基于大功率LED光强调制的可见光通信研究

潘国兴　田丰　李轩　王茹钰　张龙飞

摘要：大功率LED不仅可以提供室内照明，而且可以应用到无线光通信系统中，满足室内个人网络需求。文章对基于大功率白光LED的室内可见光通信系统进行了研究，对LED用作通信时的辐射模式及机理做了理论上的探讨，进而研究了通信系统的通信信道，对通信链路的构成进行了分析，给出了一种基于大功率LED光强调制的声音信号无线传输系统。

关键词：大功率LED；光强调制；可见光通信；通信信道；辐射模式 文献标识码：A

中图分类号：TN929 文章编号：1009-2374（2015）27-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.013

基于大功率LED光强调制的可见光通信系统的设计目的在于帮助理解如何利用大功率LED传递声音信号，如何进行光强的处理和调制，声音信号或声波电信号如何调制LED光强；携带了声音信号的光如何解调恢复原来的声音信号。本文的设计思路来自于光纤通信技术课程以及其鼻祖贝尔博士的光电话装置。本文采用10W大功率LED作为光源，采用以PT2201为核心芯片的开关恒压电源给整个系统供电，以实现LED的功率稳定。设计独特的大功率LED驱动电路来实现对光强的

调制。

1 方案论证与设计

1.1 系统结构

该系统结构包括可见光通信发端装置、光通信收端装置、可见光通道以TPS4021为核心芯片的开关恒压电源、8Ω扬声器等。

1.2 模块功能与方案论证

1.2.1 电源模块。大功率白光LED通信收发模块的供电装置。

方案一：开关电源是直流电转变为高频脉冲电流，将电能储存到电感、电容元件中，利用电感、电容的特性将电能按预定的要求释放出来，以改变输出电压或

电流。

方案二：线性电源没有高频脉冲和储存元件，它利用元器件线性特性在负载变化时瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流。

比较两种方案，开关电源可以降压，也可以升压；线性电源只能降压。开关电源效率高；线性电源效率低。开关电源波纹大；线性电源控制速度快，波纹小。综上所述，选择方案二。

1.2.2 可见光通信发端模块。通过驱动电路将输入的电信号转换成大功率LED等的光强变化，从而实现对声音信号的电光转换。

方案一：数字信号传输。先将输入的模拟电信号转化为数字信号，然后通过占空比的变化来控制LED的

亮度。

方案二：模拟信号传输。通过放大电路驱动LED灯，直接将输入的模拟信号转化为光信号。

通过比较两种方案，数字传输干扰较少，静噪功能较强，但是电路实现复杂。而模拟传输虽然会产生噪声，但是通过一些简单的电路就能达到很好的防干扰效果，且电路实现简单，易于调试及其他操作，故选方

案二。

1.2.3 可见光通信接收端模块。将发端模块传输的光信号转换成电线号，再通过放大电路驱动扬声器，还原输入信号，从而实现光电传输功能。

方案一：光敏电阻。电阻值根据光照强度发生

变化。

方案二：硅光电池。根据光照强度可以输出电压和电流。

方案三：光敏二极管。二极管反向电流根据光照强度发生变化。

方案四：太阳能电池板。有光照就产生电势差，可以输出一定的电能。

理论上讲，以上四种方案都可以完成所要求的功能，但这里主要是对电压信号的控制，涉及到光强的高速调制，所以选用了精度、灵敏度较高的硅光电池来完成光电转换。

2 设计原理

2.1 白光通信收发装置示意图

白光通信收发装置示意图如图1所示：

图1 系统原理示意图

2.2 发送声音信号

一般采用麦克风/MP3将声音信号转换成电信号或信号发生器产生的低频模拟信号。受实验条件限制和简便起见，本实验装置采用电脑耳机输出信号作为输入信号，该信号是一个随声波信号振荡的电压信号。

2.3 驱动电路优化设计

电脑耳机接口输出的是随声音信号振荡的电压信号（简称声波电信号），大约0.2V左右，声波电信号为弱电压信号，不足以直接驱动LED工作，需要放大电路进行电信号放大。以精密运放OPA2227为核心的放大电路后的声波电信号，经过电压比较器将声音信号做一个简单的调制，比较器输出的信号来驱动MOS管TPS28225驱动电路，进而驱动LED来闪烁，以完成对LED光强的调制。经过这样的一个调制过程，LED光源输出的光强亦能随声波信号振荡。调制带宽是衡量LED的调制能力的参数，是LED用于无线光通信的重要参数之一，它关系到LED的数据传输速度大小。LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结电容的影响。在白光LED制造工艺上，除了减少载流子复合寿命和减小寄生电容，我们还可采用具有很大的潜在调制带宽的多芯片型白光LED。

解调得到的声波电信号，即光电流，电流值很小，一般小于0.1mA。如此小的声波电信号显然无法驱动传统的扬声器设备，需要放大电路进行电信号放大。

2.4 白光LED的线性特性

图2所示是通过白光LED的调制信号与输出功率的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流I，这样就可以使输出的光信号不失真。

图2 LED的调制信号与输出功率的关系曲线

2.5 半导体光源的调制

无论是LD或LED做光源，都要施加偏置电流，使工作点处于LD或LED的P-I特性曲线直线段，如图2所示，其调制线性好坏与调制深度m有关：

2.6 接收LED光源信号

要把携带了声音信号的LED光接收下来，需要光敏元器件，一般采用硅光电池（光敏二极管）或光敏电阻，太阳能电池板也可以，由以上论证可选择灵敏度较高的硅光电池。

2.7 解调LED光源信号及声音还原

硅光电池将接收到的光信号转换成电压信号，相应地携带了声音信息的光强转换成为声波电信号，解调得到的声波电信号，即光电流，电流值很小，一般小于0.1mA。如此小的声波电信号显然无法驱动传统的扬声器设备，需要经OPA222为核心的放大电路放大，以驱动扬声器还原出声音。

图3

3 结果分析

经过测量，该装置达到并且很多地方超过了设计要求，但仍然有很多提升空间，例如硅光电池接收信号以后的电路所驱动的喇叭声音不是很大、静噪部分做得也不够完善等，可通过增加功放、静噪模块来完善声音效果和提高系统的抗干扰能力。

4 结语

（1）采用大功率LED做光源既增大了传输距离，又可以很好地排除外界光的干扰，增强了系统的稳定性；（2）采用了较少的元器件和设备，实现了声光调制、LED光的空间传输、光声解调，对于很好地理解光电特性、光信息处理、对大功率LED光的调制解调、光信息传输具有一定的意义；（3）本设计电源采用开关恒压电源，为系统提供稳定的电压，大功率白光通信收发模块采用大功率LED将输入的声音信号或单频声信号，通过高精度的硅光电池接收，然后由驱动电路驱动喇叭还原输入信号。经过测试，该系统能够完成大功率LED可见光通信功能，并且所有指标都已达到设计预想要求。

参考文献

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[2] 胡国永，陈长缨，陈振强.白光LED照明光源用作室内无线通信研究[J].光通信技术，2006，30（7）.

[3] 丁德强，柯熙政.可见光通信及其关键技术研究[J].半导体光电，2006，（2）.

[4] 唐亚明，葛松华，朱国全.基于能量转换原理的白光通信演示装置[J].物理通报，2012，（3）.

作者简介：潘国兴（1992-），男，山东理工大学电气与电子工程学院学生，研究方向：光信息科学与技术。

（责任编辑：周 琼）