毕业设计（论文）-基于大功率白光LED的可见光双路通信系统设计.docx

.毕业设计摘 要提出一种基于大功率白光LED的可见光双路通信系统设计方案，详细给出了该设计方案可见光发射端与接收端A、B两路系统设计的原理与组成。发射端A路传输语音信号，B路传输高频信号。发射端A路采用基带传输，发射端B路采用调制传输，同时通过白光LED发送；接收端A路通过带通滤波器电路、放大电路，B路通过高通滤波器电路、解调电路、放大电路，分别将信号传递给喇叭，从而分别还原出A、B路信号，如此实现了可见光双路通信。测试结果表明该系统具有通信距离远、可靠性高及稳定性好等优点。关键词：白光LED，可见光通信，调制解调AbstractA visible light communication system with two channels is proposed in this paper. The principle and composition of the system is described in detail. The system is divided into two parts, namely transmitting and receiving subsystems. High power white LED is used as the transmission medium, with the function of signal transmission. The voice signal can be transmitted from the transmission subsystem in two channels, correspondingly received at the receiving subsystem with two channels. It can realize communication requirement and experimental results of the proposed system performs better with further communication range, more robust and stable compared with other similar single channel communication methods.Keywords: White LED, Visible light communication system, Modulation and demodulation 目 录前 言11 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 白光LED通信系统性能的相关技术21.2.1 阵列光源的布局设计21.2.2 驱动电路优化设计31.2.3 均衡技术41.2.4 正交频分复用技术41.2.5 信道编码技术41.2.6 分集接收技术51.2.7 自适应传输技术61.3 白光LED通信的展望62 系统方案72.1 电源方案选择与论证72.2 LED驱动电路方案的选择与论证83 理论分析与计算103.1 电路结构分析103.2 电路参数分析103.2.1 555方波发生器参数分析103.2.2 调制解调电路参数分析113.2.3 大功率LED驱动电路参数分析123.2.4 带通滤波电路参数分析123.2.5 放大电路参数分析133.3 元器件的选择134 电路设计144.1 系统总体框图144.2 发送端电路设计154.2.1 A路电路设计154.2.2 B路电路设计15V前 言 可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)是随着白光LED照明技术的发展而兴起的无线光通信技术，可分为室内可见光通信和室外可见光通信两大类。白光LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。同时与传统照明光源相比，白光LED又具有响应时间短、高速调制的特性，因此可以设计出基于白光LED的可见光无线通信系统和网络，实现照明和通信的双重作用。目前，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但与可见光通信的实用还有一定的距离，系统的各项性能有待进一步优化。在照明领域，基于白光LED可见光通信的推广应用增加了半导体照明的附加值，有助于提高LED照明对现有照明光源的竞争力；在通信领域，它已成为光无线通信领域一个新的增长点。可见光通信具有不占用频谱资源、发射功率高、无处不在、无电磁干扰、节约能源等优点，具有极大的发展前景。但是，要真正实现超高速光无线数据通信，还有很多挑战需要面对，如光源及其布局、调制解调和编解码技术、无线信道传输和复用技术、码间干扰的克服技术等相关技术需要进一步优化。在指导老师的悉心指导下，结合现代科技，设计了基于大功率白光LED的可见光通信装置，该装置主要由发送端和接收端组成，系统设计实现了通信的功能。通过分析影响白光LED通信性能的因素，对白光LED通信中提高系统整体性能的若干关键技术进行了分析讨论，为改善白光LED通信系统性能提供进一步努力的参考依据。本装置新颖简单，成本低廉，随着大功率白光LED的可见光通信技术的不断成熟以及其成本的下降，该技术必将得到更广泛的应用。1 绪论1.1 课题研究的背景及意义近年来，中日欧美的研究人员对基于白光LED照明光源的可见光通信的展开了面向应用的研究。其中作为美国国家科学基金的十年规划，2008年美国政府动员30所大学及科研机构，投入1850万美元的启动资金开展了该领域的科技攻关。但由于该项技术综合性强，技术难度大，目前全面掌握核心技术并能够做到在世界级展会上现场演示样机的仅有中国暨南大学与日本太阳诱电公司两家。2004年，Takakuni等对基于白光LED灯的整体通信系统进行了初步实验研究，该系统1利用桌面LED照明台灯向用户提供广播信息，结构简单，但系统通信距离较短，数据传输速率较低。2008年，太阳诱电株式会社在“东京国际消费电子博览会”上现场演示了采用白光LED的高速无线通信系统，最大数据传输速率可达100Mbit/s2。该系统实现了双向全双工高速通信，但是最大传输距离仅为0.2m左右。当通信距离超过0.2m时，随着通信距离的增加，系统的误码率增大。2006年，暨南大学的陈长缨3、胡国永4等提出利用白光LED照明光源用作室内无线通信，设计并实现了近距离(0.2m)、点对点的白光LED通信系统。该系统成功实现了10MHz的传输速率下，FM信号的传输。暨南大学陈长缨研究团队在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题，设计并实现了具备实用照明功能的室内白光LED通信系统。该系统成功实现4Mbit/s带宽的数字多媒体音视频信号使用白色可见光进行传输，信号传输距离超过了2.5m，2008年12月，项目通过了广州市科技计划项目成果验收，2009年11月在深圳高交会上展出并公开进行现场实机演示。2010年4月开始，暨南大学这套白光LED照明-通信兼用系统作为我国唯一的白光LED通信科技创新成果选送上海世博会，在“沪上生态家”城市案例馆向全世界公开展示。1.2 白光LED通信系统性能的相关技术1.2.1 阵列光源的布局设计在VLC系统中，光源的布局是影响系统性能的一个关键因素。光源布局需要考虑两个方面，一方面是组成白光LED阵列光源的内部LED灯的排布(个数及排列)，另一方面是室内LED的整体布局(个数及室内分布)。通过两方面的合理布局可以使室内光分布同时满足照明和通信的需要。在设计照明-通信的室内光源时，为符合照明场所国际标准的亮度分布要求，LED光源最终设计成白光LED的阵列形式，组成每个LED阵列所需的白光LED的总个数取决于LED间隔的大小，间隔过大或过小，都会影响光照度的均匀性。间隔的取值，应平衡中心区域光强度与所需LED个数。LED的排列需要考虑接收面的照度要求和光强分布。LED的数目和排列需合理设计，在达到室内照明标准的同时，也要考虑码间串扰(ISI)的影响。在室内VLC系统中，要使通信效果达到最优，须根据房间的大小以及室内设施，使房间内同一水平面上分布的光功率变化最小，尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多，可以降低“阴影”效应，同时接收功率大大增加，但多个不同的光路径会使得ISI越严重。因此，合理安排 LED阵列光源的布局尤为关键5。1.2.2 驱动电路优化设计调制带宽是衡量LED的调制能力的参数，是LED用于无线光通信的重要参数之一，它关系到LED的数据传输速度大小。LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容的影响。在白光LED制造工艺上，除了减少载流子复合寿命和减小寄生电容，我们还可以采用具有很大的潜在调制带宽的多芯片型白光LED。此外，通过外部驱动电路的优化设计也是提高LED调制能力的一种方法。考虑到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂以及光功率补偿等，用于数字视频信源码流传输的白光LED高速调制驱动电路设计方案6如图1.1所示。图1.1射极耦合电流开关型LED高速调制驱动电路Fig.1.1 Emitter-coupled high-speed modulation current switch type LED driver circuit图1.1为射极耦合电流开光型驱动电路。晶体管BG1和BG2组成发射极耦合式开关，BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，给LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作，即使输入端过激励时，其仍没有达到饱和，所以开关速率更高，计算表明该电路可响应300Mb/s以上的数字信号。1.2.3 均衡技术有研究人员通过在白光LED通信系统中引入均衡技术来提高系统的调制带宽7。以16个LED作为光源，同时借助于16组略有差异的调谐驱动电路使每个LED具有不同的峰值频率，每个LED的前置均衡电路都由一个缓存器、谐振电路、谐振电容、谐振电感以及直流源组成(将产生的直流信号叠加到原始信号上)。据称，采用均衡技术可将LED的调制带宽从3MHz提高至25MHz，同时相应地降低了系统的误码率。在接收端也引入了均衡技术，在实验中接收端的均衡方案由一个简单的一阶模拟均衡器组成。最终的实验测试表明，收发两端引入均衡技术后，系统可以在保持10-6级误码率的同时提供超过75Mb/s的传输速率。假如适度增加均衡方案的复杂性，可以进一步优化系统性能，其中的一个设计方案表明，在一个中等大小的房间里通信的速率有潜力达到100Mb/s。1.2.4 正交频分复用技术日本庆应大学中川研究室提出，为提高传输的数据率，在VLC中引入正交频分复用(OFDM)调制方式的必要性。OFDM技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。由于OFDM具有很强的抗多径能力，已经在高速无线通信中获得了广泛应用。对无线光通信来说，多径传播是引入ISI的主要原因，限制了通信传输速率。在基于白光LED的VLC系统中，也可以采用OFDM方式降低ISI8。国内外研究人员给出了一些利用OFDM技术来实现可见光无线通信的方案。其中一个方案由以下几部分组成：电力线调制器、白光LED照明阵列和OFDM解调器9。在发射端，对信源电信号进行OFDM编码，并加一直流偏置对LED光源调制。在接收端，将接收到的OFDM调制的光信号进行解调。提取出发射端被插入的导频信号，可以对信道状态进行实时评估和更新。在可见光OFDM系统中，一方面将串行的高速数据并行地调制在多个正交的子载波上，降低了码速率，减少了ISI的影响10。另一方面在每个OFDM符号之间加入保护间隔，进一步消除残留的ISI。最新信息表明，OFDM调制一定程度上增加了白光LED通信系统的冗余，但仿真实验证实了可以将误码率稳定在较低水平。1.2.5 信道编码技术暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术6。分组码是通信领域应用极广的一种编码技术。通常来说，分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组，根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示，然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。m和n均为正整数，且nm，一般有n=m+1。常用的有1B2B(曼彻斯特码)、3B4B、5B6B、6B8B等。mBnB码的优点有：(1)功率谱形状较好；(2)连0，连1个数有限，没有基线漂移问题；(3)提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明，6B8B编码的光信号在通信距离r=0.52.5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用6B8B编码技术，可以保证系统高速传输数据的同时，信号传输距离超过2.5m。该研究组正在寻找一种更加适合白光LED通信的mBnB分组编码方式，以进一步改进通信效能。1.2.6 分集接收技术一种基于分集技术的光接收机技术可以用来克服码间干扰和阴影的影响9。分集接收的思想就是在接收机的不同方向上安装多个光电探测器，对多个探测器接收到的信号进行比较，选取信噪比最大的信号进行通信。分集接收电路的设计根据信号传输速率的不同分为两类。在通信速率不是很高时(通常低于100M时)，采用低速率分集接收装置，就是简单地将多个信号直接相加，总体上提高接收信号的功率，如图1.2所示。当传输速率超过100M时，由于码间串扰的影响，不能将信号直接相加，必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择，高速率分集接收装置如图1.3所示。在高速通信中，信噪比最大的方向为直射链接的方向。此时，应选取最接近直射链接的方向作为最佳接收方向。图1.2 低速率分集接收探测器原理框图Fig.1.2 Low rate of diversity reception block diagram of the detector 图1.3 高速率分集接收探测器原理框图Fig.1.3 Block diagram of a high rate of diversity reception probe在接收机的不同方向上安装的多个光电探测器均匀分布于一个半球面上，这样在减少探测器个数的同时又提高了接收效果。只要不是整个接收机被遮住，通信就不会中断。关于探测器的个数和布局，需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。理论计算和计算机仿真结果表明，采用分集接收系统，能很好地克服不同路径引起的码间干扰的影响。而且，当接收机随用户位置改变或室内有人员走动和其他物体产生阴影时，通过分集接收系统自动判决和选择，不需要人工设置就能保证通信系统的畅通。实验证明，在高速通信中，采用分集接收技术的系统信噪比平均提高了2dB，有效提高了系统性能。1.2.7 自适应传输技术采用自适应收发器的设计方案，可以有效减缓光无线通信中信噪比的剧烈波动7。在发射端，借助一个信号处理器(DSP)来完成对机电定向系统的实时控制。DSP被广泛应用于现代通信中，使通信系统获得更高的信噪比、更好的灵活性及调节预见性。对白噪声、非平衡干扰和多径干扰，可以有相应的实现方法去进行最佳的信号处理。在接收端，则采用单一的光电检测器来简化对光前端的设计。这个优化的设计方案采用定向机制将更多的光能量集中到单一信道，一方面由于接收端视场的减小而降低了环境噪声对系统性能的影响，另一方面大大提高了系统抗多径畸变的能力。1.3 白光LED通信的展望凡是用LED进行照明和指示的设备加上通信的功能即可衍生出新用途。在博物馆、展会等场馆内，参观者只要手持相应的接收设备(如手机)，就可以随时随地接收加载了信息的LED灯传输的文字、声音、图像等，使讲解更加生动。将此技术应用于一些小商品如手电筒、玩具、礼品等LED上，可成为前所未有的新产品。如可用作电子钱包的手机，可成为入场券的LED请柬，可互相打招呼的玩具等等。大屏幕LED显示以及LED交通信号灯，成为实时信息下载平台，人们用手机对准即可下载屏幕上的显示内容：商品广告和优惠信息、股市行情、实时交通信息等。在白光LED照明未来最大的市场，车用照明领域，构成汽车大功率LED前照灯信息传输系统10。将车牌号、车速、载重量等多种信息自动瞬时地传输到各种交通监测设备，实现自动缴费、车量登记、测速等，解决目前智能交通系统ITS中最为头痛的车辆信息采集问题。LED尾灯也可与后车快速传递路况、刹车等信息，避免交通事故的发生。此外，也可应用于自动车库门、私家停车场等，实现无人化管理。2 系统方案2.1 电源方案选择与论证方案一：采用变压器及三端稳压器LM7824。利用直流稳压器构成稳压电路，当220V 50Hz交流电压通过电源变压器降压后，变为24V交流电，再通过桥式整流成直流电，经过电容滤波，减少电纹波系数，最后通过三端稳压器7824进行稳压，将输出电压稳定在24V左右。此种方案操作简单且可靠性高，电压稳定。见图2.1:24V电源模块原理图。图2.1 24V电源模块原理图Fig.2.1 24V Power Module Schematic方案二：采用Buck降压管。使用Buck降压管进行电路设计，电路简单，电压变比可由零到无穷大，既可升压又可降压。但是此种方式下输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大。实际应用时需要加有输入， 输出滤波器； 并且开关晶体管发射极不接地，使驱动电路复杂化。见图2.2: Buck降压管的电源电路图。 图2.2 Buck管降压电路图Fig.2.2 Buck Buck tube circuit diagram综上所述，为简化设计电路，提高设计效率，确保电路可靠性，选用方案一。2.2 LED驱动电路方案的选择与论证方案一：采用音频功放LM386模块。LM386是一种音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。其电压增益调节范围在20-200之间的任意值。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW。其工作范围宽，可为4-12V或5-18V，并且其低失真度的特性，使其在音频采集上具备较大优势。本可见光通信装置中使用的电源电压为24V，超出了LM386的工作电压范围，若要使用LM386芯片，则需要在接入24V电源后再次降压，以避免烧坏芯片。LM386驱动放大电路电路图如图2.3所示。图2.3 LM386音频驱动电路图Fig.2.3 LM386 audio driver circuit diagram 方案二：采用MOS管。MOS管是电压控制型器件。主要特点是电压控制，输入阻抗高，功率增益高，驱动功率小，开关的速度快，开关时间由寄生电容决定，因此其应用广泛。但是，由于其本身寄生电容的存在，会影响MOS管的导通、关断的时间，使其控制的可靠性降低，烧坏的可能性增大。若在本设计中使用MOS管驱动电路，需要在直流情况下，将Q点调至10V，才能使MOS管正常工作。MOS管驱动电路的电路图如图2.4所示。 图2.4 MOS管驱动电路Fig.2.4 MOS tube drive circuit方案三：采用LM3406设计大功率LED驱动电路。LM3406LED驱动拥有以下优点，一是提供PWM调光端口，安全可靠；二是内部具有过温保护，低电压保护，高电流保护功能，以保证系统稳定可靠的工作；三是单片LM3406可以瞬间提供超过1.5A的电流，远高于其他同类芯片；四是芯片可以兼容6-42VDC的输入电源，电源兼容性好。本设计可以采用此种电路进行LED驱动电路的设计。见图2.5:LM3406的典型运用电路。图2.5 LM3406典型运用电路Fig.2.5 LM3406 typical application circuit本设计所使用的电源电压为24V，而方案一中LM386芯片的最大电压为18V，故方案一不可选；另外本设计需要较高的稳定性、可靠性以保证装置后续功能的正常运行，且满足大功率LED驱动，故方案二存在较大缺陷。综上所述，选择方案三。3 理论分析与计算3.1 电路结构分析本设计的输入信号有两部分，一是A路的语音信号，由MP3或麦克风提供；二是B路的模拟波形信号和方波信号同时输入调制模块的载波信号，方波信号与模拟波形信号调制后再与放大后的音频信号经白光LED信道将信息传送给接收端。其中的白光LED为大功率电路，为防止仪器过热造成电路损坏，专门设计有散热器模块。发送端也分为两大部分，一是处理A路传输来的语音信号，二是处理B路传输来的模拟波形信号及555波形信号。发送部分：A路由MP3或麦克风提供语音信号和LM386音频放大电路组成；B路信号首先通过NE555方波发生器产生频率大于40KHz的方波，然后与模拟波形信号共同调制后，再与A路语音信号同时经过LED白光将信息传送至接收端。接收部分：A路的语音信号通过LM386音频功放电路后再经点解电容传送到接收端，此时还可能会产生杂波或是噪音等其他干扰物质，为减少干扰，需要运用带通滤波电路进行滤波。要获得不失真且清晰的输出信号，还需要采用放大电路对接收到的信号进行处理。B路输出同样需要滤波电路，与A路不同是，需要使用高通滤波电路，由于在发送端时B路输入的信号经过调制，要获得原信号，需要使用解调电路解调，然后经过放大电路来获得所需信号。电源部分：电源包括24V直流电源和12V直流电源。是通过变压、整流、稳压获得的。使用降压整流电路并结合三端稳压器LM7824、LM7812、LM7805来获得所需电源。3.2 电路参数分析3.2.1 555方波发生器参数分析利用NE555芯片组成多谐振荡电路自激产生脉冲波形。利用电容C不断充放电使得555定时器交替输出高低电平形成方波。参数分析过程如下：放电持续时间（即低电平持续时间）为：由，可得。充电持续时间（即高电平持续时间）为：由，可得。根据设计所需的方波，选用适合的电阻及电容值就能得到相应的方波信号。3.2.2 调制解调电路参数分析调制解调电路是利用集成模拟乘法器原理设计的，调制电路芯片为MC1496。解调电路使用MC1596芯片。见图3.1：模拟乘法器电路图。(a)(b)图3.1 调制解调分析图(a图为框图，b图为模拟乘法器电路)Fig.3.1 Modulation and demodulation analysis chart（The picture a shows a block diagram, b pictured analog multiplier circuit）通过使用MC1496/1596的典型运用电路来实现信号的调制与解调。3.2.3 大功率LED驱动电路参数分析本模块利用LM3406芯片构建大功率LED驱动电路。LM3406是具备宽输入电压范围，低参考电压，而且设有双导线调光功能的降压稳压器。因此，LM3406是LED的理想恒流供应源，并提供高达1.5A的正向电流。此外，该芯片采用受控导通时间结构，其中内置比较器及一次性启动定时器，而启动器与固定时钟不同，其变动与输入及输出电压的变动呈反比关系。利用LM3406芯片特性可算出下列参数之间的关系： 3.2.4 带通滤波电路参数分析 输入接收端的语音信号频率并不符合信号的频率范围，其中还可能夹杂其他噪声如高斯白噪声，为使接入电路的信号尽可能的符合300-8000Hz的频率范围，并减小噪声的影响，需要设计带通滤波电路。 令中心频率，电压放大倍数 （3.1） 当f=f0时，得出通频代放大倍数 令式（3.1）分母的模为，即式（3.1）分母虚部的绝对值为1，即解方程，取正值，就可得到下限截止频率fp1和上限截止频率fp2分别为因此，同频带。电路的Q值愈大，通带放大倍数数值愈大，频带愈窄，选频特性愈好。调整电路的，能够改变频带宽度。3.2.5 放大电路参数分析本设计使用LM386放大电路对信号进行放大。分析可知，系统电源为24V直流电源，而LM386的电压最大允许值为18V，所以需要额外的电源对其供电。由LM386芯片本身的放大作用即可对所需信号进行放大，不需要再单独设计放大模块，但是为了防止放大后产生杂波干扰，需要添加不同大小的电容对放大后的信号进行滤波。见图3.2：LM386芯片的性能测试数据。图3.2 LM386芯片性能测试参数Fig.3.2 LM386 chip performance test parameters3.3 元器件的选择制作电源所需的三端稳压器LM7824、LM7812、LM7805；大功率白光LED驱动电路所需芯片LM3406；产生方波信号的NE555芯片；调制电路所需的MC1496芯片；解调电路所需MC1596芯片；m序列产生芯片74LS194；带通滤波电路芯片LM358；高通滤波电路所需芯片LM324；音频功放电路芯片LM386；光敏二极管；10W LED灯；整流桥；稳压管若干；阻值8喇叭；不等值电容若干；不等值电阻若干；导线若干。4 电路设计4.1 系统总体框图系统主要由发送端电路和接收端电路组成，如图4.1所示。图4.1 系统总体框图Fig.4.1 Overall system block diagram总体描述：本装置主要由发送端和接收端组成，两端均采用自制24V直流电源供电。发送端的组成包括语音信号、音频功放电路、模拟波形信号、方波产生电路和调制电路。接收端包括带通滤波器、高通滤波器、解调器和放大器。发送端由白光LED灯发送信号经可见光信道，可见光信道将信道信息传送给作为接收端受体的发光二极管，进入接收端装置。最终由喇叭表现装置出所输出的信号。4.2 发送端电路设计4.2.1 A路电路设计A路电路是语音信号的输入电路及LM386音频功放电路组成的。设计要求语音信号通过MP3或麦克风提供，然后通过LM386音频功放电路对语音信号进行放大处理，然后通过电解电容将放大后的电路加入到恒压恒流源。4.2.2 B路电路设计B路电路主要由模拟波形信号、NE555方波发生器、调制电路组成。555方波发生器：利用NE555芯片组成多谐振荡电路自激产生脉冲波形，它的信号不需要外加触发信号的触发，而是完全由电路自身控制的。555方波发生器的电路原理图如图4.2所示。 图4.2 555方波发生器电路原理图Fig.4.2 Square-wave generator circuit schematics调制电路：为了使输入LM3406驱动电路的信号源满足要求，需要对产生的方波信号进行调制。本设计利用MC1496模拟乘法器来达到电路的调制。调制电路的原理图见图4.3。 图4.3 调制电路原理图Fig4.3 Modulation circuit schematics4.2.3 m序列发生器模块m序列的发生器是一种反馈位移型结构的电路，它由n级移位寄存器加异或反馈网络组成，其生成序列长度，且只有一个冗余状态即全0状态。由于带有反馈，因此在位移脉冲作用下，位移寄存器各级的状态将不断变化，通常位移寄存器的最后一级做输出，输出序列为。图4.4为m序列发生器的电路图。图4.4 m序列发生器Fig.4.4 m sequence generator4.2.4 LM3406模块设计LM3406是白光LED驱动电路的主体。LM3406芯片内置可确保电流平均输出的积分电路。当转换器采用连续导电模式（CCM）操作时，受控导通时间结构可以确保无论输入输出电压的变动如何，开关频率都会恒定不变。因此LM3406的输出电流极为准确，瞬态响应也极快，可以在不同的情况下确保开关频率恒定不定。结合LM3406芯片的典型运用电路，设计出本系统所需的电路模块。LM3406驱动电路原理图见图4.5。图4.5 LM3406驱动电路Fig.4.5 LM3406 driver circuit4.3 接收端电路设计4.3.1 带通滤波器设计信号由发送端经可见光信道传到接收端后还需经过处理才能使源信号不失真的从喇叭模块反映出。带通滤波电路是对由A通道输送来的语音信号进行处理的。经电容后接入的语音信号频率并不符合要求频率范围，且夹杂其他噪声。为使接入电路的信号尽可能的符合300-8000Hz的频率范围从而减小噪声的影响，将信号接入带通滤波器进行加工处理，从而提高整个电路的准确性。见图4.6：带通滤波器电路图。图4.6 带通滤波器电路图Fig.4.6 Band-pass filter circuit diagrams4.3.2 高通滤波器设计为使输出电路的信号频率在8000Hz以上，以符合电路设计要求，将信号接入高通滤波器（电路图见图4.7）进行加工处理，去除8000Hz以下频率的杂波，从而提高整个电路的准确性。图4.7 高通滤波器电路图Fig.4.7 High-pass filter circuit diagrams4.3.3 解调电路设计调幅波的解调过程（不失真地还原信息）通常称为检波，实现该功能的电路也称振幅检波器（简称检波器），它仍然是一种频谱搬移过程。从原理上讲，要将包含调制波信息的已调波中还原出调制波信息，必须要有非线性器件，使之产生新的频率分量，并把高频载波的高频分量滤除。见图4.8：解调电路原理图。图4.8 解调电路原理Fig.4.8 Demodulation circuit principle4.3.4 放大电路设计发射电路和接收电路收到的信号很微弱，弱信号传播存在一定的困难且受到的微弱信号不足以驱动1W的小喇叭，从而在发射装置和小喇叭之前利用了音频功率放大器LM386，这样可以得到50-200的增益，即可增大发射能量、扩大接收距离。放大电路原理图如图4.9所示。 图4.9 放大电路原理图Fig4.9 Amplification circuit schematic4.4 直流电源设计本设计中需要三种电源，具有两种主要功能。一是题目要求的24V直流电源，二是12V直流电源和5V直流电源，下面简要介绍设计方案。首先使用变压器对市电进行变压，当220V 50Hz交流电压通过电源变压器降压后，转变为24V交流电，然后再通过桥式整流电路整成直流电，再经过电容滤波，减少电纹波系数，最后通过三端稳压器LM7824进行稳压，稳压器将输出电压稳定在24V左右，通过此方法得到24V直流电源，然后以此24V直流电源为基础，再运用类似设计方法，经过变压器及三端稳压器LM7812、LM7805来分别获得12V、5V直流电源。（a）（b）图4.10 电源设计模块原理图（a图为24V、12V电路图；b图5V电路图）Fig4.10 Power design module schematic（The picture shows a 24V, 12V circuit diagram; b 5V circuit diagram of FIG）5 测试方案与测试结果5.1 测试条件与仪器条件：反复检查，保证硬件电路与系统原理图完全相同，检测硬件电路，保证无虚焊，短路等情况。测试仪器：万用表，数字示波器，直流稳压电源，函数信号发生器，MP35.2 测试结果及分析5.2.1 自制电源测试图5.1 24V电源测试Fig 5.1 24V power supply test图5.2 12V电源测试Fig 5.2 12V power supply test 图5.3 5V电源测试Fig 5.3 5V power supply test5.2.2 LED驱动电路测试图5.4 LED驱动电路测试Fig 5.4 LED driver circuit test5.2.3 方波波形产生测试图5.5 方波波形产生测试Fig 5.5 Square waveform generation test5.2.4 m序列发生器测试图5.6 m序列发生器测试Fig 5.6 m sequence generator test5.2.5 整体测试图5.7整体测试Fig 5.7 Overall test5.2.6 结果分析利用单只10W白光LED和光电器件作为收发器件，传输语音和高频单音信号，传输距离远大于50cm且声音无明显失真。当发射端输入信号为5000Hz、1000Hz单音信号时，接收装置的输出电压有效值不小于0.4V。不改变电路状态，减小发射端输入信号的幅度至0V，采用低频毫伏表测量此时接收装置输出端噪声电压，读数不大于0.1V。说明此设计噪声电压低、低耗能、稳定性高。当发射端同时加入语音信号和高频信号时，接收端能分别传出无明显失真的语音信号和高频信号。测试过程主要目的是在接收端两路输出不失真的信号。为了让声音更加清晰就必须减小电路中各元件因发热所产生的噪声和周围其他物体发射的干扰信号，此外还得调整功率放大器的放大倍数，确保声音信号的失真度最小。为了让信号的传输距离更远，可以让信号在失真度最小的情况下尽可能的提高接受端信号的放大倍数。结 论本文主要对大功率白光LED可见光双路通信进行了分析。详细给出了该设计方案的系统原理与组成，可见光发射接收端A、B两路系统设计。经试验，该可见光通信系统接收的声音无明显失真，传输距离远大于50cm，两路通道能够同时无失真的传输信号。LED灯以其功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等特性将成为下一代照明光源。由于LED具有较