中國(guó)人民解放軍裝甲兵學(xué)院 鄭博熙北京航空航天大學(xué) 陳立三北方工業(yè)大學(xué) 王亞峰中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院 陳錫元

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一種基于LED照明燈的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

中國(guó)人民解放軍裝甲兵學(xué)院 鄭博熙
北京航空航天大學(xué) 陳立三
北方工業(yè)大學(xué) 王亞峰
中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院 陳錫元

【摘要】基于PFM（Pulse Frequency Modulation）技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)由可見(jiàn)光發(fā)射模塊與可見(jiàn)光接收模塊的組成。發(fā)射模塊基于硬件電路驅(qū)動(dòng)LED光源，接收機(jī)用于接收光信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的傳輸。

【關(guān)鍵詞】可見(jiàn)光通信（VLC）；LED；PFM

0　引言

VLC（Visible Light Communication）是一種在白光LED技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它利用白光LED構(gòu)建VLC無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，已達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，VLC具有發(fā)射功率高、無(wú)電磁干擾和無(wú)電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，作為一種全新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，VLC并不是要取代射頻通信或某種無(wú)線(xiàn)通信方式，而是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一種有效補(bǔ)充。例如在對(duì)電磁干擾和發(fā)射功率有所限制的醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所應(yīng)用VLC進(jìn)行信息傳輸將是理想的選擇。

1　可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1光發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

光發(fā)射模塊由信號(hào)融合電路、編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、LED及光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)6部分組成。

光接收模塊以標(biāo)準(zhǔn)接口連接至電器接口，由光學(xué)接收系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換電路、解調(diào)電路、解碼電路及標(biāo)準(zhǔn)接口5部分組成。設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1　設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖

在光發(fā)射模塊部分采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。將音、視頻信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)前期處理并混合后輸入到壓控振蕩器（VCO）進(jìn)行方波調(diào)頻，輸出方波PFM信號(hào)，然后通過(guò)光發(fā)射模塊，即LED驅(qū)動(dòng)，變?yōu)楣庑盘?hào)并發(fā)射該光波，經(jīng)空氣傳輸，由可見(jiàn)光接收模塊的接收。

在本方案中的PFM可見(jiàn)光發(fā)射模塊中，傳輸了一路圖像、一路語(yǔ)音和一路數(shù)據(jù)三種信號(hào)，圖像是一種寬帶視頻信息；語(yǔ)音是一種音頻信號(hào)，其頻譜分布于20Hz～20kHz的頻率范圍；數(shù)據(jù)是數(shù)字信號(hào)，以二進(jìn)制串行方式出現(xiàn)，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(gè)信道上傳輸而不發(fā)生相互干擾，需要對(duì)三種信息進(jìn)行預(yù)處理：分別對(duì)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，使其頻譜搬移至圖像信號(hào)頻譜的高端，從而使三者的頻譜彼此分開(kāi)、互不混疊，如圖2所示。這里，語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)采用了移頻鍵控調(diào)制方式（FSK）。經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)再通過(guò)頻分復(fù)用，就可以合成為復(fù)合基帶信號(hào)。

圖2　復(fù)合基帶信號(hào)頻譜分布

為了使混合的信號(hào)能夠進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，還需要對(duì)基帶信號(hào)再進(jìn)行一次射頻調(diào)制。這里選用了脈沖頻率調(diào)制方式（PFM）。PFM光發(fā)射模塊原理框圖如圖3所示。

圖3　光發(fā)射模塊原理框圖

1.2光接收模塊設(shè)計(jì)

光接收模塊的工作過(guò)程是光發(fā)射模塊的逆過(guò)程。首先由光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，之后選頻電路選擇出對(duì)應(yīng)的頻域，之后進(jìn)行包絡(luò)檢波得到基帶信號(hào)，最后通過(guò)低通濾波可以得到所需的信號(hào)。如圖4所示：

圖4　光接收模塊原理框圖

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)主要能完成以下幾個(gè)功能：（1）基于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的音頻信號(hào)（模擬）通信。（2）基于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)通信。

該系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)光通信，可拓展帶寬較寬，不占用無(wú)線(xiàn)電頻譜資源；（2）實(shí)現(xiàn)模擬音頻與數(shù)字信號(hào)的無(wú)線(xiàn)光通信，實(shí)用性強(qiáng)。（3）可見(jiàn)光信道不受日光燈光照的影響，系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)。（4）有效提高接收端靈敏度，實(shí)現(xiàn)50cm空間廣播式可見(jiàn)光通信。（5）電路功耗低。所有供電線(xiàn)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(shè)計(jì)，元件均為表貼元件封裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模型的小型化設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)通過(guò)系統(tǒng)數(shù)字通路的實(shí)現(xiàn)，證明了數(shù)字視頻信號(hào)可見(jiàn)光通信的可行性。但由于器材受限，所設(shè)計(jì)模擬信道及數(shù)字信道都未能達(dá)到視頻信號(hào)通信所需帶寬。在下一步的研究中，可以通過(guò)高頻器件實(shí)現(xiàn)高帶寬解決這一問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)光通信作為一個(gè)新興的通信技術(shù)，在國(guó)外也還出在起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非?？春茫粌H可以用于室內(nèi)無(wú)線(xiàn)

接入，還可以為城市車(chē)輛的移動(dòng)提供導(dǎo)航及定位功能，以及在醫(yī)療、電網(wǎng)技術(shù)等方面的全新應(yīng)用。正因如此，目前對(duì)可見(jiàn)光通信技術(shù)的研究正處在一個(gè)如火如荼的時(shí)期?；趯?duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了涵蓋視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)理論模型，完成了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)實(shí)物模型的制作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的可行性，驗(yàn)證了系統(tǒng)模型對(duì)音頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的傳輸能力，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)融合與信號(hào)分離技術(shù)的成功運(yùn)用，通過(guò)優(yōu)化調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了較高的抗干擾能力，使我對(duì)可見(jiàn)光通信的原理、途徑有了更深的理解和認(rèn)識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明該實(shí)物模型實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的同步傳輸，基本上實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的功能。同時(shí)，由于可見(jiàn)光視頻通信由于其對(duì)頻帶的要求較高，目前所完成的數(shù)字信道由于器材受限只實(shí)現(xiàn)控制指令的傳輸，并不具備傳輸視頻的能力。

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