短距离照明LED指向通信系统信号传输探讨

马佳何宁

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林541004）

0 引言

可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术，随着白光LED的发明和应用，可见光通信技术得到了很好的发展。在照明方面，白光LED因为拥有环保和节能等特点而被认为最终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。在功能方面，白光LED还具有响应时间短和高速调制的特性，这些特性使得白光LED在提供照明的同时，还可以用作通信光源实现无线高速数据接入。而与传统的红外和无线电通信相比，基于白光LED的可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰和无需申请频谱资源等优点。因此，白光LED作为照明和通信两用光源具有很大优势，可以实现中短距离的通信。本文利用白光LED的照明和通信功能，实现中短距离的指向通信，为照明LED的应用提供一种新的方法。

1 LED照明与PWM驱动通信原理

1.1 LED照明通信原理

LED的本质为PN结，由于PN结具有势垒电势，在外加偏压为零、热平衡的情况下，LED不发光。当LED两端加上正向偏置电压，电子从N区向P区注入，空穴从P区向N区注入，在PN结附近稍偏于P区的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来。

利用LED此特性可实现照明LED可见光通信这种新型无线光通信技术，其存在协同潜力，具有照明功能和通信功能[1]。LED通信技术是指利用LED器件高速亮灭的发光响应特性发出高速率调制的光载波信号，利用光电转换器件接收光载波信号。无线通信系统多采用光强度调制/直接探测（IM/DD）技术。

目前，无线光通信普遍采用光强度调制/直接检测(IM/DD)调制方案。LED的光强度调制主要有模拟和数字信号调制。数字脉冲调制采用二进制信号“0”和“1”对光载波进行调制，实现简单。通常把要传输的二进制数据通过编码后，形成一组脉冲码元，再对光源进行强度调制，其主要调制方式有开关键控（OOK），脉冲位置调制（PPM），数字脉冲间隔调制（DPIM）等[2]。其中在OOK调制中，每一比特时间T（单位S）内光脉冲处于开或关的状态，信息“1”表示光发射器输出光脉冲，信息“0”表示无光脉冲输出。相较于其他调制方式，虽然OOK功率效率较低，抗干扰差，但是实现简单，对带宽需求小，且本课题设计的LED照明通信对光传输速率和距离要求不高，故系统采用OOK调制方式。

1.2 PWM驱动通信原理

PWM调光是常用做LED驱动器的调光方式。PWM调制是指脉冲载波的持续时间随调制波的样值而变的脉冲调制方式，简称脉宽调制。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方式。PWM调光是使开关电路以相对于人眼识别能力来说足够高的频率工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流平均值，其输出电流只有两种状态：最大额定工作电流和零电流。PWM调光可以保证LED的色温恒定，驱动器的效率较高，并且能够精确控制[3]。

PWM调光基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗，如果亮暗的频率超过100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的闪烁。PWM调光通过调整亮和暗的时间比例来实现调整亮度。这种方法通过把可调占空比和固定频率的数字信号加载到调整亮和暗时间比例的引脚即可实现调光。

2 光路扫描控制与空间定位设计

空间光通信主要包括建立通信链路与传输信号两部分，其中快速准确的捕获对方端机，建立通信链路并保持信道稳定可靠是空间光通信的关键技术，即 APT（Acquisition，Pointing and Tracking）技术[4]。

APT系统的基本步骤可分为三个阶段：捕捉、对准和跟踪。捕获过程是指接收机搜索不确定区，寻找发射机发射的信号过程。瞄准过程是指接收机根据接收到的光束到达方向，在精度允许的范围内将本地的发射光束对准另一端发射机的过程。跟踪是指在接收机根据接收到的光束判定光束到达方向，并保持监视接受光束的过程。APT系统主要由光学天线系统、位移伺服系统、粗跟踪系统、精跟踪系统和监控系统组成。其中，粗跟踪系统的捕获范围较大、伺服控制执行机构的精度要求较低、功能是完成捕获和对准，精跟踪系统的捕获范围较小、伺服控制执行机构的精度要求高、功能是在完成粗跟踪后，能够按照总体设计所提出的跟踪精度要求跟踪信号光束，并向主发射端机发出相应反馈信号。监控系统的作用是采集光斑图像并记录光斑图像，通过记录下的光斑信息，为控制位移伺服平台提供偏移量的参考数据。

除图像信息捕获分析外，采集判断信号光强也是一种跟瞄方法[5]。本次实验采用光强跟瞄的方法。

扫描装置控制：根据光斑的尺寸预设程序参数，控制发射信标的转动范围和转动速度，同时预设信号采集的采样行数点数。

信号采集：接收探头是由光敏二极管和放大电路组成，将光强度信号转换为放大的电信号，然后将电信号连接到信号采集器，由信号采集器的控制程序记录电信号强度数据。

光强数据中电压信号最强点即光斑中心即为定位系统的目标位置。系统根据扫描结果，确定光斑中心，确定链路供后续光通信。

3 短距离指向通信系统实现

本实验设计的短距离指向通信系统可完成数据的指向定向传输，系统组成包括数字发送端，云台指向控制端，光发射端和定向接收端。发射端与指向控制的接收端为定向传输，指向控制的发射端与接收端为指向传输。

由于照明LED通信只适用于短距离，本次实验选择LED照射有效距离为5-30米，但为了确保照射亮度，本次光传输距离设计为10米，为了延长通信距离，所以本次实验设计在通信过程中加入中继部分。且由于本次实验需完成一对多的定向通信，所以中继部分需要有指向传输功能。由于实验设计需要建立完整光通信链路使中继部分与两端实时传输信号，所以中继部分设计为由云台控制的指向传输控制端。

指向控制端通过探测器把接收到的光信号转换成电信号，信号放大后处理送入单片机，由单片机发出云台转向指令，通过控制电路驱动云台转动。

系统传输的过程：1）发射端发射控制信息传输给控制端，指向传输控制端云台接收到控制信息转动相应角度并通过空间定位与接收端握手建立光通信链路。2）链路建立完成后，指向控制端回传信号给发射端，表示链路已建立，可以开始实时传输数据。3）发射端开始发送信号，首先由单片机生成初始数字信号，通过FSK调制，将初始信号加载到由两个不同的载波频率表示的调制信号上；然后将已调制的信号送至LED驱动控制，驱动LED发送信号。4）指向传输控制端接收到已调信号后实时发射，把接收到的已调信号发送给定向接收端。接收端完成光接收后，通过信号放大解调滤波等步骤解调得到数字信息，完成数据的光传输。

数字通信过程中采用的是FSK调制，使用两个不同频率的载波f0、f1表示调制信号“0”和“1”。 其中 f0载波由 455kHz晶振电路产生，f1载波由38kHz晶振电路产生。通过74LS02芯片把载波信号叠加成FSK调制信号，输入LED驱动。接收端采用型号为FDS100的光电探测器，其检测波长范围350-1100nm，探测面积3.6nm*3.6nm，暗电流为20nA，带宽为35MHz。前置放大器将光电探测器探测到的微弱电流信号转化为一定幅度的电压信号以供后续电路处理，要求较高的增益，以便克服后续电路的损耗。放大后的信号通过包络检波和整形电路进行解调。其中D2为检波二极管，RC组成低通滤波器，由LM358构成电压比较器，为解调后的信号整形，同时它也是一个判决器，通过R20设定合适的电平判决阈值，使接收机不但能准确识别微弱的可见光信号，而且能有效避免噪声干扰，解调后的波形由LM358输出，传送给单片机进行译码。

4 系统实验与分析

本次实验为达到短距离照明和通信功能，选用大功率LED投射灯，照射距离可达到5-30米，采用高亮度进口芯片、亮度高、能耗低、热量低、寿命长，适合楼宇之间照明和室外通信。但由单片机发送的调制信号不能直接驱动LED投射灯，需要接入LED电源驱动，本次选用的是由mos管控制的恒压开关电源驱动，在开关电源中常用MOS管的漏极开路电路，漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的电压，都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理。经过实验测试mos管控制恒压开关电源驱动LED投射灯能有有效实现照明和通信功能，满足实验要求。

本次实验测试模块分为发射模块、控制模块和接收模块。数字通信中由单片机生成初始信号经过FSK调制将信号加载到455kHz和38kHz的载波上，接入mos管栅极，漏极接恒压电源，驱动LED照明并发射信号。光电探测器接收到微弱信号经过多级放大后得到幅度合适的信号，通过检波滤波后恢复初始信号。其中，暗波形为38kHz的正弦波载波，亮波形为455kHz的正弦波载波，叠加组成500Hz的初始方波信号。发射接收的波形如图1。

图1 发射接收端波形图

5 结论

本文基于短距离LED指向通信信号传输的探讨，设计了一种可完成短距离数字传输的光通信系统。经实验测试表明，通过扫描空间定位建立链路，调制解调编码，PWM控制开关电源驱动LED，云台控制指向等技术，可以有效的完成短距离LED指向通信传输系统的功能。

［1］Zou Xuecheng,Yu Kai,Zheng Zhaoxia.Dynamic Current Limitation Circuit for White LED Driver[J].Circuits and System,2008：898-901.

［2］汪井源,张正线.无线光通信中的 PPM 调制[J].电讯技术,2000,40(5)：81-84.

［3］赵晓燕.照明LED在城市交通导向系统的应用研究[D].桂林：桂林电子科技大学,2011.

［4］雷思琛.无线激光通信APT系统的研究与设计[D].西安：西安理工大学,2013.

［5］刘长青,马军山,邵晓丽.高斯光束横向光强分布的检测研究[J].光学仪器,2013,35(6)：69-73.