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| 白光LED如何實現照明和通信 |
| （時間:2026-03-28 04:46:27） |
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的發明和應用，可見光通信技術得到了很好的發展。在照明方麵，白光LED因為擁有環保和節能等特點而被認為最終將取代熒光燈、白熾燈等傳統照明光源，成為下一代固體照明光源。
在功能方麵，白光LED還具有響應時間短和高速調製的特性，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無線高速數據接入。而與傳統的紅外和無線電通信相比，基於白光LED的可見光通信具有發射功率高、無電磁幹擾和無需申請頻譜資源等優點。因此，白光LED作為照明和通信兩用光源具有很大優勢，可以實現中短距離的通信。本文利用白光LED的照明和通信功能，實現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，由於PN結具有勢壘電勢，在外加偏壓為零、熱平衡的情況下，LED不發光。當LED兩端加上正向偏置電壓，電子從N區向P區注入，空穴從P區向N區注入，在PN結附近稍偏於P區的地方，處於高能態的電子與空穴相遇複合時會把多餘的能量釋放並以發光的形式表現出來。
利用LED此特性可實現照明LED可見光通信這種新型無線光通信技術，其存在協同潛力，具有照明功能和通信功能。LED通信技術是指利用LED器件高速亮滅的發光響應特性發出高速率調製的光載波信號，利用光電轉換器件接收光載波信號。無線通信係統多采用光強度調製/直接探測（IM/DD）技術。
目前，無線光通信普遍采用光強度調製/直接檢測(IM/DD)調製方案。LED的光強度調製主要有模擬和數字信號調製。數字脈衝調製采用二進製信號“0”和“1”duiguangzaibojinxingtiaozhi，shixianjiandan。tongchangbayaochuanshudeerjinzhishujutongguobianmahou，xingchengyizumaichongmayuan，zaiduiguangyuanjinxingqiangdutiaozhi，qizhuyaotiaozhifangshiyoukaiguanjiankong（OOK），脈衝位置調製（PPM），數字脈衝間隔調製（DPIM）等。其中在OOK調製中，每一比特時間T（單位S）內光脈衝處於開或關的狀態，信息“1”表示光發射器輸出光脈衝，信息“0”表示無光脈衝輸出。相較於其他調製方式，雖然OOK功率效率較低，抗幹擾差，但是實現簡單，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，故係統采用OOK調製方式。
1.2PWM驅動通信原理
PWM調光是常用做LED驅動器的調光方式。PWM調製是指脈衝載波的持續時間隨調製波的樣值而變的脈衝調製方式，簡稱脈寬調製。PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方式。PWM調(tiao)光(guang)是(shi)使(shi)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)以(yi)相(xiang)對(dui)於(yu)人(ren)眼(yan)識(shi)別(bie)能(neng)力(li)來(lai)說(shuo)足(zu)夠(gou)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)工(gong)作(zuo)，通(tong)過(guo)設(she)置(zhi)周(zhou)期(qi)和(he)占(zhan)空(kong)比(bi)來(lai)改(gai)變(bian)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)平(ping)均(jun)值(zhi)，其(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)隻(zhi)有(you)兩(liang)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)：最大額定工作電流和零電流。PWM調光可以保證LED的色溫恒定，驅動器的效率較高，並且能夠精確控製。
PWM調光基於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(tiao)光(guang)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)亮(liang)和(he)暗(an)的(de)時(shi)間(jian)比(bi)例(li)來(lai)實(shi)現(xian)調(tiao)整(zheng)亮(liang)度(du)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)通(tong)過(guo)把(ba)可(ke)調(tiao)占(zhan)空(kong)比(bi)和(he)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)加(jia)載(zai)到(dao)調(tiao)整(zheng)亮(liang)和(he)暗(an)時(shi)間(jian)比(bi)例(li)的(de)引(yin)腳(jiao)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)調(tiao)光(guang)。
2、光路掃描控製與空間定位設計
空kong間jian光guang通tong信xin主zhu要yao包bao括kuo建jian立li通tong信xin鏈lian路lu與yu傳chuan輸shu信xin號hao兩liang部bu分fen，其qi中zhong快kuai速su準zhun確que的de捕bu獲huo對dui方fang端duan機ji，建jian立li通tong信xin鏈lian路lu並bing保bao持chi信xin道dao穩wen定ding可ke靠kao是shi空kong間jian光guang通tong信xin的de關guan鍵jian技ji術shu，即jiAPT（Acquisition，PointingandTracking）技術。
APT係統的基本步驟可分為三個階段：捕捉、duizhunhegenzong。buhuoguochengshizhijieshoujisousuobuquedingqu，xunzhaofashejifashedexinhaoguocheng。miaozhunguochengshizhijieshoujigenjujieshoudaodeguangshudaodafangxiang，zaijingduyunxudefanweineijiangbendidefasheguangshuduizhunlingyiduanfashejideguocheng。genzongshizhizaijieshoujigenjujieshoudaodeguangshupandingguangshudaodafangxiang，bingbaochijianshijieshouguangshudeguocheng。APT係統主要由光學天線係統、位移伺服係統、粗跟蹤係統、精跟蹤係統和監控係統組成。其中，粗跟蹤係統的捕獲範圍較大、伺服控製執行機構的精度要求較低、功能是完成捕獲和對準，精跟蹤係統的捕獲範圍較小、伺服控製執行機構的精度要求高、gongnengshizaiwanchengcugenzonghou，nenggouanzhaozongtishejisuotichudegenzongjingduyaoqiugenzongxinhaoguangshu，bingxiangzhufasheduanjifachuxiangyingfankuixinhao。jiankongxitongdezuoyongshicaijiguangbantuxiangbingjiluguangbantuxiang，tongguojiluxiadeguangbanxinxi，weikongzhiweiyisifupingtaitigongpianyiliangdecankaoshuju。
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。
掃描裝置控製：根據光斑的尺寸預設程序參數，控製發射信標的轉動範圍和轉動速度，同時預設信號采集的采樣行數點數。
信號采集：接(jie)收(shou)探(tan)頭(tou)是(shi)由(you)光(guang)敏(min)二(er)極(ji)管(guan)和(he)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)組(zu)成(cheng)，將(jiang)光(guang)強(qiang)度(du)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)放(fang)大(da)的(de)電(dian)信(xin)號(hao)，然(ran)後(hou)將(jiang)電(dian)信(xin)號(hao)連(lian)接(jie)到(dao)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)器(qi)，由(you)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)程(cheng)序(xu)記(ji)錄(lu)電(dian)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)數(shu)據(ju)。
光強數據中電壓信號最強點即光斑中心即為定位係統的目標位置。係統根據掃描結果，確定光斑中心，確定鏈路供後續光通信。
3、短距離指向通信係統實現
本ben實shi驗yan設she計ji的de短duan距ju離li指zhi向xiang通tong信xin係xi統tong可ke完wan成cheng數shu據ju的de指zhi向xiang定ding向xiang傳chuan輸shu，係xi統tong組zu成cheng包bao括kuo數shu字zi發fa送song端duan，雲yun台tai指zhi向xiang控kong製zhi端duan，光guang發fa射she端duan和he定ding向xiang接jie收shou端duan。發fa射she端duan與yu指zhi向xiang控kong製zhi的de接jie收shou端duan為wei定ding向xiang傳chuan輸shu，指zhi向xiang控kong製zhi的de發fa射she端duan與yu接jie收shou端duan為wei指zhi向xiang傳chuan輸shu。
由於照明LED通信隻適用於短距離，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10mi，weileyanchangtongxinjuli，suoyibencishiyanshejizaitongxinguochengzhongjiaruzhongjibufen。qieyouyubencishiyanxuwanchengyiduiduodedingxiangtongxin，suoyizhongjibufenxuyaoyouzhixiangchuanshugongneng。youyushiyanshejixuyaojianliwanzhengguangtongxinlianlushizhongjibufenyuliangduanshishichuanshuxinhao，suoyizhongjibufenshejiweiyouyuntaikongzhidezhixiangchuanshukongzhiduan。
指zhi向xiang控kong製zhi端duan通tong過guo探tan測ce器qi把ba接jie收shou到dao的de光guang信xin號hao轉zhuan換huan成cheng電dian信xin號hao，信xin號hao放fang大da後hou處chu理li送song入ru單dan片pian機ji，由you單dan片pian機ji發fa出chu雲yun台tai轉zhuan向xiang指zhi令ling，通tong過guo控kong製zhi電dian路lu驅qu動dong雲yun台tai轉zhuan動dong。
係統傳輸的過程：1）發射端發射控製信息傳輸給控製端，指向傳輸控製端雲台接收到控製信息轉動相應角度並通過空間定位與接收端握手建立光通信鏈路。2）鏈路建立完成後，指向控製端回傳信號給發射端，表示鏈路已建立，可以開始實時傳輸數據。3）發射端開始發送信號，首先由單片機生成初始數字信號，通過FSK調製，將初始信號加載到由兩個不同的載波頻率表示的調製信號上；然後將已調製的信號送至LED驅動控製，驅動LED發送信號。4）指向傳輸控製端接收到已調信號後實時發射，把接收到的已調信號發送給定向接收端。
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