基于氮化镓LED的水下蓝光数字传输系统设计与实现_暗记_旗子

而可见光通信，凭借其高速传输和低延迟特性，为短间隔水下传输供应了一个有力的办理方案。

本研究着重从光子器件的角度，设计了一款基于商用蓝宝石基底GaN外延片的蓝光发光二极管。
我们详细描述了LED的制备流程，并对其电学、光学以及通信特性进行了深入的丈量。
根据这些丈量数据，我们筛选出了得当的电路设计方案和芯片类型。

进一步地，通过理论剖析，我们选定了2FSK调制技能作为我们的调制方案。
为确保其实用性，我们采取Matlab和Optisystem进行了调制解调算法和整体系统的仿真。

考虑到实际运用处景，我们设计了能自动调节电压的LED驱动电路和高带宽、低噪声的吸收电路。
系统的核心掌握采取FPGA芯片，实现了音频编解码、数据旗子暗记的处理以及2FSK的调制解调。

为了知足移动性和易用性的需求，我们专注于电路的紧凑设计，将全体系统设计在两块5cm x 5cm的电路板上，旨在实现一个高效、小型的可见光数字音频传输系统。

经测试，这款基于氮化镓LED的系统能够支持高达8 Mbps的PRBS数据传输，全体系统的最高事情电压为5V，并可以通过2~4节18650锂电池供电。
实验结果还显示，该系统能够在大气中传输8米，在水中传输超过70厘米的音频数据，展示了其在实际运用中的巨大潜力。

可见光通信技能，以其独特的传输特性而备受关注。
在深入磋商这种通信技能的核心机制之前，首先需理解其整体构造。
该技能的模型构建了一个完全的通信路径，包括发送单元、LED驱动单元、PD驱动单元和吸收单元。

这四个关键模块的集成为系统的骨干，个中发送单元卖力处理各种数据，将其转化为适宜LED驱动单元的格式。

一旦数据被送到LED驱动单元，它就将其从电旗子暗记转化为光旗子暗记。
在传输的另一端，PD作为吸收装置，再将光旗子暗记转化回电旗子暗记，再经由吸收单元的放大、滤波和数据处理，终极规复为原始的电旗子暗记。

接下来的关键问题是：如何有效地进行这样的旗子暗记传输呢？答案便是调制技能。
在可见光通信（VLC）领域中，强度调制/直接检测（IM/DD）是紧张的调制解调技能。
而在所有IM/DD技能中，OOK调制是最广泛运用的一种。

这种技能采取基带二进制旗子暗记掌握载波的振幅，换言之，当传输“0”时，载波的振幅为零；而传输“1”时，它就会输出一个正弦波。

OOK的事理非常简洁：它基于是否有电压来表示“0”或“1”。
这种办法的特点是，当数据随机变革时，频域内的数据表示为功率谱，为此，对OOK旗子暗记的频域形式进行了深入的剖析。
进一步研究还揭示了，OOK调制后的带宽是原始基带旗子暗记的两倍。

然而，无论何种通信技能，都须要考虑到外界的滋扰。
为了衡量一个别系在受到滋扰时的表现，数字通信系统常日采取误码率这一参数。
在可见光通信领域，紧张的滋扰来源是外界的自然光和电路的热噪声，这些噪声可以视为高斯白噪声。
对此，已经有了误码率的深入剖析。

为了进一步优化该技能，许多当代的VLC系统都选择利用NRZ-OOK作为其调制办法，这是由于在VLC系统中，旗子暗记必须是正值。
简而言之，NRZ-OOK在VLC系统中的实现便是常见的NRZ编码，这为实时处理的VLC系统供应了一个高效和稳定的办理方案。

氮化镓 (GaN) LED 作为一种广受欢迎的发光二极管，其设计与制备在浩瀚运用领域中都受到了极大关注。
在本文中，我们侧重于描述一个基于商用蓝宝石衬底的氮化镓 LED 的设计及其性能特性。

此 LED 设计的构造紧张包含五个层次，从底部到表面分别是：AIN 缓冲层、无掺杂 GaN 层、N 掺杂 GaN 层、InGaN/GaN 多量子阱层，以及 p-GaN 层。
这种分层构造为 LED 的有效发光和性能供应了关键的物理和化学特性。

其制备流程首先包括在其表面通过溅射沉积技能形成透明的氧化铟锡 (ITO) 电流扩展层，并进行快速热退火以增强附着力。
接下来，利用电感耦合等离子体刻蚀技能定义了 LED 的有源区，并刻蚀到 N 掺杂的 GaN 层。

深度刻蚀进一步用于肃清外延层构造，以实现器件隔离。
随后，采取电子束蒸镀法形成多层金属膜，并制备了金属 P 电极。
1μm 厚的 SiO2 层通过 PECVD 技能沉积，用以电隔离。
末了，通过电子束蒸镀制备了用于大尺寸倒装封装的金属电极。

为了担保 LED 的发光效率并减少热丢失，我们将蓝宝石衬底减薄至 200 μm。
这个方法紧张是为了减少由于有源区温度过高而导致的出光效率降落。

制备完成的氮化镓 LED 的性能被详细地表征。
首先，其器件的光镜图显示了低倍与高倍下的器件描述。
其整体尺寸为 2.6 mm x 2.6 mm。
安捷伦 B1500A 器件剖析仪被用于进行 I-V 特性丈量。
丈量结果揭示了该器件的开启电压为 2.5 V，为我们在设计 LED 驱动电路时供应了关键辅导。

除了电性能外，器件的光学性能也得到了评估。
通过光谱仪的丈量，我们创造此 LED 的发光中央波长约为 473 nm。
而光谱和探测谱的重叠区域表明这款 LED 在发光的同时也具备一定的探测能力。

末了，为了评估其在通信系统中的运用潜力，我们测试了其通信性能。
测试结果显示，这款 LED 能够实现 4 Mbps 和 8 Mbps 的数据传输，而且 8 Mbps 的传输速率并未达到其传输的极限。
这些结果证明了这款氮化镓 LED 的广泛运用前景，尤其在需求高数据传输速率的系统中。

蓝光数字音频通信系统硬件设计概述

在磋商蓝光数字音频通信系统的设计时，我们首先将把稳力集中于系统的核心硬件部分。
音频数据传输紧张依赖于 FPGA 来驱动音频编解码芯片 WM8731，该芯片卖力将仿照音频旗子暗记转换为串行比特流并传输到 FPGA 进行后续处理。

经由处理后，旗子暗记经发送单元将电旗子暗记转变为光旗子暗记。
在吸收端，吸收单元卖力将光旗子暗记再次转化为电旗子暗记，再经由 FPGA 处理后，将数字音频比特流传递给音频编解码芯片 WM8731，此时，音频旗子暗记再次被转换为仿照格式，并终极通过扬声器进行输出。

发送单元的核心任务是驱动 LED。
为确保 LED 精确运作，其事情电压应坚持在 2.5 V 以上。
此外，为防止过大的电流可能对 LED 造成危害，设计中加入了电流检测功能。
当检测到过大的电流时，该功能能自动调度输出电压。

在此设计中，FPGA 与 LED 之间利用 LM5112 芯片作为中介，避免了直接驱动 LED 可能导致的阻抗不匹配问题。

吸收单元则卖力将光旗子暗记转换为电旗子暗记。
由于 PD 输出的光电流较小，无法知足 FPGA 输入的标准，因此须要进行放大。
经由两级放大后的旗子暗记须要进一步转换为数字旗子暗记才能被 FPGA 精确识别，因此系统后续采取了 TLV3501 电压比较器。

至于电源部分，电源板为全体系统供应了所需的电压。
电池供电方案中利用了四节 18650 电池。
此外，电源板还利用了 BQ24296M 芯片，该芯片支持 OTG 功能并可以通过 micro-USB 供词给 5 V 供电。

为了知足 MCU 的须要，系统设计中采取了 LP38502(LDO) 芯片来从 BQ24296M 输出的 VSYS 电源中提取 3.3 V 电源。

同时，整板运放的供电由 TPS65131 DCDC 供应。
这个别系的硬件设计精确而讲求，每个部分都经由仔细的选择和优化，确保音频旗子暗记在全体系统中顺利传输并保持其原始质量。

本研究着重于氮化镓 LED 技能在数字传输系统中的运用。
只管这一系统具备低功耗和紧凑体积的上风，与当下前沿的可见光通信系统比较，它还存在一些局限性。
为了充分发挥这种技能的潜力，以下是一些建议的优化策略：

首先，我们须要对LED的通信性能进行进一步优化。
研究表明，LED的调制带宽与其有源区面积密切干系。
降落有源区的面积可以有效地增强氮化镓 LED 芯片的调制带宽。

这不仅为更高速的可见光传输系统供应了可能性，而且有助于进一步降落LED的功耗，以实现更为节能的效果。

其次，我们也须要关注提高系统的通信间隔。
在现有的可见光通信系统中，传输间隔与传输速率每每存在一个权衡关系。
详细地说，当发射功率保持不变时，增加传输速率会导致更大的发送损耗，从而减少实际的通信间隔。

为了打破这一限定，可以考虑利用特定的音频压缩技能，例如ADPCM，这种方法通过减少要传输的音频数据量，从而降落系统的整体码元速率。
在不增加系统输出功率的条件下，我们可以捐躯一定的传输速率，以实现更远的通信间隔。

虽然基于氮化镓的LED数字传输系统在某些方面具有明显上风，但仍旧存在提升的空间。
通过上述建议的优化策略，我们有望进一步提高这一技能的通信效率和运用范围。