杨晓日

【摘要】 基于大功率LED的可见光通信系统，充分的利用了LED的优点，能够在LED可见光上进行信号的传输，并且该种通信技术还具有无电磁干扰、发射功率高以及对人眼无害等众多优点，被广泛的推广和应用在通信领域。因此，文章研究了大功率LED辐射模式，设计了基于大功率LED的可见光通信系统，并对该系统进行了测试，以供参考。

【关键词】 大功率 LED 可见光通信系统 设计

一、前言

现阶段，通过利用LED的优点，实现LED和通信的融合，逐渐的形成一种全新的可见光通信系统，该种通信技术和传统通信技术相比，具有不受电磁干扰、降低成本、提高私密性和安全性、宽带高、覆盖面广等众多优点。但是，基于大功率LED的可见光通信系统设计相对复杂，需要对大功率LED的辐射模式进行研究，并严格的控制可见光通信系统设计的各个要点，以便于更好的提高基于大功率LED可见光通信系统的设计质量，更好的满足通信要求。因此，文章针对基于大功率LED可见光通信系统设计的研究具有非常重要的现实意义。

二、大功率LED辐射模式研究

LED灯的发光强度会随着辐射角度的变化发生一定的变化，所以接收端在不同角度接收到的光强度也存在差异。通常状况下，LED灯具的辐射特性服从朗伯辐射模型，由发光芯片参数决定模型的朗伯模式和朗伯分量的方向性，由LED自身结构的透镜参数、密封层以及反射片等决定LED发光模式中的高斯模式以及高斯分量的方向性。LED发光强度模型包括两种，即余弦类发光模型（公式1）和高斯类发光模型（公式2），分别表现为：

式中：i表示模式序号；I（θ）表示发光强度分布函数；θ表示发射角；c1i、c2i、c3i表示余弦发光模式参数；g1i、g2i、g3i表示高斯发光模式参数。

为了获得一种通用的发光模型，可以对不同的分量进行线性重叠，这样能够获得全新的发光模型：

式中：η0表示朗伯传递函数；ηi表示高斯模式权重系数；m表示朗伯模式的方向性指数；wi表示高斯法功模式的光斑半径；k表示高斯模式分量的数量。

三、基于大功率LED的可见光通信系统设计

3.1可见光通信系统设计关键技术

基于大功率LED的可见光通信系统设计关键技术主要包括以下几个方面：

1、调制、编码和解调技术。现阶段，可见光通信系统通常采用强度调制的直接检测非相干系统，并采用二进制启闭键控编码的编码方式。因为OFDM能够有效的降低多径传播过程中符号间的干扰，和传统的均衡器单载波系统相比，该系统的设计复杂程度较低，通常采用正交频分复用调制技术进行设计。

2、光源选择。光源作为可见光通信系统的照明设备，具有辐射范围广、功耗低、散热小以及亮度高等优点，并且作为光通信系统的光源，具有发射功率大、响应灵敏度高、调制性能好以及使用寿命长等优点。因此，在设计基于大功率LED的可见光通信系统时，最好的光源为白光LED。系统实际应用的环境、设施等不同，为了达到最佳的通信效果，应该保证室内光强度分布的稳定性，尽可能的防止出现通信盲区。因此，这就需要根据房间的实际状况，对LED等的布局进行合理的安排。

3、码间干扰克服技术。由于受到LED灯分布位置以及大气信道中粒子散射的印象，会导致光脉冲、传输在时间上有一定的延伸，所有符号的脉冲都会加宽延伸到相邻符号的时间间隔内，对系统产生一定的码间干扰，这就要求采用码间干扰克服技术进行处理，避免出现系统性能恶化的现象。

4、可见光信道。可见光通信系统和红外无线通信的信道冲激响应不同，两种系统发生码间串扰的原因也存在差异，需要对时变信道环境、多光源的VLC系统的信号冲激响应导致的ISI进行深入的研究，这样能够有效的解决ISI问题。

3.2发射端设计

1、LED驱动电路。采用DD311恒流驱动器能够对LED驱动电路输入高达1A的电流，并且输入电流的大小可以通过调整输入电流来进行控制。为了提高带那样的稳定性，应该在电源输入部分输入100μH的电感，当电压超过3.3V时，导通输出电流；当电压为0时，将关闭输出电流。

2、PWN调制电路。通过TL494脉冲宽度对放大后的音频信号进行调制，通过调节外部电容和电阻调节振荡频率，通过对电容的正极性锯齿波、控制信号进行比较，调控输出脉冲的宽度，为了提高调制效果，则应该将频率调制为3×105Hz。

3、前置放大。发射端输入音频信号电压峰的峰值为100mV，前置放大电路偷偷农场应用LM324，供电电源电压控制在3V-32V之间，静态功耗相对较小，可以对单电源进行两级放大，能够将音频信号增大至峰值的五倍。

3.3接收端设计

接收端采用最小的失真和附加噪声，恢复通过无线光信道传输后光载波传播的信息，因此接收端的输出性能，会对可见光通信性能的性能产生巨大的影响。接收端设计主要包括以下几个方面：

1、AGC电路设计。接收端的主放大器为两片AD603，采用顺序级联方式，由9018完成自动增益控制检波，并且送出控制电压，通过两级AD603放大的信号一路由C10传输至9018进行AGC检波，另一路由J2送到下一级通道。随着信号输入增大，9018的瞬时电流和相应的集电极电流也会随之增大，同时增大两端的瞬时压降，降低集电极的瞬时电压，随之降低AGC控制电压。当输入信号降低时，会增加AGC控制电压，即输入信号的强度和控制电压成反比，能够很好的满足AGC电压反向控制要求。

2、光电转换模块。光敏二极管是光电转换模块的核心，为了保证其能够正常的运行需要加上反向电压。光电转换模块采用规格为（1×1）mm的PIN探测器，相应波长介于400nm-1000nm之间，对可见光波段进行覆盖。当没有光照时，只有很小的暗电流（饱和反向剩余电流），此时截止光敏二极管。当有光照时，会显著的增加暗电流，产生光电流，并且随着入射光强度的变化发生相应的变化。如果光线照射PN结，能够让PN结形成电子空穴对，在一定程度上能够增加载流子的密度。在反向电压的作用下，这些载流子会随之漂移，导致反向电流增大，光电流的强度随着可见光的强弱发生变化。

四、系统测试

为了保证基于大功率LED的可见光通信系统具有良好的音频传输功能，则应该对设计好的可见光通信系统进行测试，在距离光二极管1m的位置放置大功率LED，并采用手机在室内进行播放音乐作为输入信号，通过测试获得输出端的波形图，如图1所示：

五、结束语

综上所述，在进行基于大功率LED的可见光通信系统设计时，应该根据LED辐射模型，并严格的控制各个设计要点，主要包括可见光通信系统设计关键技术、发射端设计要点、接收端设计要点等，并且当可见光通信系统设计完成之后，为了验证其音频传输功能，还应该对设计好的可见光通信系统进行测试，根据测试获得的输出端波形图，判断其音频输出性能是否符合实际通信要求。

参 考 文 献

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