基于可見光的光收發(fā)系統(tǒng)設計

1、文章編號基于可見光的光通信系統(tǒng)設計張鋒博（西安郵電大學 電子工程學院，陜西西安 05092119）摘 要：目前應用的通信系統(tǒng)主要有無線通信系統(tǒng)和有線通信系統(tǒng)兩種，可見光通信是一項新興基于白光LED的無線光通信技術，具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾、無電磁輻射和節(jié)約能源等優(yōu)點，能夠同時實現(xiàn)照明和通信的雙重功能。只要方法是以可見光作為信號傳輸載波，設計完整的光收發(fā)電路，實現(xiàn)信號的發(fā)射和接收功能。設計的電路要求能夠穩(wěn)定準確地發(fā)射并接收信號，并且可以傳輸一定的距離而不失真。實驗結果表明：發(fā)射機和接收機的之間隨著距離的增加，接收到的信號噪聲增大，失真增多，理論上的短距離內(nèi)信號均可以無失真?zhèn)鬏?/p>

2、。關鍵詞：可見光通信系統(tǒng) 發(fā)射機 接收機 噪聲 載波中圖分類號：TN914.3文獻標識碼：ABased on the visible light communication system designZHANG Feng-bo（Xi'an University of Posts and Telecommunications, Electronic Engineering, Shannxi,Xian）Abstract:The current application of the communication system are mainly two kinds of wireless c

3、ommunication system and a wired communication system. The visible light communication (VLC) utilizing the white LEDs is a kind of optical wireless communicationcharacterized by high emission power rate, don't take up radio spectrum, no electromagnet interference,no electromagnetic radiation and

4、energy-saving, etc. In VLC system, white LEDs are used not only asthe illuminator in the rooms, but also as the source of the communication system.As long as the method is based on the visible light as a signal transmission carrier, the design integrity of the optical transceiver circuit, the signal

5、 transmitting and receiving functions. The design requirements of the circuit can be stably and accurately emitting and receiving signals, and a certain distance can be transmitted without distortion.Experimental results show that: the increase of the distance between a transmitter and a receiver, t

6、he received signal to noise increases, the distortion is increased, within a short distance signal theoretically can be lossless transmission.Key words:visible light communication system transmitter receiver noisecarrier1 引言光通信分為有線光通信和無線光通信兩種。光通信的主要方式是有線光通信即光纖通信，它已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一。無線光通信又被稱為自由空間光通信

7、(FSO，F(xiàn)ree Space Optical communication)。近年來，隨著“最后一公里”對高帶寬、低成本接入技術的迫切需求，F(xiàn)SO在視距傳輸、寬帶接入中有了新的發(fā)展機遇，同時由于光通信器件制造技術的飛速發(fā)展，無線光通信設備的制造成本大幅下降，F(xiàn)SO得到越來越多的應用。2無線光通信系統(tǒng)構成及其工作原理2.1無線光通信系統(tǒng)的主要構成1無線光通信系統(tǒng)是在模擬光通信系統(tǒng)的基礎上以可見光作為載波設計的信號收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括發(fā)射機系統(tǒng)與接收機系統(tǒng)兩個部分組成。系統(tǒng)所用到的基本技術是光電轉換，電路運算放大等。光發(fā)射機中的光源受到電信號的調(diào)制，通過大功率LED將電信號加載到光波上，并發(fā)送出

8、去，光信號再通過大氣信道傳送到接收端硅光電池上；接收端硅光電池將光信號轉換成電信號，然后進行接收端濾波和放大后輸出接收到的信號。圖1無線光通信系統(tǒng)原理圖Fig.1Block diagram of image measuring system2.2 無線光通信系統(tǒng)各部分的工作原理光發(fā)射系統(tǒng)：主要由信號發(fā)生器、大功率LED器件和三極管兩級放大電路組成。發(fā)射端通過調(diào)制器將輸入信號轉換成適合驅動光源器件的電流信號并用來驅動光源器件，對光源器件進行幅度調(diào)制，完成電/光變換的功能，發(fā)射端信號最終由光大功率LED發(fā)出后經(jīng)一定長度的空間傳輸送達接收端。半導體光源器件常用的半導體光源器件是半導體激光器，即激光二

9、極管（LD）。半導體激光器非常適合于作高速、長距離光纖通信系統(tǒng)的光源；在真實的自由空間光通信系統(tǒng)中，也采用半導體激光器作光源。對于要設計的簡單的、實驗性的無線光通信系統(tǒng)，因為要求的傳輸速率低、通信距離也較短，所以選擇了用于遙控器的紅外LED作為光源器件，其發(fā)出的紅外光波長一般為940nm，正向壓降約1.4V，允許的最大連續(xù)正向電流IMAX一般為50mA，有些管子要更大些。用于遙控器的紅外LED指向性很寬，所以不需要特別對準。用于光通信中的半導體光源器件，其最重要的特性是輸出光的功率與電流的關系，即所謂的P-I特性。LD和LED的P-I特性如圖1-5所示，曲線分為A、B兩段，在驅動電流I大于閾值

10、電流Ith的B段直線性較好。驅動光源器件的平均電流不可超過允許的最大連續(xù)正向電流IMAX。圖2 半導體光源的P-I特性Fig.2 P-I characteristics of the semiconductor light source信號傳輸信道：大氣。光接收系統(tǒng)：2主要由硅光電池，LM324運算放大器組成。硅光電池接收到發(fā)射端光信號后，對輸入的光信號進行檢波，將光信號轉換成相應的電信號，再經(jīng)過放大恢復等電處理過程，以彌補傳輸過程中帶來的信號損傷（如損耗、波形畸變），最后輸出和原始輸入信號相一致的電信號，從而完成整個接收過程。3可見光通信系統(tǒng)的電路設計3.1發(fā)射端電路設計圖3是光發(fā)射端機的完

11、整電路，通過三芯插座J3接入±12V電源，兩芯插座J1、J2分別接欲發(fā)射的電信號和大功率LED。圖3直接光強調(diào)制的發(fā)射端機電路圖Fig.3 And direct optical emphasized transmitting end of a circuit diagram of the system3驅動LED的三極管選用江蘇長江電子的8050SS，其值一般在200左右（在集電極電流IC=800mA時，最小為40），極限參數(shù)PCM=1W，ICM=1.5A，V(BR)CEO=40V。運算放大器選用德州儀器（TI）的TL082雙運放。在電路中，運放U1A的同相輸入端通過R8接地，靜態(tài)時

12、TP1點的直流電壓等于0V，故Q2發(fā)射極的直流電壓為0V，即：靜態(tài)時輸出電流的取樣電阻R9兩端的直流電壓為12V。為了使靜態(tài)時驅動LED的直流電流大約等于20mA，R9的阻值被選擇為620，這樣，流過LED的直流電流 (1)在輸入信號的作用下，TP1點的電壓就會在靜態(tài)值的基礎上變化，如果TP1點的電壓從0V變化到10V，流過LED的電流 (2)TP1點的電壓變化到+10V，則流過LED的電流 (3)取樣電阻R9同時也是限流電阻，即使Q2完全飽和，流過LED的電流最大也不會超過40mA。如果要使LED的靜態(tài)電流為10mA，最大電流不超過20mA，可以把R9改為1.2k。正電源電壓為12V。如果駐

13、極體輸入的工作電流是0.5mA，為了使輸入的工作電壓在1V以上，則輸入的直流偏置電阻不能大于22 k。如果輸入的工作電流是0.15mA，為了使輸入的工作電壓小于10V，則輸入的直流偏置電阻不能小于13.3k。輸入直流偏置電阻的實際取值約為18k，包括R1和R13，其中R1既是輸入直流偏置的一部分也是交流負載的一部分，而R13與C7起退耦作用，目的是防止后級的信號通過電源串回前級。輸入放大器分為兩級，第一級是晶體管Q1構成的單管放大器，第二級是U1A構成的反相比例電路。對于第一級的小信號放大器，晶體管靜態(tài)工作點電流ICQ可以選12mA。如果ICQ取為1.8mA，晶體管發(fā)射極電阻R4取為2.2k，

14、則發(fā)射極的靜態(tài)電壓VEQ約4V，基極的靜態(tài)電壓VBQ就應該是4.7V左右，為此，R2和R3分別選為30k和47k。為了使靜態(tài)工作點位于直流負載線的中點附近，晶體管的工作點電壓VCEQ和集電極直流負載電阻上的直流電壓應接近，故集電極的直流負載電阻R5取為2k。R5是微調(diào)電位器，可以調(diào)節(jié)輸出給下一級的信號大小。R5與R6共同構成了晶體管集電極的交流負載，由于R6比R5大了很多，即使R5的中心抽頭調(diào)到最下端，交流負載也接近于直流負載，所以靜態(tài)工作點也在交流負載線的中點附近。晶體管放大器的電壓放大倍數(shù)： (4)U1A構成的反相比例電路的電壓放大倍數(shù)： (5)所以整個輸入放大器的總電壓放大倍數(shù)為1250

15、，符合設計要求。電路中加強了退耦。R10和C4、R11和C5防止Q2的輸出（輸出電流較大）通過電源耦合到運放。R12和C6、R13和C7起類似的作用，其目的都是防止后級的信號通過電源耦合回前級。C8和C9對電源退耦。在圖像產(chǎn)生、傳輸和變換的過程中，由于各種因素的影響，往往會使圖像與被測物體或原始圖像之間產(chǎn)生差異。這給從圖像中提取各種信息造成了困難和不便。因此，在對圖像測量之前要進行各種預處理，以降低噪聲的干擾。常見的圖像噪聲包括光學成像及采樣過程中常會出現(xiàn)的混疊噪聲、插入噪聲、抖動噪聲、電子噪聲等。而邊緣的檢測和提取往往對噪聲比較敏感，因此需要在檢測前對圖像進行濾波降噪處理。濾波器分為線性濾波

16、器和非線性濾波器兩大類。線性濾波器對高斯噪聲有較好的平滑作用，但其它噪聲的抑制效果較差，而且會模糊邊緣。非線性濾波器中的中值濾波器在過濾噪聲的同時，還能很好的保護邊緣輪廓信息。它對消除孤立點和線段的干擾十分有用，特別是對于二進制噪聲尤為有效。這一點特別符合幾何測量對邊緣精密定位的需求，所以系統(tǒng)中采用了中值濾波器對圖像進行濾波降噪。由于要測量物體輪廓邊緣的幾何信息，所以圖像邊緣信息提取的好壞就顯得尤為關鍵。一般物體和背景具有較大的對比度，反映在圖像上就是物體和背景的灰度差別較大，圖像直方圖將呈現(xiàn)較為明顯的雙峰型。因此系統(tǒng)采用閾值法即可較好的實現(xiàn)圖像分割。3.2接收端電路設計對于采用直接強度調(diào)制的

17、可見光通信系統(tǒng)，接收端機的任務是：通過作為光探測器的光電二極管接收來自發(fā)射端的光信號，根據(jù)光強的變化盡可能不失真的恢復出原始的信號，然后濾波放大后輸出到示波器觀察。要設計的接收端機如圖4所示。光探測器光電流轉電壓功率放大光接收端機輸出信號圖4 光接收端機框圖Fig.4 Light receiving end machine diagram光電二極管也叫光電二極管（Photo Diode，PD），由半導體PN結構成（分為平面型、PIN型和雪崩型），是利用光電效應中的光生伏特效應工作的光傳感器。當光電二極管受到光照時，由于光量子的作用，半導體內(nèi)部會激發(fā)產(chǎn)生大量的自由電子-空穴對。這時，如果結兩端是

18、開路的，會產(chǎn)生電壓，此電壓叫做開路電壓；如果結兩端是短路的，會產(chǎn)生電流，此電流叫做短路電流。光電二極管不只輸出光電流，在光通量為零時反偏的光電二極管任然有很小的電流流過，這個電流叫做光電二極管的暗電流。反偏越大暗電流越大。光電二極管的特點是：入射光的能量與輸出電流之間的線性良好；響應速度快；輸出的分散性?。惠敵鲭娏鞯拇笮‰S溫度的變化小。雖然光電二極管在光照下既可以輸出電壓又可以輸出電流，但是其開路電壓的線性和溫度特性都較差，所以光電二極管一般使用的是零偏或反偏條件下的輸出電流。圖5光電二極管的負載特性Fig.5 The load characteristics of the photodiod

19、e為了將光電二極管輸出的電流轉換為電壓，需要電流-電壓變換電路。最簡單的情況是使用電阻作為負載把光電二極管輸出的電流IS轉換為電壓：（a）（b）（a）僅使用負載電阻（b）使用電阻并增加反偏圖6電阻的電流-電壓變換電路Fig.6The resistance of the current - voltage conversion circuit這種電路的優(yōu)點是簡單，缺點是動態(tài)范圍小。這是因為在光電流IS的作用下，光電二極管的偏置會變?yōu)檎?，其輸出電流與輸出電壓線性變差，當正偏到一定程度時其輸出電壓就不能正確反映光照的情況了。如果需要大的輸出電壓與寬的動態(tài)范圍，可以采用對光電二極管施加反向偏置的辦法

20、來解決，施加反向偏置的另一個好處是可以減小PN結的電容，從而可以提高光電二極管的響應速度。運算放大器的電流-電壓變換電路采用了反饋深度很深的電壓并聯(lián)負反饋，也稱為互阻放大器。因負反饋深度很深，故輸入電阻為零（運算放大器反相輸入端的電壓為零），流過反饋電阻Rf電流等于輸入電流IS，輸出電壓這種電路中反饋電阻Rf的阻值一般都選取得很大，所以如果運算放大器和光電二極管的分布電容也比較大，電路就容易自激振蕩。為避免這種情況的發(fā)生，在Rf上并聯(lián)一個消振電容Cf。（a）互阻放大器（b）光伏模式（c）光導模式圖7運算放大器的電流-電壓變換電路Fig.7 The current - voltage conve

21、rting circuit of the operational amplifier根據(jù)偏置的不同，光電二極管的工作模式分為光伏模式和光導模式。如果光電二極管在零偏狀態(tài)下工作，其輸出電流IS是通過光伏效應產(chǎn)生的，故這種工作模式稱為光伏模式。因為電路中運放的輸入電壓為零，所以光電二極管處于零偏狀態(tài)。在光伏模式下，光電二極管的輸出電流與光通量的關系呈現(xiàn)非常好的線性。對于反偏的光電二極管，它的輸出電流IS可以看作是在反偏電壓作用下產(chǎn)生的，是因為光照改變了光電二極管的導電情況，從而改變了其輸出電流，所以光電二極管的反偏工作模式稱為光導模式。光導模式工作的光電二極管電路因為電路中運放的輸入電壓為零，所以

22、光電二極管處于反偏狀態(tài)，且其反偏電壓始終等于V+。在光導模式下，光電二極管響應速度更高，但線性較光伏模式略差。輸出放大器對放大電路輸出級的基本要求是：輸出電阻低，最大不失真輸出電壓大。圖8中采用雙向跟隨的互補輸出電路就能滿足上述兩個要求。電路采用雙電源供電，T1和T2分別為NPN管和PNP管且其參數(shù)相同、特性對稱。在輸入電壓為零的靜態(tài)時，其輸出電壓為零。當輸入電壓vI > 0時，T1導通T2截止，正電源通過T1在vI控制下向負載RL提供輸出電壓，電路為射隨形式，輸出電壓vOvI；當輸入電壓vI < 0時，T2導通T1截止，負電源供電，電路還是射隨形式，輸出電壓vOvI?？梢姡娐分?/p>

23、T1、T2交替工作，正、負電源交替供電，實現(xiàn)了輸出對輸入的雙向跟隨。不同類型的兩只晶體管互補地以射極輸出器的形式交替工作（這種工作方式稱為“互補”工作方式或“推挽”工作方式），所以這種電路稱為互補輸出級。但是，圖8（a）所示的基本互補輸出電路存在一個問題：即輸入電壓小于晶體管B、E間的開啟電壓Uon時，T1和T2均處于截止狀態(tài)；只有輸入電壓滿足vI> Uon時，輸出電壓vO才會隨輸入電壓vI變化。因此，在vI過零附近輸出電壓將產(chǎn)生失真，這種失真稱為交越失真。（a）基本電路（b）用二極管消除交越失真的電路圖8互補輸出級Fig.8 Complementary output stage可以利用

24、二極管正向導通時的壓降來克服交越失真，正電源V+經(jīng)過Rb1、D1、D2和Rb2到負電源V形成了電流通路，所以，D1和D2正向導通，導通壓降為UD，晶體管T1和T2的基極電壓分別為vB1 = vI + UD和vB1 = vIUD。如果二極管和晶體管采用相同的材料，在靜態(tài)時T1和T2就處于微導通狀態(tài)；在vI變化時，由于二極管的動態(tài)電阻很小，T1和T2發(fā)射極的輸出就跟隨vI變化。當互補輸出級作為功率放大電路時，應根據(jù)晶體管承受的最大管壓降、集電極最大電流和最大功耗來選擇晶體管。圖9 由運算放大器和互補輸出級構成的功率放大器Fig.9 Constituted by an operational amp

25、lifier and complementary output stage power amplifier互補輸出級可以用來擴展運算放大器的輸出電流。運放用來放大電壓，互補輸出級用來放大電流。電路中采用了大環(huán)負反饋，即反饋沒有從運放的輸出端引到運放的反相輸入端，而是從整個電路的輸出端通過Rf引到運放的反相輸入端。電路的電壓放大倍數(shù) (6)光接收端機的參考設計圖10是光接收端機的完整電路，±5V的電源通過三芯插座J3接入，兩芯插座J1接光電二極管，兩芯插座J2接小喇叭。圖10簡單的光接收端機Fig.10 Simple light receiving end machine接收光電二極管

26、選用硅光電池，采用線性最好的光伏模式工作。運放采用TL082。U1A和R1構成了電流-電壓變換電路。應根據(jù)所需的通信距離以及環(huán)境光的強弱選擇R1的阻值大小：要求通信距離大時，R1應選擇高阻值，以使光電流轉換成電壓時增益大；當環(huán)境光較強時，為防止電路的輸出飽和，應限制R1的阻值不能太高。電路的負載是8的小喇叭，Rw用于調(diào)節(jié)喇叭音量。因為要求的最大輸出功率為0.5W，故電源選擇為±5V，按輸出電壓的最大振幅等于VCC = 5V計算，晶體管集電極最大電流 (7)輸出電壓的最大有效值 (8)最大輸出功率 (9)最大管耗 (10)輸出管Q1和Q2可以選江蘇長江電子的8050SS（NPN）和85

27、50SS（PNP）。8050SS和8550SS的參數(shù)都是值一般在200左右（在集電極電流IC = 800mA時，最小為40），PCM = 1W，ICM = 1.5A，V(BR)CEO = 40V。因為受運放輸出幅度的限制、以及受晶體管的管壓降限制，電路實際的最大輸出電壓、電流和功率都小于前面計算的值。如果運放U1B的輸出電壓振幅最大為3V時，則電路輸出電壓振幅最大約為3V，輸出電流振幅最大為375mA，實際的輸出功率最大為0.56W。當輸出電壓的瞬時值為3V時，若晶體管發(fā)射結壓降為0.75V，則要求Q1基極的瞬時電位為3.75V，即R4兩端的電壓為1.25V。此時，輸出電流的瞬時值為375mA，若晶體管的為60，則要求通過R4提供給Q1基極的電流為6.25mA。所以，R4的阻值不能大于200。電阻R4和R5的實際取值為180。因為電路中輸出級的電流較大，為防止后級的信號通過電源耦合回前級，R6和C2、R7和C3對電源進行退耦。4測量實驗與結果設計的電路實現(xiàn)了基于可見光的模擬信號光發(fā)射與光接收的功能。接收端接收到的信號與原信號相比放大了幾倍十幾倍，高頻時信號噪聲干擾較大。信號頻段可以工作在200KHz1.2MHz，發(fā)射接受到的信號無失真。發(fā)射端與接收端距離（cm）與光接收端輸出電壓（mv）距離S3710152025304050Vpp2.5k1k50