利于后級的信號處理，電路如圖6所示。

電路的截止頻率[fp]由[R，C]決定[10]，[fp]的取值應(yīng)略低于載波頻率1 MHz，而[Rf]與[R1]決定了放大倍數(shù)，此處不宜放大太多倍，因為在增益帶寬積一定的前提下，增益太大會導(dǎo)致帶寬變小。

1.3.3 主放大電路

經(jīng)過前置放大、濾波后的信號，其幅度大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能滿足解調(diào)的閾值條件，所以必須經(jīng)過進一步放大。由于載波頻率較高，若采用高頻三極管組成多級放大電路，不僅可以節(jié)約成本，還能夠獲得比運算放大器更好的增益倍數(shù)。不過在使用三極管放大電路時，在輸入/輸出端口處需要慎重考慮阻抗匹配的問題，結(jié)合共集放大電路的使用能夠讓三極管組成的主放大器性能更佳。根據(jù)實際接收到的信號大小，可調(diào)整電阻阻值來獲得不一樣放大倍數(shù)的電路，如圖7所示。

1.3.4 2ASK解調(diào)與整形電路

在接收端，2ASK信號的解調(diào)方法有兩種，即包絡(luò)檢波法和相干解調(diào)法。由于相干解調(diào)需要獲取較準(zhǔn)確的同步信號才能夠?qū)崿F(xiàn)，本裝置采用包絡(luò)檢波法。這種方法要注意兩方面：輸入電壓以及輸出電壓的關(guān)系[11]；二極管導(dǎo)通時的充電時間以及截止時的放電時間，并且要避免惰性失真與底部切割失真。所以，必須通過模擬計算得到R，C的具體取值，滿足以上條件。按照本裝置的載波頻率計算的取值大小如圖8所示。

圖8 2ASK解調(diào)與整形電路圖

本裝置通過肖特基二極管半波整流，經(jīng)過低通濾波解調(diào)，發(fā)現(xiàn)包絡(luò)檢波后的波形仍不理想，所以添加一個由過零比較器組成的整形電路在末端，從而獲得更好的信號波形。

2 實驗結(jié)果與分析

按照本文方案制作的LED可見光通信系統(tǒng)，把調(diào)制信號先進行2ASK調(diào)制預(yù)處理，使用5個1 W的LED燈發(fā)射，并由PIN光電二極管（BPW34）接收。測試時，由信號發(fā)生器的矩形波作為調(diào)制信號，通過模擬開關(guān)以及晶振電路調(diào)制，接收解調(diào)后可在數(shù)字示波器上觀察信號接收的效果，并根據(jù)效果進行分析，實驗環(huán)境如圖9所示。

實驗結(jié)果證明，5個1 W的LED所發(fā)出的光照度為2 290 lx，固定發(fā)射端不動，從距離其100 cm處開始移動接收端，若調(diào)制頻率選為50 kHz，直到距離發(fā)射端500 cm處為止均可在接收端恢復(fù)占空比正確的矩形波信號。而當(dāng)傳輸距離大于503 cm時，占空比開始發(fā)生變化，這是因為在傳輸過程中光信號的強度隨距離增大而減小，達不到濾波與解調(diào)的閾值。另外，受到LED帶寬限制，不能使用更高頻率的正弦載波，這就局限了調(diào)制信號頻率的最大值，調(diào)制頻率僅為1～61 kHz，當(dāng)頻率繼續(xù)上升時，由于調(diào)制頻率與載波頻率比值不滿足解調(diào)的要求，也恢復(fù)不了正確的信號，所以系統(tǒng)無法進行高速率的通信。

3 結(jié) 論

可見光通信作為新一代的光通信技術(shù)，依靠LED的高速調(diào)制特性，使其能夠運用在照明與通信兩大功能中，具有科學(xué)研究的價值與意義。本文采用2ASK調(diào)制的預(yù)處理方法，初步探索如何去提高VLC系統(tǒng)的傳輸距離，設(shè)計并實現(xiàn)了一套完整的系統(tǒng)硬件設(shè)備。在給出每個模塊的電路圖以及具體參數(shù)的同時，也對每個模塊的功能和約束條件進行了分析。最后，通過實驗研究，系統(tǒng)的最大傳輸距離可達到503 cm，證明本設(shè)計可作為提高VLC系統(tǒng)傳輸距離的一個新案例。

注：本文通訊作者為劉宏展。

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