基于大功率白光LED的可見光通信

1、山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽基于大功率白光LED的可見光通信A題 學(xué) 校：曲阜師范大學(xué)（日照） 院 系：信息科學(xué)與工學(xué)院 論文編號(hào)：A15008165 隊(duì)員姓名：趙振全趙欽華劉 凱要：可見光通信技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，結(jié)合了先進(jìn)的半導(dǎo)體照明技術(shù)和光通信技術(shù)，具備無需無線電頻譜認(rèn)證，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文還對(duì)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，在光發(fā)射方面：根據(jù)可見光 LED 光源的工作原理和特性，確定設(shè)計(jì)光發(fā)射電路提供給 LED 光源的電壓值、電流值等，確保 LED 調(diào)制于線性區(qū)域，避免信號(hào)失真；在光接收方面：選擇了

2、高性能的光電探測器，還通過對(duì)前置放大器的研究，設(shè)計(jì)采用跨阻抗前置放大電路，實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲的第一級(jí)放大。關(guān)鍵字：可見光通信技術(shù) 光電探測器 低噪聲 LEDAbstract：Visible light communication technology has become a hot research topic in the field of wireless communications, combined with advanced semiconductor lighting technology and optical communication technology, have n

3、o radio spectrum certification, safe and reliable.This paper is to study the key technology of optical communication, in the light emitting: according to the working principle and characteristics of visible light, LED light source, light emitting circuit provided to determine design LED light source

4、 voltage value, current value, etc., to ensure that the LED modulation in the linear area, to avoid signal distortion;In light receiving aspects: choosing the high performance of photoelectric detector, also based on the research of the preamplifier, the design adopts the impedance preamplifierThe f

5、irst level of circuit, the realization of high gain, low noise amplification.Key words：Visible light communication technology Photoelectric detector Low noise LED目錄1系統(tǒng)方案論證21.1電源方案選擇21.2信號(hào)調(diào)制方案選擇31.3可見光 LED 驅(qū)動(dòng)31.4信號(hào)的解調(diào)31.5 M序列發(fā)生器32.整體設(shè)計(jì)42.1系統(tǒng)整體框圖42.2主要模塊設(shè)計(jì)42.2.1信號(hào)采集與發(fā)送模塊42.2.2信號(hào)接收與解調(diào)模塊43. 數(shù)據(jù)分析54.參考文獻(xiàn)6

6、附件16電源原理圖6模擬調(diào)制原理圖6數(shù)字調(diào)制原理圖7驅(qū)動(dòng)電路7M序列發(fā)生器8附件29附件310 引言目前室內(nèi)無線通信能滿足要求的最好選擇就是白光LED。白光 LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線高速數(shù)據(jù)接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已經(jīng)達(dá)到5W，發(fā)光效率也已經(jīng)達(dá)到90lm/W，其發(fā)光效率（流明效率）已經(jīng)超過白熾燈，接近熒光燈。白光LED的光效超過100lm/W并達(dá)到200lm/W（可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備）在不久的將來即可實(shí)現(xiàn)。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發(fā)前景。1系統(tǒng)方案論證1.1電源方案選擇方案一：

7、用單相橋式整流電路進(jìn)行整流，利用電容的充放電原理做成濾波電路，用于濾除整流電路輸出電壓的交流成分，穩(wěn)壓芯片L7824進(jìn)行穩(wěn)壓。.方案二：用半波整流電路進(jìn)行整流，利用電容的充放電原理做成濾波電路，用于濾除整流電路輸出電壓的交流成分，最后利用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓。全波整流的輸出電壓是交流輸入電壓的0.9倍,效率高，且脈動(dòng)系數(shù)小，直流電壓平穩(wěn)，能充分利用變壓器的功率，半波整流電路輸出電壓是交流輸入的0.45倍效率低，脈動(dòng)系數(shù)大，直流電壓不平穩(wěn)，并且使用穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓容易造成電源和管子嚴(yán)重發(fā)燙，綜上所述使用方案一。1.2信號(hào)調(diào)制方案選擇方案一：利用模擬信號(hào)作為控制信號(hào)，控制 LED 光源的注入電流，使輸

8、出光功率隨調(diào)制信號(hào)線性變化的方法。方案二：利用單片機(jī)將一路或兩路A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)調(diào)制，調(diào)制方法：通過單片機(jī)接收并口A/D信號(hào)逐位發(fā)送至LED驅(qū)動(dòng)電路控制端實(shí)現(xiàn)調(diào)制。方案三：通過調(diào)幅、調(diào)頻及調(diào)相把信息調(diào)制到光上。對(duì)于模擬調(diào)制技術(shù)：系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)而言比較簡單，但是在傳輸?shù)倪^程中疊加了噪聲后很難消除，抗干擾能力差；在整個(gè)通信過程中，LED 光源始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，功耗大；而且系統(tǒng)的調(diào)制速度受到很大限制。對(duì)于數(shù)字調(diào)制技術(shù)：采用的是脈沖信號(hào)，只要通過判決再生就能夠輕易地消除噪聲，抗干擾能力強(qiáng)；還有易于加密，保密性能好。因?yàn)?LED光源的頻譜不純，中心頻率也極不穩(wěn)定，很難現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)相。綜上所述使用方案二。

9、1.3可見光 LED 驅(qū)動(dòng)先利用24V，1A自制電源為驅(qū)動(dòng)電路供電，通過電阻與LED燈串聯(lián)調(diào)節(jié)LED兩端電壓U2，關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路有下列兩個(gè)方案：方案一：通過三極管的導(dǎo)通與截止來控制LED的點(diǎn)亮熄滅。方案二：利用TI公司芯片LM3405系列， LM3405用于為 LED 供電的 1.6MHz 1A 恒流（符合I2）降壓穩(wěn)壓器，恒流，開關(guān)速度快。驅(qū)動(dòng)LED需要恒流源，同時(shí)題意要求未加入音頻信號(hào)時(shí)通過LED燈的電流是1A，所以選擇方案二。1.4信號(hào)的解調(diào)在接收端利用光電傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性，接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后用前置放大器進(jìn)行初步放大，再經(jīng)過比較器后送至單片機(jī)所控制的D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)

10、字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。1.5 M序列發(fā)生器因?yàn)轭}目要求n=4，所以需要一片74LS194，分別給CR、S1、S0賦值1、1、0，讓M序列發(fā)生器左移位依次進(jìn)入通道。見附件8所示該M序列發(fā)生器有自啟動(dòng)功能，方便信號(hào)的傳輸。在LED僅用于照明時(shí)，通過停止AD，單片機(jī)等設(shè)備在滿足I2=1±0.01A的前提下，盡量減少24 V電源的供電電流I1的值。單片機(jī)信號(hào)調(diào)制2.整體設(shè)計(jì)光信號(hào)接收LED 驅(qū)動(dòng)電路2.1系統(tǒng)整體框圖LED信號(hào)輸入AA/D采集電壓比較器單片機(jī)信號(hào)解調(diào)電信號(hào)放大放大器D/A轉(zhuǎn)換2.2主要模塊設(shè)計(jì)2.2.1信號(hào)采集與發(fā)送模塊由麥克風(fēng)采集音頻模擬信號(hào)，經(jīng)放大器，到由單片機(jī)1控制的

11、A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)控制LED驅(qū)動(dòng)電路將電信號(hào)調(diào)制到 LED 光源發(fā)出的光上，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。光發(fā)射機(jī)的原理框圖如圖 1所示，主要包括接口處理電路、編碼電路、驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路和光源。接口處理電路對(duì)來自電端機(jī)的電信號(hào)進(jìn)行處理，輸出符合可見光調(diào)制的信號(hào)。編碼電路完成對(duì)信號(hào)的編碼功能。驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路和光源是光發(fā)射機(jī)的核心部分，其功能有兩個(gè)，一是向光源提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，另一個(gè)功能是控制光源的開和關(guān)狀態(tài)，即完成調(diào)制功能。LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系,一般工作在小電流IF10mA，或者1020 mA長時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或p

12、0;就會(huì)向長波長漂移，BO也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。圖1光發(fā)射機(jī)原理框圖 2.2.2信號(hào)接收與解調(diào)模塊利用光電探測器完成信號(hào)的“光/電”轉(zhuǎn)換；前置放大器緊跟著光電探測器，對(duì)光電探測器微弱的光信號(hào)進(jìn)行放大；比較器恢復(fù)數(shù)字信號(hào)，根據(jù)信號(hào)電平的大小判別出該信號(hào)是比特“1”還是比特“0”；DA轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)恢復(fù)到源信號(hào)；通過TI公司高增益低噪聲線性放大芯片OPA322，實(shí)現(xiàn)發(fā)送信號(hào)時(shí)在8電阻負(fù)載（或喇叭）上接收裝置的輸出電壓有效值不小于0.4V，信號(hào)為0時(shí)，接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1V，并實(shí)現(xiàn)基本要求（3）。原理見圖2圖2光

13、接收機(jī)框圖3. 數(shù)據(jù)分析仿真結(jié)果圖如下圖3仿真結(jié)果圖 圖中上部黃線為輸入信號(hào)線，下部藍(lán)線為輸出信號(hào)，經(jīng)過仿真輸入信號(hào)與輸出信號(hào)為相同的波形。4.參考文獻(xiàn)1蘇家建等.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2004.2譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005.3管致中等.信號(hào)與線性系統(tǒng).第四版M北京：高等教育出版社，2004.4張立軍.通信原理.M北京：高等教育出版社，2008附件1電源原理圖圖1 模擬調(diào)制原理圖圖2 LED 的模擬調(diào)制原理 數(shù)字調(diào)制原理圖圖3 LED 的數(shù)字調(diào)制原理驅(qū)動(dòng)電路圖4 LM3405驅(qū)動(dòng)電路圖M序列發(fā)生器圖5附件2信號(hào)發(fā)送電路圖圖6信號(hào)發(fā)送電路圖信

14、號(hào)接收電路圖圖7信號(hào)接收電路圖附件3發(fā)送信號(hào)核心程序代碼：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define unit unsigned int#define ad0_7 P2sbit cs=P10;/片選sbit rd=P11;/數(shù)據(jù)讀的標(biāo)志sbit wr=P12;/QIsbit intr=P13;void start();void read();void start()cs=0;wr=0;_nop_();wr=1;while(intr);cs=1;void read()ad0_7=0xff;cs=0;rd=0;_nop_();SBUF=P2;rd=1;cs=1;void main()PCON=0x80;SCON=0x40;TMOD=0x20;TH1=0xff;TL1=0xff;TR1=1;EA=1; ES=1;while(1)start();read();接收信號(hào)核心程序代碼：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#define ucha