李滨 李鑫磊 李童 王梦迪

摘 要：为演示可见光通信原理，设计了一款简易的基于LED的可见光通信系统，系统能够将输入的音频信号调制为可见光进行无线传输；接收端将光信号转换为携带信息的电信号，电信号再经滤波、解调、放大，最终还原出输入的音频信号。

关键词：LED；无线通信；调制解调

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0104-03

Abstract： In order to demonstrate the principle of visible light communication， a simple LED visible optical communication system is designed， which can modulate the input audio signal into visible light for wireless transmission. The receiving end converts the optical signal into an electrical signal carrying information， and the electrical signal is filtered， demodulated and amplified， and finally the input audio signal is restored.

Keywords： LED； wireless communication； modulation and demodulation

1 研究背景及意义

目前比较成熟的可见光通信技术是光保真技术[1]，英文名LightFidelity（简称LIFI），是一种利用可见光进行数据传输的技术。这项技术利用LED灯泡快速闪烁来传输数据， 由于闪烁速度足够快， 所以人的肉眼几乎感知不到灯泡的亮灭[2]。相对于当前使用的WIFI通信技术[3]，LIFI通信技术具有以下几个方面的优点：频谱宽度方面，无线电波频谱很紧密，而可见光的频谱宽度约为400THZ，比无线电波多1000多倍；效率方面，无线电波基站的效率只有5%，大多数能量只是消耗在基站的冷却上，而LiFi的数据可以并行传输，提供照明的同时进行高速的数据传输，安全性方面，无线电波很容易被截取，而可见光不能穿墙，甚至不能穿过窗帘，所以LIFI提供了网络的隐私安全，方便等优点[4]。

本仪器能够利用可见光（普通LED照明光、红色激光）无线传输声音信息，在发射端将声音信息进行调制，加载到可见光上，再输出端再将携带信息的可见光解调出来，处理后通过功放驱动扬声器还原出原来的音频信号，此实验仪器采用可见光无线传输[5]，可以形象观察到调制后的可见光，可见光的强度会随着音频信号的强弱变化而变化[6]，可以接入信号源和示波器，直观地看到输出信号波形。

基于LED可见光通信是一种新的通信技术，早在几年前就有人提出可见光通信的设想[7]，但并没有得到重视。随着新时代科学技术的发展，可见光通信慢慢地进入学校课程，但却没有可以直观的将可见光通信演示出来并且能将还原出来的信号展现在示波器上的实验仪器。

2 实验装置设置

仪器主要由两部分组成，分别是调制发送部分和接收解调部分。

发送部分主要有LED驱动电路、LED光源、信号输入电路、信号调制电路、调制调整电路组成。LED驱动电路主要包括两部分，一部分是可以远距離发射的激光LED发送端；另一部分是近距离基本实现无失真的散光LED发送端，两部分相互独立，互不干扰。

接收部分主要有光学滤波器、光电转换装置、解调电路、解调调节电路、功率放大电路[8]和扬声器组成。要发送的声音信息在发射端经过调制加载到LED驱动上，通过可见光发送出去，并调节电位器不断改变电压值，寻找最佳音质并在屏幕显示LED或激光头两端变压值。在解调接收端通过光电转换器将可见光信号转化为电信号，然后经由解调电路、功率放大电路将信号解调、放大，最后通过扬声器将还原的信息输出。

2.1 实验装置器件

音频功放模块，电容若干，电阻若干，20k电位器，开关4个，杜邦线若干，电源座，开关电源，音频线，2596降压模块。

其中，实验系统用到的主要装置元器件实物图如图1，图2，图3所示：

2.2 实验装置结构

输入的音频电信号经过调制电路调制后加载到LED驱动电路上，然后经由LED照射的可见光发送出去。被调制的可见光发散到周围的空间，在解调接收端光信号被转化成电信号，然后将携带的信息解调出来，为避免失真再通过功率放大电路将解调出来的频率放大，最后将音频信息通过扬声器输出。

实验原理结构图如图4所示：

作品的实物图如图5所示：

2.3 调制电路

该电路实现将输入的模拟声音电信号加载到LED驱动电流上，调制电路原理图如图6所示。

2.4 解调与放大电路

接收端接收到光信号后首先用光敏元件进行光电转换，然后进行解调与放大。解调放大电路基本原理电路主要由小功率集成放大器TDA2822功放组成，功率放大电路如图7所示，TDA2822功放是双通道单片功率放大集成电路，它的工作电压低，外围电路简单，音质好，频带以及电压范围宽。

3 电路原理及原理图

在发送端首先要把传送的声音信息变成电信号，然后通过调制电路调制加载到普通LED照明灯或者红色激光器发出的可见光上，使光的强度随电信号的频率变化而变化；在接收端，光电转换装置接收到信息后把携带信息的光信号变换成电信号，经解调放大后恢复原声音信息。

本实验利用高频电子线路中高频功放和电路中的基本知识，采用集成电路的形式将电路连接而成，原理电路如图8所示：

4 实验调试与分析

4.1 使用的实验方法

采用函数信号发生器产生标准正弦波信号，将信号接到发射端信号输入端上和示波器的通道一，原声音信号经过调制后加载到可见光信号上。在解调接收端将携带信息的光信号转化为电信号后进入功放，放大后的信号接示波器的通道二，通过示波器观察发送信号的波形和接收信号的波形，通过比较两者波形的差异进行实验。

4.2 发射与接收电路的调试

通过观察输入波形与输出波形之间的差异发现，接收到的波形在电压负半轴会有截止失真现象，如图9所示：

调节发射端的LED驱动电路的静态工作点调节旋钮，直至调节至截止失真消失，然后便可以将音频信号输入到发射输入端，在输出端的扬声器会还原出原来的音频。还原出来的音频信号如图10所示：

利用示波器将输出信号停止，能更清晰的将音频信号波形展现出来，停止的音频信号波形图如图11所示：

4.3 实验分析

截止失真会导致传输音频信号时声音一部分失真，产生截止失真的原因主要是LED的静态工作点过低，输入信号的一部分负压过高，调制后电压低于LED的导通电压，LED无法点亮，所以会导致一部分信号无法通过可见光传输，所以接收端的波形会有失真，通过调节LED的静态工作点可以使截止失真消失。

5 結束语

LED可见光通信系统能够利用可见光无线传输音频信号，可以接入信号源和示波器，就能明显地看到输入输出信号波形，信号失真率低，能够直观的演示出可见光通信的基本原理，只要有可见光，就有信息在传播，应用前景十分广阔。

LED可见光通信系统在第九届山东省大学生科技节中荣获一等奖。

参考文献：

[1]吴刚.近地无线光通信技术研究[D].复旦大学，2009（03）.

[2]李升.LiFi技术浅析[J].中国无线电，2017（08）：38-72.

[3]王伟，陈超中.LiFi的光源要求（上）[J].中国照明电器，2015（11）：6-8.

[4]王伟，陈超中.LiFi的光源要求（上）[J].中国照明电器，2015（11）：1-3.

[5]苏磊.无线光通信技术及其应用[J].光通信技术，2005（04）.

[6]陈金鹰.无线光通信技术应用与讨论[J].通信与信息技术，2006（03）.

[7]秦玉娟.无线光通信的技术研究[J].考试周刊，2008（17）.

[8]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006（04）.