都文和，陳 晨

(齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

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基于PWM的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

都文和，陳 晨

(齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

為了解決傳統(tǒng)可見光通信技術(shù)中抗光干擾能力弱的問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的調(diào)制方式，以STM32為核心處理器，完成了可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中將兩顆50 lx光通量的LED光源發(fā)出的可見光作為信息載體，在室內(nèi)非封閉空間的0.5 m直視鏈路上，在9 600 Bd的單工通信下，誤差僅為1.879 0×10-4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于PWM調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)能降低室內(nèi)光線干擾的問題，將促進(jìn)可見光通信技術(shù)在室內(nèi)無線通信領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

PWM；STM32；可見光通信；LED

當(dāng)今信息時(shí)代，人們對(duì)信息傳輸速率提出了更高的要求，傳統(tǒng)的無線傳輸方式受限于載波頻率，通信速率無法突破瓶頸，而以可見光頻段的光波為載波的可見光通信技術(shù)能極大地提高通信速率，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求[1-2]?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)由于調(diào)制帶寬高、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，作為新的寬帶接入方式迅速發(fā)展起來，成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[3-5]。

國(guó)內(nèi)外研究成果顯著，但依然存在諸多方面的缺陷。吳伊雪[6]研究采用的RGB-LED本身價(jià)格昂貴，市場(chǎng)占有率很低，而且三色光波長(zhǎng)和發(fā)光效率不同，又并未對(duì)并行傳輸?shù)墓庀嗷ジ蓴_的問題提出解決方案。曠亞和[7]對(duì)可見光通信系統(tǒng)自由空間的信道分析不足，研究中一般分析的是視距鏈路，對(duì)于非視距鏈路，可見光通過反射、散射等復(fù)雜方式到達(dá)接收端的情況缺少相應(yīng)的理論研究。亢燁[8]提出采用PPM的多維編碼，但未考慮系統(tǒng)中所采用的調(diào)制方式是否能有效抗干擾。

本文設(shè)計(jì)了以STM32F103RCT6為核心處理器的可見光通信系統(tǒng)，將SMD1206LED光源發(fā)出的可見光作為信息載體，采用PWM的調(diào)制方式傳輸數(shù)據(jù)以降低光干擾的影響，在有室外光干擾的非封閉空間的直視鏈路上可以實(shí)現(xiàn)低誤碼率的單工可見光通信。

1 可見光通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

可見光通信系統(tǒng)通常分為發(fā)射部分和接收部分[9-11]。如圖1所示，傳播路徑為室內(nèi)的自由空間，發(fā)射端和接收端之間是視距鏈路(LOS)，傳播數(shù)據(jù)的載體為L(zhǎng)ED發(fā)出的白色可見光。在發(fā)射部分，信號(hào)源將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給調(diào)制模塊，調(diào)制之后，將放大后的電信號(hào)發(fā)送給LED驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)LED工作。在接收部分，光電探測(cè)器檢測(cè)到發(fā)射端發(fā)送的可見光，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大后通過解調(diào)模塊將原始信號(hào)解調(diào)出來[12]。

圖1 可見光通信系統(tǒng)框圖

1.2 信道模型分析

可見光通信系統(tǒng)主要采用IM/DD的調(diào)制檢測(cè)的傳輸方式，圖2是可見光通信系統(tǒng)的基帶系統(tǒng)模型。

圖2 基帶系統(tǒng)模型圖

圖2中，X(t)是發(fā)射光的功率，R是光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率，h(t)是信道的脈沖響應(yīng)，N(t)是高斯白噪聲，Y(t)是光電轉(zhuǎn)換后的接收電流，可以表示為

Y(t)=RX(t)?h(t)+N(t)

(1)

自由空間的數(shù)據(jù)傳輸不能忽略信道中的多徑衰落，大尺度衰落主要是平均路徑的損耗，光源發(fā)出的可見光載波的路徑損耗PLF(d)可以表示為

(2)

式中：d表示收發(fā)端之間的距離；λ為發(fā)射波長(zhǎng)。而在實(shí)際環(huán)境中，接收端接收到的平均光信號(hào)功率隨d的值呈對(duì)數(shù)方式減小，對(duì)數(shù)距離路徑損耗為

(3)

式中：n是引入的路徑損耗指數(shù)；d0為參考距離，對(duì)于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)，取值為0.1～3 m；n的數(shù)值由傳播路徑和環(huán)境決定，在傳統(tǒng)微波通信中的變化范圍為2～6，但在可見光的自由空間中，n取值要比傳統(tǒng)的WiFi傳輸中的值更大，也就是說在可見光的傳輸中，衰落更加嚴(yán)重。所以實(shí)驗(yàn)中的傳輸距離對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大，通常的可見光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)選擇的均為短距離通信，以減少信道中衰落的影響。

小尺度衰落是接收可見光信號(hào)的終端與發(fā)送端之間位置的相對(duì)移動(dòng)使接收的信號(hào)在短期內(nèi)快速撥動(dòng)而引起的，一般由接收信號(hào)的終端的位移速度、多徑傳播等因素決定。LOS環(huán)境中接收到的可見光信號(hào)的概率密度函數(shù)(PDF)服從萊斯分布。對(duì)于LOS環(huán)境，接收信號(hào)的幅度可以表示為

X=c+W1+jW2

(4)

式中：c表示通信系統(tǒng)中光的直射分量；W1和W2為兩個(gè)均值為0，方差為σ2的獨(dú)立高斯隨機(jī)變量。所以，發(fā)射端和接收端之間的物體遮擋和相對(duì)位移，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)送端和接收端的位置應(yīng)該保持相對(duì)固定，以減少衰落。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射端和接收端電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，在光驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過調(diào)制的電信號(hào)由SEND端輸入，當(dāng)輸入端是高電平時(shí)，三極管S9013被導(dǎo)通，LED1處于工作狀態(tài)，當(dāng)輸入端是低電平時(shí)，三極管S9013無電流通過，LED1處于非工作狀態(tài)。調(diào)制后的電信號(hào)控制著LED的工作狀態(tài)及時(shí)間間隔。所以，數(shù)字信號(hào)能通過驅(qū)動(dòng)電路以光信號(hào)的形式發(fā)送。

在光檢測(cè)電路中，電信號(hào)并不是直接由光敏探測(cè)器得到的，還增加了保護(hù)電路和放大電路。如圖4所示，光電二極管VD5在檢測(cè)到光信號(hào)時(shí)，電阻值減小，使得雙電壓比較器LM393的正向輸入端電壓減小，而反向輸入端的電壓由可變電阻R16決定，當(dāng)光敏探測(cè)器檢測(cè)到明顯的光信號(hào)時(shí)，正向輸入端的電壓小于反向輸入端的電壓，則雙電壓比較器LM393的輸出端為0，指示燈導(dǎo)通，當(dāng)光敏探測(cè)器未檢測(cè)到明顯光信號(hào)時(shí)，圖中3號(hào)輸入口的電壓高于2號(hào)輸入口的電壓，此時(shí)的LM393的輸出端是高電平，信號(hào)燈不亮。根據(jù)室內(nèi)干擾光線的強(qiáng)弱，可以調(diào)節(jié)可變電阻R16的值，從而改變整個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

圖3 光驅(qū)動(dòng)電路

圖4 光檢測(cè)電路

2.2 PWM調(diào)制解調(diào)

調(diào)制解調(diào)過程需要涉及到STM32中的4個(gè)寄存器：計(jì)數(shù)器寄存器、預(yù)分頻器寄存器、自動(dòng)重裝載寄存器和捕獲/比較寄存器。調(diào)制PWM波形主要用到的庫(kù)函數(shù)是stm32f10x_tim.h和stm32f10x_tim.c文件。信號(hào)調(diào)制過程如圖5所示，PWM波形的占空比20%和80%代表不同的數(shù)據(jù)0和1，可以通過不同的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。

圖5 調(diào)制流程圖

解調(diào)設(shè)計(jì)中，通過脈沖信號(hào)中高電平的持續(xù)時(shí)間判斷PWM的占空比，從而判定接收到的邏輯數(shù)字，這樣可以解調(diào)出接收到的數(shù)據(jù)信息。在讀取到發(fā)送結(jié)束符之前，解調(diào)出的字符會(huì)被存儲(chǔ)起來。當(dāng)字符串中的字符依次傳送完成之后，會(huì)將整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。解調(diào)的過程如圖6所示。

圖6 解調(diào)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 PWM波形測(cè)試

在程序燒寫到芯片中，并將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)制作為成品后，通過示波器觀察硬件模塊內(nèi)部調(diào)制出的PWM波形圖。如圖7中示波器所示，以數(shù)字“0”的波形為例。

圖7 PWM波形圖(照片)

背景框架中每一格的時(shí)間間隔為50 μs，波形的下側(cè)顯示了電壓值為3.203 V，頻率為8.439 392 kHz，占空比D為19.81%?？梢酝扑愠鲆粋€(gè)周期的時(shí)間為約118.491 948 μs。由此可以計(jì)算出一個(gè)周期內(nèi)，LED光源工作的時(shí)間為

tH=T×D=118.491 948 μs×19.81%≈

23.473 255 μs

(5)

LED燈光熄滅的時(shí)間為

tL=T-tH=118.491 948 μs-23.473 255 μs=

95.018 693 μs

(6)

這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于人眼能感覺到的閃爍時(shí)間間隔0.041 67 s。所以做出的硬件實(shí)物完全能滿足人們照明的需求，不會(huì)感覺到閃爍和不適。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的環(huán)境是晴天非封閉性的室內(nèi)，接收端的探測(cè)器采用背光放置。光源采用的是兩顆0.5 W、光通量為50 lx的SMD1206LED。家庭中客廳所需要的光通量為300～500 lx，起居室所需要的光通量為100～200 lx，可以通過增加LED的個(gè)數(shù)達(dá)到室內(nèi)照明要求。在完成軟件編輯仿真和硬件實(shí)物之后，對(duì)最終的成品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

在調(diào)試助手界面下側(cè)的輸入框中輸入：“visible light communication”，點(diǎn)擊發(fā)送，如圖8所示。接收端的LED燈工作，傳輸數(shù)據(jù)。接收端顯示器顯示“可見光通信系統(tǒng)Test Begin：”，PC終端接收到相應(yīng)的字符串“visible light communication”，發(fā)送和接收成功，如圖9所示。

圖8 發(fā)送界面(截圖)

圖9 接收界面(截圖)

3.3 誤碼率測(cè)試

系統(tǒng)傳輸?shù)拇罅看a元中，誤碼個(gè)數(shù)與總碼數(shù)的比值就是誤碼率。實(shí)驗(yàn)中，可以發(fā)送大量數(shù)據(jù)，找出錯(cuò)誤的碼元，通過計(jì)算可以得出該通信系統(tǒng)的誤碼率。在發(fā)送端發(fā)出大量重復(fù)的26個(gè)英文字母和一系列規(guī)律性數(shù)字及空格，多次發(fā)送完畢后，在接收界面觀察接收到的字符是否發(fā)生了錯(cuò)誤。

最終統(tǒng)計(jì)出所有誤碼比特的數(shù)量并計(jì)算與傳輸?shù)目傋址麛?shù)的比值。實(shí)驗(yàn)中發(fā)送次數(shù)越多，總字符數(shù)越多，計(jì)算出的誤碼率就越真實(shí)可靠。實(shí)驗(yàn)中在0.5 m的距離9 600 Bd條件下得出的誤碼率為1.879 0×10-4，低于可見光通信同環(huán)境下常用的PPM和PWM調(diào)制方式，統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果如圖10所示。

圖10 誤碼率比較

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是有室外光源干擾的非封閉室內(nèi)空間，在非封閉性空間的直視鏈路上采用兩顆50 lx光通量的SMD1206LED燈可以實(shí)現(xiàn)可見光通信，在9 600 Bd、0.5 m的單工通信中誤碼率僅有1.879 0×10-4。實(shí)驗(yàn)表明，相比其他的可見光通信系統(tǒng)，本系統(tǒng)對(duì)光線的抗干擾能力更強(qiáng)，可以在滿足室內(nèi)光照度的環(huán)境下進(jìn)行可見光通信，將促進(jìn)可見光通信技術(shù)在室內(nèi)無線通信領(lǐng)域的推廣和工程實(shí)際應(yīng)用。

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都文和(1970— )，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星激光通信及室內(nèi)可見光通信等；

陳 晨(1991— )，碩士生，主研信息傳輸理論及技術(shù)。

責(zé)任編輯：許 盈

Design of visible communication system based on PWM

DU Wenhe, CHEN Chen

(CommunicationandElectronicEngineeringInstitute,QiqiharUniversity,HeilongjiangQiqihar161006,China)

In order to solve the problem of weak anti-interference ability of light in the traditional visible light communication technology, the PWM mode is adopted to transmit data, and STM32 is chosen as core processor. The design in the experiment takes visible light from two LED lamps of 50 lx luminous flux as information carrier, which in the closed space on the direct link, and the BER in simplex communication of 9 600 Bd is only 1.879 0×10-4. Experimental result of this paper shows that the visible light communication system based on PWM can reduce the problem of indoor light interference, and will promote the popularity of visible light communication technology in the field of indoor wireless optical communications and engineering application.

PWM; STM32; visible light communication; LED

都文和，陳晨.基于PWM的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2016，40(11)：50-53. DU W H, CHEN C. Design of visible communication system based on PWM [J].Video engineering，2016，40(11)：50-53.

TN915

A

10.16280/j.videoe.2016.11.011

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F2015026)

2016-05-09