由于 LED 产业持续发展，可见光通信技术慢慢冒头了，尤其在水下通信这块。以往水下通信基本靠声呐技术，可这技术有传播延迟和速率低的毛病，满足不了高速数据传输的要求。
那可见光通信呢，因为有着高速传输以及低延迟的特点，给短距离的水下传输给出了一个很管用的解决办法。
本研究主要从光子器件这方面出发，设计出了一款基于商用蓝宝石基底 GaN 外延片的蓝光发光二极管。咱们仔细讲了 LED 的制备过程，还深入测量了它的电学、光学以及通信方面的特性。依据这些测量所得的数据，挑出了恰当的电路设计办法和芯片种类。
进一步来讲，经过理论分析，咱们选定了 2FSK 调制技术当咱们的调制办法。为了保证它能用，咱们用 Matlab 和 Optisystem 对调制解调算法还有整个系统做了仿真。
从实际应用场景出发，我们搞出了可以自动调节电压的 LED 驱动电路，还有高带宽、低噪声的接收电路。系统的核心控制用的是 FPGA 芯片，把音频编解码、数据信号处理以及 2FSK 的调制解调都给实现了。
因为要满足移动性还有易用性这些需求，咱们专心搞电路的紧凑设计，把整个系统设计在两块 5cm x 5cm 的电路板里，就是想弄出一个高效、个头小的可见光数字音频传输系统。
经过测试，这款以氮化镓 LED 为基础的系统能支持最高 8 Mbps 的 PRBS 数据传输，整个系统的工作电压最高是 5V，能靠 2 到 4 节 18650 锂电池来供电。实验结果表明，这个系统在大气里能传输 8 米，在水里能传输超过 70 厘米的音频数据，这展现出它在实际运用里有很大的潜力。
这四个关键模块集成起来构成了系统的主心骨，发送单元在里头负责处理各类数据，把它们变成适合 LED 驱动单元的那种格式。
数据一送到 LED 驱动单元，就会被从电信号变成光信号。在传输的另一头，PD 是接收的装置，会把光信号变回电信号，接着经过接收单元的放大、滤波以及数据处理，最后变回最初的电信号。
接下来关键的问题是：咋能有效地搞这样的信号传输呢？答案在调制技术上。在可见光通信（VLC）这块儿，强度调制/直接检测（IM/DD）是主要的调制解调技术。在所有 IM/DD 技术里，OOK 调制是用得最广泛的一种。
这种技术通过基带二进制信号来把控载波的振幅。简单来说，传输「0」的时候，载波振幅是零；传输「1」的时候，就会给出一个正弦波。
OOK 的原理挺简单：靠有没有电压来代表「0」或者「1」。这种办法有个特点，数据随机变化的时候，在频域里数据会表现为功率谱，所以，对 OOK 信号的频域形式做了深入分析。进一步的研究还表明，OOK 调制后的带宽是原来基带信号的两倍。
不过呢，不管是啥通信技术，都得把外界干扰考虑进去。要衡量一个系统在被干扰时的情况，数字通信系统一般会用误码率这个参数。在可见光通信这块，主要的干扰来自外界的自然光和电路的热噪声，这些噪声能当成高斯白噪声。关于这方面，误码率已经有了深入的分析。
为了让这项技术更出色，好多现代的 VLC 系统都把 NRZ-OOK 当作调制的办法，原因在于 VLC 系统里，信号得是正的。说白了，VLC 系统里的 NRZ-OOK 实现方式就是常见的 NRZ 编码，给实时处理的 VLC 系统带来了高效又稳定的解决办法。
这个 LED 设计的结构主要有五个层次，从底下到表面依次是：AIN 缓冲层、没掺杂的 GaN 层、N 掺杂的 GaN 层、InGaN/GaN 多量子阱层，还有 p-GaN 层。这样的分层结构给 LED 有效发光和性能带来了关键的物理及化学特性。
它的制备流程起初是在其表面借助溅射沉积技术弄出透明的氧化铟锡 (ITO) 电流扩展层，然后做快速热退火来让附着力变强。接着呢，通过电感耦合等离子体刻蚀技术明确了 LED 的有源区，还刻蚀到了 N 掺杂的 GaN 层。
深度刻蚀接着被用来去掉外延层结构，达成器件隔离。随后，用电子束蒸镀的办法弄出多层金属膜，还做出了金属 P 电极。1μm 厚的 SiO2 层依靠 PECVD 技术沉积下来，用于电隔离。最后，靠电子束蒸镀做出了用于大尺寸倒装封装的金属电极。
为了让 LED 的发光效率有保证，还能减少热损失，咱们把蓝宝石衬底给削薄到 200 μm 啦。这么做主要是为了避免因为有源区温度太高，造成出光效率下降。
制备好的氮化镓 LED 的性能得到了细致的表征。先来说，这器件的光镜图呈现出低倍和高倍时的器件样子。它整体大小是 2.6 毫米×2.6 毫米。用安捷伦 B1500A 器件分析仪来做 I-V 特性的测量。测量得出的结果表明，这个器件的开启电压是 2.5 伏，给咱们设计 LED 驱动电路提供了重要参考。
不光是电性能，器件的光学性能也进行了评估。用光谱仪一测，咱们晓得这个 LED 发光的中心波长大概在 473nm 。还有光谱跟探测谱的重叠那块儿能看出来，这款 LED 发光的时候还多少有点探测的本事。
最后啊，为了估量它在通信系统里能用的可能性，咱们测试了它的通信表现。测试得出，这个 LED 能达成 4 Mbps 和 8 Mbps 的数据传输，并且 8 Mbps 的传输速度还没到它传输的顶头呢。这些结果表明了这款氮化镓 LED 有着很广的应用前途，特别是在那些需要高数据传输速度的系统当中。
【蓝光数字音频通信系统硬件设计概述】
在琢磨蓝光数字音频通信系统的设计时，咱们先把关注点放在系统的核心硬件那块。音频数据的传输主要靠 FPGA 来带动音频编解码芯片 WM8731，这个芯片负责把模拟音频信号变成串行比特流，再传到 FPGA 做后续处理。
处理完以后，信号由发送单元把电信号变成光信号。在接收那头，接收单元会把光信号重新变回电信号，接着经过 FPGA 处理，把数字音频比特流给到音频编解码芯片 WM8731，这时候，音频信号又被转换成模拟形式，最后通过扬声器给输出了。
发送单元主要是驱动 LED 的。要让 LED 正常工作，它的工作电压得保持在 2.5 V 往上。而且，为了避免电流太大把 LED 弄坏，在设计里加了电流检测的功能。要是检测到电流过大，这个功能就能自己调整输出电压。
在这个设计里，FPGA 和 LED 中间用的是 LM5112 芯片，这样就避免了直接驱动 LED 容易出现的阻抗不匹配的情况。
接收单元的任务是把光信号变成电信号。PD 输出的光电流太小，达不到 FPGA 输入的要求，所以得放大。经过两级放大的信号还得进一步变成数字信号，这样 FPGA 才能准确识别，所以系统后面用了 TLV3501 电压比较器。
说到电源这块，电源板给整个系统供应了要用的电压。在电池供电的办法里，用了四节 18650 电池。另外，电源板还用了 BQ24296M 芯片，这芯片支持 OTG 功能，能通过 micro-USB 口提供 5 V 的电。
为了给 MCU 供电，在系统设计里用了 LP38502（LDO）芯片，从 BQ24296M 输出的 VSYS 电源中弄出 3.3 V 电源来。
同时，整板运放的供电是靠 TPS65131 DCDC 来的。这个系统的硬件设计很精准也很讲究，每一部分都经过了仔细挑拣和优化，保证音频信号在整个系统里能顺利传输，还能保持原本的质量。
【总结】
本研究主要探讨氮化镓 LED 技术于数字传输系统里的运用。虽说这个系统有着低功耗以及体积紧凑的长处，可跟当下先进的可见光通信系统相较而言，还是有一些不足之处。要把这种技术的潜力完全施展出来，下面是一些建议的优化办法：
首先啊，咱们得把 LED 的通信性能再好好优化一下。有研究显示，LED 的调制带宽跟它有源区的面积关系可大了。把有源区面积减小，就能有效地让氮化镓 LED 芯片的调制带宽变强。
这不但让更高速的可见光传输系统有了实现的可能，还能进一步让 LED 的功耗降低，达到更节能的成效。
要突破这个限制，能想想用特定的音频压缩技术，像 ADPCM 这种，它能把要传输的音频数据量减少，这样就能降低系统整体的码元速率。在不加大系统输出功率的时候，咱们可以牺牲点儿传输速率，来让通信距离变得更远。
虽说基于氮化镓的 LED 数字传输系统在一些方面优势挺明显，可还是有能进步的地方。按照上面提到的那些优化策略，咱们有希望让这一技术的通信效率更高，应用范围更广。
