2ASK可见光通信系统的硬件设计与实现

梁景熙++刘宏展

摘 要： 可见光通信（VLC）是一种基于白光发光二极管（LED）的新颖无线光通信技术，它能够将照明以及通信两大功能合二为一。为了提高传输距离，考虑到白光LED本身带宽有限，提出一种二进制振幅键控（2ASK）调制预处理方案，设计与实现了相应的LED调制发射、解调接收系统。分模块阐述了系统各部分的原理与电路结构，并且在硬件实验中探究该通信系统的性能。结果证明，在调制信号频率为50 kHz时，该系统最大不失真传输距离达到503 cm，满足低速、较长距离通信的要求。

关键词： 可见光通信； 白光发光二极管； 二进制振幅键控； 硬件设计； 调制效果

中图分类号： TN914.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）21?0056?04

Hardware design and realization of visible light communication

system based on 2ASK modulation

LIANG Jingxi， LIU Hongzhan

（School of Information and Optoelectronic Science and Engineering， South China Normal University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The visible light communication （VLC） is a novel wireless optical communication technology based on white LED. It can integrate the illumination function with communication function. To increase the transmission distance， the binary amplitude shift keying （2ASK） modulation and pretreatment scheme is proposed by considering the limited bandwidth of white LED. The corresponding LED modulation transmitting and demodulation receiving systems were designed and realized. The principle and circuit structure of each module in the system are described. The performance of this communication system was explored in hardware experiments. The experimental results prove that the maximum distortionless transmission distance can reach 503 cm when the modulation frequency is 50 kHz， which can satisfy the requirement of low?speed long?distance transmission.

Keywords： visible light communication； white LED； 2ASK； hardware design； modulation effect

0 引 言

由于可见光通信具有保密性好、无电磁干扰等特点，如何提升VLC系统的传输速率、传输距离、稳定度成为无线光通信研究的焦点。1999年，香港大学的Grantham Pang将音乐、电话等信号使用100 kHz的载波频率发送到个人耳机，系统传输速率为28.8 KB/s，加入聚光镜后的传输距离[1]为200 cm。2008年，长春理工大学的魏承功用OFDM的调制方法实现了最远90 cm的传输[2]，调制频率达到1 MHz。2011年，华中科技大学的谭家杰使用FPGA进行PPM调制[3]，系统的传输速率可达3 MHz，6个LED在无聚焦透镜的情况下可传输210 cm。可看出以往的研究重点大多放在速率上，很少以提高传输距离作为改良方向，而在调制光源方面，越来越多的研究结果中采用的是光脉冲调制[4]。但在对光源进行脉冲调制时，加载在白光LED上的信号有明显失真。本系统为了减小这种失真，并达到更远的传输距离，提出对信号先进行预处理的设计方案，即对信号进行二进制振幅键控（2ASK）调制，再对光源进行模拟强度调制。另一方面，在文章中将会着重分析如何去实现系统的发射和接收模块的电路结构。

1 2ASK预处理的可见光通信系统构成

如图1所示，本系统由发射模块以及接收模块组成，其中发射模块具有重要的LED调制模块、LED驱动模块，是解决失真问题、提高传输距离的关键所在。另一方面，接收模块也配合作出相应的放大、滤波、解调等设计，力求获得接近信号源的还原信号。

1.1 2ASK调制模块

近年以来，可见光通信系统较为简单的调制方式有OOK和PPM两种，它们均属于数字基带调制，是直接去调制光脉冲，分别以光脉冲的有无和光脉冲的位置来表示所传输的信号[5?6]。从本质上看，LED搭载的是一个数字信号，通过傅里叶变换分析可得到高次谐波分量。考虑到发射端电路中的各种电子元件（如驱动电路中的三极管等）具有一定的增益带宽积，且由于白光LED受自身磷荧光粉的影响，其有效的3 dB带宽仅为1 MHz左右[7]，调制在LED上的数字信号会有一定的失真，影响系统发射信号的波形。本文的调制方式针对带宽有限，先对信号做预处理。若信号源发出的是数字信号，为了避免LED上的失真，可对信号进行2ASK调制，把调制后的信号再输入到LED驱动电路。二进制振幅键控（2ASK）信号的码元“1”和“0”用有无正弦载波传送[8]，简单易行，表达式为：

2ASK调制方式有2种实现方法：相乘法与开关法，本系统用开关电路来实现，也可称之为OOK调制。若把系统所传输的数字信号当作单极性码，即数字“1”用高电平表示，数字“0”用零电平表示，可采用模拟开关很简便地实现，载波在二进制信号“1”和“0”的控制下接通和断开，如图2所示。

这种调制方式把高电平转换成固定频率的载波，不仅能够很好地克服发射端信号失真的问题，又使接收端更方便地进行滤波；另一方面，为了使已调信号更加稳定、精确，使用有源晶振产生一个1 MHz的正弦载波信号，晶振的选频电路以及模拟开关（4066BD）组成的调制电路如图3所示。

系统中选用了高频三极管2SC1815，使载波的峰值足够大，选频电路调谐在1 MHz附近，确保正弦载波没有多余噪声，调制信号从4066BD的S1口输入，已调信号从D1口输出到LED驱动电路中，在理论上来说，若发射模块的总带宽可以达到1 MHz以上，在LED处所测到的调制信号便不会失真。

1.2 大功率LED驱动模块

LED光源的直接强度调制有两种，分别是数字信号对其进行脉冲调制或者模拟信号对其进行模拟强度调制[9]。本文的方案属于对光源的模拟强度调制。为了把2ASK调制后的电流量准确转换为LED所发出的光强度量，LED的工作电流必须与发射功率满足近似线性关系，即必须要遵循LED的调制特性，可由光功率?电流曲线描述。另一方面，定义光调制度[m]为：

[m=12I调制I偏置] （3）

式中[m]表示交流调制信号与直流偏置的关系。由P?I曲线可知，直流偏置线应尽量位于线性部分的中点处，在不失真的前提下使调制信号趋向于最大，即可以使光调制度最大。目的是让接收端更容易探测到光信号的变化，降低所需的总光功率大小。

为了驱动大功率LED灯，驱动电路采用共集电极型放大电路，这样能够把已调信号的电流量充分放大，同时又给LED一个直流偏置，使之工作在P?I曲线的线性部分中点处，各电阻、电容取值如图4所示。

1.3 接收模块

1.3.1 PIN管与前置放大器

接收模块中的前置放大器对后级来说尤为重要，既起到把光电流转成电压的作用，又有一定的放大性能。根据多级效应，前置放大器作为接收端的第一级，必须要有噪声较小、带宽较大的特点。本装置选用了超低失真、低噪声、高转换速率运算放大器中的LM4562，其转换速率达20 V/μs，增益带宽积达55 MHz，符合前置放大器的要求，由LM4562组成的电路如图5所示。

PIN光电二极管选用型号为BPW34，感光面为方形，具有暗电流小、灵敏度高的特点，适合用于可见光通信系统中。在电路上为了避免噪声的干扰，并考虑PIN管更加精确的线性工作，本电路采用光伏模式（零偏置工作模式）。图中[R1]作为限流电阻，[R2，C1]构成负反馈电路，放大输入信号，[R3]作为运算放大器正极的补偿电阻。

1.3.2 高通滤波电路

可见光通信系统可接收到来自白炽灯、太阳等的背景光，它们都属于低频信号。本装置的第二级采用压控电压源二阶高通滤波电路，把多余的低频成分都滤除，还原成较为理想的2ASK调制波形，有利于后级的信号处理，电路如图6所示。

电路的截止频率[fp]由[R，C]决定[10]，[fp]的取值应略低于载波频率1 MHz，而[Rf]与[R1]决定了放大倍数，此处不宜放大太多倍，因为在增益带宽积一定的前提下，增益太大会导致带宽变小。

1.3.3 主放大电路

经过前置放大、滤波后的信号，其幅度大小远远未能满足解调的阈值条件，所以必须经过进一步放大。由于载波频率较高，若采用高频三极管组成多级放大电路，不仅可以节约成本，还能够获得比运算放大器更好的增益倍数。不过在使用三极管放大电路时，在输入/输出端口处需要慎重考虑阻抗匹配的问题，结合共集放大电路的使用能够让三极管组成的主放大器性能更佳。根据实际接收到的信号大小，可调整电阻阻值来获得不一样放大倍数的电路，如图7所示。

1.3.4 2ASK解调与整形电路

在接收端，2ASK信号的解调方法有两种，即包络检波法和相干解调法。由于相干解调需要获取较准确的同步信号才能够实现，本装置采用包络检波法。这种方法要注意两方面：输入电压以及输出电压的关系[11]；二极管导通时的充电时间以及截止时的放电时间，并且要避免惰性失真与底部切割失真。所以，必须通过模拟计算得到R，C的具体取值，满足以上条件。按照本装置的载波频率计算的取值大小如图8所示。

图8 2ASK解调与整形电路图

本装置通过肖特基二极管半波整流，经过低通滤波解调，发现包络检波后的波形仍不理想，所以添加一个由过零比较器组成的整形电路在末端，从而获得更好的信号波形。

2 实验结果与分析

按照本文方案制作的LED可见光通信系统，把调制信号先进行2ASK调制预处理，使用5个1 W的LED灯发射，并由PIN光电二极管（BPW34）接收。测试时，由信号发生器的矩形波作为调制信号，通过模拟开关以及晶振电路调制，接收解调后可在数字示波器上观察信号接收的效果，并根据效果进行分析，实验环境如图9所示。

实验结果证明，5个1 W的LED所发出的光照度为2 290 lx，固定发射端不动，从距离其100 cm处开始移动接收端，若调制频率选为50 kHz，直到距离发射端500 cm处为止均可在接收端恢复占空比正确的矩形波信号。而当传输距离大于503 cm时，占空比开始发生变化，这是因为在传输过程中光信号的强度随距离增大而减小，达不到滤波与解调的阈值。另外，受到LED带宽限制，不能使用更高频率的正弦载波，这就局限了调制信号频率的最大值，调制频率仅为1～61 kHz，当频率继续上升时，由于调制频率与载波频率比值不满足解调的要求，也恢复不了正确的信号，所以系统无法进行高速率的通信。

3 结 论

可见光通信作为新一代的光通信技术，依靠LED的高速调制特性，使其能够运用在照明与通信两大功能中，具有科学研究的价值与意义。本文采用2ASK调制的预处理方法，初步探索如何去提高VLC系统的传输距离，设计并实现了一套完整的系统硬件设备。在给出每个模块的电路图以及具体参数的同时，也对每个模块的功能和约束条件进行了分析。最后，通过实验研究，系统的最大传输距离可达到503 cm，证明本设计可作为提高VLC系统传输距离的一个新案例。

注：本文通讯作者为刘宏展。

参考文献

[1] PANG G， HO K L， KWAN T， et al. Visible light communication for audio systems [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 1999， 45（4）： 1112?1118.

[2] 魏承功.基于白光LED的室内可见光通信系统研究[D].长春：长春理工大学，2008.

[3] 谭家杰.室内LED可见光MIMO通信研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[4] 臧玲玲.可见光通信的脉冲调制和调光方法研究[D].长春：吉林大学，2014.

[5] 旷亚和.基于LED的无线数据传输技术研究与设计实现[D].大连：大连海事大学，2014.

[6] 李世亮，张兴周.室内可见光无线通信调制方法[J].黑龙江科技学院学报，2010（5）：379?382.

[7] 高家利.基于预失真四进制辐移键控调制的可见光通信系统[J].光电子·激光，2014（8）：1502?1505.

[8] 樊昌信.通信原理教程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[9] 李世亮.室内可见光无线通信调制方法[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[10] 董诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.

[11] 沈伟慈.通信电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.