基于幅度调制的可见光通信演示仪

李智豪,蒲小年,劳健涛,戚慧珊

(华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

可见光通信技术在近些年来已得到较好的发展和应用，但目前该技术的实验演示装置仍多采用非信号调制等传统方式[1]，此类传统演示仪局限性较大，易受到外界噪声光线的干扰. 本文在传统可见光音频传输演示仪基础上，设计了利用频谱搬移原理的抗干扰的实验演示仪，该演示仪可在正常的室内照明条件和有外界光线干扰等条件下稳定地工作.

1 实验装置的原理与设计思路

1.1 光电转换原理

载有信息的电信号幅值不断地变化，由于LED的光照强度与输入信号的电压成正比，因此幅值不同的电信号驱动LED光源后会产生强度不同的光信号. 光敏器件的输出电压与接收到的光线的光强成正比，因此高灵敏度的光电传感器可将强度不同的光信号转换为电信号. 电信号经滤波放大等处理后输出载有信息的电信号，从而实现信号的传输.

1.2 幅度调制原理

幅度调制是指用需要被传输的基带信号去控制载波信号的振幅，使基带信号的频谱搬移到较高频率上，增加信号带宽，以提高抗干扰能力. 幅度调制可分为平方律调幅、斩波调幅和模拟乘积调幅3种. 模拟乘积调制是指利用模拟乘法器来实现基带信号和载波信号的乘积[2]，模拟乘积调制的特性方程为

uAM(t)=[Ucm+kauΩ(t)]cos (ωct)，

(1)

式中，uΩ(t)为基带调制信号，uc(t)=Ucmcos (ωct)为载波信号，ka为模拟乘积调制的比例系数. 可见光通信演示仪选用模拟乘积调制的方法，将需要被传输的音频信号的频谱搬移到较高频率的载波信号之上.

1.3 实验装置的设计思路

传统的可见光通信演示仪一般将信号功率放大后直接驱动LED光源进行信号传输[3]. 由于信号的频谱在50～4 000 Hz的范围内，直接将低频段的语音信号驱动LED光源进行信号传输[4]，将会产生裸眼可辨的频闪光，同时自然光线与照明光线都会给传输信道带来噪声干扰.

针对此类传统演示仪的缺点，实验装置采用幅度调制的方法，用低频段的语音信号控制较高频段的载波信号的幅度来产生调幅波，功率放大后的调幅波将用来驱动LED光源，并在接收端使用中频滤波器LT465进行带通滤波，滤除混杂在光电转换信号中的信道噪声，保留原始的调幅波信号. 接收端的调幅波信号经二极管检波电路的还原后，最终可得到高保真的语音信号，实现了语音信号的可见光传输的整个过程.

2 实验装置的组成

2.1 可见光通信实验演示仪的发射电路

如图1所示，信号发射端由语音信号调制电路与LED光源驱动电路2部分组成. 前置放大电路对语音信号进行低噪放大，使其幅值大于模拟乘法器的输入门限. 载波信号发生器由DDS数字信号合成芯片AD9854构成，能够准确地输出频率1 kHz～180 MHz的正弦信号. AD9854恒定地输出频率为fω=465 kHz的正弦载波信号. 模拟乘法器输出的调幅信号经过功放电路放大后驱动LED光源，向外界发射出载有语音信息的光信号.

图1 信号发射端的组成框图

2.1.1 语音信号调制电路

如图2所示，信号调制电路由模拟乘法器AD835构成，其特性方程为

Wout=XinYin+Z，

(2)

式中，Xin与Yin分别为载波输入信号与语音输入信号；Z为偏置电平信号，可以使调幅输出信号Wout保持在零电位之上. 模拟乘法器对语音信号与载波信号进行乘积运算后，输出以语音信号为包络、载波频率为465 kHz的调幅波信号[5]，完成了将低频段语音信息搬移到高频段载波信号上的频谱搬移.

图2 模拟乘法器原理图

2.1.2 LED光源驱动电路

LED光源驱动电路原理如图3所示. LED光源驱动电路由运放电路与共源极放大电路2部分构成，其本质为高频功率放大器[6]. 运放电路将模拟乘法器输出的调幅信号进行放大，使其幅值保持在场效应管的栅极开启门限电压之上. 由于场效应管的源极电流与栅极信号电压成正比，因此串联在场效应管源极上的大功率白光LED的光线强度将随着输入的调幅信号的幅值而变化，发出载有语音信息的光信号.

图3 LED 光源驱动电路原理图

2.2 可见光通信实验演示仪的接收电路

如图4所示，高灵敏度的光电转换电路将光信号通过光电效应转换为相应的电信号. 在转换有用的光信号的同时，光电转换电路也会将太阳散射光及室内交流照明光等噪声光信号进行转换，从而使得转换后的信号中混杂着高频杂波分量与50 Hz的低频杂波分量. 使用中频带通滤波器LT465可将光电转换得到的原始信号中的杂波分量有效地滤除，得到载波频率为465 kHz、包络为语音信号的调幅波信号.

图4 信号接收端组成框图

2.2.1 带通滤波电路

带通滤波电路原理如图5所示. 带通滤波器选用中心频率为465 kHz的陶瓷滤波器LT465，LT465常用于收音机等接收系统中，其价格低廉而且性能稳定，带内平坦、矩形系数高，通频带约为3 kHz. 2台滤波器串联可以提高滤波电路的矩形系数，使得滤波选择性更好，以便消除因外界干扰造成调幅信号频偏的影响. 基于带通滤波器的特性，中心频率为465 kHz的调幅信号被保留，而其他频率分量的噪声信号均被滤除，此举保证了通信系统的稳定性与抗干扰性，有效地提高了信噪比.

图5 带通滤波电路原理图

2.2.2 峰值包络检波电路

陶瓷滤波器输出的调幅信号经放大电路放大后，输入到如图6所示的二极管峰值检波电路中进行包络检波. 检波电路利用二极管的单向导通性与电容电阻的充放电过程，将调幅信号中的高频载波分量滤除，将低频语音信号从调幅信号包络中提取出来，输出原始的语音信号，完成了调幅信号的解调过程.

3 实验装置的操作方法与性能分析

3.1 可见光通信实验演示仪的操作方法

可见光通信演示仪如图7所示，将实验演示仪的信号发射端与信号接收端相对放置. 使用移动设备向发射端输入音频信号，开启设备电源，适当调整两装置角度，调节接收端音频放大器的音量旋钮，即可听到扬声器发出的低损声音. 为探究外界光噪声干扰对通信质量的影响，可使用手机闪光灯或手电筒等设备人为地制造光噪声，此时除扬声器音量有所降低外，声音的音质并无显著变化.

图7 可见光通信演示仪实物图

3.2 实验演示仪的性能分析

为深入地探究实验演示仪的抗干扰性能与影响其通信质量的因素，可利用函数信号发生器、数字示波器以及简易光源等设备进行如下定量探究实验.

3.2.1 实验演示仪的幅频特性

利用函数信号发生器产生幅值为2 V的正弦波信号，并且以适当步进间隔改变其频率，使之在20 Hz～6 kHz变化. 在室内交流日光管照明并且伴有室外自然光的光线环境下进行实验，分别在信号频率为1 kHz及2 kHz附近使用手机闪光灯人为地产生强光噪声. 调节适当的音频放大倍数，使用数字示波器测量接收端音频功放电路输出的正弦波信号，记录相应频率所对应的输出信号幅值，绘制如图8所示的幅频特性曲线图.

图8 幅频特性曲线

由图8可见，实验演示仪的下限截止频率fL=49 Hz，上限截止频率fH=5 750 Hz，通频带约为5.7 kHz，通频带内波形平坦稳定. 在频率为1 kHz及2 kHz附近的外界光噪声干扰下，接收端的幅值出现明显衰减，但波动幅度不大且迅速恢复正常值，这表明实验装置的抗噪性能良好，响应速度快.

3.2.2 探究发射端与接收端的距离对通信质量的影响

利用函数信号发生器产生频率为2 kHz、幅度为2 V的正弦波信号，作为发射端的输入信号. 在发射端与接收端保持平行的条件下，以合适的步进改变2者之间的距离，使用数字示波器测量接收端音频功放电路输出的正弦波信号，记录不同位置对应的输出信号幅值. 将发射端与接收端由平行位置改变成夹角为30°，重复上述步骤，记录相应数据.

由图9可得，当两设备平行相对时，其有效传输距离可达65 cm. 在有效传输范围内，两端设备相距较近时输出信号较稳定，随距离的增加，信号幅值缓慢下降，且无明显剧烈波动. 当两端设备夹角为30°时，其有效传输距离缩短为47 cm，输出信号幅值下降较快，这说明当两端设备处于非正对位置时，仍能进行信号传输，但此时信号随着距离的增加而迅速衰减.

图9 发射端与接收端的距离与夹角对通信质量的影响

3.3 调制与解调中基带信号的畸变分析

3.3.1 可见光通信系统的Simulink仿真

为定量地研究可见光通信系统调制与解调过程对基带信号的影响,可使用Matlab软件内的Simulink工具[7]对实验系统进行建模与仿真. 仿真系统的参量设置与实际电路一致，选用高斯白噪声模拟实际环境中的自然光噪声，同时加入50 Hz的正弦信号模拟室内照明光源噪声. 基带信号设置成频率为1 kHz的正弦信号，载波信号的频率为465 kHz. 参量设置完毕后进行系统仿真，仿真结果如图10所示.

图10 可见光通信系统调制与解调的Simulink仿真

由图10的仿真结果可以看出，解调输出信号的相位滞后于调制输入信号的相位，即基带信号在调制与解调过程中发生了相移，两信号相位差为φ1=19.5°. 同时，解调输出信号混杂少量的噪声信号，导致信号的时域波形上出现尖峰毛刺等信号畸变.

3.3.2 可见光通信系统的实际实验测量

为探究仿真实验系统与实际实验系统的区别，可选用信号发生器与数字示波器对可见光通信实验演示仪进行定量测量. 设定基带信号频率为1 kHz，按照实验要求接线后进行测量操作.

如图11所示，基带信号的波形为黄颜色曲线，解调输出信号的波形为蓝颜色曲线. 解调输出信号明显滞后于基带信号，两信号的相位差为φ2=41.7°.

图11 可见光通信系统调制与解调实验的时域波形

图12为解调输出信号的傅里叶变换频谱图，由频谱图12可知，解调输出信号除了含有1 kHz的基带信号成分，还有强度较低的其他频率的噪声信号.

图12 接收端解调输出信号的傅里叶变换频谱

3.3.3 Simulink仿真与实际实验的对比分析

由Simulink仿真结果与实际实验结果的对比分析可知，实际实验中解调输出信号与基带信号的相位差大于仿真实验中的两信号的相位差，并且其噪声信号强度也大于仿真实验的噪声信号强度.

产生相移的原因除了有滤波器的延迟效应，还有光电转换过程的响应滞后等因素. 实际测量结果的相位差大于仿真结果的相位差，其原因是实际实验比仿真实验多了光电转换与信道传输的过程. 光电转换的响应速率取决于信号发送端的LED光源驱动电路的开关性能与接收端的硅光板的光电转化速率，因此该过程会给基带信号的传输带来较大的时间延迟. 同时，滤波器在滤除通频带之外的信号、保留通频带之内的信号时也会产生较大的延迟. 因此，造成解调信号相对于基带信号发生相移的主要原因有光电转换过程的响应滞后与滤波器的延迟效应.

由于实际应用中的滤波器无法完全滤除通频带之外的噪声信号，故仍有少量的噪声能通过滤波器，使得解调结果有微小的噪声畸变，但此类噪声信号的强度较低，一般对解调信号的影响不大. 演示仪电路系统属于有源系统，因此其工作时会受到电路内部的电源热噪声的干扰，这由电路板布线设计以及电源滤波电容的性能等因素决定.

综上所述，基带信号在可见光通信系统的调制与解调过程中会存在相位滞后与尖峰噪声等畸变现象，这与实验演示仪中光电转换的响应速率、滤波器的性能以及电路系统设计和外界信道噪声相关.

3.4 实验装置的优点

1)幅度调制技术与带通滤波方法的结合，可以有效地滤除信道噪声，提取高保真的调幅信号，保证了通信系统的稳定性，提高了仪器的抗干扰能力；

2)幅度调制可使驱动光源的功率信号幅值保持在发光二极管的导通电压之上，使得光源发出的光信号更加稳定且不闪烁；

3)有效地消除自然光与交流照明光等光噪声干扰，降低了对实验场地光线条件的要求；

4)实验演示仪的组成结构清晰，模块化的设计降低了制作难度，可复制性强.

4 结束语

基于幅度调制的可见光通信演示仪在设计时充分考虑了实际实验中可能遇到的外界干扰，并且在传统演示装置的基础上进行改进设计，使其适应绝大多数的室内光线条件. 演示仪对光线条件要求的降低，使得可见光通信演示实验能够在普通的教室内正常进行，因此学生能够近距离地接触到可见光通信技术，并且初步了解调制解调技术在通信系统中的广泛应用，领会对传统实验仪器进行创新性再设计的思想.

参考文献：

[1] 宋小庆,赵梓旭,陈克伟,等. 可见光通信应用前景与发展挑战[J]. 激光与光电子学进展,2015,52(8)：30-38.

[2] 李潮锐. 电光调制通信的频谱测量[J]. 物理实验,2017,37(6)：28-31.

[3] 刘泽畅,冯雅莉,张尊,等. 基于LED可见光波分复用的音频传输演示仪[J]. 大学物理实验,2017,30(4)：23-26.

[4] 薛德宽,黄兴洲,位浩杰,等. 基于LED可见光通信的音频传输演示仪[J]. 物理通报,2015(8)：82-85.

[5] 陈启兴. 通信电子线路[M]. 北京：清华大学出版社,2008:111-125.

[6] 康华光. 电子技术基础(模拟部分)[M]. 北京：高等教育出版社,2013:101-111.

[7] 王正林,王胜开,陈国顺,等. MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M]. 北京：电子工业出版社,2017：44-73.