國立台灣科技大學電子工程系

102學年度第二學期實務專題

總報告

可見光通訊

組 別： 102A32

組 員： 姓名： 鄧國欽 學號： B10030402

指導老師：

中華民國 103 年 06 月 15 日

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題 目：可見光通訊

組員姓名及學號：鄧國欽 B100304021

組 別：102A32

指 導 老 師：譚昌文

一、 摘要：

可見光通訊(Visible Light Communications，簡稱VLC)，本專題的目的為

研究及實現以可見光達到兼具照明與通訊之功能。

進行的方法將透過LED快速的發出高頻明暗閃爍訊號，以非常快的速度改變

LED的輸出強度來傳輸資料，在人眼無法察覺其變化下(對人眼來說，燈泡僅是持

續發光)，使原有的燈具不僅作為照明之用途，亦可發展為無線光通訊，預期將

之應用於上網裝置及資料傳輸等。

本專題設計兩電路，可見光發射電路及可見光接收電路，並以Arduino板控

制驅動，達成LED傳輸訊息之目的，且為了提高傳輸效率和速度，進而將之製作

為兩組發收電路，並透過Arduino做資料分割，單向平行傳輸與接收。

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二、 簡介

(1) 本專題的特點:

光已是人類生活中不可或缺的東西，特別是當這些光可以拿來照明使

用之外，還可以作為通訊和資料傳輸之用途時，更是有其優勢，因此本專題的目

的為研究及實現以可見光達到兼具照明與通訊之功能。

目前常見的無線通訊技術通常是 3G、WIFI 等…，但是仍有許多地方容易受

到此類技術的電磁波干擾而受到禁止，例如:醫院、飛機、工廠等…，但如果使

用可見光(波長範圍為 780 nm~375 nm)來做為無線通訊的媒介，即可解決這類的

問題，在任何有照明的地方就可通訊，不須擔心干擾問題，不過可見光通訊技術

並非是前述等技術之取代方案，他們仍可依照使用的時間及地點來互補利用，達

到相輔相成的效果。

(2) 本專題的硬體規格:

硬體部份分為「可見光發射電路」(圖一)及「可見光接收電路」(圖二)。

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(圖一) 可見光發射電路

(圖二) 可見光接收電路

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(3) 本專題的軟體規格：

使用 Arduino UNO R3控制板(圖三)，Arduino 是一塊基於開放原始碼發展

出來的 I/O介面控制板，並且具有使用類似 C、java語言的開發環境，讓使用者

可以快速使用 Arduino 語言做出互動作品，(圖四)為其軟體開發環境。

(圖三) Arduino UNO R3控制板

(圖四) 軟體開發環境

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三、 理論 或 使用方法

本專題硬體電路設計之分析:

(一) 可見光發射電路

1、直流分析:

(圖五):(圖一)的直流等效電路

(1)輸入迴路（精確解：βRE < 10R2）：

1. ETH = VCC ×R2

R1:R2= 15 ×

51k

100k:51k= 15 ×

51

151≅ 5.07(V)

2. RTH = R1//R2 =R1×R2

R1:R2=

100k×51k

100k:51k≅ 33.77k(Ω)

3. IB =ETH;VBE

RTH:(1:β)RE=

5.07;0.7

33.77k:(1:150)×47=

4.37

33.77k:7.097k

≅ 106.93μ(A)

(2)電流轉換：

1. IC = βIB = 150 × 106.93μ = 16.04m(A)

2. IE = (1 + β)IB = (1 + 150) × 106.93μ ≅ 16.15m(A)

(3)輸出迴路：

1. ∵ VCC = ICRC + VD1 + VD2 + VCE + IERE

∴ VCE = VCC − ICRC − VD1 − VD2 − IERE

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= 15 − 16.04m × 91 − 1.8 − 1.8 − 16.15m × 47 ≅ 9.18(V)

2. VE = IE × RE = 16.15m × 47 ≅ 0.76(V)

3. VC = VCE + VE = 9.18 + 0.76 = 9.94(V)

2、交流分析:

(圖六)：(圖一)的交流等效電路

(1)輸入阻抗Zb：

1. hie =26mV

IB=

26mV

106.93μ= 243.15(Ω)

2. Zb = hie + (1 + β)RE = 243.15 + (1 + 150) × 47 = 7.34k(Ω)

(2)輸入阻抗Zi：

Zi = RTH//Zb = 33.77k//7.34k =33.77k × 7.34k

33.77k + 7.34k=

247.8718k2

41.11k

≅ 6.03k(Ω)

(3)輸出阻抗ZO：

輸出阻抗ZO是定義在Vi = 0時，則Ii = 0，ib = 0，hfeib = 0 電流源

開路，則ZO = RC//∞ = RC

(4)電壓增益AV：

1. ib =vi

Zb=

vi

hie:(1:β)RE=

1

7.34k≅ 136.24μ(A)

7

2. ic = βib = hfevi

hie:(1:β)RE= 150 × 136.24μ ≅ 20.44m(A)

3. VO = −ICRC = −βvi

hie:(1:β)RE(RC) = −20.44m × 91 = −1.86(V)

4. AV ≡VO

Vi= −β

RC

hie:(1:β)RE= −150 ×

91

7.34k≅ −1.86

(5)電流增益Ai：

1. ib = ii ×RTH

RTH:Zb

2. IO = Ic

3. hfe =ic

ib

4. Ai ≡IO

Ii=

Ib

Ii×

Ic

Ib×

IO

Ic=

RTH

RTH:Zb× hfe × 1 =

Zi

Zb× hfe = −AV

Zi

Rc

= 1.86 ×6.03k

91= 123.251

(二) 可見光接收電路

1、當 LED 的光源未照射到光電二極體時：

光電二極體形成逆偏，電阻值相當大，光電二極體處於穩定狀態，可視為開

路(如圖 7)，因此沒有任何訊號進入 OPA的兩輸入端，於是 OPA的輸出端VO為 0V。

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(圖七)：當 LED的光源未照射到光電二極體時的等效電路圖

2、而當光線照射到光電二極體時：

當光線照射到光電二極體的空乏區時，所產生之電子電洞對由於受到相反的

電力，致使電子電洞分開，個別進入 n型及 p 型中性區，形成光電流，可視為開

關導通（如圖 8）：

(圖八)：當 LED的光源照射到光電二極體時的等效電路圖

直流分析：

1. KVL1：I1R2 + (I1 + I2)R3 = VCC

I1 × 2k + (I1 + I2) × 10k = 12

2kI1 + 10kI1 + 10kI2 = 12

12kI1 + 10kI2 = 12

2. KVL2：I2R1 + (I1 + I2)R3 = VCC

I2 × 2k + (I1 + I2) × 10k = 12

2kI2 + 10kI1 + 10kI2 = 12

10kI1 + 12kI2 = 12

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3. VO = I2 × R4

解聯立方程式，得I1 = I2 ≅ 0.545mA，

VO = I2 × R4 = 0.545m × 10k = 5.45(V)

交流分析：

光電二極體能將接收到的交流訊號，藉由 OPA負迴授的特性，將訊號傳

送到 OPA的輸出端，最後再經由電容C14將直流濾掉，只留下接收到的交流

訊號。至於C1、C2、C7、C8的作用在於過濾低頻和高頻雜訊。

四、 實驗 或 範例

本節包含：

1. 硬體製作：

我們利用兩組發射和接收電路以及兩塊Arduino組成這次的實驗電路。一塊

Arduino連接發射電路負責發射，另一塊連接接收電路負責接收，發射的11腳則

對應接收的A0阜，第10腳則對應A1阜。

我們將這兩組收發裝置利用並聯的方式接上電源供應器。並且利用Arduino

連接電腦發送訊息。它是利用On-Off Keying發送訊息，也就是當LED亮時，傳送

1;LED暗時，傳送0。再利用另一塊Arduino接收訊息連接電腦後就可以顯示傳送

的訊息。

假設傳了一個 a，其 ASCII code 是 01100001。

原先的傳送方法(只有一組發與送):

改良過後的傳送方法(兩組傳送):

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在實驗的過程中，我們發現硬體會發生充放電過於緩慢的情況發生。發射電

路原本在 B腳連接訊號源和 C腳連接示波器的位置各有一顆 10μF的電容。為了

解決這個問題，我們便將這兩顆電容去掉。

(圖九)實際電路成品

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(圖十):(其中一組之訊號)上黃色為發射訊號波形，下藍色為接收訊號波形

2. 軟體發展：

發送程式設定兩個Arduino腳位做為輸出腳位(10和11)。並且將ASCII

code 的奇數位元分配給的11隻腳，偶數為原則分配給第10隻腳。我們在軟體中

設定第11隻腳位收到一高訊號(1)時才會開始接收的動作。因此在11隻腳接到高

訊號時11腳和10腳則輪流傳遞位元。這樣可以省去一半delay()的時間。接收端

也照此順序接收位元碼。再將其還原成原始的ASCII code。

若是再設定更多數位輸出及類比輸入port，便可增加發射接收組數，進而在

加強傳輸速率。

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(圖十一)四對四可見光發射接收電路

此為四組發射、接收電路，比起兩組的二對二電路更可再增加兩倍的傳輸速

率，因為多了兩組同時分工傳輸。

3. 實測結果：

將負責發送工作的 Arduino數位輸出端連接發送電路，負責接收工作的

Arduino類比輸入端連接接收電路，當電腦將資料送出後 Arduino會先將資料轉

成 ASCII Code 之後再輸出到發送電路，送出時將資料分割，分工成兩組發送以

提高傳輸速率，發送電路的 LED亮時表示傳送 1，暗時則為 0，當接收電路的 PD

偵測到類比輸入後，交給 Arduino轉換為 ASCII Code，並將兩組資料合成，最

後接收到完整的資料傳回電腦。

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(圖十二)實際完整操作情況

(圖十三)Arduino操作情況

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五、 討論

目前一對一也就是一組收發電路的傳輸速率為1kbps，兩組二對二分工傳輸

即為2kbps，四組四對四即為4kbps。

而使用兩顆LED發射得最遠距離為7cm，若只用一顆LED最遠距離則剩2cm，所

以越多顆發射LED可以讓距離增加、與接收端的對齊程度也可以容忍比較大的誤差，

資料正確率較高，若發射LED越少顆則傳輸距離越短，與接收PD也必須對齊得更精準，

資料正確率也較低。

六、 結論

此專題成功以資料切割之方式，將一組資料分工成多組電路傳輸並接收後合

成各組、還原資料，達成倍增傳輸速率之目的，而未來有三個方向可努力:

1.可繼續以此方式設計出更多組，更快速之傳輸電路，且可以設計出體積更小之

電路為目標。

2.此專題目前僅可單向傳輸資料，未來可利用多工器等相關電路使其設計出雙向

傳輸之電路，已增加其通訊彈性。

3.本專題現階段還是以字元傳輸為主，未來可以此專題技術為基礎，開始進一步

設計出可傳輸多媒體資料(如音樂、影片等…傳輸量較大的資料)之可見光通訊技

術，想必能更具實用價值。

由此可見，可見光通訊技術未來可應用範圍極為廣闊，例如:於醫院、機場、

軍事、工廠等需要避免電磁干擾的場所、使用 LED上網及傳輸資料(Li-Fi)、藉

由路燈存取和傳輸創造無所不在的無線網路、交通工具上的頭燈互相通訊或是應

用於 LED 電子看板上等…，能夠有效提高 LED 的附加價值，只要任何與光相關的

東西都可以藉此技術發揮創意加以應用，若是成功實現它將無所不在，使用的是

來源免費的可見光光譜，可以將現有照明設備當作基礎設施，將無線服務加於其

上。

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七、 參考資料

(1) LED Lights: A Piece of the Energy Puzzle

(2) Y. F. Liu, Y. C. Chang, C. W. Chow and C. H. Yeh, “Equalization and

pre-distorted schemes for increasing data rate in in-door visible light

communication system,” OFC’11, JWA083

(3) Fraunhofer Heinrich Hertz Institute 官網: www.hhi.fraunhofer.de/vlc

(4)「可見光通訊」,Wikipedia

(5) Enhanced Subcarrier Index Modulation (SIM) OFDM

(6)Performance Analysis of Spatial Multiplexing in MIMO Based

Visible Light Communication System

(7)可見光收發電路

(8) 趙英傑，超圖解 Arduino 互動設計入門，旗標(2013/04/03)