李智豪,蒲小年,勞健濤,戚慧珊

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

可見光通信技術(shù)在近些年來已得到較好的發(fā)展和應(yīng)用，但目前該技術(shù)的實驗演示裝置仍多采用非信號調(diào)制等傳統(tǒng)方式[1]，此類傳統(tǒng)演示儀局限性較大，易受到外界噪聲光線的干擾. 本文在傳統(tǒng)可見光音頻傳輸演示儀基礎(chǔ)上，設(shè)計了利用頻譜搬移原理的抗干擾的實驗演示儀，該演示儀可在正常的室內(nèi)照明條件和有外界光線干擾等條件下穩(wěn)定地工作.

1 實驗裝置的原理與設(shè)計思路

1.1 光電轉(zhuǎn)換原理

載有信息的電信號幅值不斷地變化，由于LED的光照強度與輸入信號的電壓成正比，因此幅值不同的電信號驅(qū)動LED光源后會產(chǎn)生強度不同的光信號. 光敏器件的輸出電壓與接收到的光線的光強成正比，因此高靈敏度的光電傳感器可將強度不同的光信號轉(zhuǎn)換為電信號. 電信號經(jīng)濾波放大等處理后輸出載有信息的電信號，從而實現(xiàn)信號的傳輸.

1.2 幅度調(diào)制原理

幅度調(diào)制是指用需要被傳輸?shù)幕鶐盘柸タ刂戚d波信號的振幅，使基帶信號的頻譜搬移到較高頻率上，增加信號帶寬，以提高抗干擾能力. 幅度調(diào)制可分為平方律調(diào)幅、斬波調(diào)幅和模擬乘積調(diào)幅3種. 模擬乘積調(diào)制是指利用模擬乘法器來實現(xiàn)基帶信號和載波信號的乘積[2]，模擬乘積調(diào)制的特性方程為

uAM(t)=[Ucm+kauΩ(t)]cos (ωct)，

(1)

式中，uΩ(t)為基帶調(diào)制信號，uc(t)=Ucmcos (ωct)為載波信號，ka為模擬乘積調(diào)制的比例系數(shù). 可見光通信演示儀選用模擬乘積調(diào)制的方法，將需要被傳輸?shù)囊纛l信號的頻譜搬移到較高頻率的載波信號之上.

1.3 實驗裝置的設(shè)計思路

傳統(tǒng)的可見光通信演示儀一般將信號功率放大后直接驅(qū)動LED光源進行信號傳輸[3]. 由于信號的頻譜在50～4 000 Hz的范圍內(nèi)，直接將低頻段的語音信號驅(qū)動LED光源進行信號傳輸[4]，將會產(chǎn)生裸眼可辨的頻閃光，同時自然光線與照明光線都會給傳輸信道帶來噪聲干擾.

針對此類傳統(tǒng)演示儀的缺點，實驗裝置采用幅度調(diào)制的方法，用低頻段的語音信號控制較高頻段的載波信號的幅度來產(chǎn)生調(diào)幅波，功率放大后的調(diào)幅波將用來驅(qū)動LED光源，并在接收端使用中頻濾波器LT465進行帶通濾波，濾除混雜在光電轉(zhuǎn)換信號中的信道噪聲，保留原始的調(diào)幅波信號. 接收端的調(diào)幅波信號經(jīng)二極管檢波電路的還原后，最終可得到高保真的語音信號，實現(xiàn)了語音信號的可見光傳輸?shù)恼麄€過程.

2 實驗裝置的組成

2.1 可見光通信實驗演示儀的發(fā)射電路

如圖1所示，信號發(fā)射端由語音信號調(diào)制電路與LED光源驅(qū)動電路2部分組成. 前置放大電路對語音信號進行低噪放大，使其幅值大于模擬乘法器的輸入門限. 載波信號發(fā)生器由DDS數(shù)字信號合成芯片AD9854構(gòu)成，能夠準確地輸出頻率1 kHz～180 MHz的正弦信號. AD9854恒定地輸出頻率為fω=465 kHz的正弦載波信號. 模擬乘法器輸出的調(diào)幅信號經(jīng)過功放電路放大后驅(qū)動LED光源，向外界發(fā)射出載有語音信息的光信號.

圖1 信號發(fā)射端的組成框圖

2.1.1 語音信號調(diào)制電路

如圖2所示，信號調(diào)制電路由模擬乘法器AD835構(gòu)成，其特性方程為

Wout=XinYin+Z，

(2)

式中，Xin與Yin分別為載波輸入信號與語音輸入信號；Z為偏置電平信號，可以使調(diào)幅輸出信號Wout保持在零電位之上. 模擬乘法器對語音信號與載波信號進行乘積運算后，輸出以語音信號為包絡(luò)、載波頻率為465 kHz的調(diào)幅波信號[5]，完成了將低頻段語音信息搬移到高頻段載波信號上的頻譜搬移.

圖2 模擬乘法器原理圖

2.1.2 LED光源驅(qū)動電路

LED光源驅(qū)動電路原理如圖3所示. LED光源驅(qū)動電路由運放電路與共源極放大電路2部分構(gòu)成，其本質(zhì)為高頻功率放大器[6]. 運放電路將模擬乘法器輸出的調(diào)幅信號進行放大，使其幅值保持在場效應(yīng)管的柵極開啟門限電壓之上. 由于場效應(yīng)管的源極電流與柵極信號電壓成正比，因此串聯(lián)在場效應(yīng)管源極上的大功率白光LED的光線強度將隨著輸入的調(diào)幅信號的幅值而變化，發(fā)出載有語音信息的光信號.

圖3 LED 光源驅(qū)動電路原理圖

2.2 可見光通信實驗演示儀的接收電路

如圖4所示，高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換電路將光信號通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號. 在轉(zhuǎn)換有用的光信號的同時，光電轉(zhuǎn)換電路也會將太陽散射光及室內(nèi)交流照明光等噪聲光信號進行轉(zhuǎn)換，從而使得轉(zhuǎn)換后的信號中混雜著高頻雜波分量與50 Hz的低頻雜波分量. 使用中頻帶通濾波器LT465可將光電轉(zhuǎn)換得到的原始信號中的雜波分量有效地濾除，得到載波頻率為465 kHz、包絡(luò)為語音信號的調(diào)幅波信號.

圖4 信號接收端組成框圖

2.2.1 帶通濾波電路

帶通濾波電路原理如圖5所示. 帶通濾波器選用中心頻率為465 kHz的陶瓷濾波器LT465，LT465常用于收音機等接收系統(tǒng)中，其價格低廉而且性能穩(wěn)定，帶內(nèi)平坦、矩形系數(shù)高，通頻帶約為3 kHz. 2臺濾波器串聯(lián)可以提高濾波電路的矩形系數(shù)，使得濾波選擇性更好，以便消除因外界干擾造成調(diào)幅信號頻偏的影響. 基于帶通濾波器的特性，中心頻率為465 kHz的調(diào)幅信號被保留，而其他頻率分量的噪聲信號均被濾除，此舉保證了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾性，有效地提高了信噪比.

圖5 帶通濾波電路原理圖

2.2.2 峰值包絡(luò)檢波電路

陶瓷濾波器輸出的調(diào)幅信號經(jīng)放大電路放大后，輸入到如圖6所示的二極管峰值檢波電路中進行包絡(luò)檢波. 檢波電路利用二極管的單向?qū)ㄐ耘c電容電阻的充放電過程，將調(diào)幅信號中的高頻載波分量濾除，將低頻語音信號從調(diào)幅信號包絡(luò)中提取出來，輸出原始的語音信號，完成了調(diào)幅信號的解調(diào)過程.

3 實驗裝置的操作方法與性能分析

3.1 可見光通信實驗演示儀的操作方法

可見光通信演示儀如圖7所示，將實驗演示儀的信號發(fā)射端與信號接收端相對放置. 使用移動設(shè)備向發(fā)射端輸入音頻信號，開啟設(shè)備電源，適當調(diào)整兩裝置角度，調(diào)節(jié)接收端音頻放大器的音量旋鈕，即可聽到揚聲器發(fā)出的低損聲音. 為探究外界光噪聲干擾對通信質(zhì)量的影響，可使用手機閃光燈或手電筒等設(shè)備人為地制造光噪聲，此時除揚聲器音量有所降低外，聲音的音質(zhì)并無顯著變化.

圖7 可見光通信演示儀實物圖

3.2 實驗演示儀的性能分析

為深入地探究實驗演示儀的抗干擾性能與影響其通信質(zhì)量的因素，可利用函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器以及簡易光源等設(shè)備進行如下定量探究實驗.

3.2.1 實驗演示儀的幅頻特性

利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值為2 V的正弦波信號，并且以適當步進間隔改變其頻率，使之在20 Hz～6 kHz變化. 在室內(nèi)交流日光管照明并且伴有室外自然光的光線環(huán)境下進行實驗，分別在信號頻率為1 kHz及2 kHz附近使用手機閃光燈人為地產(chǎn)生強光噪聲. 調(diào)節(jié)適當?shù)囊纛l放大倍數(shù)，使用數(shù)字示波器測量接收端音頻功放電路輸出的正弦波信號，記錄相應(yīng)頻率所對應(yīng)的輸出信號幅值，繪制如圖8所示的幅頻特性曲線圖.

圖8 幅頻特性曲線

由圖8可見，實驗演示儀的下限截止頻率fL=49 Hz，上限截止頻率fH=5 750 Hz，通頻帶約為5.7 kHz，通頻帶內(nèi)波形平坦穩(wěn)定. 在頻率為1 kHz及2 kHz附近的外界光噪聲干擾下，接收端的幅值出現(xiàn)明顯衰減，但波動幅度不大且迅速恢復(fù)正常值，這表明實驗裝置的抗噪性能良好，響應(yīng)速度快.

3.2.2 探究發(fā)射端與接收端的距離對通信質(zhì)量的影響

利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為2 kHz、幅度為2 V的正弦波信號，作為發(fā)射端的輸入信號. 在發(fā)射端與接收端保持平行的條件下，以合適的步進改變2者之間的距離，使用數(shù)字示波器測量接收端音頻功放電路輸出的正弦波信號，記錄不同位置對應(yīng)的輸出信號幅值. 將發(fā)射端與接收端由平行位置改變成夾角為30°，重復(fù)上述步驟，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù).

由圖9可得，當兩設(shè)備平行相對時，其有效傳輸距離可達65 cm. 在有效傳輸范圍內(nèi)，兩端設(shè)備相距較近時輸出信號較穩(wěn)定，隨距離的增加，信號幅值緩慢下降，且無明顯劇烈波動. 當兩端設(shè)備夾角為30°時，其有效傳輸距離縮短為47 cm，輸出信號幅值下降較快，這說明當兩端設(shè)備處于非正對位置時，仍能進行信號傳輸，但此時信號隨著距離的增加而迅速衰減.

圖9 發(fā)射端與接收端的距離與夾角對通信質(zhì)量的影響

3.3 調(diào)制與解調(diào)中基帶信號的畸變分析

3.3.1 可見光通信系統(tǒng)的Simulink仿真

為定量地研究可見光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)過程對基帶信號的影響,可使用Matlab軟件內(nèi)的Simulink工具[7]對實驗系統(tǒng)進行建模與仿真. 仿真系統(tǒng)的參量設(shè)置與實際電路一致，選用高斯白噪聲模擬實際環(huán)境中的自然光噪聲，同時加入50 Hz的正弦信號模擬室內(nèi)照明光源噪聲. 基帶信號設(shè)置成頻率為1 kHz的正弦信號，載波信號的頻率為465 kHz. 參量設(shè)置完畢后進行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖10所示.

圖10 可見光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)的Simulink仿真

由圖10的仿真結(jié)果可以看出，解調(diào)輸出信號的相位滯后于調(diào)制輸入信號的相位，即基帶信號在調(diào)制與解調(diào)過程中發(fā)生了相移，兩信號相位差為φ1=19.5°. 同時，解調(diào)輸出信號混雜少量的噪聲信號，導(dǎo)致信號的時域波形上出現(xiàn)尖峰毛刺等信號畸變.

3.3.2 可見光通信系統(tǒng)的實際實驗測量

為探究仿真實驗系統(tǒng)與實際實驗系統(tǒng)的區(qū)別，可選用信號發(fā)生器與數(shù)字示波器對可見光通信實驗演示儀進行定量測量. 設(shè)定基帶信號頻率為1 kHz，按照實驗要求接線后進行測量操作.

如圖11所示，基帶信號的波形為黃顏色曲線，解調(diào)輸出信號的波形為藍顏色曲線. 解調(diào)輸出信號明顯滯后于基帶信號，兩信號的相位差為φ2=41.7°.

圖11 可見光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)實驗的時域波形

圖12為解調(diào)輸出信號的傅里葉變換頻譜圖，由頻譜圖12可知，解調(diào)輸出信號除了含有1 kHz的基帶信號成分，還有強度較低的其他頻率的噪聲信號.

圖12 接收端解調(diào)輸出信號的傅里葉變換頻譜

3.3.3 Simulink仿真與實際實驗的對比分析

由Simulink仿真結(jié)果與實際實驗結(jié)果的對比分析可知，實際實驗中解調(diào)輸出信號與基帶信號的相位差大于仿真實驗中的兩信號的相位差，并且其噪聲信號強度也大于仿真實驗的噪聲信號強度.

產(chǎn)生相移的原因除了有濾波器的延遲效應(yīng)，還有光電轉(zhuǎn)換過程的響應(yīng)滯后等因素. 實際測量結(jié)果的相位差大于仿真結(jié)果的相位差，其原因是實際實驗比仿真實驗多了光電轉(zhuǎn)換與信道傳輸?shù)倪^程. 光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速率取決于信號發(fā)送端的LED光源驅(qū)動電路的開關(guān)性能與接收端的硅光板的光電轉(zhuǎn)化速率，因此該過程會給基帶信號的傳輸帶來較大的時間延遲. 同時，濾波器在濾除通頻帶之外的信號、保留通頻帶之內(nèi)的信號時也會產(chǎn)生較大的延遲. 因此，造成解調(diào)信號相對于基帶信號發(fā)生相移的主要原因有光電轉(zhuǎn)換過程的響應(yīng)滯后與濾波器的延遲效應(yīng).

由于實際應(yīng)用中的濾波器無法完全濾除通頻帶之外的噪聲信號，故仍有少量的噪聲能通過濾波器，使得解調(diào)結(jié)果有微小的噪聲畸變，但此類噪聲信號的強度較低，一般對解調(diào)信號的影響不大. 演示儀電路系統(tǒng)屬于有源系統(tǒng)，因此其工作時會受到電路內(nèi)部的電源熱噪聲的干擾，這由電路板布線設(shè)計以及電源濾波電容的性能等因素決定.

綜上所述，基帶信號在可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)過程中會存在相位滯后與尖峰噪聲等畸變現(xiàn)象，這與實驗演示儀中光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速率、濾波器的性能以及電路系統(tǒng)設(shè)計和外界信道噪聲相關(guān).

3.4 實驗裝置的優(yōu)點

1)幅度調(diào)制技術(shù)與帶通濾波方法的結(jié)合，可以有效地濾除信道噪聲，提取高保真的調(diào)幅信號，保證了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了儀器的抗干擾能力；

2)幅度調(diào)制可使驅(qū)動光源的功率信號幅值保持在發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓之上，使得光源發(fā)出的光信號更加穩(wěn)定且不閃爍；

3)有效地消除自然光與交流照明光等光噪聲干擾，降低了對實驗場地光線條件的要求；

4)實驗演示儀的組成結(jié)構(gòu)清晰，模塊化的設(shè)計降低了制作難度，可復(fù)制性強.

4 結(jié)束語

基于幅度調(diào)制的可見光通信演示儀在設(shè)計時充分考慮了實際實驗中可能遇到的外界干擾，并且在傳統(tǒng)演示裝置的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，使其適應(yīng)絕大多數(shù)的室內(nèi)光線條件. 演示儀對光線條件要求的降低，使得可見光通信演示實驗?zāi)軌蛟谄胀ǖ慕淌覂?nèi)正常進行，因此學(xué)生能夠近距離地接觸到可見光通信技術(shù)，并且初步了解調(diào)制解調(diào)技術(shù)在通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，領(lǐng)會對傳統(tǒng)實驗儀器進行創(chuàng)新性再設(shè)計的思想.

參考文獻：

[1] 宋小慶,趙梓旭,陳克偉,等. 可見光通信應(yīng)用前景與發(fā)展挑戰(zhàn)[J]. 激光與光電子學(xué)進展,2015,52(8)：30-38.

[2] 李潮銳. 電光調(diào)制通信的頻譜測量[J]. 物理實驗,2017,37(6)：28-31.

[3] 劉澤暢,馮雅莉,張尊,等. 基于LED可見光波分復(fù)用的音頻傳輸演示儀[J]. 大學(xué)物理實驗,2017,30(4)：23-26.

[4] 薛德寬,黃興洲,位浩杰,等. 基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀[J]. 物理通報,2015(8)：82-85.

[5] 陳啟興. 通信電子線路[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2008:111-125.

[6] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M]. 北京：高等教育出版社,2013:101-111.

[7] 王正林,王勝開,陳國順,等. MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2017：44-73.