基于可见光的光收发系统设计

1、文章编号 基于可见光的光通信系统设计张锋博（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 05092119）摘 要：目前应用的通信系统主要有无线通信系统和有线通信系统两种，可见光通信是一项新兴基于白光LED的无线光通信技术，具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射和节约能源等优点，能够同时实现照明和通信的双重功能。只要方法是以可见光作为信号传输载波，设计完整的光收发电路，实现信号的发射和接收功能。设计的电路要求能够稳定准确地发射并接收信号，并且可以传输一定的距离而不失真。实验结果表明：发射机和接收机的之间随着距离的增加，接收到的信号噪声增大，失真增多，理论上的短距离内信号均可以无失真

2、传输。关键词：可见光通信系统 发射机 接收机 噪声 载波 中图分类号：TN914.3 文献标识码：ABased on the visible light communication system designZHANG Feng-bo（Xi'an University of Posts and Telecommunications, Electronic Engineering, Shannxi,Xian）Abstract: The current application of the communication system are mainly two kinds of wirel

3、ess communication system and a wired communication system. The visible light communication (VLC) utilizing the white LEDs is a kind of optical wireless communication characterized by high emission power rate, don't take up radio spectrum, no electromagnet interference, no electromagnetic radiati

4、on and energy-saving, etc. In VLC system, white LEDs are used not only as the illuminator in the rooms, but also as the source of the communication system. As long as the method is based on the visible light as a signal transmission carrier, the design integrity of the optical transceiver circuit, t

5、he signal transmitting and receiving functions. The design requirements of the circuit can be stably and accurately emitting and receiving signals, and a certain distance can be transmitted without distortion. Experimental results show that: the increase of the distance between a transmitter and a r

6、eceiver, the received signal to noise increases, the distortion is increased, within a short distance signal theoretically can be lossless transmission.Key words: visible light communication system transmitter receiver noise carrier1 引言光通信分为有线光通信和无线光通信两种。光通信的主要方式是有线光通信即光纤通信，它已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。无线光通

7、信又被称为自由空间光通信(FSO，Free Space Optical communication)。近年来，随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇，同时由于光通信器件制造技术的飞速发展，无线光通信设备的制造成本大幅下降，FSO得到越来越多的应用。2 无线光通信系统构成及其工作原理2.1 无线光通信系统的主要构成1无线光通信系统是在模拟光通信系统的基础上以可见光作为载波设计的信号收发系统，系统主要包括发射机系统与接收机系统两个部分组成。系统所用到的基本技术是光电转换，电路运算放大等。光发射机中的光源受到电信号的调制，通过大功率LED将

8、电信号加载到光波上，并发送出去，光信号再通过大气信道传送到接收端硅光电池上；接收端硅光电池将光信号转换成电信号，然后进行接收端滤波和放大后输出接收到的信号。图1 无线光通信系统原理图Fig.1 Block diagram of image measuring system2.2 无线光通信系统各部分的工作原理光发射系统：主要由信号发生器、大功率LED器件和三极管两级放大电路组成。发射端通过调制器将输入信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行幅度调制，完成电/光变换的功能，发射端信号最终由光大功率LED发出后经一定长度的空间传输送达接收端。半导体光源器件常用的半导体

9、光源器件是半导体激光器，即激光二极管（LD）。半导体激光器非常适合于作高速、长距离光纤通信系统的光源；在真实的自由空间光通信系统中，也采用半导体激光器作光源。对于要设计的简单的、实验性的无线光通信系统，因为要求的传输速率低、通信距离也较短，所以选择了用于遥控器的红外LED作为光源器件，其发出的红外光波长一般为940nm，正向压降约1.4V，允许的最大连续正向电流IMAX一般为50mA，有些管子要更大些。用于遥控器的红外LED指向性很宽，所以不需要特别对准。用于光通信中的半导体光源器件，其最重要的特性是输出光的功率与电流的关系，即所谓的P-I特性。LD和LED的P-I特性如图1-5所示，曲线分为

10、A、B两段，在驱动电流I大于阈值电流Ith的B段直线性较好。驱动光源器件的平均电流不可超过允许的最大连续正向电流IMAX。 图2 半导体光源的P-I特性Fig.2 P-I characteristics of the semiconductor light source信号传输信道：大气。光接收系统：2主要由硅光电池，LM324运算放大器组成。硅光电池接收到发射端光信号后，对输入的光信号进行检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个接收过程。3 可见光通信系统的电路设计3.

11、1 发射端电路设计图3是光发射端机的完整电路，通过三芯插座J3接入±12V电源，两芯插座J1、J2分别接欲发射的电信号和大功率LED。图3 直接光强调制的发射端机电路图Fig.3 And direct optical emphasized transmitting end of a circuit diagram of the system3驱动LED的三极管选用江苏长江电子的8050SS，其值一般在200左右（在集电极电流IC=800mA时，最小为40），极限参数PCM=1W，ICM=1.5A，V(BR)CEO=40V。运算放大器选用德州仪器（TI）的TL082双运放。在电路中，运

12、放U1A的同相输入端通过R8接地，静态时TP1点的直流电压等于0V，故Q2发射极的直流电压为0V，即：静态时输出电流的取样电阻R9两端的直流电压为12V。为了使静态时驱动LED的直流电流大约等于20mA，R9的阻值被选择为620，这样，流过LED的直流电流 (1)在输入信号的作用下，TP1点的电压就会在静态值的基础上变化，如果TP1点的电压从0V变化到10V，流过LED的电流 (2)TP1点的电压变化到+10V，则流过LED的电流 (3)取样电阻R9同时也是限流电阻，即使Q2完全饱和，流过LED的电流最大也不会超过40mA。如果要使LED的静态电流为10mA，最大电流不超过20mA，可以把R9

13、改为1.2k。正电源电压为12V。如果驻极体输入的工作电流是0.5mA，为了使输入的工作电压在1V以上，则输入的直流偏置电阻不能大于22 k。如果输入的工作电流是0.15mA，为了使输入的工作电压小于10V，则输入的直流偏置电阻不能小于13.3k。输入直流偏置电阻的实际取值约为18k，包括R1和R13，其中R1既是输入直流偏置的一部分也是交流负载的一部分，而R13与C7起退耦作用，目的是防止后级的信号通过电源串回前级。输入放大器分为两级，第一级是晶体管Q1构成的单管放大器，第二级是U1A构成的反相比例电路。对于第一级的小信号放大器，晶体管静态工作点电流ICQ可以选12mA。如果ICQ取为1.8

14、mA，晶体管发射极电阻R4取为2.2k，则发射极的静态电压VEQ约4V，基极的静态电压VBQ就应该是4.7V左右，为此，R2和R3分别选为30k和47k。为了使静态工作点位于直流负载线的中点附近，晶体管的工作点电压VCEQ和集电极直流负载电阻上的直流电压应接近，故集电极的直流负载电阻R5取为2k。R5是微调电位器，可以调节输出给下一级的信号大小。R5与R6共同构成了晶体管集电极的交流负载，由于R6比R5大了很多，即使R5的中心抽头调到最下端，交流负载也接近于直流负载，所以静态工作点也在交流负载线的中点附近。晶体管放大器的电压放大倍数： (4)U1A构成的反相比例电路的电压放大倍数： (5)所以

15、整个输入放大器的总电压放大倍数为1250，符合设计要求。电路中加强了退耦。R10和C4、R11和C5防止Q2的输出（输出电流较大）通过电源耦合到运放。R12和C6、R13和C7起类似的作用，其目的都是防止后级的信号通过电源耦合回前级。C8和C9对电源退耦。在图像产生、传输和变换的过程中，由于各种因素的影响，往往会使图像与被测物体或原始图像之间产生差异。这给从图像中提取各种信息造成了困难和不便。因此，在对图像测量之前要进行各种预处理，以降低噪声的干扰。常见的图像噪声包括光学成像及采样过程中常会出现的混叠噪声、插入噪声、抖动噪声、电子噪声等。而边缘的检测和提取往往对噪声比较敏感，因此需要在检测前对

16、图像进行滤波降噪处理。滤波器分为线性滤波器和非线性滤波器两大类。线性滤波器对高斯噪声有较好的平滑作用，但其它噪声的抑制效果较差，而且会模糊边缘。非线性滤波器中的中值滤波器在过滤噪声的同时，还能很好的保护边缘轮廓信息。它对消除孤立点和线段的干扰十分有用，特别是对于二进制噪声尤为有效。这一点特别符合几何测量对边缘精密定位的需求，所以系统中采用了中值滤波器对图像进行滤波降噪。由于要测量物体轮廓边缘的几何信息，所以图像边缘信息提取的好坏就显得尤为关键。一般物体和背景具有较大的对比度，反映在图像上就是物体和背景的灰度差别较大，图像直方图将呈现较为明显的双峰型。因此系统采用阈值法即可较好的实现图像分割。3

17、.2 接收端电路设计对于采用直接强度调制的可见光通信系统，接收端机的任务是：通过作为光探测器的光电二极管接收来自发射端的光信号，根据光强的变化尽可能不失真的恢复出原始的信号，然后滤波放大后输出到示波器观察。要设计的接收端机如图4所示。光探测器光电流转电压功率放大光接收端机输出信号图4 光接收端机框图Fig.4 Light receiving end machine diagram光电二极管也叫光电二极管（Photo Diode，PD），由半导体PN结构成（分为平面型、PIN型和雪崩型），是利用光电效应中的光生伏特效应工作的光传感器。当光电二极管受到光照时，由于光量子的作用，半导体内部会激发产生

18、大量的自由电子-空穴对。这时，如果结两端是开路的，会产生电压，此电压叫做开路电压；如果结两端是短路的，会产生电流，此电流叫做短路电流。光电二极管不只输出光电流，在光通量为零时反偏的光电二极管任然有很小的电流流过，这个电流叫做光电二极管的暗电流。反偏越大暗电流越大。光电二极管的特点是：入射光的能量与输出电流之间的线性良好；响应速度快；输出的分散性小；输出电流的大小随温度的变化小。虽然光电二极管在光照下既可以输出电压又可以输出电流，但是其开路电压的线性和温度特性都较差，所以光电二极管一般使用的是零偏或反偏条件下的输出电流。图5光电二极管的负载特性Fig.5 The load characteris

19、tics of the photodiode为了将光电二极管输出的电流转换为电压，需要电流-电压变换电路。最简单的情况是使用电阻作为负载把光电二极管输出的电流IS转换为电压： （a） （b）（a）仅使用负载电阻（b）使用电阻并增加反偏图6 电阻的电流-电压变换电路Fig.6 The resistance of the current - voltage conversion circuit这种电路的优点是简单，缺点是动态范围小。这是因为在光电流IS的作用下，光电二极管的偏置会变为正偏，其输出电流与输出电压线性变差，当正偏到一定程度时其输出电压就不能正确反映光照的情况了。如果需要大的输出电压与宽

20、的动态范围，可以采用对光电二极管施加反向偏置的办法来解决，施加反向偏置的另一个好处是可以减小PN结的电容，从而可以提高光电二极管的响应速度。运算放大器的电流-电压变换电路采用了反馈深度很深的电压并联负反馈，也称为互阻放大器。因负反馈深度很深，故输入电阻为零（运算放大器反相输入端的电压为零），流过反馈电阻Rf电流等于输入电流IS，输出电压这种电路中反馈电阻Rf的阻值一般都选取得很大，所以如果运算放大器和光电二极管的分布电容也比较大，电路就容易自激振荡。为避免这种情况的发生，在Rf上并联一个消振电容Cf。 （a）互阻放大器 （b）光伏模式（c）光导模式图7运算放大器的电流-电压变换电路Fig.7

21、The current - voltage converting circuit of the operational amplifier根据偏置的不同，光电二极管的工作模式分为光伏模式和光导模式。如果光电二极管在零偏状态下工作，其输出电流IS是通过光伏效应产生的，故这种工作模式称为光伏模式。因为电路中运放的输入电压为零，所以光电二极管处于零偏状态。在光伏模式下，光电二极管的输出电流与光通量的关系呈现非常好的线性。对于反偏的光电二极管，它的输出电流IS可以看作是在反偏电压作用下产生的，是因为光照改变了光电二极管的导电情况，从而改变了其输出电流，所以光电二极管的反偏工作模式称为光导模式。光导模式

22、工作的光电二极管电路因为电路中运放的输入电压为零，所以光电二极管处于反偏状态，且其反偏电压始终等于V+。在光导模式下，光电二极管响应速度更高，但线性较光伏模式略差。输出放大器对放大电路输出级的基本要求是：输出电阻低，最大不失真输出电压大。图8中采用双向跟随的互补输出电路就能满足上述两个要求。电路采用双电源供电，T1和T2分别为NPN管和PNP管且其参数相同、特性对称。在输入电压为零的静态时，其输出电压为零。当输入电压vI > 0时，T1导通T2截止，正电源通过T1在vI控制下向负载RL提供输出电压，电路为射随形式，输出电压vO vI；当输入电压vI < 0时，T2导通T1截止，负电

23、源供电，电路还是射随形式，输出电压vO vI。可见，电路中T1、T2交替工作，正、负电源交替供电，实现了输出对输入的双向跟随。不同类型的两只晶体管互补地以射极输出器的形式交替工作（这种工作方式称为“互补”工作方式或“推挽”工作方式），所以这种电路称为互补输出级。但是，图8（a）所示的基本互补输出电路存在一个问题：即输入电压小于晶体管B、E间的开启电压Uon时，T1和T2均处于截止状态；只有输入电压满足vI> Uon时，输出电压vO才会随输入电压vI变化。因此，在vI过零附近输出电压将产生失真，这种失真称为交越失真。 （a）基本电路（b）用二极管消除交越失真的电路图8互补输出级Fig.8

24、Complementary output stage可以利用二极管正向导通时的压降来克服交越失真，正电源V+经过Rb1、D1、D2和Rb2到负电源V形成了电流通路，所以，D1和D2正向导通，导通压降为UD，晶体管T1和T2的基极电压分别为vB1 = vI + UD和vB1 = vI UD。如果二极管和晶体管采用相同的材料，在静态时T1和T2就处于微导通状态；在vI变化时，由于二极管的动态电阻很小，T1和T2发射极的输出就跟随vI变化。当互补输出级作为功率放大电路时，应根据晶体管承受的最大管压降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。图9 由运算放大器和互补输出级构成的功率放大器Fig.9 Co

25、nstituted by an operational amplifier and complementary output stage power amplifier互补输出级可以用来扩展运算放大器的输出电流。运放用来放大电压，互补输出级用来放大电流。电路中采用了大环负反馈，即反馈没有从运放的输出端引到运放的反相输入端，而是从整个电路的输出端通过Rf引到运放的反相输入端。电路的电压放大倍数 (6)光接收端机的参考设计图10是光接收端机的完整电路，±5V的电源通过三芯插座J3接入，两芯插座J1接光电二极管，两芯插座J2接小喇叭。图10 简单的光接收端机Fig.10 Simple li

26、ght receiving end machine接收光电二极管选用硅光电池，采用线性最好的光伏模式工作。运放采用TL082。U1A和R1构成了电流-电压变换电路。应根据所需的通信距离以及环境光的强弱选择R1的阻值大小：要求通信距离大时，R1应选择高阻值，以使光电流转换成电压时增益大；当环境光较强时，为防止电路的输出饱和，应限制R1的阻值不能太高。电路的负载是8的小喇叭，Rw用于调节喇叭音量。因为要求的最大输出功率为0.5W，故电源选择为±5V，按输出电压的最大振幅等于VCC = 5V计算，晶体管集电极最大电流 (7)输出电压的最大有效值 (8)最大输出功率 (9)最大管耗 (10)

27、输出管Q1和Q2可以选江苏长江电子的8050SS（NPN）和8550SS（PNP）。8050SS和8550SS的参数都是值一般在200左右（在集电极电流IC = 800mA时，最小为40），PCM = 1W，ICM = 1.5A，V(BR)CEO = 40V。因为受运放输出幅度的限制、以及受晶体管的管压降限制，电路实际的最大输出电压、电流和功率都小于前面计算的值。如果运放U1B的输出电压振幅最大为3V时，则电路输出电压振幅最大约为3V，输出电流振幅最大为375mA，实际的输出功率最大为0.56W。当输出电压的瞬时值为3V时，若晶体管发射结压降为0.75V，则要求Q1基极的瞬时电位为3.75V，

28、即R4两端的电压为1.25V。此时，输出电流的瞬时值为375mA，若晶体管的为60，则要求通过R4提供给Q1基极的电流为6.25mA。所以，R4的阻值不能大于200。电阻R4和R5的实际取值为180。因为电路中输出级的电流较大，为防止后级的信号通过电源耦合回前级，R6和C2、R7和C3对电源进行退耦。4 测量实验与结果设计的电路实现了基于可见光的模拟信号光发射与光接收的功能。接收端接收到的信号与原信号相比放大了几倍十几倍，高频时信号噪声干扰较大。信号频段可以工作在200KHz1.2MHz，发射接受到的信号无失真。发射端与接收端距离（cm）与光接收端输出电压（mv）距离S3710152025304050Vpp2.5k1k500