基于LED的光通信系统的设计与实现

基于LED的光通信系统的设计与实现

作者：亓沂滨陈津

来源：《电子技术与软件工程》2016年第14期

摘要光通信作为一种绿色环保的新型通信方式，与传统无线通信方式相比可靠性和保密性更好，传输速度也更高，并且受周围电磁环境的影响也更小，得到了人们的广泛认可，在生产生活中的诸多领域得到了广泛的应用。本文设计实现了一种基于LED的光通信系统，利用LED的高速调制特性，实现了较好的通信效果。

【关键词】光通信 LED 调制解调

1 引言

二十一世纪以来，随着大数据时代的到来，人们需要传输和接收的数据越来越庞大，这就对通信系统的传输速度等提出了更高的要求，而光通信作为一种新兴的无线通信方式，凭借发射功率高、传输速度快、受电磁干扰影响小以及安全可靠等优良特性，得到了社会广泛的关注。LED作为一种新型点光源，其具有较高的灵敏度和调制性能等优势，因此本文提出了一种基于LED的光通信系统，并对其原理和设计实现进行了阐述。

2 可见光通信技术的关键技术

2.1 光源技术

光源作为可见光通信中信号的发射源，需要具备调制性能好、响应灵敏度高的特点，以满足高频调制的要求，另外由于光信号在大气信道中的传输过程会发生衰减，因此光源还需要就业较高的发射功率，以满足可见接收端对光信号能量的需求。在常用光源中，白光LED凭借自身高灵敏度和高调制特性的优势，一般多用来作为可见光通信的光源，本文也是基于LED 实现的光通信系统。

2.2 编解码技术

信号的编解码方式对信号传输的质量有着重要的影响，一般来说性能越好的编解码复杂程度越高，难以在实际中得到广泛的应用，如何平衡好性能和实现的复杂程度的关系式编解码方式选择的关键。BCH码作为一种得到广泛应用的二进制纠错码，具有较好的纠正突发和随机错误的能力，因此其在光通信中有着较广泛的应用。

3 基于LED的光通信系统的设计与实现

本文设计实现了一种基于LED的光通信系统，其通过发射端电路，将待传输信号调制成LED发出的强弱变化的光信号，经大气信道传输至接收端，通过接收端电路的光敏二极管，将强弱变化的光信号重新转化为电信号，之后再通过放大、滤波等一系列处理，最终将传输信号较好地还原出来。

3.1 发射端电路的设计

基于LED光通信系统的发射端的主要任务是完成电信号向光信号的转化，为了实现这一过程，发射端需要完成信号的放大、信号的调制以及LED的驱动三项任务，相应地发射端电路可以分为前置放大电路、PWM调制电路以及LED驱动电路三大部分，其原理示意图如图1所示。

3.1.1 前置放大电路

由于传输信号往往强度较低，因此在对信号进行调制之前，通常首先要利用前置放大电路对信号进行放大，并且在信号上增加直流偏置，保证信号强度均大于零，为后期的信号调制做好信号的预处理。

3.1.2 PWM调制电路

传输信号在前置放大电路中放大和加偏置后，将信号传入PWM调制电路，将信号幅值的大小变化调制为PWM波的占空比变化，从而实现了信号的调制。在对信号进行调制时，需要根据信号的频率特征设置调制频率，为了保证调制效果一般调制频率应尽可能高。

3.1.3 LED驱动电路

在完成PWM信号的调制后，将PWM信号通过LED驱动电路，利用PWM波对LED通断时间的控制，从而使LED的光照强度发生变化，进行实现了由电信号向光信号的转化。由于LED发出的光在大气中传输时会受到大气粒子吸收、散射、反射效应等的影响，强度会不断衰减，因此为了保证接收端获得足够能量的光信号，需要保证LED具有足够的发射功率，因此LED驱动电路还要保证足够的输出功率。

3.2 接收端电路的设计

与发射端相对应，基于LED光通信系统的接收端的主要任务是完成光信号向电信号的转化，即以最小的失真和附加噪声将接收到光信号中的信息恢复出来，接收端的信号处理性能直接决定了整个通信系统的性能。接收端的原理示意图如图2所示，根据完成任务不同，接收端电路可以分为光电转换电路、AGC电路、滤波电路三大部分。

3.2.1 光电转换电路

接收端在接收到发射端发出的光信号后，首先要将光信号通过光电转换电路转化为电信号。光电转换电路的核心是光敏二极管，其在无光时只有较小的饱和反向剩余电流，而当受到光照时，饱和反向剩余电流大大增加，并且随光照强度的增加而增加，利用光敏二极管的这一性质，实现了光照强度变化到电流强度变化的转换。

3.2.2 AGC电路

光电转换电路在接收到发射端发出的强弱变化的光信号后，将其转化为强弱变化的电信号，其波形与原信号相似但信号强度较低，不利于后续的滤波等信号处理工作，因此需要对得到的电信号进行放大。为了保证放大得到的信号强度能保持在某一稳定水平，一般利用自动增益控制（AGC）电路对信号进行放大，即当输入信号较大时，AGC的增益较小，随着输入信号的减小，AGC的增益不断增大，从而保证放大后得到的信号能够稳定在某一水平下。

3.2.3 滤波电路

发射端发出的光在信道中不均匀的衰减，以及接收端光电转换和AGC放大的实现过程中，都有可能在信号中引入噪声，造成信号质量的下降，因此为了提高通信系统的传输性能，还需要对AGC电路得到的放大信号进行滤波处理。一般来说，有用的信息大多是以低频的形式存在的，而噪声的频率一般较高，因此将信号通过一个低通滤波器，即可实现噪声较低等杂波的滤除，从而提高信号的信噪比和信杂比，提升整个通信系统的传输性能。

3.3 调制方式的设计

通常情况下，光通信系统一般采用二进制启闭键控调制（OOK），其作为一种常见的调制方式，利用0表示不发光，1表示发光，通过通断控制传递信息，这种调制方式直观简单，对硬件的要求较低，电路也较为简单，易于在实际中实现，但这种调制方式在接收端需要对信号的有无进行判决和检验，抗干扰能力较差，因此在本文设计的基于LED的光通信系统中没有采用这种调制方式，二是采用了脉冲位置调制的方式。

脉冲位置调制（PPM），即根据被调信号的强度改变脉冲位置的调制方式，其是一种直接对光强度进行调制的正交调制方式，与二进制启闭键控调制方式相比，其对光功率和频带的利用率更高，能够大大提高信道的传输能力和抗干扰能力，并且其自适应能力强，在接收端不需要利用门限进行信号的检验。本文设计系统中采用了2PPM的调制方式，即将二进制信息0转化为01，将二进制信息1转化为10，大大提高了信号传输过程中的抗干扰能力，提高了通信系统传输的稳定性。

4 结束语