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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） |
可見光通信技術是一種新興的無線光通信技術，隨著白光LED的發(fā)明和應用，可見光通信技術得到了很好的發(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的應用提供一種新的方法。
1、LED照明與PWM驅動通信原理
1.1LED照明通信原理
LED的本質為PN結，由于PN結具有勢壘電勢，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，其存在協(xié)同潛力，具有照明功能和通信功能。LED通信技術是指利用LED器件高速亮滅的發(fā)光響應特性發(fā)出高速率調(diào)制的光載波信號，利用光電轉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。
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)制采用二進制信號“0”和“1”對光載波進行調(diào)制，實現(xiàn)簡單。通常把要傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)通過編碼后，形成一組脈沖碼元，再對光源進行強度調(diào)制，其主要調(diào)制方式有開關鍵控（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驅動通信原理
PWM調(diào)光是常用做LED驅動器的調(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行數(shù)字編碼的方式。PWM調(diào)光是使開關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，使負載LED時亮時暗，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鍵技術，即APT（Acquisition，PointingandTracking）技術。
APT系統(tǒng)的基本步驟可分為三個階段：捕捉、對準和跟蹤。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。瞄準過程是指接收機根據(jù)接收到的光束到達方向，在精度允許的范圍內(nèi)將本地的發(fā)射光束對準另一端發(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方向，并保持監(jiān)視接受光束的過程。APT系統(tǒng)主要由光學天線系統(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)行機構的精度要求較低、功能是完成捕獲和對準，精跟蹤系統(tǒng)的捕獲范圍較小、伺服控制執(zhí)行機構的精度要求高、功能是在完成粗跟蹤后，能夠按照總體設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)光斑的尺寸預設程序參數(shù)，控制發(fā)射信標的轉動范圍和轉動速度，同時預設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)的目標位置。系統(tǒng)根據(jù)掃描結果，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，本次光傳輸距離設計為10米，為了延長通信距離，所以本次實驗設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)出云臺轉向指令，通過控制電路驅動云臺轉動。
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動相應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驅動控制，驅動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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