可見光通信技術的研究與設計

黃璽如， 莫 楠， 姜榮旭， 王 鑫

（東北石油大學電氣信息工程學院， 黑龍江 大慶 163318）

引言

可見光通信主要利用白光LED作為通信光源，將需要傳輸的信號加載在光波上，進行信號的發送與接收。與其他通信方式相比較，可見光通信具有以下顯著優點：不占用頻譜資源，具備豐富的潛在帶寬；可見光通信技術利用LED燈進行信號的發射，既實現了照明，又實現了上網通信；無電磁干擾，安全性好，可以運用于多種場景，作為對當前無線通信的有效補充；可運用于高速通信系統。

文章提出的“可見光通信”方案用于傳輸各種字符如字母，數字，標點符號等等，本設計包括發送端和接收端，具體實現電路：主控模塊電路、電源模塊電路、晶振電路、信號發送電路、矩陣鍵盤電路、光電檢測模塊電路和顯示電路組成。其中，STC12C5A60S2單片機作為發送端和接收端的主控制器，可通過矩陣鍵盤擴展成電腦鍵盤或者手機鍵盤模樣，如此就可以輸入任何樣式的符號。

1 可見光通信技術理論

1.1 可見光通信關鍵技術

1）光源。作為光通信系統的光源，它必須具有使用壽命長、調制性能好、響應靈敏度高和發射功率大等特點。

2）均衡技術。受限于載流子壽命和結電容的影響，LED的調制帶寬（定義為當LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時的頻率）普遍較低，大部分商用LED的調制帶寬只有幾兆赫茲，這大大限制了LED用于高速通信系統。因此，可見光通信技術采用均衡技術，可以有效的提高LED的調制帶寬。

3）光源布局。可見光通信的應用場合主要是室內，必然要考慮房間的大小、形狀、室內環境等因素。

4）調制技術。目前可見光通信中，調制方式有OOK調制、PPM調制、DMT調制和OFDM調制等。

5）接收技術。接收技術是可見光通信中極為重要的一環，主要涉及光探測器的選擇、藍光過濾、接收機后均衡等。

1.2 LED的發光原理

LED的發光機理是一種固定在電場作用下直接發光的現象，屬于注入式場致發光。LED的發光方式有兩種：第一種是注入的電子在P區直接與空穴復合發光或者發光中心先將電子捕獲后，電子隨后再與空穴復合，這種情況下發出的光為可見光。第二種是有部分注入的電子首先被非發光中心捕獲，再與空穴復合，這種情況雖然可以發光，但是釋放的能量較少，發出的光是不可見的，即不可見光。

1.3 LED的伏安特性

LED與PN結一樣，具有單向導電性。在分析時，一般使用PN結的電流方程式近似表示LED的伏安特性。將kT/q用UT取代，則得

由式（1）可知，當LED兩端加正向電壓，且VF遠大于UT時也就是說IF隨UF按指數規律變化。實際檢測LED的伏安特性時，可以發現，當外加正向電壓較小時，LED并不能導通。只有當電壓足夠大時，LED中才開始有電流通過，且近似按指數規律變化。這說明，LED的導通有一個臨界電壓，稱為Uon。LED的正向伏安特性曲線如圖1所示。

圖1 LED伏安特性曲線

2 系統硬件設計

本設計包括發送端和接收端，具體實現電路：主控模塊電路、電源模塊電路、晶振電路、信號發送電路、矩陣鍵盤電路、光電檢測模塊電路和顯示電路組成。其中，STC12C5A60S2單片機作為發送端和接收端的主控制器，5 V電源模塊為整個系統供電；晶振電路為主控提供所需要的時鐘并且發送端和接收端均有晶振電路，信號發送端用于發送信號；矩陣鍵盤電路是一個4×4的矩陣鍵盤用于輸入符號屬于發送端的電路模塊；光電檢測模塊用于檢測接收到的信息屬于接收端的模塊；顯示電路用于顯示接收到的字符信息也屬于接收端。通過矩陣鍵盤輸入發送傳遞的字符，單片機對應的引腳被置高或者置低，相應的控制LED燈的亮滅，該信息被光電檢測模塊檢測接收到，經過該模塊的單片機進行處理，在LCD顯示屏上顯示接收到的字符信息。

系統整體設計框圖（如圖2、3所示）：

圖3 接收端電路設計框圖

3 系統軟件設計

系統整體設計流程為：上電后，首先初始化各個模塊參數，接著判斷矩陣按鍵是否被按下，如果矩陣鍵盤未被按下則程序一直處于檢測按鍵狀態；如果有一個或者多個按鍵被按下，再根據輸入的字符，通過OOK調制給單片機的的對應引腳高電平或者低電平，然后去控制LED燈的亮滅，LED燈亮滅所攜帶的信息，通過發送模塊將按下的信息發送出去。該信息被光電檢測模塊檢測接收到后，經過接收端的單片機進行處理，在LCD顯示屏上顯示接收到的字符信息。此外，發送按鍵是一個4×4的矩陣鍵盤用于輸入符號，可以輸入從0到9的任何數字信息，也可以輸入A-D字母，還可以輸入特殊符號*或者#等等。

主程序設計流程如圖4所示。

圖4 主程序設計流程圖