CN104821851A - 一种2ask预处理的可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的2ASK预处理的可见光通信系统，包括用于发射可见光的发射模块和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收模块，其中，所述发射模块包括LED驱动模块和用于对进入LED驱动模块的初始电信号进行预处理的2ASK预处理模块。该可见光通信系统通过先对信号进行2ASK的预处理，能够使调制在LED上的信号不会产生明显失真，并且在这个基础上能够改善LED驱动电路，增大光调制度，使传输距离更远。

Description

一种2ASK预处理的可见光通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，具体而言，涉及2ASK预处理的可见光通信系统。

背景技术

可见光通信(VLC)是一种基于白光发光二极管(LED)的新颖无线光通信技术，它能够将照明以及通信两大功能合二为一。目前，可见光通信系统较为简单的调制方式有OOK和PPM两种，它们均属于数字基带调制，是直接去调制光脉冲，分别以光脉冲的有无和光脉冲的位置来表示所传输的信号，并且相关技术的研究重点大多放在传输速率上，很少以提高传输距离作为改良方向。

对于常用的数字基带调制而言，本质上搭载在LED光源上的是一个数字信号，通过傅里叶变换分析可得到高次谐波分量。考虑到发射端电路中的各种电子元件(如驱动电路中的三极管等)具有一定的增益带宽积，且由于白光LED受自身磷荧光粉的影响，其有效的3dB带宽仅为1MHz左右，调制在LED上的数字信号会有一定的失真，影响系统发射信号的波形。另一方面，在实际应用中，有必要使通信系统的传输距离变得更远，以便于更大范围内的用户能够接收到信号。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种2ASK预处理的可见光通信系统，对光源进行二进制振幅键控(2ASK)预处理的调制驱动电路，这样能够使调制在LED上的信号不会产生明显失真，并且在这个基础上能够改善LED驱动电路，增大光调制度，使传输距离更远。

一种2ASK预处理的可见光通信系统，包括用于发射可见光的发射模块和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收模块，其中，所述发射模块包括LED驱动模块和用于对进入LED驱动模块的初始电信号进行预处理的2ASK预处理模块。

进一步的，所述2ASK预处理模块包括用于产生载波信号的有源晶振、用于对载波信号进行选频的选频电路和用于将经过选频之后的载波信号根据输入信号进行信号切换输出的模拟开关。

进一步的，所述LED驱动模块包括用于将被2ASK预处理模块调制的电信号进行电流量放大的共集电极放大电路。

进一步的，所述LED驱动模块设置有直流偏置。

进一步的，所述接收模块包括用于将LED灯光转换为光电流的光电管，用于将光电流转为电压且具有放大性能的前置放大器，以及用于将多余的低频信号进行滤除的高通滤波电路。

进一步的，所述光电管采用光伏模式进行工作。

进一步的，所述高通滤波电路采用压控电压源二阶高通滤波电路。

进一步的，所述发射模块进一步包括用于经过前置放大和滤波的信号进行放大的主放大器，以及用于将经过主放大器处理的信号进行调制和整形的解调与整形电路

进一步的，所述解调与整形电路采用肖特基二极管半波整流，由RC电路低通滤波进行包络检波法的解调。

进一步的，所述解调与整形电路采用由过零比较器组成的整形电路。

本发明的2ASK预处理的可见光通信系统，在调制LED光源之前，加入对初始电信号的二进制振幅键控(2ASK)调制电路，再把已调电信号输入到LED驱动电路，对光源进行模拟强度调制。这有别于以往的数字基带调制，由于2ASK调制采用的是固定频率的正弦波，在调制到光源的时候，不会因为含有高次谐波而产生失真的情况。

附图说明

图1为本发明的2ASK预处理的可见光通信的结构图；

图2为图1所示的2ASK预处理模块的一个实施例；

图3为图1所示的LED驱动模块的一个实施例；

图4为图1所示的前置放大电路的一个实施例；

图5为图1所示的高通滤波器电路的一个实施例；

图6为图1所示的主放大电路的一个实施例；

图7为图1所示的解调与整形电路的一个实施例。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，2ASK预处理的可见光通信系统包括发射可见光的发射模块和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收模块。发射模块包括LED驱动模块和用于对进入LED驱动模块的初始电信号进行预处理的2ASK预处理模块。接收模块包括用于将LED灯光转换为光电流的光电管，用于将光电流转为电压且具有放大性能的前置放大器，用于将多余的低频信号进行滤除的高通滤波电路，用于对前置放大和滤波后的信号进行放大的主放大器，以及用于将经过主放大器处理的信号进行解调和整形的解调与整形电路。

关于发射模块：

信号源输入初始电信号经过2ASK预处理模块处理后传递至LED驱动模块，LED驱动模块连接几个大功率LED灯。

2ASK预处理模块的调制方式把高电平转换成固定频率的载波，一方面克服了发射端信号失真的问题，且使接收端更方便进行滤波，另一方面，为了使已调信号更加稳定、精确，使用有源晶振来产生一个1MHz的正弦载波信号，并加入晶振的选频电路以及模拟开关(4066BD)组成调制电路，如图2所示。

在本实施例之中，电路中选用了高频三极管2SC1815，使载波的峰值足够大；选频电路调谐在1MHz附近，确保正弦载波没有多余噪声。调制信号从4066BD的S1口输入，已调信号从D1口输出到LED驱动模块中。在理论上来说，若发射模块的总带宽可以达到1MHz以上，在LED处所测到的调制信号便不会失真。

由P-I曲线可知，直流偏置线应尽量位于线性部分的中点处，在不失真的前提下使调制信号趋向于最大，即可以使光调制度最大。目的是让接收端更容易探测到光信号的变化，降低所需的总光功率大小。

如图3所示，为了驱动大功率LED灯，驱动电路采用共集电极型放大电路，这样能够把已调信号的电流量充分放大，同时又给LED一个直流偏置，使之工作在P-I曲线的线性部分中点处。

应当理解的是，每个LED灯珠应分别加入铝基板底座，以使之达到散热效果。

关于接收模块：

光电管(本实施例之中采用PIN光电二极管)连接前置放大器，前置放大器连接高通滤波电路，高通滤波电路连接主放大电路，主放大电路连接包络检波电路，包络检波电路连接整形电路。

PIN光电二极管选用型号为BPW34，感光面为方形，具有暗电流小、灵敏度高的特点，适合用于可见光通信系统中。在电路上为了避免噪声的干扰，并考虑PIN光电二极管更加精确地线性工作，本电路采用光伏模式(零偏置工作模式)。图3中R1作为限流电阻，R2、C1构成负反馈电路，放大输入信号，R3作为运算放大器正极的补偿电阻。

接收模块中的前置放大器对后级来说尤为重要，既起到把光电流转成电压的作用，又有一定的放大性能。根据多级效应，前置放大器作为接收端的第一级，必须要有噪声较小、带宽较大的特点，本装置选用了超低失真、低噪声、高转换速率运算放大器中的LM4562，其转换速率达20V/μs，增益带宽积达55MHz，符合前置放大器的要求，由LM4562组成的电路如图4所示。

可见光通信系统可接收到来自于白炽灯、阳光等的背景光，它们都属于低频信号。本模块的第二级采用压控电压源二阶高通滤波电路，把多余的低频成分都滤除，还原较为理想的2ASK调制波形，有利于后级的信号处理，电路如图5所示。

电路的截止频率fp由R、C决定，fp的取值应略低于载波频率1MHz，而Rf与R1决定了放大倍数，此处不宜放大太多倍，因为在增益带宽积一定的前提下，增益太大会导致带宽变小。

经过前置放大、滤波后的信号，其幅度大小远远未能满足解调的阈值条件，所以必须经过进一步放大。由于载波频率较高，若采用高频三极管组成的多级放大电路，不仅可以节约成本，还能够获得比运算放大器更好的增益倍数。不过在使用三极管放大电路时，在输入输出端口处需要慎重考虑阻抗匹配的问题，结合电压跟随器的使用能够让三极管组成的主放大器性能更佳。根据实际接收到的信号大小，可调整电阻阻值来获得不一样放大倍数的电路，大致电路如图6所示。

在接收端，2ASK信号的解调方法有两种，即包络检波法和相干解调法。由于相干解调需要获取较准确的同步信号才能够实现，本装置采用包络检波法。这种方法要注意两方面：输入电压以及输出电压的关系；二极管导通时的充电时间以及截止时的放电时间，并且要避免惰性失真与底部切割失真。所以，必须通过模拟计算来得到R、C的具体取值，满足以上条件。按照本装置的载波频率所计算的取值大小如图7所示。

本装置通过肖特基二极管半波整流，由RC电路低通滤波来解调。发现包络检波后的波形仍不理想，所以添加一个由过零比较器组成的整形电路在末端，从而获得更好看的信号波形。

发射模块工作过程说明：

从发射端开始，通过晶振振荡产生1MHz正弦波，输入到调谐在相同频率下的选频网络中，获得没有噪声的1MHz载波。把载波这一路输入到模拟开关(4066BD)IN1引脚中，需要发送的信号输入到模拟开关的S1引脚中，在模拟开关D1处可得到一个已调信号，这个过程就是对信号的预处理。上述所得已调信号输入到LED驱动电路中，驱动电路把已调信号放大，又加入一个直流偏置后，把信号调制在几个1W的LED灯珠上。LED作为把电信号转换成光信号的工具，把经调制后的电信号以可见光的形式发射出去。

接收模块工作过程说明：

经过光信道传播后，有用的光信号混杂着背景光一起进入到接收端。所有光由PIN光电二极管接收，PIN光电二极管把光信号以光电流的形式转换成为电信号输入到前置放大器中，前置放大器把光电流变成电压，并且放大一定倍数，其电路中的电容有去噪声的作用。为了进一步地把背景光所带来的低频噪声去除，前置放大器处理后的信号输入到高通滤波电路中，通过二阶滤波，足够把低频信号彻底滤除，获得波形近似于发射端的2ASK调制信号。

由于到目前为止所获得的信号幅度不够大，不能满足解调的条件，需要把高通滤波器的信号再输入到主放大器中进行放大。通过主放大器中的三极管共射放大电路，能够把信号放大几十到一百多倍，再把放大后的信号输入到包络检波电路中，经过肖特基二极管的半波整流后，可在RC低通滤波后得到解调信号。由于解调信号的质量还不够理想，可用过零比较器进行整形，最后还原成接近信号源原来所发出的信号，达到传输的目的。

现有技术之中的可见光通信系统，无法很好地解决以下问题：1、在对光源进行数字基带调制时，加载在白光LED上的信号会因有限带宽而产生明显失真；2、大功率白光LED驱动电路的光功率比较小，不利于使得传输距离更远；3、由于白光来源丰富，可见光通信中有大量的背景光作为干扰。

本具体实施例的可见光通信系统是这样实现的：第一，在调制LED光源之前，加入对初始电信号的二进制振幅键控(2ASK)调制电路，再把已调电信号输入到LED驱动电路，对光源进行模拟强度调制。这有别于以往的数字基带调制，由于2ASK调制采用的是固定频率的正弦波，在调制到光源的时候，不会因为含有高次谐波而产生失真的情况；第二，改善LED驱动电路，提高电路中调制信号电流与偏置电流的比值，即根据LED的P-I曲线，从而提高光调制度，这样可以在光照度一定的情况下，使传输距离更远；第三，配合2ASK调制后的信号，在接收端设计前置放大、高通滤波、包络检波解调电路。由于2ASK采用的正弦载波频率远大于背景光的频率，使接收端的滤波效果非常好，系统几乎不受外界光的干扰。

按照上述具体实施例制作的可见光通信系统，把调制信号先进行2ASK调制，使用5个1W的LED灯发射，并由PIN光电二级管(BPW34)接收。测试时，由信号发生器的矩形波作为调制信号，通过模拟开关以及晶振电路调制，接收解调后可在数字示波器上观察信号接收的效果。实验结果证明，5个1W的LED所发出的光照度为2290LX，固定发射端不动，从距离其100cm处开始移动接收端，若调制频率选为50kHz，直到距离发射端500cm处为止均可在接收端恢复占空比正确的矩形波信号。而当传输距离大于503cm时，占空比开始发生变化，不能正常通信。可以得到结论是，调制频率为50kHz时，传输距离最大可达到503cm，可作为低速较长距离的通信系统来使用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，包括用于发射可见光的发射模块和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收模块，其中，所述发射模块包括LED驱动模块和用于对进入LED驱动模块的初始电信号进行预处理的2ASK预处理模块。

2.根据权利要求1所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述2ASK预处理模块包括用于产生载波信号的有源晶振、用于对载波信号进行选频的选频电路和用于将经过选频之后的载波根据输入信号进行信号切换输出的模拟开关。

3.根据权利要求1所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述LED驱动模块包括用于将被2ASK预处理模块调制的电信号进行电流量放大的共集电极放大电路。

4.根据权利要求1所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述LED驱动模块设置有直流偏置。

5.根据权利要求1所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述接收模块包括用于将LED灯光转换为光电流的光电管，用于将光电流转为电压且具有放大性能的前置放大器，以及用于将多余的低频信号进行滤除的高通滤波电路。

6.根据权利要求5所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述光电管采用光伏模式进行工作。

7.根据权利要求5所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述高通滤波电路采用压控电压源二阶高通滤波电路。

8.根据权利要求5所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述发射模块进一步包括用于经过前置放大和滤波的信号进行放大的主放大器，以及用于将经过主放大器处理的信号进行调制和整形的解调与整形电路。

9.根据权利要求8所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述解调与整形电路采用肖特基二极管半波整流，由RC电路低通滤波进行包络检波法的解调。

10.根据权利要求8所述的2ASK预处理的可见光通信系统，其特征在于，所述解调与整形电路采用由过零比较器组成的整形电路。