可見(jiàn)光通信技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)

黃璽如， 莫 楠， 姜榮旭， 王 鑫

（東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

引言

可見(jiàn)光通信主要利用白光LED作為通信光源，將需要傳輸?shù)男盘?hào)加載在光波上，進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送與接收。與其他通信方式相比較，可見(jiàn)光通信具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：不占用頻譜資源，具備豐富的潛在帶寬；可見(jiàn)光通信技術(shù)利用LED燈進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，既實(shí)現(xiàn)了照明，又實(shí)現(xiàn)了上網(wǎng)通信；無(wú)電磁干擾，安全性好，可以運(yùn)用于多種場(chǎng)景，作為對(duì)當(dāng)前無(wú)線通信的有效補(bǔ)充；可運(yùn)用于高速通信系統(tǒng)。

文章提出的“可見(jiàn)光通信”方案用于傳輸各種字符如字母，數(shù)字，標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等等，本設(shè)計(jì)包括發(fā)送端和接收端，具體實(shí)現(xiàn)電路：主控模塊電路、電源模塊電路、晶振電路、信號(hào)發(fā)送電路、矩陣鍵盤(pán)電路、光電檢測(cè)模塊電路和顯示電路組成。其中，STC12C5A60S2單片機(jī)作為發(fā)送端和接收端的主控制器，可通過(guò)矩陣鍵盤(pán)擴(kuò)展成電腦鍵盤(pán)或者手機(jī)鍵盤(pán)模樣，如此就可以輸入任何樣式的符號(hào)。

1 可見(jiàn)光通信技術(shù)理論

1.1 可見(jiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù)

1）光源。作為光通信系統(tǒng)的光源，它必須具有使用壽命長(zhǎng)、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高和發(fā)射功率大等特點(diǎn)。

2）均衡技術(shù)。受限于載流子壽命和結(jié)電容的影響，LED的調(diào)制帶寬（定義為當(dāng)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(shí)的頻率）普遍較低，大部分商用LED的調(diào)制帶寬只有幾兆赫茲，這大大限制了LED用于高速通信系統(tǒng)。因此，可見(jiàn)光通信技術(shù)采用均衡技術(shù)，可以有效的提高LED的調(diào)制帶寬。

3）光源布局。可見(jiàn)光通信的應(yīng)用場(chǎng)合主要是室內(nèi)，必然要考慮房間的大小、形狀、室內(nèi)環(huán)境等因素。

4）調(diào)制技術(shù)。目前可見(jiàn)光通信中，調(diào)制方式有OOK調(diào)制、PPM調(diào)制、DMT調(diào)制和OFDM調(diào)制等。

5）接收技術(shù)。接收技術(shù)是可見(jiàn)光通信中極為重要的一環(huán)，主要涉及光探測(cè)器的選擇、藍(lán)光過(guò)濾、接收機(jī)后均衡等。

1.2 LED的發(fā)光原理

LED的發(fā)光機(jī)理是一種固定在電場(chǎng)作用下直接發(fā)光的現(xiàn)象，屬于注入式場(chǎng)致發(fā)光。LED的發(fā)光方式有兩種：第一種是注入的電子在P區(qū)直接與空穴復(fù)合發(fā)光或者發(fā)光中心先將電子捕獲后，電子隨后再與空穴復(fù)合，這種情況下發(fā)出的光為可見(jiàn)光。第二種是有部分注入的電子首先被非發(fā)光中心捕獲，再與空穴復(fù)合，這種情況雖然可以發(fā)光，但是釋放的能量較少，發(fā)出的光是不可見(jiàn)的，即不可見(jiàn)光。

1.3 LED的伏安特性

LED與PN結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦浴Ｔ诜治鰰r(shí)，一般使用PN結(jié)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(dāng)LED兩端加正向電壓，且VF遠(yuǎn)大于UT時(shí)也就是說(shuō)IF隨UF按指數(shù)規(guī)律變化。實(shí)際檢測(cè)LED的伏安特性時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加正向電壓較小時(shí)，LED并不能導(dǎo)通。只有當(dāng)電壓足夠大時(shí)，LED中才開(kāi)始有電流通過(guò)，且近似按指數(shù)規(guī)律變化。這說(shuō)明，LED的導(dǎo)通有一個(gè)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括發(fā)送端和接收端，具體實(shí)現(xiàn)電路：主控模塊電路、電源模塊電路、晶振電路、信號(hào)發(fā)送電路、矩陣鍵盤(pán)電路、光電檢測(cè)模塊電路和顯示電路組成。其中，STC12C5A60S2單片機(jī)作為發(fā)送端和接收端的主控制器，5 V電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電；晶振電路為主控提供所需要的時(shí)鐘并且發(fā)送端和接收端均有晶振電路，信號(hào)發(fā)送端用于發(fā)送信號(hào)；矩陣鍵盤(pán)電路是一個(gè)4×4的矩陣鍵盤(pán)用于輸入符號(hào)屬于發(fā)送端的電路模塊；光電檢測(cè)模塊用于檢測(cè)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(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入發(fā)送傳遞的字符，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳被置高或者置低，相應(yīng)的控制LED燈的亮滅，該信息被光電檢測(cè)模塊檢測(cè)接收到，經(jīng)過(guò)該模塊的單片機(jī)進(jìn)行處理，在LCD顯示屏上顯示接收到的字符信息。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖（如圖2、3所示）：

圖3 接收端電路設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程為：上電后，首先初始化各個(gè)模塊參數(shù)，接著判斷矩陣按鍵是否被按下，如果矩陣鍵盤(pán)未被按下則程序一直處于檢測(cè)按鍵狀態(tài)；如果有一個(gè)或者多個(gè)按鍵被按下，再根據(jù)輸入的字符，通過(guò)OOK調(diào)制給單片機(jī)的的對(duì)應(yīng)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(guò)發(fā)送模塊將按下的信息發(fā)送出去。該信息被光電檢測(cè)模塊檢測(cè)接收到后，經(jīng)過(guò)接收端的單片機(jī)進(jìn)行處理，在LCD顯示屏上顯示接收到的字符信息。此外，發(fā)送按鍵是一個(gè)4×4的矩陣鍵盤(pán)用于輸入符號(hào)，可以輸入從0到9的任何數(shù)字信息，也可以輸入A-D字母，還可以輸入特殊符號(hào)*或者#等等。

主程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 主程序設(shè)計(jì)流程圖