基于可见光LED的无线语音通信系统的设计*

朱涛(南京晓庄学院，江苏南京211171)

基于可见光LED的无线语音通信系统的设计
*

朱涛
(南京晓庄学院，江苏南京211171)

常见的无线通信有射频通信、红外等，但是射频通信受无线频段限制，红外对人眼有很多影响，而且功率受限，本系统采用可见光LED实现无线通信，属于模拟通讯，利用VCO实现调频，PLL实现解调，使用基本光学及电子元件，包括发光二极管(LED)、光电接收二极管、电压控制振荡器(VCO)、锁相环(PLL)，具有优良的信噪比(S/N)的特点的语音传输.作为一个光电的设计方案，该系统成功的集成了自由空间光通信、频率调制、信号处理和模拟电子设计.

无线语音通信;光发射器;光接收器

引言

在现有的无线技术当中，除去基于电磁波传输信息的传统射频通信外，还有基于光的无线通信，其中，有基于红外激光等的通信技术，还有基于可见光的无线通信技术.可见光通信技术，是利用发光的二极管发出的肉眼觉察不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的.将需要传输的数据加载到光载波信号上，并进行调制，然后利用光电转换器件接收光载波信号并解调以获取信息.可见光通信系统能够覆盖灯光所能达到的范围，不需要电线连接.光通信技术具有极大的发展前景，将为光通信提供一种全新的高速数据接入方式，已经引起了人们的广泛关注和研究.

1 白光LED的结构与工作特性

1.1 白光LED的发光原理

1.1.1 白光LED的发光原理

图1 LED发光原理

半导体发光二极管发光原理:发光二极管是由m～IV族化合物，如GaP(磷化嫁)、GaAsP(磷砷化嫁)等半导体制成的.发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的品片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结，因此它具有一般PN结的I一U特性，即正向导通、反向截止、击穿特性;此外在一定的条件下，它还具有发光特性.制作半导体发光二极管的材料是多重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴.由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合.当在发光二极管PN结加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区.于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射.当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光.

1.1.2 实现白光LED的技术途径

目前的发光二极管一般只有红、绿、蓝三种，不存在直接发射白光的LED，要得到白光LED，必须将红、绿、蓝三原色LED芯片或三原色LED管混合实现白光，前者为三芯片型，后者为三个发光管组装型，如图2所示:

图2 白光LED实现示意图

三芯片型发光材料主要有GaAsP、AlGaAs、GaP:Zn2O等，发红光AlGalnP/GaAs、AlGalnP/GaP等，发红光和橙光; GaP:N发绿光;InGaN发蓝光.红、绿、蓝LED封装在一个包内，光效可达20lm/W，发光效率较高，显色性好.三原色LED混合，通过红、绿、蓝三原色光调整可控制色彩.但三芯片型三原色混合成本较高，并有红、绿、蓝LED芯片光衰不

同而易产生变色现象等缺陷.

1.2 白光LED的物理特性和发光特性

白光LED的物理特性包括其伏安特性、调制特性、发光特性等1251，对其物理特性的研究是利用白光LED搭建室内可见光通信系统的基础.下面我们分别对其进行介绍.

1.2.1 伏安特性

LED芯片是由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管.伏安特性(即电流、电压之间的关系)是表征LED芯片PN结性能的主要参数，伏安特性同时也反应出PN结性能的优劣.一般而言，LED的伏安特性都具有非线性、整流性质以及单向导通性等特点，外加正偏压时表现为低接触电阻，反之为高接触电阻.单片LED的伏安特性如图3所示:

图3 LED的伏安特性曲线

1.2.2 调制特性

白光LED的响应时间在纳秒级，因此，白光LED拥有极高的调制速率，白光LED的最大调制速率是指在保证调制度不变的情况下，当白光LED输出的光功率下降到某一低频参考值的一半时的频率就是其最大调制速率.

白光LED的调制速率主要由LED芯片的特性决定.在注入电流较低时，单片LED的调制速率主要受结电容的限制，即零偏压下LED的电容值.而在偏置电流较高时，调制速率主要由注入有源区载流子的寿命决定.

1.2.3 光谱特性

单个LED芯片的发光光谱取决于构成PN结的半导体材料的能带结构.由于LED没有光学谐振腔选择波长，所以白光LED光谱是以自发辐射为主的光谱，白光LED为非相干光源.当器件工作温度升高时，光谱曲线会随之向右移动.

对于单个LED芯片，其光谱曲线上都有一个相对光强度最强处〔光输出最大)，与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示.由关系式hv=Eg(Eg为能级禁带宽度，v=，C为光速)确定峰值波长值.

2 系统设计

2.1 系统框图

我们设计的基于可见光LED的无线语音通信系统框图如图4所示.对于系统的发射部分，麦克风采集的音频信号被低噪声功率放大器放大后，通过压控振荡器(VCO)产生FM调频信号，并通过LED驱动电路，驱动LED，产生调制可见光，可见光在自由空间传输.对于接收部分，自由空间传输的调制可见光被光电检测管(PD)检测，产生电压小信号，经4级放大后，通过锁相环(PLL)解调FM信号，输出重建的音频信号，再经过滤波和音频信号放大器放大后，传输到耳机设备.

图4 系统框图

2.2 系统原理

基于可见光LED的无线语音通信系统属于模拟调频系统，此系统属于非线性调制.系统模型如图5所示:

图5 模拟调制通信系统

此系统的调制器为压控振荡器(VCO)，解调器为锁相环(PLL).

2.2.1 调制器

音频信号通过压控振荡器产生调制信号.VCO即压控振荡器，指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器.其特性用输出角频率ωc与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示，如6所示.即

KVCO称为控制灵敏度.人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号.

图6 压控振荡器的压控特性图

2.2.2 解调器

此调频信号的解调通过锁相环(PLL)解调.

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环.锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位.因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路.锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来.

锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成.锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成ud(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压ud(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制.

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成.

3 单元设计

3.1 发送部分设计

为了实现以上所述的频率调制方案，电压控制振荡器选择中心频率为100Kz.这个频率可以在系统的动态范围内优化音频选择，得到了VCO约为6.6Kz/v的灵敏度.VCO的频率在控制电压作用下，在中心频率附近变动.运算放大器LF353将麦克风发出的信号放大.因此，当人对着麦克风说话时，放大的音频信号的变化使VCO的频率随着麦克风产生的电压的函数而变化.并可从制造商的数据表中得到.在这种情况下，为了使频率归为统一，则令V8= 10V，在5脚直流偏置应约为8.5V，V8–V5的差应为1.5V.这用了接在VCO5引脚上的一个两电阻分压器来实现，这个分压器分别由6.8 K欧和47 K欧姆的电阻组成.VCO芯片的输出(引脚3)是一个方波电压，其频率变化随着麦克风信号的幅度变化因子的变化的.

3.1.1 LF353放大器

LF353的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流:输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益;在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益;主电压放大级是一个简单的单级共射级放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作;输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100Ω的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200Ω的电阻用来限制输出短路电流.

3.1.2 (VCO)压控振荡器LM566

压控振荡器即输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器.其特性用输出角频率W0与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示.LM566本质是一种频率调制器，它也是一种积分－施密特触发电路型的单片集成VCO电路，其芯片图，管脚排列和外部连接图分别见下图7，图8.

图7 管脚图

图8 LM566内部结构图

3.1.3 开关

我采用的是晶体管(德州仪器2N2222)和场效应管来做开关电路，因为晶体管提供的驱动电流可以来开关高电流功率场效应管.不同于传统的晶体管，功率场效应晶体管要求非常低的驱动电流，而且可以非常迅速地切换到高负载电流.事实上，这里选择的场效应管，在逻辑电路的电压下控制可产生约2V的栅源电压.因为它有一个比较大的，约为1NF输入电容.因此，为了关闭场效应管和减少相关的RC电路时间常数，必须使用小电阻值.1N4148二极管，放在晶体管Q1的基极发射极交界处，用于过载保护.

场效应管

场效应管属于电压控制元件，这一点类似于电子管的三极管，但它的构造与工作原理和电子管是截然不同的，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有如下特点:

(1)场效应管是电压控制器件，它通过UGS来控制ID;

(2)场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大.

(3)它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好;

(4)它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数;

(5)场效应管的抗辐射能力强;

(6)由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低.

3.1.4 LED发光二极管

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能;常简写为LED.发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性.当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光.不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同.当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短.常用的是发红光、绿光或黄光的二极管.我采用的就是市场上的普通LED，每个LED的驱动电压为2.7V.

3.2 接收部分设计

探测光传输的信号，由光电二极管(PD)产生的电流放大，解调信号，然后放大的音频信号最终驱动耳机.为达到此目的，我采用的是一个光电二极管(NEC PH302)，最大敏感度选择波长940nm.该器件还具有一个与发光二极管(LED)密切配合的光谱灵敏度.选择特定的光电二极管的基础是需要获得快速调制载波信号，使之能够发送.原则上，该发光二极管可调制到兆赫频率.在反向偏置和光导模式下，光电二极管的响应速度就可以和操作探测器的规范相匹配.

3.2.1 光电检测管(PD)接收管PH302常用于电视遥控器中来关断电器电源电路.其暗电流Irmax=30nA，最大波长为940nm.

3.2.2 锁相环LM565

锁相环是指一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息.或者说，对于接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的.

LM566是一种单片集成PLL电路.它包括鉴相器(PD)、放大器(AMP)和压控振荡器(VCO)3部分.鉴相器为双平衡模拟相乘电路，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差并将检测出的相位差信号转换成Ud电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压Uc，对振荡器输出信号的频率实施控制.压控振荡器为积分—施密特电路.鉴相器有两路输入:一路是外加的FM/RF差分输入，另一路是5脚的PD输入.输出由4脚取出.

3.2.3 LF357放大器

LF357能偏置调整不可降解漂移或共模抑制，输出电路级允许大电容负载(5000pF)的使用，而且无稳定性的问题，同时具有内部补偿和较大的差分输入电压能力，具有对数放大器、光电放大器、采样保持电路的共同特点.

TN929.1

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1006－5342(2012)06－0033－04

2012－02－11