馬佳何寧

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 引言

可見光通信技術(shù)是一種新興的無線光通信技術(shù)，隨著白光LED的發(fā)明和應(yīng)用，可見光通信技術(shù)得到了很好的發(fā)展。在照明方面，白光LED因為擁有環(huán)保和節(jié)能等特點而被認為最終將取代熒光燈、白熾燈等傳統(tǒng)照明光源，成為下一代固體照明光源。在功能方面，白光LED還具有響應(yīng)時間短和高速調(diào)制的特性，這些特性使得白光LED在提供照明的同時，還可以用作通信光源實現(xiàn)無線高速數(shù)據(jù)接入。而與傳統(tǒng)的紅外和無線電通信相比，基于白光LED的可見光通信具有發(fā)射功率高、無電磁干擾和無需申請頻譜資源等優(yōu)點。因此，白光LED作為照明和通信兩用光源具有很大優(yōu)勢，可以實現(xiàn)中短距離的通信。本文利用白光LED的照明和通信功能，實現(xiàn)中短距離的指向通信，為照明LED的應(yīng)用提供一種新的方法。

1 LED照明與PWM驅(qū)動通信原理

1.1 LED照明通信原理

LED的本質(zhì)為PN結(jié)，由于PN結(jié)具有勢壘電勢，在外加偏壓為零、熱平衡的情況下，LED不發(fā)光。當LED兩端加上正向偏置電壓，電子從N區(qū)向P區(qū)注入，空穴從P區(qū)向N區(qū)注入，在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合時會把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來。

利用LED此特性可實現(xiàn)照明LED可見光通信這種新型無線光通信技術(shù)，其存在協(xié)同潛力，具有照明功能和通信功能[1]。LED通信技術(shù)是指利用LED器件高速亮滅的發(fā)光響應(yīng)特性發(fā)出高速率調(diào)制的光載波信號，利用光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號。無線通信系統(tǒng)多采用光強度調(diào)制/直接探測（IM/DD）技術(shù)。

目前，無線光通信普遍采用光強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)調(diào)制方案。LED的光強度調(diào)制主要有模擬和數(shù)字信號調(diào)制。數(shù)字脈沖調(diào)制采用二進制信號“0”和“1”對光載波進行調(diào)制，實現(xiàn)簡單。通常把要傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)通過編碼后，形成一組脈沖碼元，再對光源進行強度調(diào)制，其主要調(diào)制方式有開關(guān)鍵控（OOK），脈沖位置調(diào)制（PPM），數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（DPIM）等[2]。其中在OOK調(diào)制中，每一比特時間T（單位S）內(nèi)光脈沖處于開或關(guān)的狀態(tài)，信息“1”表示光發(fā)射器輸出光脈沖，信息“0”表示無光脈沖輸出。相較于其他調(diào)制方式，雖然OOK功率效率較低，抗干擾差，但是實現(xiàn)簡單，對帶寬需求小，且本課題設(shè)計的LED照明通信對光傳輸速率和距離要求不高，故系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式。

1.2 PWM驅(qū)動通信原理

PWM調(diào)光是常用做LED驅(qū)動器的調(diào)光方式。PWM調(diào)制是指脈沖載波的持續(xù)時間隨調(diào)制波的樣值而變的脈沖調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方式。PWM調(diào)光是使開關(guān)電路以相對于人眼識別能力來說足夠高的頻率工作，通過設(shè)置周期和占空比來改變輸出電流平均值，其輸出電流只有兩種狀態(tài)：最大額定工作電流和零電流。PWM調(diào)光可以保證LED的色溫恒定，驅(qū)動器的效率較高，并且能夠精確控制[3]。

PWM調(diào)光基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED時亮?xí)r暗，如果亮暗的頻率超過100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。PWM調(diào)光通過調(diào)整亮和暗的時間比例來實現(xiàn)調(diào)整亮度。這種方法通過把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號加載到調(diào)整亮和暗時間比例的引腳即可實現(xiàn)調(diào)光。

2 光路掃描控制與空間定位設(shè)計

空間光通信主要包括建立通信鏈路與傳輸信號兩部分，其中快速準確的捕獲對方端機，建立通信鏈路并保持信道穩(wěn)定可靠是空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)，即 APT（Acquisition，Pointing and Tracking）技術(shù)[4]。

APT系統(tǒng)的基本步驟可分為三個階段：捕捉、對準和跟蹤。捕獲過程是指接收機搜索不確定區(qū)，尋找發(fā)射機發(fā)射的信號過程。瞄準過程是指接收機根據(jù)接收到的光束到達方向，在精度允許的范圍內(nèi)將本地的發(fā)射光束對準另一端發(fā)射機的過程。跟蹤是指在接收機根據(jù)接收到的光束判定光束到達方向，并保持監(jiān)視接受光束的過程。APT系統(tǒng)主要由光學(xué)天線系統(tǒng)、位移伺服系統(tǒng)、粗跟蹤系統(tǒng)、精跟蹤系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中，粗跟蹤系統(tǒng)的捕獲范圍較大、伺服控制執(zhí)行機構(gòu)的精度要求較低、功能是完成捕獲和對準，精跟蹤系統(tǒng)的捕獲范圍較小、伺服控制執(zhí)行機構(gòu)的精度要求高、功能是在完成粗跟蹤后，能夠按照總體設(shè)計所提出的跟蹤精度要求跟蹤信號光束，并向主發(fā)射端機發(fā)出相應(yīng)反饋信號。監(jiān)控系統(tǒng)的作用是采集光斑圖像并記錄光斑圖像，通過記錄下的光斑信息，為控制位移伺服平臺提供偏移量的參考數(shù)據(jù)。

除圖像信息捕獲分析外，采集判斷信號光強也是一種跟瞄方法[5]。本次實驗采用光強跟瞄的方法。

掃描裝置控制：根據(jù)光斑的尺寸預(yù)設(shè)程序參數(shù)，控制發(fā)射信標的轉(zhuǎn)動范圍和轉(zhuǎn)動速度，同時預(yù)設(shè)信號采集的采樣行數(shù)點數(shù)。

信號采集：接收探頭是由光敏二極管和放大電路組成，將光強度信號轉(zhuǎn)換為放大的電信號，然后將電信號連接到信號采集器，由信號采集器的控制程序記錄電信號強度數(shù)據(jù)。

光強數(shù)據(jù)中電壓信號最強點即光斑中心即為定位系統(tǒng)的目標位置。系統(tǒng)根據(jù)掃描結(jié)果，確定光斑中心，確定鏈路供后續(xù)光通信。

3 短距離指向通信系統(tǒng)實現(xiàn)

本實驗設(shè)計的短距離指向通信系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的指向定向傳輸，系統(tǒng)組成包括數(shù)字發(fā)送端，云臺指向控制端，光發(fā)射端和定向接收端。發(fā)射端與指向控制的接收端為定向傳輸，指向控制的發(fā)射端與接收端為指向傳輸。

由于照明LED通信只適用于短距離，本次實驗選擇LED照射有效距離為5-30米，但為了確保照射亮度，本次光傳輸距離設(shè)計為10米，為了延長通信距離，所以本次實驗設(shè)計在通信過程中加入中繼部分。且由于本次實驗需完成一對多的定向通信，所以中繼部分需要有指向傳輸功能。由于實驗設(shè)計需要建立完整光通信鏈路使中繼部分與兩端實時傳輸信號，所以中繼部分設(shè)計為由云臺控制的指向傳輸控制端。

指向控制端通過探測器把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號放大后處理送入單片機，由單片機發(fā)出云臺轉(zhuǎn)向指令，通過控制電路驅(qū)動云臺轉(zhuǎn)動。

系統(tǒng)傳輸?shù)倪^程：1）發(fā)射端發(fā)射控制信息傳輸給控制端，指向傳輸控制端云臺接收到控制信息轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度并通過空間定位與接收端握手建立光通信鏈路。2）鏈路建立完成后，指向控制端回傳信號給發(fā)射端，表示鏈路已建立，可以開始實時傳輸數(shù)據(jù)。3）發(fā)射端開始發(fā)送信號，首先由單片機生成初始數(shù)字信號，通過FSK調(diào)制，將初始信號加載到由兩個不同的載波頻率表示的調(diào)制信號上；然后將已調(diào)制的信號送至LED驅(qū)動控制，驅(qū)動LED發(fā)送信號。4）指向傳輸控制端接收到已調(diào)信號后實時發(fā)射，把接收到的已調(diào)信號發(fā)送給定向接收端。接收端完成光接收后，通過信號放大解調(diào)濾波等步驟解調(diào)得到數(shù)字信息，完成數(shù)據(jù)的光傳輸。

數(shù)字通信過程中采用的是FSK調(diào)制，使用兩個不同頻率的載波f0、f1表示調(diào)制信號“0”和“1”。 其中 f0載波由 455kHz晶振電路產(chǎn)生，f1載波由38kHz晶振電路產(chǎn)生。通過74LS02芯片把載波信號疊加成FSK調(diào)制信號，輸入LED驅(qū)動。接收端采用型號為FDS100的光電探測器，其檢測波長范圍350-1100nm，探測面積3.6nm*3.6nm，暗電流為20nA，帶寬為35MHz。前置放大器將光電探測器探測到的微弱電流信號轉(zhuǎn)化為一定幅度的電壓信號以供后續(xù)電路處理，要求較高的增益，以便克服后續(xù)電路的損耗。放大后的信號通過包絡(luò)檢波和整形電路進行解調(diào)。其中D2為檢波二極管，RC組成低通濾波器，由LM358構(gòu)成電壓比較器，為解調(diào)后的信號整形，同時它也是一個判決器，通過R20設(shè)定合適的電平判決閾值，使接收機不但能準確識別微弱的可見光信號，而且能有效避免噪聲干擾，解調(diào)后的波形由LM358輸出，傳送給單片機進行譯碼。

4 系統(tǒng)實驗與分析

本次實驗為達到短距離照明和通信功能，選用大功率LED投射燈，照射距離可達到5-30米，采用高亮度進口芯片、亮度高、能耗低、熱量低、壽命長，適合樓宇之間照明和室外通信。但由單片機發(fā)送的調(diào)制信號不能直接驅(qū)動LED投射燈，需要接入LED電源驅(qū)動，本次選用的是由mos管控制的恒壓開關(guān)電源驅(qū)動，在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路，漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。經(jīng)過實驗測試mos管控制恒壓開關(guān)電源驅(qū)動LED投射燈能有有效實現(xiàn)照明和通信功能，滿足實驗要求。

本次實驗測試模塊分為發(fā)射模塊、控制模塊和接收模塊。數(shù)字通信中由單片機生成初始信號經(jīng)過FSK調(diào)制將信號加載到455kHz和38kHz的載波上，接入mos管柵極，漏極接恒壓電源，驅(qū)動LED照明并發(fā)射信號。光電探測器接收到微弱信號經(jīng)過多級放大后得到幅度合適的信號，通過檢波濾波后恢復(fù)初始信號。其中，暗波形為38kHz的正弦波載波，亮波形為455kHz的正弦波載波，疊加組成500Hz的初始方波信號。發(fā)射接收的波形如圖1。

圖1 發(fā)射接收端波形圖

5 結(jié)論

本文基于短距離LED指向通信信號傳輸?shù)奶接?，設(shè)計了一種可完成短距離數(shù)字傳輸?shù)墓馔ㄐ畔到y(tǒng)。經(jīng)實驗測試表明，通過掃描空間定位建立鏈路，調(diào)制解調(diào)編碼，PWM控制開關(guān)電源驅(qū)動LED，云臺控制指向等技術(shù)，可以有效的完成短距離LED指向通信傳輸系統(tǒng)的功能。

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