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(jiàn)光通信技術(shù)是一種新興的無(wú)線光通信技術(shù)，隨著白光LED的發(fā)明和應(yīng)用，可見(jiàn)光通信技術(shù)得到了很好的發(fā)展。在照明方面，白光LED因?yàn)閾碛协h(huán)保和節(jié)能等特點(diǎn)而被認(rèn)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(shí)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(shí)，還可以用作通信光源實(shí)現(xiàn)無(wú)線高速數(shù)據(jù)接入。而與傳統(tǒng)的紅外和無(wú)線電通信相比，基于白光LED的可見(jiàn)光通信具有發(fā)射功率高、無(wú)電磁干擾和無(wú)需申請(qǐng)頻譜資源等優(yōu)點(diǎn)。因此，白光LED作為照明和通信兩用光源具有很大優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)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(shí)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(dòng)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(shì)壘電勢(shì)，在外加偏壓為零、熱平衡的情況下，LED不發(fā)光。當(dāng)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(shí)會(huì)把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來(lái)。

利用LED此特性可實(shí)現(xiàn)照明LED可見(jiàn)光通信這種新型無(wú)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(hào)，利用光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號(hào)。無(wú)線通信系統(tǒng)多采用光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD）技術(shù)。

目前，無(wú)線光通信普遍采用光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)調(diào)制方案。LED的光強(qiáng)度調(diào)制主要有模擬和數(shù)字信號(hào)調(diào)制。數(shù)字脈沖調(diào)制采用二進(jìn)制信號(hào)“0”和“1”對(duì)光載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。通常把要傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)編碼后，形成一組脈沖碼元，再對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，其主要調(diào)制方式有開(kāi)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(shí)間T（單位S）內(nèi)光脈沖處于開(kāi)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(wú)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)帶寬需求小，且本課題設(shè)計(jì)的LED照明通信對(duì)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(dòng)通信原理

PWM調(diào)光是常用做LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光方式。PWM調(diào)制是指脈沖載波的持續(xù)時(shí)間隨調(diào)制波的樣值而變的脈沖調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方式。PWM調(diào)光是使開(kāi)關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)別能力來(lái)說(shuō)足夠高的頻率工作，通過(guò)設(shè)置周期和占空比來(lái)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(dòng)器的效率較高，并且能夠精確控制[3]。

PWM調(diào)光基于人眼對(duì)亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED時(shí)亮?xí)r暗，如果亮暗的頻率超過(guò)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(guò)調(diào)整亮和暗的時(shí)間比例來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整亮度。這種方法通過(guò)把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號(hào)加載到調(diào)整亮和暗時(shí)間比例的引腳即可實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

2 光路掃描控制與空間定位設(shè)計(jì)

空間光通信主要包括建立通信鏈路與傳輸信號(hào)兩部分，其中快速準(zhǔn)確的捕獲對(duì)方端機(jī)，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(gè)階段：捕捉、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤。捕獲過(guò)程是指接收機(jī)搜索不確定區(qū)，尋找發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)過(guò)程。瞄準(zhǔn)過(guò)程是指接收機(jī)根據(jù)接收到的光束到達(dá)方向，在精度允許的范圍內(nèi)將本地的發(fā)射光束對(duì)準(zhǔn)另一端發(fā)射機(jī)的過(guò)程。跟蹤是指在接收機(jī)根據(jù)接收到的光束判定光束到達(dá)方向，并保持監(jiān)視接受光束的過(guò)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(jī)構(gòu)的精度要求較低、功能是完成捕獲和對(duì)準(zhǔn)，精跟蹤系統(tǒng)的捕獲范圍較小、伺服控制執(zhí)行機(jī)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(jì)所提出的跟蹤精度要求跟蹤信號(hào)光束，并向主發(fā)射端機(jī)發(fā)出相應(yīng)反饋信號(hào)。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(guò)記錄下的光斑信息，為控制位移伺服平臺(tái)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(hào)光強(qiáng)也是一種跟瞄方法[5]。本次實(shí)驗(yàn)采用光強(qiáng)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(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，同時(shí)預(yù)設(shè)信號(hào)采集的采樣行數(shù)點(diǎn)數(shù)。

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

光強(qiáng)數(shù)據(jù)中電壓信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)即光斑中心即為定位系統(tǒng)的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(tái)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(shí)驗(yàn)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(jì)為10米，為了延長(zhǎng)通信距離，所以本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在通信過(guò)程中加入中繼部分。且由于本次實(shí)驗(yàn)需完成一對(duì)多的定向通信，所以中繼部分需要有指向傳輸功能。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要建立完整光通信鏈路使中繼部分與兩端實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)，所以中繼部分設(shè)計(jì)為由云臺(tái)控制的指向傳輸控制端。

指向控制端通過(guò)探測(cè)器把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)放大后處理送入單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出云臺(tái)轉(zhuǎn)向指令，通過(guò)控制電路驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

系統(tǒng)傳輸?shù)倪^(guò)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(tái)接收到控制信息轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度并通過(guò)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(hào)給發(fā)射端，表示鏈路已建立，可以開(kāi)始實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。3）發(fā)射端開(kāi)始發(fā)送信號(hào)，首先由單片機(jī)生成初始數(shù)字信號(hào)，通過(guò)FSK調(diào)制，將初始信號(hào)加載到由兩個(gè)不同的載波頻率表示的調(diào)制信號(hào)上；然后將已調(diào)制的信號(hào)送至LED驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)送信號(hào)。4）指向傳輸控制端接收到已調(diào)信號(hào)后實(shí)時(shí)發(fā)射，把接收到的已調(diào)信號(hào)發(fā)送給定向接收端。接收端完成光接收后，通過(guò)信號(hào)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(guò)程中采用的是FSK調(diào)制，使用兩個(gè)不同頻率的載波f0、f1表示調(diào)制信號(hào)“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(guò)74LS02芯片把載波信號(hào)疊加成FSK調(diào)制信號(hào)，輸入LED驅(qū)動(dòng)。接收端采用型號(hào)為FDS100的光電探測(cè)器，其檢測(cè)波長(zhǎng)范圍350-1100nm，探測(cè)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(cè)器探測(cè)到的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定幅度的電壓信號(hào)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(hào)通過(guò)包絡(luò)檢波和整形電路進(jìn)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(hào)整形，同時(shí)它也是一個(gè)判決器，通過(guò)R20設(shè)定合適的電平判決閾值，使接收機(jī)不但能準(zhǔn)確識(shí)別微弱的可見(jiàn)光信號(hào)，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(jī)進(jìn)行譯碼。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

本次實(shí)驗(yàn)為達(dá)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(dá)到5-30米，采用高亮度進(jìn)口芯片、亮度高、能耗低、熱量低、壽命長(zhǎng)，適合樓宇之間照明和室外通信。但由單片機(jī)發(fā)送的調(diào)制信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)LED投射燈，需要接入LED電源驅(qū)動(dòng)，本次選用的是由mos管控制的恒壓開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)，在開(kāi)關(guān)電源中常用MOS管的漏極開(kāi)路電路，漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開(kāi)路漏極，開(kāi)路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。這就是MOS管做開(kāi)關(guān)器件的原理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試mos管控制恒壓開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED投射燈能有有效實(shí)現(xiàn)照明和通信功能，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)生成初始信號(hào)經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制將信號(hào)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(dòng)LED照明并發(fā)射信號(hào)。光電探測(cè)器接收到微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后得到幅度合適的信號(hào)，通過(guò)檢波濾波后恢復(fù)初始信號(hào)。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(hào)。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(hào)傳輸?shù)奶接?，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，通過(guò)掃描空間定位建立鏈路，調(diào)制解調(diào)編碼，PWM控制開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED，云臺(tái)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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