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基于LED的光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
光通信作為一種綠色環(huán)保的新型通信方式，與傳統(tǒng)無(wú)線通信方式相比可靠性和保密性更好，傳輸速度也更高，并且受周圍電磁環(huán)境的影響也更小，得到了人們的廣泛認(rèn)可，在生產(chǎn)生活中的諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于LED的光通信系統(tǒng)，利用LED的高速調(diào)制特性，實(shí)現(xiàn)了較好的通信效果。
1 引言
二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，人們需要傳輸和接收的數(shù)據(jù)越來(lái)越龐大，這就對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸速度等提出了更高的要求，而光通信作為一種新興的無(wú)線通信方式，憑借發(fā)射功率高、傳輸速度快、受電磁干擾影響小以及安全可靠等優(yōu)良特性，得到了社會(huì)廣泛的關(guān)注。LED作為一種新型點(diǎn)光源，其具有較高的靈敏度和調(diào)制性能等優(yōu)勢(shì)，因此本文提出了一種基于LED的光通信系統(tǒng)，并對(duì)其原理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。
2 可見(jiàn)光通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 光源技術(shù)
光源作為可見(jiàn)光通信中信號(hào)的發(fā)射源，需要具備調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高的特點(diǎn)，以滿足高頻調(diào)制的要求，另外由于光信號(hào)在大氣信道中的傳輸過(guò)程會(huì)發(fā)生衰減，因此光源還需要就業(yè)較高的發(fā)射功率，以滿足可見(jiàn)接收端對(duì)光信號(hào)能量的需求。在常用光源中，白光LED憑借自身高靈敏度和高調(diào)制特性的優(yōu)勢(shì)，一般多用來(lái)作為可見(jiàn)光通信的光源，本文也是基于LED實(shí)現(xiàn)的光通信系統(tǒng)。
2.2 編解碼技術(shù)
信號(hào)的編解碼方式對(duì)信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量有著重要的影響，一般來(lái)說(shuō)性能越好的編解碼復(fù)雜程度越高，難以在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用，如何平衡好性能和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度的關(guān)系式編解碼方式選擇的關(guān)鍵。BCH碼作為一種得到廣泛應(yīng)用的二進(jìn)制糾錯(cuò)碼，具有較好的糾正突發(fā)和隨機(jī)錯(cuò)誤的能力，因此其在光通信中有著較廣泛的應(yīng)用。
3 基于LED的光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于LED的光通信系統(tǒng)，其通過(guò)發(fā)射端電路，將待傳輸信號(hào)調(diào)制成LED發(fā)出的強(qiáng)弱變化的光信號(hào)，經(jīng)大氣信道傳輸至接收端，通過(guò)接收端電路的光敏二極管，將強(qiáng)弱變化的光信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后再通過(guò)放大、濾波等一系列處理，最終將傳輸信號(hào)較好地還原出來(lái)。
3.1 發(fā)射端電路的設(shè)計(jì)
基于LED光通信系統(tǒng)的發(fā)射端的主要任務(wù)是完成電信號(hào)向光信號(hào)的轉(zhuǎn)化，為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，發(fā)射端需要完成信號(hào)的放大、信號(hào)的調(diào)制以及LED的驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)任務(wù)，相應(yīng)地發(fā)射端電路可以分為前置放大電路、PWM調(diào)制電路以及LED驅(qū)動(dòng)電路三大部分，其原理示意圖如圖1所示。
3.1.1 前置放大電路
由于傳輸信號(hào)往往強(qiáng)度較低，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制之前，通常首先要利用前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并且在信號(hào)上增加直流偏置，保證信號(hào)強(qiáng)度均大于零，為后期的信號(hào)調(diào)制做好信號(hào)的預(yù)處理。
3.1.2 PWM調(diào)制電路
傳輸信號(hào)在前置放大電路中放大和加偏置后，將信號(hào)傳入PWM調(diào)制電路，將信號(hào)幅值的大小變化調(diào)制為PWM波的占空比變化，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的調(diào)制。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，需要根據(jù)信號(hào)的頻率特征設(shè)置調(diào)制頻率，為了保證調(diào)制效果一般調(diào)制頻率應(yīng)盡可能高。
3.1.3 LED驅(qū)動(dòng)電路
在完成PWM信號(hào)的調(diào)制后，將PWM信號(hào)通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路，利用PWM波對(duì)LED通斷時(shí)間的控制，從而使LED的光照強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了由電信號(hào)向光信號(hào)的轉(zhuǎn)化。由于LED發(fā)出的光在大氣中傳輸時(shí)會(huì)受到大氣粒子吸收、散射、反射效應(yīng)等的影響，強(qiáng)度會(huì)不斷衰減，因此為了保證接收端獲得足夠能量的光信號(hào)，需要保證LED具有足夠的發(fā)射功率，因此LED驅(qū)動(dòng)電路還要保證足夠的輸出功率。
3.2 接收端電路的設(shè)計(jì)
與發(fā)射端相對(duì)應(yīng)，基于LED光通信系統(tǒng)的接收端的主要任務(wù)是完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，即以最小的失真和附加噪聲將接收到光信號(hào)中的信息恢復(fù)出來(lái)，接收端的信號(hào)處理性能直接決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。接收端的原理示意圖如圖2所示，根據(jù)完成任務(wù)不同，接收端電路可以分為光電轉(zhuǎn)換電路、AGC電路、濾波電路三大部分。
3.2.1 光電轉(zhuǎn)換電路
接收端在接收到發(fā)射端發(fā)出的光信號(hào)后，首先要將光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換電路的核心是光敏二極管，其在無(wú)光時(shí)只有較小的飽和反向剩余電流，而當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向剩余電流大大增加，并且隨光照強(qiáng)度的增加而增加，利用光敏二極管的這一性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了光照強(qiáng)度變化到電流強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)換。
3.2.2 AGC電路
光電轉(zhuǎn)換電路在接收到發(fā)射端發(fā)出的強(qiáng)弱變化的光信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為強(qiáng)弱變化的電信號(hào)，其波形與原信號(hào)相似但信號(hào)強(qiáng)度較低，不利于后續(xù)的濾波等信號(hào)處理工作，因此需要對(duì)得到的電信號(hào)進(jìn)行放大。為了保證放大得到的信號(hào)強(qiáng)度能保持在某一穩(wěn)定水平，一般利用自動(dòng)增益控制(AGC)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，即當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，AGC的增益較小，隨著輸入信號(hào)的減小，AGC的增益不斷增大，從而保證放大后得到的信號(hào)能夠穩(wěn)定在某一水平下。
3.2.3 濾波電路
發(fā)射端發(fā)出的光在信道中不均勻的衰減，以及接收端光電轉(zhuǎn)換和AGC放大的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，都有可能在信號(hào)中引入噪聲，造成信號(hào)質(zhì)量的下降，因此為了提高通信系統(tǒng)的傳輸性能，還需要對(duì)AGC電路得到的放大信號(hào)進(jìn)行濾波處理。一般來(lái)說(shuō)，有用的信息大多是以低頻的形式存在的，而噪聲的頻率一般較高，因此將信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器，即可實(shí)現(xiàn)噪聲較低等雜波的濾除，從而提高信號(hào)的信噪比和信雜比，提升整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸性能。
3.3 調(diào)制方式的設(shè)計(jì)
通常情況下，光通信系統(tǒng)一般采用二進(jìn)制啟閉鍵控調(diào)制(OOK)，其作為一種常見(jiàn)的調(diào)制方式，利用0表示不發(fā)光，1表示發(fā)光，通過(guò)通斷控制傳遞信息，這種調(diào)制方式直觀簡(jiǎn)單，對(duì)硬件的要求較低，電路也較為簡(jiǎn)單，易于在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)，但這種調(diào)制方式在接收端需要對(duì)信號(hào)的有無(wú)進(jìn)行判決和檢驗(yàn)，抗干擾能力較差，因此在本文設(shè)計(jì)的基于LED的光通信系統(tǒng)中沒(méi)有采用這種調(diào)制方式，二是采用了脈沖位置調(diào)制的方式。
脈沖位置調(diào)制(PPM)，即根據(jù)被調(diào)信號(hào)的強(qiáng)度改變脈沖位置的調(diào)制方式，其是一種直接對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的正交調(diào)制方式，與二進(jìn)制啟閉鍵控調(diào)制方式相比，其對(duì)光功率和頻帶的利用率更高，能夠大大提高信道的傳輸能力和抗干擾能力，并且其自適應(yīng)能力強(qiáng)，在接收端不需要利用門限進(jìn)行信號(hào)的檢驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用了2PPM的調(diào)制方式，即將二進(jìn)制信息0轉(zhuǎn)化為01，將二進(jìn)制信息1轉(zhuǎn)化為10，大大提高了信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，提高了通信系統(tǒng)傳輸?shù)姆�(wěn)定性。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文在對(duì)光通信原理研究和掌握的基礎(chǔ)上，提出了一種基于LED的光通信系統(tǒng)，利用LED高調(diào)制能力和高靈敏度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的信息傳輸，并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，光通信這種具有高效能和高可靠性的新型通信方式將在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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