可見光通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

李麗

摘 要： 隨著無線通信技術(shù)的井噴式發(fā)展，傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)已無法滿足人們對(duì)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨??；贚ED的可見光無線通信技術(shù)憑借其豐富頻譜資源、無電磁輻射、網(wǎng)絡(luò)安全、綠色節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì)成為未來無線通信技術(shù)的發(fā)展方向之一。本文對(duì)可見光通信技術(shù)原理進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種可見光通信系統(tǒng)方案，系統(tǒng)發(fā)射機(jī)將用戶信息封裝成數(shù)據(jù)幀，控制LED驅(qū)動(dòng)電路快速切換光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電光信號(hào)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)接收機(jī)采用光敏二極管感知光強(qiáng)，提取光信號(hào)所攜帶的數(shù)據(jù)比特。最后搭建環(huán)境驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)方案的合理性。

關(guān)鍵詞： LED;可見光通信;綠色節(jié)能

一、前言

照明技術(shù)高速發(fā)展至今，人類照明光源技術(shù)經(jīng)理了三次革新，第一次照明光源變革為光源壽命的大幅提升，即壽命較短的白熾燈變革為壽命較長(zhǎng)的熒光燈;第二次照明光源變革為響應(yīng)速率的大幅提升，響應(yīng)速率較慢的熒光燈變革為響應(yīng)速率更快的節(jié)能燈;第三次照明光源變革是LED照明技術(shù)的誕生，不僅大幅度地提升了發(fā)光效率、使用壽命、響應(yīng)速率，而且LED工作電壓低、光強(qiáng)度易調(diào)節(jié)、成本低廉。LED憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)迅速得到市場(chǎng)認(rèn)可，截止2018年LED在全球照明市場(chǎng)中的占比已達(dá)到60%，隨著LED技術(shù)的不斷改善，未來LED將廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

隨著無線通信技術(shù)的井噴式發(fā)展，人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸詈蛯W(xué)習(xí)中使用的智能終端所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)成指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)無線通信技術(shù)的傳輸速率的提出了更高的要求?，F(xiàn)階段的無線通信技術(shù)面臨著無線電頻譜資源緊缺和電磁信號(hào)易受干擾等困境，致使傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)已無法滿足人們對(duì)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。LED光源的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)，此特性使得LED能夠?qū)崿F(xiàn)信息的高速調(diào)制，因此基于LED的可見光無線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。截止目前，可見光通信技術(shù)仍存于初級(jí)階段，尚未有成熟的可見光通信系統(tǒng)解決方案，基于此，本文將對(duì)可見光通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)展開研究。

二、可見光通信技術(shù)原理

可見光通信與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)存在諸多相似之處，均由發(fā)送端、信道和接收端組成，發(fā)送端將數(shù)據(jù)比特調(diào)制為信號(hào)，接收端將信號(hào)解調(diào)為數(shù)據(jù)比特，信道均為空氣或真空媒介。與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)不同，可見光通信系統(tǒng)的發(fā)送端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信息，其接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)原理如圖1所示，發(fā)送端首先借助調(diào)制設(shè)備將用戶發(fā)送端的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝成幀，再控制LED驅(qū)動(dòng)電路快速切換光照強(qiáng)度，信息比特轉(zhuǎn)為光信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。接收端首先借助發(fā)光二極管感知光照強(qiáng)度變化，提取光信號(hào)所攜帶的信息比特，再采用解調(diào)設(shè)備對(duì)幀信息進(jìn)行解幀處理。由于光信號(hào)在媒介中傳輸過程中，光信號(hào)會(huì)隨著傳輸距離快速衰減，且會(huì)引入干擾噪聲，所以在發(fā)光二極管與解調(diào)設(shè)備直接插入濾波放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾噪聲的濾除和有效信號(hào)的放大。

可見光波長(zhǎng)為380～780nm，具有高達(dá)400THz的豐富頻譜資源，而且光通信系統(tǒng)不存在電磁輻射，網(wǎng)絡(luò)安全性更高。光通信系統(tǒng)中的LED光強(qiáng)度調(diào)節(jié)頻率遠(yuǎn)高于人類肉眼的察覺能力，LED既可以作為穩(wěn)定、節(jié)能、高效的照明光源，也可以作為系統(tǒng)信號(hào)源，證明光通信系統(tǒng)綠色節(jié)能，未來極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

三、可見光通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于可見光通信技術(shù)原理的研究可知，系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)主要包括發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)和接收機(jī)設(shè)計(jì)。

3.1 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

光通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)由發(fā)送控制模塊、串口模塊、繼電器選通模塊、音頻信號(hào)處理模塊構(gòu)成，如圖2所示。發(fā)送控制模塊采用STM32控制器，接收上位機(jī)通過串口所下發(fā)的待傳輸數(shù)據(jù)，OLED顯示組幀后的數(shù)據(jù)比特。音頻信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的放大、低通濾波和三角采樣處理，電壓比較器實(shí)現(xiàn)三角波形至方波的轉(zhuǎn)換。STM32控制器通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)自定義數(shù)據(jù)方波和音頻數(shù)據(jù)方波的選擇，LED燈根據(jù)方波的高低電平實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度快速響應(yīng)。

3.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)與發(fā)射機(jī)相對(duì)應(yīng)，主要由光信號(hào)接收模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、濾波放大模塊、通道切換模塊、自定義信號(hào)處理模塊和音頻信號(hào)處理模塊構(gòu)成，如圖3所示。光敏二極管負(fù)責(zé)敏感光信號(hào)，借助光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生衰減和引入噪聲，借助濾波放大電路濾除噪聲，且對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。通導(dǎo)切換根據(jù)信號(hào)類別將其切換至自定義數(shù)據(jù)處理或音頻信號(hào)處理。自定義數(shù)據(jù)處理對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，OLED顯示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。音頻信號(hào)處理從數(shù)據(jù)幀中提取音頻信號(hào)，采用音頻功放進(jìn)行播放。

3.3 系統(tǒng)方案驗(yàn)證

根據(jù)所設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)方案，在室內(nèi)環(huán)境下搭建了可見光通信系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試，包括自定義數(shù)據(jù)傳輸和音頻數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)試結(jié)果表明，在室內(nèi)強(qiáng)光背景干擾下，此系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)制解調(diào)、音頻功放和數(shù)據(jù)顯示等功能，通信速率最高達(dá)到200Kbps，通信距離最遠(yuǎn)達(dá)到3米。

結(jié)論：

本文對(duì)可見光通信技術(shù)原理進(jìn)行了研究，系統(tǒng)發(fā)送端將用戶信息封裝成數(shù)據(jù)幀，控制LED驅(qū)動(dòng)電路快速切換光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電光信號(hào)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)接收端采用光敏二極管感知光照強(qiáng)度，提取光信號(hào)所攜帶的數(shù)據(jù)比特，解析數(shù)據(jù)獲取所需信息。基于技術(shù)原理設(shè)計(jì)了一種可見光通信系統(tǒng)方案，系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)由發(fā)送控制模塊、串口模塊、繼電器選通模塊、音頻信號(hào)處理模塊構(gòu)成，系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)由光信號(hào)接收模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、濾波放大模塊、通道切換模塊、自定義信號(hào)處理模塊和音頻信號(hào)處理模塊構(gòu)成。本文搭建環(huán)境驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)方案的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張曉鋒， 王敏， 王瑾. 基于可見光通信室內(nèi)定位的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2017（10）：1-12.

[2] 張宇飛， 張洪明， 王鵬，等. 基于發(fā)光二極管光源的遠(yuǎn)距離可見光通信[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2017（5）：128-133.

[3] 遲楠， 盧星宇， 王燦，等. 基于LED的高速可見光通信[J]. 中國(guó)激光， 2017（3）：1-12.