一种基于白光LED的无线光通信收发装置

刘 嘉

(太原师范学院 物理系，山西 晋中 030619)

随着技术的不断进步，可见光通信在近十年来发展十分迅速，它是通过将信号调制为可见光的光信号.这样一来，通过照明光源就可以实现信息的无线传递，进而构建可见光无线通信网络[1].这一技术与白光 LED 相结合，则有更为明显的技术优势.由于白光LED照明设备具有污染小、长寿命、低功耗、小尺寸等诸多优点[2]，将可见光通信与白光LED相结合，以肉眼难以察觉的光强变化作为信息传递的载波，将有望利用光无线通信替代目前的无线局域网，实现成本低廉、使用便捷的室内无线通信网络.

本文设计了一套基于白光LED的语音无线通信收发装置，并经过测试.证明该系统能够满足无线语音通信的需求.

1 系统硬件电路设计

1.1 发射部分电路

图1 发射部分电路

发射部分用了一个基本的数字调制驱动电路.它采用了共发射极的接法，本质是一个电路实现开关的过程，具体结构见图1.该电路利用双极型晶体管的通断来控制LED的输入电流，当输入低电平时，双极型晶体管处于截止状态，LED与R1、R3构成串联电路.由于R3阻值远大于R1以及LED的正向导通电阻，射极输出为高电平，LED处于灭的状态；当输入高平时，双极型晶体管处于导通状态，发射极与集电极间电阻很小，VCC主要加在LED及R1上，流过LED的电流较大，LED点亮.电路中R1和R3分别起限流及偏置作用，电容C1为加速电容，在电平跳变的瞬间，由于电容电压不能突变，因此会产生瞬间的大电流，这一瞬时电流可以使双极型晶体管的开关状态迅速改变，从而起到提高电路开关速率的作用.信号发生器XFG1代替的是输入信号，测试用输入信号为4 kHz的方波信号.

1.2 接收部分电路

1.2.1 前置放大电路

在这一部分，本方案选择了高速率的光电二极管作为接收端的接收器，具体结构见图2.它可以将接收到的光信号转换成电信号.由于一级放大后的电信号很小，图2用了两级放大电路来对电信号进行放大.测试示波器XSC1的A通道所接就是该部分的输出信号.

1.2.2 比较器的设计

经测试，前置放大器的输出信号的高电平只有100 mv左右，为了与后级电路电平匹配，需要增加电平转换电路，本设计采用一个简单的电压比较器用来进行电压的转换，如图3所示.图3所示的电路，滑动变阻器的阻值为100 Ω时则整个电路构成100 mV比较器.当输入信号达到100 mV时，输出电压为5 V；当输入信号低于100 mV时，输出电压为0 V.通过改变滑动变阻器的阻值可以调整比较器的阈值.这样就很好地使输出信号达到了要求.

图2 接收部分电路图3 比较器电路

图4为不同占空比输入信号下比较器的输出信号，可见虽然信号的高电平已经由原来的100 mV左右变为现在的5 V左右，可是当信号的脉冲变窄时，波形会出现严重的变形，这样可能导致在实际传输语音信号时出现短脉冲不被识别，产生乱码.所以，后续的波形整形，即减少波形的上升和下降时间尤为重要.

图4 比较器输出波形

1.2.3 施密特触发器的设计

图5 NE555构成的施密特触发器

由上文可知，经比较器输出的波形很不标准，故而需要对其进行整形，使之上升和下降是瞬间完成的.本文采用NE555定时器搭建的施密特触发器来完成这一目标.图5为电路图.

图6 施密特触发器输出波形

由图6可知，施密特整形后的波形即使在占空比很小的情况下依然可以保证是标准的方波，且高电平达到了5 V，但有一点需要注意，由于施密特触发器的特性，整个信号的相位发生了反转，故而还需接反相器进行还原.

1.2.4 反相器电路

本方案中反相器采用的是74LS04.74LS04是6非门反相器，工作电压5 V，其内部包含6个CMOS反相器.本方案中只用了一个非门来实现要求.图7为74LS04反相器的内部电路图.

图7 74LS04内部电路图

经反相处理后，反相器的输出信号，即接收部分的最终输出信号与发射部分的输入信号基本一致.

2 实际测试

到现在为止，整体的电路已经大体实现了发射部分将输入的数字信号加载到光上发射出去，接收部分可以将加载有数字信号的光信号转换为电信号并很好地还原出输入信号.经测试，整个系统可以稳定地工作在40 kHz的输入信号下.

在使用40 kHz方波测试情况下，系统在发射端和接收端相距80 cm、160 cm、240 cm、320 cm、400 cm和480 cm的情况下都能较好地保证信号的波形不变.测试过程中还分别对不同情况下的光照度进行了测量，依次为2310 FC、1920 FC、995 FC、528 FC、377 FC和259 FC.

在方波测试后，又采用实际音频信号对本系统进行了实际测试经过测试，在接收端距发射端80 cm、160 cm、240 cm和320 cm下，系统可以有效的传输语音信号，输入信号和输出信号基本一致.同样对几种情况下的光照度进行了测量，分别为2010 FC、1650 FC、720 FC、320 FC.

3 结论与讨论

综合上述设计，结合测试结果可知，本文所设计的无线光通信收发装置能够稳定的实现语音信号的无线传输，传输距离可达320 cm.当发射端和接收端的距离太远时，接收端检测到的光照度就会减少，前置放大器输出信号高电平的电压值也会相应的减小，这时就需要将比较器的阈值调低，以保证比较器阀值低于前置放大器输出的高电平电压.虽然通过调节滑动变阻器的阻值可以改变这个阈值，但这样做很不方便.所以下一步的方向应该是在阈值电压不是太低的情况下，结合不同的光照度让系统自动调节阈值电压，做到自适应.同时尽可能地提高发射端的光功率，使整个系统的传输距离变远.