利用照明LED作為通信基站進(jìn)行信息傳輸已成為當(dāng)前國內(nèi)外無線光通信領(lǐng)域的研究熱點之一。白光LED具有高亮度、低功耗、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型的照明光源[1-3]。不僅如此，白光LED還具有響應(yīng)靈敏度高、調(diào)制特性好的優(yōu)點。利用LED上述優(yōu)良的特性，在LED照明的同時，將信號調(diào)制到LED可見光上進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)一種新興的無線光通信技術(shù)，即可見光通信VLC（Visible Light Communication）技術(shù) 。由于VLC技術(shù)具有對人眼安全、發(fā)射功率高、無需申請無線電頻譜證、無電磁干擾等優(yōu)點，因而，VLC技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，為光通信提供了一種全新的數(shù)據(jù)接入方式[4]，已被人們廣泛關(guān)注。

    本文利用白光LED設(shè)計室內(nèi)短距離可見光音頻傳輸系統(tǒng)，白光LED發(fā)出可見光，且發(fā)散角較大，可以在大范圍內(nèi)安全傳輸信號。同時，利用白光LED高速調(diào)制特性，可將音頻信號調(diào)制到LED可見光上實現(xiàn)信息傳輸。這種通信方式不再依賴傳統(tǒng)有線傳輸?shù)哪Ｊ?，減少了搭建通信鏈路的時間，降低了通信成本，減少了電磁輻射對環(huán)境的影響，具有快速便捷、高可靠性、低能耗等優(yōu)點，為“綠色通信”的實現(xiàn)提供了一種新思路。
1 可見光傳輸模型與影響因素
    可見光通信系統(tǒng)中，白光LED不僅可作為照明光源，還可作為信號源以實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。根據(jù)可見光在大氣中的傳輸理論[5]，可將白光LED輻射光近似為球面波進(jìn)行處理，由麥克斯韋方程組推導(dǎo)得出球面光波傳播的表達(dá)式如下：

    瑞利散射的前向散射和后向散射的比重大約各占一半，衰減系數(shù)與λ4成反比，因此短波光比長波光散射更明顯，導(dǎo)致可見光衰減比較嚴(yán)重，降低了系統(tǒng)的通信性能。另外，太陽光及一些人造光源（如白熾燈、熒光燈發(fā)出的光等）背景光也會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響；行人、設(shè)備等的遮擋，會在接收機(jī)表面形成“陰影”，影響通信性能。因此，設(shè)計通信系統(tǒng)時，應(yīng)采取相關(guān)技術(shù)手段減弱瑞利散射和背景光等影響，以改善系統(tǒng)通信性能。
2 可見光通信系統(tǒng)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)方案
    短距離白光LED可見光音頻傳輸系統(tǒng)如圖1所示，包括光源白光LED、可見光發(fā)射端、光電探測器和可見光接收端等。發(fā)射端電路將待傳輸?shù)囊纛l信號轉(zhuǎn)換成便于在光載波上傳輸?shù)男盘?，?jīng)白光LED驅(qū)動電路將電信號調(diào)制成LED的光載波強(qiáng)度變化的光信號，以光束的形式發(fā)射到大氣信道中進(jìn)行傳輸，再由光電探測器接收光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，接收端電路對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行放大、整形處理，并將音頻信號解調(diào)還原出來。

制為白光LED輸出的光信號。為保證白光LED亮度的一致性，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光方法，即在大于200 Hz的某頻率下以不同占空比來導(dǎo)通和關(guān)斷LED。導(dǎo)通期間LED滿電流工作，而關(guān)斷期間LED上無電流流過。PWM頻率采用100 kHz，避免了白光LED驅(qū)動器周圍的電感和輸出電容產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。音頻信號變調(diào)后，利用白光LED轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去，而PWM脈沖和恒流驅(qū)動共同作用保證了信號傳輸過程中LED能均勻恒定地發(fā)光。
2.3 可見光接收端設(shè)計
2.3.1 接收端工作原理
    光接收端的主要任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出經(jīng)無線信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此，光接收端的輸出特性綜合反映了整個可見光通信系統(tǒng)的性能。接收端電路由光電探測器、前置放大電路、主放大器、AGC電路、限幅電路和低通濾器構(gòu)成，如圖3所示。光電探測器將經(jīng)無線信道傳輸?shù)囊颜{(diào)光信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號，由前置放大電路、主放大器、AGC電路、限幅電路和低通濾器(LPF)將電信號轉(zhuǎn)換成可被終端識別、處理和輸出的信號。

2.3.2 光電探測器
    光電探測器是光接收端的核心器件。由于通信光源白光LED的特殊性，選擇光探測器時需考慮以下因素：(1)光電探測器的光譜范圍應(yīng)該足夠?qū)?，工作波段覆蓋可見光波長范圍；(2)工作波長的光電轉(zhuǎn)換效率高，對于一定的入射光信號功率，光電檢測器應(yīng)能輸出盡可能大的光電流；(3)響應(yīng)速度快、線性度好、信號失真?。?4)檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能?。?5)可靠性高、壽命長、工作電壓低。由于PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度好、響應(yīng)速度快、價格較低且無需高工作電壓，所以本設(shè)計中的光電探測器采用PIN光電二極管。
2.3.3 前置放大器設(shè)計
    PIN光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號， 一般需經(jīng)多級放大器放大才可由終端輸出。由弗里斯公式[7]可知，多級放大器的噪聲系數(shù)F近似取決于第1級的噪聲系數(shù)F1，而接收端最小噪聲系數(shù)很大程度取決于前置放大器。因此，前置放大器應(yīng)具有低噪聲、高增益的特點，且具有一定的帶寬。
 

3 系統(tǒng)測試
    為了驗證可見光通信音頻傳輸系統(tǒng)的傳輸效果，在室內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行測試，觀察音頻信號在可見光上傳輸?shù)慕邮招Ч?。系統(tǒng)采用白光LED陣列(10×15)作為信號光源，音頻信號由語音合成芯片SYN6288產(chǎn)生，信號頻率可調(diào)。為了避免發(fā)射端調(diào)制信號的幅度過調(diào)制，造成載波脈沖信號寬度變化過大，使照明LED出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，發(fā)射端調(diào)制信號的幅度要適當(dāng)控制，語音調(diào)制信號應(yīng)在0.1 V~1.5 V之間。將發(fā)射端架設(shè)于離地面3 m高處，適當(dāng)調(diào)整發(fā)射光源傾角，使其保持在5°~２０°之間。采用PIN陣列進(jìn)行接收，接收端在50 m×10 m范圍以一定的速度移動。為判斷接收到的是所需的光信號，可采用遮擋物阻斷通信鏈路來確認(rèn)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在白光LED陣列50 m×10 m覆蓋區(qū)域內(nèi)，語音信號頻率為300 Hz～2 600 Hz之間，在5~35 Lux光照度范圍內(nèi)，PIN陣列均能正常接收語音信號；大于35 Lux時，解調(diào)輸出信號開始變形；大于128 Lux時，傳輸信號幅度過大臨近失真。光照度發(fā)生變化時，PIN陣列接收到的信號幅度會發(fā)生變化，但AGC輸出幅度值基本維持不變。限幅放大器將AGC輸出信號整形處理得到更平滑的輸出信號，輸出信號不隨光照度的變化而發(fā)生變化，幅度維持恒定值。由于低通濾波器的限制，語音信號頻率超過2 600 Hz時，解調(diào)出的信號波形會發(fā)生變形。圖5為音頻信號輸入發(fā)射端調(diào)制后得到的PWM信號，圖6為接收端輸出信號的波形，其背景信號噪聲弱。

    利用白光LED構(gòu)建短距離可見光音頻傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了音頻信號在可見光上可靠傳輸。使照明LED在實現(xiàn)節(jié)約能源的同時，還能為高速寬帶的無線光接入提供一種新途徑，也為解決現(xiàn)有無線電頻帶資源嚴(yán)重有限的困境提供了一種新思路，為遠(yuǎn)距離、大功率可見光通信系統(tǒng)的研究提供了一定借鑒和參考。但要真正實現(xiàn)高速可見光通信，還需要面對很多挑戰(zhàn)，如光源的帶寬拓展技術(shù)、調(diào)制編碼技術(shù)、無線信道傳輸技術(shù)等相關(guān)技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。
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