摘要：傳統(tǒng)的無(wú)線通信方式在頻譜資源和安全性等方面存在一定的局限性，可見(jiàn)光通信（visible light communications，VLC）作為一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，因其具有頻譜資源豐富、抗干擾能力強(qiáng)以及安全性高等優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注。首先，分析了VLC系統(tǒng)的基本原理，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的整體框架；其次，構(gòu)建了系統(tǒng)硬件電路，其主要由音頻輸入模塊、發(fā)射電路模塊和接收電路模塊3個(gè)部分組成；最后，通過(guò)實(shí)物制作和功能測(cè)試，驗(yàn)證了VLC系統(tǒng)的可行性，完成了基于發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）可見(jiàn)光的信號(hào)傳輸和接收。通過(guò)實(shí)物功能測(cè)試，該系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和可靠性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；LED；可見(jiàn)光；通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)面臨多重挑戰(zhàn)，主要包括無(wú)線射頻通信中頻譜資源的短缺以及電磁干擾。在對(duì)電磁波敏感的環(huán)境中，頻帶資源的不足會(huì)影響用戶的通信質(zhì)量。與傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)相比，可見(jiàn)光通信（visible light communications，VLC）技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)[1]，其能夠廣泛應(yīng)用于智能交通、智能家居和無(wú)線接入等領(lǐng)域，并且作為射頻技術(shù)的重要補(bǔ)充。VLC技術(shù)具有豐富的可用頻譜資源、較高的安全性以及綠色節(jié)能等特點(diǎn)，其展現(xiàn)出傳輸穩(wěn)定性與低功耗等多重優(yōu)勢(shì)，被視為移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。

我國(guó)對(duì)VLC系統(tǒng)的探索始于2006年，該領(lǐng)域現(xiàn)已發(fā)展成為相關(guān)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)[2]。VLC技術(shù)通過(guò)光源發(fā)出光信號(hào)來(lái)傳遞信息，這一技術(shù)減少了對(duì)有線信道的需求，能夠直接在空氣中傳輸光信號(hào)。各類照明光源，如家用發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）燈、街道路燈、汽車前照燈及礦用照明燈，均可作為信息傳輸?shù)拿浇?，使得可?jiàn)光音頻通信技術(shù)在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出實(shí)用價(jià)值。近年來(lái)，LED可見(jiàn)光通信技術(shù)已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。Ren等[3]總結(jié)了有機(jī)發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）、量子點(diǎn)LED以及金屬鹵化物鈣鈦礦LED等新型光源在調(diào)制性能與效率方面取得的突破性進(jìn)展，并發(fā)現(xiàn)新型光源在下一代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。這些研究成果為L(zhǎng)ED可見(jiàn)光通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步與實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 理論分析

VLC技術(shù)主要是將光源作為信息源，通過(guò)發(fā)射端采集信息，并將其調(diào)制到光源上，從而使光源傳遞出調(diào)制后的信號(hào)。在照明領(lǐng)域，傳統(tǒng)的白熾燈在進(jìn)行高速信息通信時(shí)會(huì)產(chǎn)生暗電流沖擊，這不僅會(huì)導(dǎo)致白熾燈壽命的大幅縮短，還存在引發(fā)危險(xiǎn)的可能。而LED燈具備卓越的調(diào)光性能、環(huán)保屬性、低能耗及體積小等優(yōu)勢(shì)，鑒于白光LED在節(jié)能與環(huán)保方面的顯著特點(diǎn)，其有望成為固態(tài)光源領(lǐng)域的主導(dǎo)力量，甚至有可能超越白熾燈等照明工具[4]。

LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)具備較高的安全性，即使遇到窗簾等障礙物的遮擋，也能有效防止信息的外泄[5]。此外，多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通信速度不會(huì)受到影響。因此，LED可見(jiàn)光通信適合在對(duì)電磁信號(hào)敏感的場(chǎng)所使用，如涉密單位、學(xué)校、軍隊(duì)和醫(yī)院等。同時(shí)，LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)既能滿足照明要求，又能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。

在構(gòu)建一個(gè)高性能的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)時(shí)，LED的選擇對(duì)通信系統(tǒng)的性能與質(zhì)量具有決定性作用。因此，為確保整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠成功實(shí)現(xiàn)，選擇適合的LED至關(guān)重要。系統(tǒng)選取白光LED作為信號(hào)載體，以確保接收端可以有效捕獲信號(hào)。相較于單色LED，白光是一種混合光。白光LED展現(xiàn)出更寬廣的頻譜覆蓋，以及更高的發(fā)光效率和照明穩(wěn)定性。

白光LED的優(yōu)勢(shì)包括：此類光源對(duì)電源的要求較低，僅需較小的電壓或電流即可工作，同時(shí)其光顯色性能超越傳統(tǒng)照明設(shè)備[8]。相較于傳統(tǒng)照明，白光LED擁有更長(zhǎng)的使用壽命，且因其工作電壓、電流較小，對(duì)人體及環(huán)境的影響微乎其微，從而展現(xiàn)出較高的安全性和可靠性，同時(shí)也更加環(huán)保。白光LED的響應(yīng)時(shí)間極短，處于納秒級(jí)，這一特性使得其調(diào)制頻率顯著提升，可從數(shù)十kHz擴(kuò)展至數(shù)百M(fèi)Hz，這是白光LED成為室內(nèi)可見(jiàn)光通信理想光源的重要因素[9]。

普通白光LED在頻率范圍為0～1 MHz內(nèi)表現(xiàn)良好。而音頻信號(hào)頻率通常在數(shù)十MHz內(nèi)，因此，在該頻率范圍內(nèi)傳輸音頻信號(hào)是可行的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本文根據(jù)可見(jiàn)光通信的原理，設(shè)計(jì)一款短距離的可見(jiàn)光音頻通信裝置。該裝置主要由音頻輸入、發(fā)射電路模塊和接收電路模塊3個(gè)部分組成。在發(fā)射端，包括音頻輸入、放大電路、信號(hào)調(diào)制電路和LED驅(qū)動(dòng)電路；在接收端，包括光電二極管信號(hào)解調(diào)電路、前置放大電路、低通濾波電路、功率放大電路和音頻輸出。

音頻信號(hào)作為重要的信息載體，其主要通過(guò)聲音將需要傳遞的信息以光波的形式進(jìn)行傳播，不同信號(hào)波形的頻率和幅度也有所不同。為了方便實(shí)驗(yàn)，本文將計(jì)算機(jī)的音頻作為信號(hào)源，利用計(jì)算機(jī)控制音量來(lái)調(diào)節(jié)音樂(lè)的音量幅度。

在光接收電路中，光電探測(cè)器（photodetector，PD）扮演重要的角色，其是一種利用半導(dǎo)體材料將光能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵組件，其運(yùn)行主要基于光電效應(yīng)原理，這一效應(yīng)源自物質(zhì)與光輻射之間的相互作用[10-12]。

在設(shè)計(jì)可見(jiàn)光音頻通信裝置時(shí)，需關(guān)注光信號(hào)的穩(wěn)定性和音頻信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，以確保通信質(zhì)量，提高其可靠性。通過(guò)電路設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化各個(gè)模塊電路之間的配合，實(shí)現(xiàn)高效的音頻通信功能，為短距離通信提供了一種新穎、可靠的解決方案。

2.2 電源電路

系統(tǒng)電路采用+12 V電壓供電，通過(guò)220 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊實(shí)現(xiàn)，電源電路設(shè)置了電源指示燈。

2.3 發(fā)射電路

在發(fā)射電路（圖2）中，在音頻信號(hào)輸入后，通過(guò)R3將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再使用三極管將電流放大，從而引起R5上的電流變化。

采用電阻R2 （30 kΩ）和R4 （10 kΩ）進(jìn)行分壓，為三極管工作于放大狀態(tài)提供了一定的偏置電壓，R5采用5Ω阻值控制LED的電流，三極管的集電極電流與發(fā)射極電流相等，流過(guò)LED的電流和流過(guò)電阻R5的電流幾乎相等。該發(fā)射電路為白光LED提供了合適的偏置電流和調(diào)制電流，從而確保白光LED在大于閾值的線性范圍內(nèi)工作。LED驅(qū)動(dòng)電路主要由晶體管、白光發(fā)光二極管和電壓偏置電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)LED燈正常工作，使LED燈發(fā)出白光。

系統(tǒng)選用的光源為白光LED，為了確保系統(tǒng)的通用性，選擇4.5 W的普通白光LED。普通白光LED的工作電壓和電流變化較小，且沒(méi)有明顯的線性關(guān)系。

2.4 接收電路

接收電路采用PIN二極管作為系統(tǒng)的光電探測(cè)元件。在常規(guī)的VLC系統(tǒng)中，PIN二極管處于反向偏置模式。根據(jù)PIN二極管的工作原理，其具有較低的暗電流與較高的光電流，從而確保了高效的光電轉(zhuǎn)換效率，其性能越優(yōu)異，轉(zhuǎn)換效率越高。綜合考慮實(shí)際需求與成本預(yù)算，系統(tǒng)選用了型號(hào)為BPX-61的硅光二極管。

BPX-61型號(hào)的PD具備良好的光電轉(zhuǎn)換效率，響應(yīng)度（輸出電流與輸入光功率的比值）高達(dá)0.62 A/W，同時(shí)其展現(xiàn)出高靈敏度，充分滿足了系統(tǒng)通信性能的要求。此外，BPX-61的暗電流所帶來(lái)的噪聲影響較為理想，暗電流隨反向電壓的變化規(guī)律平穩(wěn)可控。

光信號(hào)在空間中傳播后，被光電二極管接收并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，通過(guò)串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)光電二極管輸出電流的電壓轉(zhuǎn)換。前置放大電路的作用是接收來(lái)自信號(hào)源的小電壓信號(hào)，并將其放大至功率放大器所需的輸入閾值。在室內(nèi)可見(jiàn)光通信中，由于光線的衰減且環(huán)境中存在的噪聲干擾，若第一級(jí)放大電路增益過(guò)大，則會(huì)放大噪聲，并將其釋放到下一級(jí)電路中，因此第一級(jí)放大電路的增益不應(yīng)過(guò)高。如圖3所示，在接收電路中，R18與R21均為

100 kΩ，二者組成分壓電路，R15（輸入電阻）為10 kΩ，C14（濾波電容）為10 μF。

前置放大電路的放大倍數(shù)AV取決于R18和R21的電阻值（R18，R21），其計(jì)算公式如下：

AV=1+。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

鑒于音頻信號(hào)頻率上限約為40 kHz，而平均頻率約為20 kHz。前置放大電路的放大倍數(shù)無(wú)須設(shè)定得過(guò)高。在選擇運(yùn)算放大器的過(guò)程中，增益帶寬積成為主要的考量因素。由于前置放大電路的倍數(shù)設(shè)定在10～20，音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后，其增益帶寬積將不會(huì)超過(guò)800 kHz。因此，系統(tǒng)采用LM324作為運(yùn)算放大器，前置放大電路的放大倍數(shù)為11。

由于正常照明的室內(nèi)條件下，光噪聲較為強(qiáng)烈，所以進(jìn)入二級(jí)電路前需添加濾波電容，構(gòu)成簡(jiǎn)單的濾波電路，對(duì)噪聲進(jìn)行處理以獲取較好的信噪比。

為了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，對(duì)二級(jí)放大電路進(jìn)行功率放大，其放大倍數(shù)由R16和R19決定（約為33）。

3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)完成后，利用Multisim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真測(cè)試。

3.1 發(fā)射電路測(cè)試

首先，對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行仿真測(cè)試，接通電源后，發(fā)射電路由12 V電壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)信號(hào)輸入端沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，LED正常工作。使用示波器測(cè)量LED兩端的電壓，該電壓值穩(wěn)定，約為3.647 V，可驅(qū)動(dòng)LED燈正常發(fā)光。因此，在沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下，LED電流是恒定的。

在仿真測(cè)試中，采用波形信號(hào)模擬音頻信號(hào)作為信號(hào)源輸入。方波能夠更直觀地觀察波形的信號(hào)衰減與失真情況。利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)進(jìn)入發(fā)射端，音頻信號(hào)頻率范圍約為

0.3 kHz～3.4 kHz，因此，系統(tǒng)采用的方波頻率為500 Hz，初始電壓振幅為5 V。如圖4所示，示波器B通道所顯示的是信號(hào)輸入端的波形狀態(tài)，可見(jiàn)波形頻率為500 Hz，振幅為5 V的矩形波；示波器A通道顯示LED兩端電壓，電壓幅值約為3.643 V，波形變?yōu)榫匦尾ǎl率保持穩(wěn)定。由此可知，輸入信號(hào)被調(diào)制到LED上，信號(hào)以可見(jiàn)光的形式進(jìn)行發(fā)送。

3.2 接收電路測(cè)試

接收端的光電管會(huì)將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為500 Hz、振幅為5 mV的方波模擬接收電路的輸入信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為11，二級(jí)放大電路放大倍數(shù)約為33。示波器B通道顯示的波形信號(hào)為光電管接轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)波形，電壓振幅為5 mV，示波器A通道顯示的是經(jīng)放大電路傳輸至揚(yáng)聲器的信號(hào)波形，電壓振幅為1.726 V。兩個(gè)示波器通道顯示的波形均為矩形波，頻率保持穩(wěn)定，如圖5所示。由此可知，接收電路能夠?qū)⒐怆姽苁盏降男盘?hào)放大后傳輸至揚(yáng)聲器，并且驅(qū)動(dòng)其工作。

3.3 硬件測(cè)試

在系統(tǒng)仿真測(cè)試后，制作實(shí)物并進(jìn)行硬件測(cè)試，如圖6所示。本裝置采用220 V轉(zhuǎn)12 V電壓作為電源供電，利用計(jì)算機(jī)音頻信號(hào)作為輸入信號(hào)傳輸至發(fā)射電路。通過(guò)發(fā)送模塊，白光LED燈可以將音頻信息以可見(jiàn)光的形式發(fā)射，接收端的光電探測(cè)器負(fù)責(zé)接收信號(hào)并利用揚(yáng)聲器播放，整體音質(zhì)良好，從而實(shí)現(xiàn)LED可見(jiàn)光的音頻通信功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著發(fā)射端與接收端之間距離的不斷增加，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音逐漸減弱，直至消失。在未使用透鏡聚光的情況下，通信距離可達(dá)30 cm。當(dāng)逐漸用遮光片遮擋接收端探頭時(shí)，聲音也相應(yīng)減小，直到完全遮擋時(shí)聲音消失，成功實(shí)現(xiàn)了LED可見(jiàn)光的音頻通信功能。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LED可見(jiàn)光的音頻通信系統(tǒng)，首先，使用Multisim仿真軟件對(duì)理論設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真，并且對(duì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行初步評(píng)測(cè)；其次，對(duì)原理圖及印制電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作了電路板；最后，系統(tǒng)搭建后，對(duì)電路進(jìn)行功能驗(yàn)證，觀察LED可見(jiàn)光短距音頻通信現(xiàn)象。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)節(jié)LED的電壓強(qiáng)度，音頻信號(hào)能夠以可見(jiàn)光形式發(fā)射，再通過(guò)光電管電路接收處理信號(hào)，恢復(fù)出原始音頻信號(hào)并由揚(yáng)聲器播放，成功實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光音頻通信功能，具備白光照明的特點(diǎn)。此外，根據(jù)不同的場(chǎng)景，該裝置可通過(guò)增加透鏡聚光和光反射、增加發(fā)光源的功率等方式增加通信距離。

VLC技術(shù)在移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)了一定的應(yīng)用潛力，其應(yīng)用范圍不僅適用于人們的日常生活場(chǎng)景，未來(lái)還可擴(kuò)展至智能交通系統(tǒng)、智能家居環(huán)境以及無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)重要領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃藍(lán)天.基于LED光通信的室內(nèi)清潔機(jī)器人系統(tǒng)的研究[D].大連：大連工業(yè)大學(xué)，2018.

[2] 劉正一，張娜，李娜.基于LED可見(jiàn)光的音頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2023，20（13）：18-20.

[3] REN A B，WANG H，ZHANG W，et al.Emerging light-emitting diodes for next-generation data communications[J].Nature electronics，2021，4：559–572.

[4] 謝鋒.基于LED可見(jiàn)光通信的音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2023（4）：94-97.

[5] DAI L，F(xiàn)ANG Y，GUAN Y L，et al. Design of protograph LDPC-Coded MIMO-VLC systems with generalized spatial modulation[J]. China communications，2024，21（3）：118-136.

[6] 劉煥淋，宋文杰，陳勇，等.室內(nèi)VLC-NOMA的自適應(yīng)用戶分組和功率分配[J].中國(guó)激光，2024，51（14）：209-217.

[7] 張慧穎，李月月，盛美春，等.光功率與通信質(zhì)量?jī)?yōu)化的室內(nèi)可見(jiàn)光LED布局研究[J].光通信技術(shù)，2024，48（5）：20-29.

[8] 陳勇，張薇薇，劉煥淋，等.室內(nèi)VLC-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多色載波資源分配[J].聊城大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，37（5）：48-59.

[9] YANG T，Li G，LIU T，et al. Study of PAPR mitigation in OFDM-VLC system by SCMA codebook design[J]. Optoelectronics letters，2024，20（9）：543-548.

[10] 盧圣睿.基于白光LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.

[11] 裴合秀.基于白光LED的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2023.

[12] 趙金亮.可見(jiàn)光通信音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2022.