吳 猛

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院， 吉林 吉林 132022)

0 引 言

可見(jiàn)光通信技術(shù)(Visible Light Communication，VLC)是通過(guò)可見(jiàn)光波段的光作為載波傳輸信息的一種無(wú)線通信技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)無(wú)線電通信相比，VLC具有通信速率高、保密性好、低功耗、無(wú)輻射、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，且使用頻段無(wú)需申請(qǐng)授權(quán)。VLC通常采用發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)作為光源，通過(guò)VLC實(shí)現(xiàn)低成本、高帶寬、高速率的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，是典型的綠色通信技術(shù)[2-3]。

1999年，VLC剛剛興起，Pang等[4]率先對(duì)VLC的音頻傳輸開(kāi)展了研究，但因其有限的帶寬限制了VLC的傳輸速率。2003年，日本成立VLC聯(lián)合體(VLCC)，大力發(fā)展商業(yè)化的VLC。其中，中川研究室實(shí)現(xiàn)了基于VLC的超市定位及導(dǎo)航系統(tǒng)[5]。2010年，德國(guó)弗勞恩霍夫研究所的團(tuán)隊(duì)將通信速率提高至 513 Mb/s，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄，并通過(guò)理論分析認(rèn)為此系統(tǒng)通信速率仍有很大的提升空間，從此可見(jiàn)光通信的研究有了質(zhì)的飛躍[6]。2013年，我國(guó)創(chuàng)立首個(gè)可見(jiàn)光“863計(jì)劃”項(xiàng)目，組建了“中國(guó)可見(jiàn)光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟”，并通過(guò)3年多的科技攻關(guān)，先后成功研發(fā)“可見(jiàn)光新型無(wú)線廣播”[7]“可見(jiàn)光精確定位”等應(yīng)用示范系統(tǒng)[8-10]。近2年，逐漸有學(xué)者將激光通信技術(shù)引進(jìn)視頻傳輸中[11]，并得到了比傳統(tǒng)視頻傳輸更好的通信效果。如，2017年范桂齡等提出了激光通信的圖像傳輸系統(tǒng)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)圖像傳輸采集技術(shù)的性能進(jìn)行驗(yàn)證[12]。同年，林逢春等針對(duì)激光視頻傳輸中的信號(hào)采集，提出了小波去噪、視頻圖像增強(qiáng)處理等方案[13]。

本文針對(duì)可見(jiàn)光通信獨(dú)有特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的可見(jiàn)光視頻傳輸收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)鍵控-非歸零(OOK-NRZ)調(diào)制編碼方式。實(shí)現(xiàn)了單工通信模式下的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)驗(yàn)證通信系統(tǒng)可傳輸帶寬為30 Mb/s。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LD可見(jiàn)光通信無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)可根據(jù)功能分為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)主要由攝像頭、視頻數(shù)據(jù)采集電路、激光驅(qū)動(dòng)電路、光學(xué)天線及激光器組成；接收系統(tǒng)主要由光電探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路、接收端視頻恢復(fù)電路、光學(xué)天線以及顯示器組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 VLC視頻傳輸系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用攝像頭對(duì)圖像信息進(jìn)行采集，攝像頭輸出為模擬信號(hào)，通過(guò)FPGA對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行AD采樣，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，激光驅(qū)動(dòng)電路采用直接調(diào)制的方式，使電信號(hào)直接改變半導(dǎo)體激光器的電流，輸出激光強(qiáng)度隨電信號(hào)而改變，最后光信號(hào)通過(guò)光學(xué)天線完成發(fā)送[14-15]。光信號(hào)通過(guò)光學(xué)天線聚焦到光電探測(cè)器上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)放大、濾波以及FPGA解碼實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

2 發(fā)射單元設(shè)計(jì)

2.1 視頻數(shù)據(jù)采集電路

視頻數(shù)據(jù)采集電路采用FPGA將攝像頭采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)選用Intel(原ALTERA)公司的EP4CE6F17C8FPGA作為主控芯片配合ADC0809進(jìn)行完成數(shù)據(jù)采集。ADC0809采用5 V單電源供電，具有8位精度的分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 μs。通過(guò)FPGA控制模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換，將50 MHz分頻為1 MHz輸入給0809的時(shí)鐘CP。AD0809主要進(jìn)行時(shí)序控制，對(duì)模擬信號(hào)采樣，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再由FPGA讀取并完成串行發(fā)送至激光驅(qū)動(dòng)器。

2.2 激光驅(qū)動(dòng)電路

LD和LED在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中各有特點(diǎn)，而LD的轉(zhuǎn)換速率更快，發(fā)散角度小等特點(diǎn)在視頻傳輸上更具優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)選用PL520B半導(dǎo)體激光器作為光源，其輸出波長(zhǎng)為520 nm，最大輸出光功率可達(dá)80 mW，最佳工作溫度為25℃。由于LD為電流控制器件，即其輸出與電流近似呈線性相關(guān)，如圖2所示。

圖2 PL520B激光調(diào)制原理圖

設(shè)計(jì)選用40N10高速場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，該管具有100 V的漏-源極擊穿電壓，40A的漏極電流，依靠柵極電壓導(dǎo)通特性，其柵極閾值電壓為2～4 V，上升沿時(shí)間為30 ns，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。選用TC4427A作為該場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)，輸入容許TTL(0～5 V)數(shù)據(jù)信號(hào)，峰值輸出電流為1.5 A，滿足高速激光器驅(qū)動(dòng)要求。啟動(dòng)時(shí)，允許有電流經(jīng)過(guò)LD和限流電阻，并由外部6.5 V穩(wěn)壓源為其供電。其中R1電阻為L(zhǎng)D限流電阻，限制電流在1A以下。

圖3 激光驅(qū)動(dòng)電路

3 接收單元設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)調(diào)理電路

光電探測(cè)器的選型不僅要和后續(xù)電路相匹配，更要和被測(cè)信號(hào)、光學(xué)系統(tǒng)相匹配，因此探測(cè)器的選型直接影響通信質(zhì)量。采用濱松公司的S5972硅PIN光電二極管，光譜響應(yīng)范圍320～1 000 nm，探測(cè)靈敏度為0.55 A/W，截止頻率為500 MHz。由于其探測(cè)光敏面僅為直徑0.8 mm的圓，在探測(cè)面積下接收到的光能量很小，以此在前端設(shè)計(jì)有光學(xué)天線將接受范圍擴(kuò)大到35°，最大限度保證接收信號(hào)的穩(wěn)定性。

當(dāng)有光照射到PIN上時(shí)，此時(shí)的PIN就相當(dāng)于一個(gè)電流源。設(shè)計(jì)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將PIN產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA可接受的標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)。信號(hào)調(diào)理單元如圖4所示，光電二極管工作在偏壓狀態(tài)下，進(jìn)行光信號(hào)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，后經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖4 信號(hào)調(diào)理框圖

前置運(yùn)算放大器主要是完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換，也稱(chēng)為跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier：TIA)，選用ANALOG DEVICES公司的OP37芯片，其輸出端有很好的負(fù)載能力，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。其輸出電壓為

Uout=Uref-IinRfdb

式中:Uref為參考信號(hào)輸入端;Rfdb為反饋?zhàn)杩埂Ｓ纱丝梢?jiàn)，通過(guò)使用跨阻阻抗可成功將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。而對(duì)于所有的負(fù)反饋電路，均存在一定幅度的自激振蕩，因此在Rfdb兩端并用小容值的電容，以此消除不必要的自激振蕩和過(guò)沖。

圖5 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

在TIA放大之后的電壓信號(hào)是一種幅值不等的數(shù)字信號(hào)，以此仍需限幅放大器作為主運(yùn)放，對(duì)輸出電壓信號(hào)的幅值整形，使其穩(wěn)定在0 V或5 V供FPGA使用。其中電壓比較器是較為常用的限幅放大器，設(shè)計(jì)選用Texas Instruments公司生產(chǎn)的TLV3502電壓比較器芯片，輸入信號(hào)頻率范圍為0.1 Hz～230 MHz，輸入信號(hào)電壓范圍為0.01～5Upp，閾值電壓可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)或者外接DA程序調(diào)節(jié)，調(diào)整范圍為0～4.5 V，輸入高阻抗，輸出50 Ω阻抗。如圖6所示，-INA為輸入?yún)⒖茧妷?，?dāng)輸入+INA的電壓高于參考電壓時(shí)，輸出U+電壓為5 V，反之則輸出U-電壓為0 V。

圖6 限幅放大電路

3.2 視頻數(shù)據(jù)恢復(fù)電路

視頻數(shù)據(jù)恢復(fù)電路與視頻數(shù)據(jù)采集電路功能相反，視頻恢復(fù)如圖7所示，將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)，通過(guò)FPGA將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的恢復(fù)。時(shí)鐘模塊為整個(gè)數(shù)據(jù)恢復(fù)提供5及25 Mb/s的時(shí)鐘，光信號(hào)的峰值速率為25 Mb/s。FIFO模塊將數(shù)據(jù)分為8 bit一組，緩存數(shù)據(jù)使其能與FPGA的5 Mb/s內(nèi)部時(shí)鐘同步，以便串并轉(zhuǎn)換模塊將串行25 Mb/s的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行5 Mb/s的并行數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)模擬的視頻信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

圖7 視頻恢復(fù)原理框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)制作視頻傳輸裝置。實(shí)驗(yàn)先對(duì)3 m通信距離下系統(tǒng)的通信質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試框圖如圖8所示。測(cè)試首先采用FPGA產(chǎn)生偽隨機(jī)序列碼作為信號(hào)源，直接加載在發(fā)射端驅(qū)動(dòng)器上，通過(guò)直接調(diào)制的方式驅(qū)動(dòng)激光器；接收端采用CDR進(jìn)行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)，并通過(guò)tek探測(cè)器進(jìn)行波形的觀察。測(cè)試結(jié)果如圖9所示，圖中藍(lán)色為數(shù)據(jù)信號(hào)，黃色為CDR恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)，測(cè)試結(jié)果時(shí)鐘頻率為30 MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 通信性能測(cè)試框圖

圖9 探測(cè)器顯示波形

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套基于半導(dǎo)體激光器的可見(jiàn)光通信視頻傳輸系統(tǒng)，利用FPGA對(duì)圖像進(jìn)行采集，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)送；接收端光電轉(zhuǎn)換后通過(guò)信號(hào)調(diào)理整形，數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)，完成視頻數(shù)據(jù)的空間傳輸，其傳輸距離可達(dá)10m，且視頻實(shí)時(shí)傳輸效果好、傳輸數(shù)據(jù)容量大，所傳輸圖像清晰度高達(dá)1024P。綜上所述，本文研究的可見(jiàn)光通信視頻傳輸實(shí)現(xiàn)了高清視頻數(shù)據(jù)的無(wú)線激光傳輸和顯示，是對(duì)現(xiàn)有空間光通信技術(shù)的一種新型應(yīng)用，極大的降低了視頻傳輸系統(tǒng)的架設(shè)時(shí)間和鏈路維護(hù)成本，豐富了無(wú)線光通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。