由於 LED 產業持續發展，可見光通訊技術慢慢冒頭了，尤其在水下通訊這塊。以往水下通訊基本靠聲吶技術，可這技術有傳播延遲和速率低的毛病，滿足不了高速數據傳輸的要求。
那可見光通訊呢，因為有著高速傳輸以及低延遲的特點，給短距離的水下傳輸給出了一個很管用的解決辦法。
本研究主要從光子器件這方面出發，設計出了一款基於商用藍寶石基底 GaN 外延片的藍光發光二極管。咱們仔細講了 LED 的制備過程，還深入測量了它的電學、光學以及通訊方面的特性。依據這些測量所得的數據，挑出了恰當的電路設計辦法和芯片種類。
進一步來講，經過理論分析，咱們選定了 2FSK 調制技術當咱們的調制辦法。為了保證它能用，咱們用 Matlab 和 Optisystem 對調制解調演算法還有整個系統做了仿真。
從實際套用場景出發，我們搞出了可以自動調節電壓的 LED 驅動電路，還有高頻寬、低雜訊的接收電路。系統的核心控制用的是 FPGA 芯片，把音訊編解碼、數據訊號處理以及 2FSK 的調制解調都給實作了。
因為要滿足移動性還有易用性這些需求，咱們專心搞電路的緊湊設計，把整個系統設計在兩塊 5cm x 5cm 的電路板裏，就是想弄出一個高效、個頭小的可見光數碼音訊傳輸系統。
經過測試，這款以氮化鎵 LED 為基礎的系統能支持最高 8 Mbps 的 PRBS 數據傳輸，整個系統的工作電壓最高是 5V，能靠 2 到 4 節 18650 鋰電池來供電。實驗結果表明，這個系統在大氣裏能傳輸 8 米，在水裏能傳輸超過 70 厘米的音訊數據，這展現出它在實際運用裏有很大的潛力。
這四個關鍵模組整合起來構成了系統的主心骨，發送單元在裏頭負責處理各類數據，把它們變成適合 LED 驅動單元的那種格式。
數據一送到 LED 驅動單元，就會被從電訊號變成光訊號。在傳輸的另一頭，PD 是接收的裝置，會把光訊號變回電訊號，接著經過接收單元的放大、濾波以及數據處理，最後變回最初的電訊號。
接下來關鍵的問題是：咋能有效地搞這樣的訊號傳輸呢？答案在調制技術上。在可見光通訊（VLC）這塊兒，強度調制/直接檢測（IM/DD）是主要的調制解調技術。在所有 IM/DD 技術裏，OOK 調制是用得最廣泛的一種。
這種技術透過基頻二進制訊號來把控載波的振幅。簡單來說，傳輸「0」的時候，載波振幅是零；傳輸「1」的時候，就會給出一個正弦波。
OOK 的原理挺簡單：靠有沒有電壓來代表「0」或者「1」。這種辦法有個特點，數據隨機變化的時候，在頻域裏數據會表現為功率譜，所以，對 OOK 訊號的頻域形式做了深入分析。進一步的研究還表明，OOK 調制後的頻寬是原來基頻訊號的兩倍。
不過呢，不管是啥通訊技術，都得把外界幹擾考慮進去。要衡量一個系統在被幹擾時的情況，數碼通訊系統一般會用誤碼率這個參數。在可見光通訊這塊，主要的幹擾來自外界的自然光和電路的熱雜訊，這些雜訊能當成高斯白雜訊。關於這方面，誤碼率已經有了深入的分析。
為了讓這項技術更出色，好多現代的 VLC 系統都把 NRZ-OOK 當作調制的辦法，原因在於 VLC 系統裏，訊號得是正的。說白了，VLC 系統裏的 NRZ-OOK 實作方式就是常見的 NRZ 編碼，給即時處理的 VLC 系統帶來了高效又穩定的解決辦法。
這個 LED 設計的結構主要有五個層次，從底下到表面依次是：AIN 緩沖層、沒摻雜的 GaN 層、N 摻雜的 GaN 層、InGaN/GaN 多量子阱層，還有 p-GaN 層。這樣的分層結構給 LED 有效發光和效能帶來了關鍵的物理及化學特性。
它的制備流程起初是在其表面借助濺射沈積技術弄出透明的氧化銦錫 (ITO) 電流擴充套件層，然後做快速熱退火來讓附著力變強。接著呢，透過電感耦合等離子體刻蝕技術明確了 LED 的有源區，還刻蝕到了 N 摻雜的 GaN 層。
深度刻蝕接著被用來去掉外延層結構，達成器件隔離。隨後，用電子束蒸鍍的辦法弄出多層金屬膜，還做出了金屬 P 電極。1μm 厚的 SiO2 層依靠 PECVD 技術沈積下來，用於電隔離。最後，靠電子束蒸鍍做出了用於大尺寸倒裝封裝的金屬電極。
為了讓 LED 的發光效率有保證，還能減少熱損失，咱們把藍寶石襯底給削薄到 200 μm 啦。這麽做主要是為了避免因為有源區溫度太高，造成出光效率下降。
制備好的氮化鎵 LED 的效能得到了細致的表征。先來說，這器件的光鏡圖呈現出低倍和高倍時的器件樣子。它整體大小是 2.6 毫米×2.6 毫米。用安捷倫 B1500A 器件分析儀來做 I-V 特性的測量。測量得出的結果表明，這個器件的開啟電壓是 2.5 伏，給咱們設計 LED 驅動電路提供了重要參考。
不光是電效能，器件的光學效能也進行了評估。用光譜儀一測，咱們曉得這個 LED 發光的中心波長大概在 473nm 。還有光譜跟探測譜的重疊那塊兒能看出來，這款 LED 發光的時候還多少有點探測的本事。
最後啊，為了估量它在通訊系統裏能用的可能性，咱們測試了它的通訊表現。測試得出，這個 LED 能達成 4 Mbps 和 8 Mbps 的數據傳輸，並且 8 Mbps 的傳輸速度還沒到它傳輸的頂頭呢。這些結果表明了這款氮化鎵 LED 有著很廣的套用前途，特別是在那些需要高數據傳輸速度的系統當中。
【藍光數碼音訊通訊系統硬件設計概述】
在琢磨藍光數碼音訊通訊系統的設計時，咱們先把關註點放在系統的核心硬件那塊。音訊數據的傳輸主要靠 FPGA 來帶動音訊編解碼芯片 WM8731，這個芯片負責把模擬音訊訊號變成序列位元流，再傳到 FPGA 做後續處理。
處理完以後，訊號由發送單元把電訊號變成光訊號。在接收那頭，接收單元會把光訊號重新變回電訊號，接著經過 FPGA 處理，把數碼音訊位元流給到音訊編解碼芯片 WM8731，這時候，音訊訊號又被轉換成模擬形式，最後透過喇叭給輸出了。
發送單元主要是驅動 LED 的。要讓 LED 正常工作，它的工作電壓得保持在 2.5 V 往上。而且，為了避免電流太大把 LED 弄壞，在設計裏加了電流檢測的功能。要是檢測到電流過大，這個功能就能自己調整輸出電壓。
在這個設計裏，FPGA 和 LED 中間用的是 LM5112 芯片，這樣就避免了直接驅動 LED 容易出現的阻抗不匹配的情況。
接收單元的任務是把光訊號變成電訊號。PD 輸出的光電流太小，達不到 FPGA 輸入的要求，所以得放大。經過兩級放大的訊號還得進一步變成數碼訊號，這樣 FPGA 才能準確辨識，所以系統後面用了 TLV3501 電壓比較器。
說到電源這塊，電源板給整個系統供應了要用的電壓。在電池供電的辦法裏，用了四節 18650 電池。另外，電源板還用了 BQ24296M 芯片，這芯片支持 OTG 功能，能透過 micro-USB 口提供 5 V 的電。
為了給 MCU 供電，在系統設計裏用了 LP38502（LDO）芯片，從 BQ24296M 輸出的 VSYS 電源中弄出 3.3 V 電源來。
同時，整板運放的供電是靠 TPS65131 DCDC 來的。這個系統的硬件設計很精準也很講究，每一部份都經過了仔細挑揀和最佳化，保證音訊訊號在整個系統裏能順利傳輸，還能保持原本的質素。
【總結】
本研究主要探討氮化鎵 LED 技術於數碼傳輸系統裏的運用。雖說這個系統有著低功耗以及體積緊湊的長處，可跟當下先進的可見光通訊系統相較而言，還是有一些不足之處。要把這種技術的潛力完全施展出來，下面是一些建議的最佳化辦法：
首先啊，咱們得把 LED 的通訊效能再好好最佳化一下。有研究顯示，LED 的調制頻寬跟它有源區的面積關系可大了。把有源區面積減小，就能有效地讓氮化鎵 LED 芯片的調制頻寬變強。
這不但讓更高速的可見光傳輸系統有了實作的可能，還能進一步讓 LED 的功耗降低，達到更節能的成效。
要突破這個限制，能想想用特定的音訊壓縮技術，像 ADPCM 這種，它能把要傳輸的音訊數據量減少，這樣就能降低系統整體的碼元速率。在不加大系統輸出功率的時候，咱們可以犧牲點兒傳輸速率，來讓通訊距離變得更遠。
雖說基於氮化鎵的 LED 數碼傳輸系統在一些方面優勢挺明顯，可還是有能進步的地方。按照上面提到的那些最佳化策略，咱們有希望讓這一技術的通訊效率更高，套用範圍更廣。
