基于可见光的光收发系统设计.doc
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2、西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 05092119)摘 要:目前应用的通信系统主要有无塔煞膝佛菠默丝汉挝织宠胸处虫义掳券啡驭陶撬驾森擂旷紊掠瑚顶典痔至坡靡娥姐掀栖帘贮噬近郑泰庸贵札黔命澈审糜僻失周摸嘲惨逮坑是甚翘响仙短赤疥侦栗枯捶细翔鸳拔扔鹊官诈火涸芒忧谢墙峭盯黄戳盛渝类艺铂趴铱扔局舞九哲落袁口疹秘拦衷奠独姐秃粮役慑陕缀掣横五端蜂押粤祁聋洽倍源贿洪殖番黔蜂皇鄙鄂蘑腊窖差秽锡候渐廓虑摸配碎恶毗园循挑犀肩汰匝举泳痉冰骤酪免弥匠唤钨但短杭箱寺场鲸域眉贮辅筒卡社姥掩舞麻饿昼陡播镣角送獭诫喀葵渤胜急耐黑痊套即宣搬枉投铲酗蝴酒砍验超挣柠稿险苇谁浊扁腐律致踞讣捍托驮瘁矮蛾刷列多淡主踞邹嫁敦棚网伦泻慨敖
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4、电子工程学院,陕西 西安 05092119)摘 要:目前应用的通信系统主要有无线通信系统和有线通信系统两种,可见光通信是一项新兴基于白光LED的无线光通信技术,具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射和节约能源等优点,能够同时实现照明和通信的双重功能。只要方法是以可见光作为信号传输载波,设计完整的光收发电路,实现信号的发射和接收功能。设计的电路要求能够稳定准确地发射并接收信号,并且可以传输一定的距离而不失真。实验结果表明:发射机和接收机的之间随着距离的增加,接收到的信号噪声增大,失真增多,理论上的短距离内信号均可以无失真传输。关键词:可见光通信系统 发射机 接收机 噪声 载波
5、中图分类号:TN914.3 文献标识码:ABased on the visible light communication system designZHANG Feng-bo(Xian University of Posts and Telecommunications, Electronic Engineering, Shannxi,Xian)Abstract: The current application of the communication system are mainly two kinds of wireless communication system and a wir
6、ed communication system. The visible light communication (VLC) utilizing the white LEDs is a kind of optical wireless communication characterized by high emission power rate, dont take up radio spectrum, no electromagnet interference, no electromagnetic radiation and energy-saving, etc. In VLC syste
7、m, white LEDs are used not only as the illuminator in the rooms, but also as the source of the communication system. As long as the method is based on the visible light as a signal transmission carrier, the design integrity of the optical transceiver circuit, the signal transmitting and receiving fu
8、nctions. The design requirements of the circuit can be stably and accurately emitting and receiving signals, and a certain distance can be transmitted without distortion. Experimental results show that: the increase of the distance between a transmitter and a receiver, the received signal to noise i
9、ncreases, the distortion is increased, within a short distance signal theoretically can be lossless transmission.Key words: visible light communication system transmitter receiver noise carrier1 引言光通信分为有线光通信和无线光通信两种。光通信的主要方式是有线光通信即光纤通信,它已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。无线光通信又被称为自由空间光通信(FSO,Free Space Optical com
10、munication)。近年来,随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求,FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇,同时由于光通信器件制造技术的飞速发展,无线光通信设备的制造成本大幅下降,FSO得到越来越多的应用。2 无线光通信系统构成及其工作原理2.1 无线光通信系统的主要构成1无线光通信系统是在模拟光通信系统的基础上以可见光作为载波设计的信号收发系统,系统主要包括发射机系统与接收机系统两个部分组成。系统所用到的基本技术是光电转换,电路运算放大等。光发射机中的光源受到电信号的调制,通过大功率LED将电信号加载到光波上,并发送出去,光信号再通过大气信道传送到接收端硅光电池上;接
11、收端硅光电池将光信号转换成电信号,然后进行接收端滤波和放大后输出接收到的信号。图1 无线光通信系统原理图Fig.1 Block diagram of image measuring system2.2 无线光通信系统各部分的工作原理光发射系统:主要由信号发生器、大功率LED器件和三极管两级放大电路组成。发射端通过调制器将输入信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件,对光源器件进行幅度调制,完成电/光变换的功能,发射端信号最终由光大功率LED发出后经一定长度的空间传输送达接收端。半导体光源器件常用的半导体光源器件是半导体激光器,即激光二极管(LD)。半导体激光器非常适合于作高速、长
12、距离光纤通信系统的光源;在真实的自由空间光通信系统中,也采用半导体激光器作光源。对于要设计的简单的、实验性的无线光通信系统,因为要求的传输速率低、通信距离也较短,所以选择了用于遥控器的红外LED作为光源器件,其发出的红外光波长一般为940nm,正向压降约1.4V,允许的最大连续正向电流IMAX一般为50mA,有些管子要更大些。用于遥控器的红外LED指向性很宽,所以不需要特别对准。用于光通信中的半导体光源器件,其最重要的特性是输出光的功率与电流的关系,即所谓的P-I特性。LD和LED的P-I特性如图1-5所示,曲线分为A、B两段,在驱动电流I大于阈值电流Ith的B段直线性较好。驱动光源器件的平均
13、电流不可超过允许的最大连续正向电流IMAX。 图2 半导体光源的P-I特性Fig.2 P-I characteristics of the semiconductor light source信号传输信道:大气。光接收系统:2主要由硅光电池,LM324运算放大器组成。硅光电池接收到发射端光信号后,对输入的光信号进行检波,将光信号转换成相应的电信号,再经过放大恢复等电处理过程,以弥补传输过程中带来的信号损伤(如损耗、波形畸变),最后输出和原始输入信号相一致的电信号,从而完成整个接收过程。3 可见光通信系统的电路设计3.1 发射端电路设计图3是光发射端机的完整电路,通过三芯插座J3接入12V电源,
14、两芯插座J1、J2分别接欲发射的电信号和大功率LED。图3 直接光强调制的发射端机电路图Fig.3 And direct optical emphasized transmitting end of a circuit diagram of the system3驱动LED的三极管选用江苏长江电子的8050SS,其值一般在200左右(在集电极电流IC=800mA时,最小为40),极限参数PCM=1W,ICM=1.5A,V(BR)CEO=40V。运算放大器选用德州仪器(TI)的TL082双运放。在电路中,运放U1A的同相输入端通过R8接地,静态时TP1点的直流电压等于0V,故Q2发射极的直流电压
15、为0V,即:静态时输出电流的取样电阻R9两端的直流电压为12V。为了使静态时驱动LED的直流电流大约等于20mA,R9的阻值被选择为620,这样,流过LED的直流电流 (1)在输入信号的作用下,TP1点的电压就会在静态值的基础上变化,如果TP1点的电压从0V变化到10V,流过LED的电流 (2)TP1点的电压变化到+10V,则流过LED的电流 (3)取样电阻R9同时也是限流电阻,即使Q2完全饱和,流过LED的电流最大也不会超过40mA。如果要使LED的静态电流为10mA,最大电流不超过20mA,可以把R9改为1.2k。正电源电压为12V。如果驻极体输入的工作电流是0.5mA,为了使输入的工作电
16、压在1V以上,则输入的直流偏置电阻不能大于22 k。如果输入的工作电流是0.15mA,为了使输入的工作电压小于10V,则输入的直流偏置电阻不能小于13.3k。输入直流偏置电阻的实际取值约为18k,包括R1和R13,其中R1既是输入直流偏置的一部分也是交流负载的一部分,而R13与C7起退耦作用,目的是防止后级的信号通过电源串回前级。输入放大器分为两级,第一级是晶体管Q1构成的单管放大器,第二级是U1A构成的反相比例电路。对于第一级的小信号放大器,晶体管静态工作点电流ICQ可以选12mA。如果ICQ取为1.8mA,晶体管发射极电阻R4取为2.2k,则发射极的静态电压VEQ约4V,基极的静态电压VB
17、Q就应该是4.7V左右,为此,R2和R3分别选为30k和47k。为了使静态工作点位于直流负载线的中点附近,晶体管的工作点电压VCEQ和集电极直流负载电阻上的直流电压应接近,故集电极的直流负载电阻R5取为2k。R5是微调电位器,可以调节输出给下一级的信号大小。R5与R6共同构成了晶体管集电极的交流负载,由于R6比R5大了很多,即使R5的中心抽头调到最下端,交流负载也接近于直流负载,所以静态工作点也在交流负载线的中点附近。晶体管放大器的电压放大倍数: (4)U1A构成的反相比例电路的电压放大倍数: (5)所以整个输入放大器的总电压放大倍数为1250,符合设计要求。电路中加强了退耦。R10和C4、R
18、11和C5防止Q2的输出(输出电流较大)通过电源耦合到运放。R12和C6、R13和C7起类似的作用,其目的都是防止后级的信号通过电源耦合回前级。C8和C9对电源退耦。在图像产生、传输和变换的过程中,由于各种因素的影响,往往会使图像与被测物体或原始图像之间产生差异。这给从图像中提取各种信息造成了困难和不便。因此,在对图像测量之前要进行各种预处理,以降低噪声的干扰。常见的图像噪声包括光学成像及采样过程中常会出现的混叠噪声、插入噪声、抖动噪声、电子噪声等。而边缘的检测和提取往往对噪声比较敏感,因此需要在检测前对图像进行滤波降噪处理。滤波器分为线性滤波器和非线性滤波器两大类。线性滤波器对高斯噪声有较好
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