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| 白光LED如何實現(xiàn)照明和通信 |
| （時間:2015-8-11 9:31:52） |
可見光通信技術(shù)是一種新興的無線光通信技術(shù)，隨著白光LED的發(fā)明和應(yīng)用，可見光通信技術(shù)得到了很好的發(fā)展。在照明方面，白光LED因為擁有環(huán)保和節(jié)能等特點而被認(rèn)為最終將取代熒光燈、白熾燈等傳統(tǒng)照明光源，成為下一代固體照明光源。
在功能方面，白光LED還具有響應(yīng)時間短和高速調(diào)制的特性，這些特性使得白光LED在提供照明的同時，還可以用作通信光源實現(xiàn)無線高速數(shù)據(jù)接入。而與傳統(tǒng)的紅外和無線電通信相比，基于白光LED的可見光通信具有發(fā)射功率高、無電磁干擾和無需申請頻譜資源等優(yōu)點。因此，白光LED作為照明和通信兩用光源具有很大優(yōu)勢，可以實現(xiàn)中短距離的通信。本文利用白光LED的照明和通信功能，實現(xiàn)中短距離的指向通信，為照明LED的應(yīng)用提供一種新的方法。
1、LED照明與PWM驅(qū)動通信原理
1.1LED照明通信原理
LED的本質(zhì)為PN結(jié)，由于PN結(jié)具有勢壘電勢，在外加偏壓為零、熱平衡的情況下，LED不發(fā)光。當(dāng)LED兩端加上正向偏置電壓，電子從N區(qū)向P區(qū)注入，空穴從P區(qū)向N區(qū)注入，在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合時會把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來。
利用LED此特性可實現(xiàn)照明LED可見光通信這種新型無線光通信技術(shù)，其存在協(xié)同潛力，具有照明功能和通信功能。LED通信技術(shù)是指利用LED器件高速亮滅的發(fā)光響應(yīng)特性發(fā)出高速率調(diào)制的光載波信號，利用光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號。無線通信系統(tǒng)多采用光強度調(diào)制/直接探測（IM/DD）技術(shù)。
目前，無線光通信普遍采用光強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)調(diào)制方案。LED的光強度調(diào)制主要有模擬和數(shù)字信號調(diào)制。數(shù)字脈沖調(diào)制采用二進(jìn)制信號“0”和“1”對光載波進(jìn)行調(diào)制，實現(xiàn)簡單。通常把要傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)通過編碼后，形成一組脈沖碼元，再對光源進(jìn)行強度調(diào)制，其主要調(diào)制方式有開關(guān)鍵控（OOK），脈沖位置調(diào)制（PPM），數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（DPIM）等。其中在OOK調(diào)制中，每一比特時間T（單位S）內(nèi)光脈沖處于開或關(guān)的狀態(tài)，信息“1”表示光發(fā)射器輸出光脈沖，信息“0”表示無光脈沖輸出。相較于其他調(diào)制方式，雖然OOK功率效率較低，抗干擾差，但是實現(xiàn)簡單，對帶寬需求小，且本課題設(shè)計的LED照明通信對光傳輸速率和距離要求不高，故系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式。
1.2PWM驅(qū)動通信原理
PWM調(diào)光是常用做LED驅(qū)動器的調(diào)光方式。PWM調(diào)制是指脈沖載波的持續(xù)時間隨調(diào)制波的樣值而變的脈沖調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制。PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方式。PWM調(diào)光是使開關(guān)電路以相對于人眼識別能力來說足夠高的頻率工作，通過設(shè)置周期和占空比來改變輸出電流平均值，其輸出電流只有兩種狀態(tài)：最大額定工作電流和零電流。PWM調(diào)光可以保證LED的色溫恒定，驅(qū)動器的效率較高，并且能夠精確控制。
PWM調(diào)光基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED時亮?xí)r暗，如果亮暗的頻率超過100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。PWM調(diào)光通過調(diào)整亮和暗的時間比例來實現(xiàn)調(diào)整亮度。這種方法通過把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號加載到調(diào)整亮和暗時間比例的引腳即可實現(xiàn)調(diào)光。
2、光路掃描控制與空間定位設(shè)計
空間光通信主要包括建立通信鏈路與傳輸信號兩部分，其中快速準(zhǔn)確的捕獲對方端機，建立通信鏈路并保持信道穩(wěn)定可靠是空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)，即APT（Acquisition，PointingandTracking）技術(shù)。
APT系統(tǒng)的基本步驟可分為三個階段：捕捉、對準(zhǔn)和跟蹤。捕獲過程是指接收機搜索不確定區(qū)，尋找發(fā)射機發(fā)射的信號過程。瞄準(zhǔn)過程是指接收機根據(jù)接收到的光束到達(dá)方向，在精度允許的范圍內(nèi)將本地的發(fā)射光束對準(zhǔn)另一端發(fā)射機的過程。跟蹤是指在接收機根據(jù)接收到的光束判定光束到達(dá)方向，并保持監(jiān)視接受光束的過程。APT系統(tǒng)主要由光學(xué)天線系統(tǒng)、位移伺服系統(tǒng)、粗跟蹤系統(tǒng)、精跟蹤系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中，粗跟蹤系統(tǒng)的捕獲范圍較大、伺服控制執(zhí)行機構(gòu)的精度要求較低、功能是完成捕獲和對準(zhǔn)，精跟蹤系統(tǒng)的捕獲范圍較小、伺服控制執(zhí)行機構(gòu)的精度要求高、功能是在完成粗跟蹤后，能夠按照總體設(shè)計所提出的跟蹤精度要求跟蹤信號光束，并向主發(fā)射端機發(fā)出相應(yīng)反饋信號。監(jiān)控系統(tǒng)的作用是采集光斑圖像并記錄光斑圖像，通過記錄下的光斑信息，為控制位移伺服平臺提供偏移量的參考數(shù)據(jù)。
除圖像信息捕獲分析外，采集判斷信號光強也是一種跟瞄方法。本次實驗采用光強跟瞄的方法。
掃描裝置控制：根據(jù)光斑的尺寸預(yù)設(shè)程序參數(shù)，控制發(fā)射信標(biāo)的轉(zhuǎn)動范圍和轉(zhuǎn)動速度，同時預(yù)設(shè)信號采集的采樣行數(shù)點數(shù)。
信號采集：接收探頭是由光敏二極管和放大電路組成，將光強度信號轉(zhuǎn)換為放大的電信號，然后將電信號連接到信號采集器，由信號采集器的控制程序記錄電信號強度數(shù)據(jù)。
光強數(shù)據(jù)中電壓信號最強點即光斑中心即為定位系統(tǒng)的目標(biāo)位置。系統(tǒng)根據(jù)掃描結(jié)果，確定光斑中心，確定鏈路供后續(xù)光通信。
3、短距離指向通信系統(tǒng)實現(xiàn)
本實驗設(shè)計的短距離指向通信系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的指向定向傳輸，系統(tǒng)組成包括數(shù)字發(fā)送端，云臺指向控制端，光發(fā)射端和定向接收端。發(fā)射端與指向控制的接收端為定向傳輸，指向控制的發(fā)射端與接收端為指向傳輸。
由于照明LED通信只適用于短距離，本次實驗選擇LED照射有效距離為5-30米，但為了確保照射亮度，本次光傳輸距離設(shè)計為10米，為了延長通信距離，所以本次實驗設(shè)計在通信過程中加入中繼部分。且由于本次實驗需完成一對多的定向通信，所以中繼部分需要有指向傳輸功能。由于實驗設(shè)計需要建立完整光通信鏈路使中繼部分與兩端實時傳輸信號，所以中繼部分設(shè)計為由云臺控制的指向傳輸控制端。
指向控制端通過探測器把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號放大后處理送入單片機，由單片機發(fā)出云臺轉(zhuǎn)向指令，通過控制電路驅(qū)動云臺轉(zhuǎn)動。
系統(tǒng)傳輸?shù)倪^程：1）發(fā)射端發(fā)射控制信息傳輸給控制端，指向傳輸控制端云臺接收到控制信息轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度并通過空間定位與接收端握手建立光通信鏈路。2）鏈路建立完成后，指向控制端回傳信號給發(fā)射端，表示鏈路已建立，可以開始實時傳輸數(shù)據(jù)。3）發(fā)射端開始發(fā)送信號，首先由單片機生成初始數(shù)字信號，通過FSK調(diào)制，將初始信號加載到由兩個不同的載波頻率表示的調(diào)制信號上；然后將已調(diào)制的信號送至LED驅(qū)動控制，驅(qū)動LED發(fā)送信號。4）指向傳輸控制端接收到已調(diào)信號后實時發(fā)射，把接收到的已調(diào)信號發(fā)送給定向接收端。
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