一種基于LED照明燈的可見光通信系統

中國人民解放軍裝甲兵學院 鄭博熙北京航空航天大學 陳立三北方工業大學 王亞峰中國人民解放軍裝甲兵工程學院 陳錫元

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一種基于LED照明燈的可見光通信系統

中國人民解放軍裝甲兵學院 鄭博熙
北京航空航天大學 陳立三
北方工業大學 王亞峰
中國人民解放軍裝甲兵工程學院 陳錫元

【摘要】基于PFM（Pulse Frequency Modulation）技術設計并實現了一套可見光通信系統，系統由可見光發射模塊與可見光接收模塊的組成。發射模塊基于硬件電路驅動LED光源，接收機用于接收光信號。在實驗區域內實現了音頻信號的傳輸。

【關鍵詞】可見光通信（VLC）；LED；PFM

0　引言

VLC（Visible Light Communication）是一種在白光LED技術上發展起來的新興的無線通信技術。它利用白光LED構建VLC無線網絡，已達到數據傳輸的目的。與無線通信技術相比，VLC具有發射功率高、無電磁干擾和無電磁輻射等優點，作為一種全新的無線通信技術，VLC并不是要取代射頻通信或某種無線通信方式，而是對現有無線通信技術的一種有效補充。例如在對電磁干擾和發射功率有所限制的醫院、機場等場所應用VLC進行信息傳輸將是理想的選擇。

1　可見光通信系統設計方案

1.1光發射模塊設計

光發射模塊由信號融合電路、編碼電路、調制電路、驅動電路、LED及光學發射系統6部分組成。

光接收模塊以標準接口連接至電器接口，由光學接收系統、光電轉換電路、解調電路、解碼電路及標準接口5部分組成。設計方案簡圖如圖1所示：

圖1　設計方案簡圖

在光發射模塊部分采用脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。將音、視頻信號和數據信號經前期處理并混合后輸入到壓控振蕩器（VCO）進行方波調頻，輸出方波PFM信號，然后通過光發射模塊，即LED驅動，變為光信號并發射該光波，經空氣傳輸，由可見光接收模塊的接收。

在本方案中的PFM可見光發射模塊中，傳輸了一路圖像、一路語音和一路數據三種信號，圖像是一種寬帶視頻信息；語音是一種音頻信號，其頻譜分布于20Hz～20kHz的頻率范圍；數據是數字信號，以二進制串行方式出現，在頻譜上，以其基頻及各次倍頻呈離散遞減分布。

為了使這三種信息能在同一個信道上傳輸而不發生相互干擾，需要對三種信息進行預處理：分別對語音和數據信號進行頻率調制，使其頻譜搬移至圖像信號頻譜的高端，從而使三者的頻譜彼此分開、互不混疊，如圖2所示。這里，語音信號和數據信號采用了移頻鍵控調制方式（FSK）。經過上述處理后的圖像、語音和數據信號再通過頻分復用，就可以合成為復合基帶信號。

圖2　復合基帶信號頻譜分布

為了使混合的信號能夠進行無線傳輸，還需要對基帶信號再進行一次射頻調制。這里選用了脈沖頻率調制方式（PFM）。PFM光發射模塊原理框圖如圖3所示。

圖3　光發射模塊原理框圖

1.2光接收模塊設計

光接收模塊的工作過程是光發射模塊的逆過程。首先由光敏元件將光信號轉換為電信號，之后選頻電路選擇出對應的頻域，之后進行包絡檢波得到基帶信號，最后通過低通濾波可以得到所需的信號。如圖4所示：

圖4　光接收模塊原理框圖

2　實驗驗證

通過實驗驗證，該系統主要能完成以下幾個功能：（1）基于可見光通信系統的音頻信號（模擬）通信。（2）基于可見光通信系統的數字信號通信。

該系統主要有以下幾個特點：（1）實現無線光通信，可拓展帶寬較寬，不占用無線電頻譜資源；（2）實現模擬音頻與數字信號的無線光通信，實用性強。（3）可見光信道不受日光燈光照的影響，系統抗干擾性強。（4）有效提高接收端靈敏度，實現50cm空間廣播式可見光通信。（5）電路功耗低。所有供電線路均采用7.4V～5V直流單電源供電，有效地降低了整體的功耗；6.工程小型化。所有器件均采用小型化設計，元件均為表貼元件封裝設計，實現了整個模型的小型化設計。

本設計通過系統數字通路的實現，證明了數字視頻信號可見光通信的可行性。但由于器材受限，所設計模擬信道及數字信道都未能達到視頻信號通信所需帶寬。在下一步的研究中，可以通過高頻器件實現高帶寬解決這一問題。

3 結語

可見光通信作為一個新興的通信技術，在國外也還出在起步和摸索階段，但其應用前景非?？春?，不僅可以用于室內無線

接入，還可以為城市車輛的移動提供導航及定位功能，以及在醫療、電網技術等方面的全新應用。正因如此，目前對可見光通信技術的研究正處在一個如火如荼的時期。基于對可見光通信系統的研究，設計了涵蓋視頻信號、音頻信號、數字信號的可見光通信系統理論模型，完成了可見光通信系統實物模型的制作。通過實驗，證實了系統理論設計的可行性，驗證了系統模型對音頻信號、數字信號的傳輸能力，實現了信號融合與信號分離技術的成功運用，通過優化調制方式實現了較高的抗干擾能力，使我對可見光通信的原理、途徑有了更深的理解和認識。通過實驗，證明該實物模型實現了音頻信號及數字信號的同步傳輸，基本上實現了可見光通信系統理論設計的功能。同時，由于可見光視頻通信由于其對頻帶的要求較高，目前所完成的數字信道由于器材受限只實現控制指令的傳輸，并不具備傳輸視頻的能力。

參考文獻

［1］駱宏圖，陳長纓，傅倩，趙惠珊，莫晨曉.白光LED室內可見光通信的關鍵技術［J］.2011.

［2］胡國永.基于LED的可見光無線通信關鍵技術研究［D］.廣州；暨南大學，2009.

［3］姜玲玲.自適應OFDM在室內可見光通信中的應用研究［D］.長春理工大學，2010.

［4］周洋，劉耀進，趙玉虎.LED可見光無線通信的現狀和發展方向［J］.淮陰工學院學報，2006.

［5］丁德強，柯熙政，李建勛.VLC系統的光源布局設計與仿真研究［J］.光電工程，2007.

［6］劉宏展，呂曉旭.白光LED照明的可見光通信的現狀及發展［J］.無線光通信，2010.