基于LED的光通信系统的设计与实现

　　光通信作为一种绿色环保的新型通信方式，与传统无线通信方式相比可靠性和保密性更好，传输速度也更高，并且受周围电磁环境的影响也更小，得到了人们的广泛认可，在生产生活中的诸多领域得到了广泛的应用。本文设计实现了一种基于LED的光通信系统，利用LED的高速调制特性，实现了较好的通信效果。

　　1 引言

　　二十一世纪以来，随着大数据时代的到来，人们需要传输和接收的数据越来越庞大，这就对通信系统的传输速度等提出了更高的要求，而光通信作为一种新兴的无线通信方式，凭借发射功率高、传输速度快、受电磁干扰影响小以及安全可靠等优良特性，得到了社会广泛的关注。LED作为一种新型点光源，其具有较高的灵敏度和调制性能等优势，因此本文提出了一种基于LED的光通信系统，并对其原理和设计实现进行了阐述。

　　2 可见光通信技术的关键技术

　　2.1 光源技术

　　光源作为可见光通信中信号的发射源，需要具备调制性能好、响应灵敏度高的特点，以满足高频调制的要求，另外由于光信号在大气信道中的传输过程会发生衰减，因此光源还需要就业较高的发射功率，以满足可见接收端对光信号能量的需求。在常用光源中，白光LED凭借自身高灵敏度和高调制特性的优势，一般多用来作为可见光通信的光源，本文也是基于LED实现的光通信系统。

　　2.2 编解码技术

　　信号的编解码方式对信号传输的质量有着重要的影响，一般来说性能越好的编解码复杂程度越高，难以在实际中得到广泛的应用，如何平衡好性能和实现的复杂程度的关系式编解码方式选择的关键。BCH码作为一种得到广泛应用的二进制纠错码，具有较好的纠正突发和随机错误的能力，因此其在光通信中有着较广泛的应用。

　　3 基于LED的光通信系统的设计与实现

　　本文设计实现了一种基于LED的光通信系统，其通过发射端电路，将待传输信号调制成LED发出的强弱变化的光信号，经大气信道传输至接收端，通过接收端电路的光敏二极管，将强弱变化的光信号重新转化为电信号，之后再通过放大、滤波等一系列处理，最终将传输信号较好地还原出来。

　　3.1 发射端电路的设计

　　基于LED光通信系统的发射端的主要任务是完成电信号向光信号的转化，为了实现这一过程，发射端需要完成信号的放大、信号的调制以及LED的驱动三项任务，相应地发射端电路可以分为前置放大电路、PWM调制电路以及LED驱动电路三大部分，其原理示意图如图1所示。

　　3.1.1 前置放大电路

　　由于传输信号往往强度较低，因此在对信号进行调制之前，通常首先要利用前置放大电路对信号进行放大，并且在信号上增加直流偏置，保证信号强度均大于零，为后期的信号调制做好信号的预处理。

　　3.1.2 PWM调制电路

　　传输信号在前置放大电路中放大和加偏置后，将信号传入PWM调制电路，将信号幅值的大小变化调制为PWM波的占空比变化，从而实现了信号的调制。在对信号进行调制时，需要根据信号的频率特征设置调制频率，为了保证调制效果一般调制频率应尽可能高。

　　3.1.3 LED驱动电路

　　在完成PWM信号的调制后，将PWM信号通过LED驱动电路，利用PWM波对LED通断时间的控制，从而使LED的光照强度发生变化，进行实现了由电信号向光信号的转化。由于LED发出的光在大气中传输时会受到大气粒子吸收、散射、反射效应等的影响，强度会不断衰减，因此为了保证接收端获得足够能量的光信号，需要保证LED具有足够的发射功率，因此LED驱动电路还要保证足够的输出功率。

　　3.2 接收端电路的设计

　　与发射端相对应，基于LED光通信系统的接收端的主要任务是完成光信号向电信号的转化，即以最小的失真和附加噪声将接收到光信号中的信息恢复出来，接收端的信号处理性能直接决定了整个通信系统的性能。接收端的原理示意图如图2所示，根据完成任务不同，接收端电路可以分为光电转换电路、AGC电路、滤波电路三大部分。

　　3.2.1 光电转换电路

　　接收端在接收到发射端发出的光信号后，首先要将光信号通过光电转换电路转化为电信号。光电转换电路的核心是光敏二极管，其在无光时只有较小的饱和反向剩余电流，而当受到光照时，饱和反向剩余电流大大增加，并且随光照强度的增加而增加，利用光敏二极管的这一性质，实现了光照强度变化到电流强度变化的转换。

　　3.2.2 AGC电路

　　光电转换电路在接收到发射端发出的强弱变化的光信号后，将其转化为强弱变化的电信号，其波形与原信号相似但信号强度较低，不利于后续的滤波等信号处理工作，因此需要对得到的电信号进行放大。为了保证放大得到的信号强度能保持在某一稳定水平，一般利用自动增益控制(AGC)电路对信号进行放大，即当输入信号较大时，AGC的增益较小，随着输入信号的减小，AGC的增益不断增大，从而保证放大后得到的信号能够稳定在某一水平下。

　　3.2.3 滤波电路

　　发射端发出的光在信道中不均匀的衰减，以及接收端光电转换和AGC放大的实现过程中，都有可能在信号中引入噪声，造成信号质量的下降，因此为了提高通信系统的传输性能，还需要对AGC电路得到的放大信号进行滤波处理。一般来说，有用的信息大多是以低频的形式存在的，而噪声的频率一般较高，因此将信号通过一个低通滤波器，即可实现噪声较低等杂波的滤除，从而提高信号的信噪比和信杂比，提升整个通信系统的传输性能。

　　3.3 调制方式的设计

　　通常情况下，光通信系统一般采用二进制启闭键控调制(OOK)，其作为一种常见的调制方式，利用0表示不发光，1表示发光，通过通断控制传递信息，这种调制方式直观简单，对硬件的要求较低，电路也较为简单，易于在实际中实现，但这种调制方式在接收端需要对信号的有无进行判决和检验，抗干扰能力较差，因此在本文设计的基于LED的光通信系统中没有采用这种调制方式，二是采用了脉冲位置调制的方式。

　　脉冲位置调制(PPM)，即根据被调信号的强度改变脉冲位置的调制方式，其是一种直接对光强度进行调制的正交调制方式，与二进制启闭键控调制方式相比，其对光功率和频带的利用率更高，能够大大提高信道的传输能力和抗干扰能力，并且其自适应能力强，在接收端不需要利用门限进行信号的检验。本文设计系统中采用了2PPM的调制方式，即将二进制信息0转化为01，将二进制信息1转化为10，大大提高了信号传输过程中的抗干扰能力，提高了通信系统传输的稳定性。

　　4 结束语

　　本文在对光通信原理研究和掌握的基础上，提出了一种基于LED的光通信系统，利用LED高调制能力和高灵敏度的特点，实现了高效稳定的信息传输，并对系统的设计和实现进行了简要的阐述。相信随着相关技术的不断发展完善，光通信这种具有高效能和高可靠性的新型通信方式将在越来越多的领域中得到越来越广泛的应用。

　　作者：亓沂滨 陈津 来源：电子技术与软件工程 2016年14期