張 楊, 商艷婷, 易重桂, 朱 正, 劉 祿, 孫晶華, 王曉峰

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

可見(jiàn)光通信技術(shù)是借助 LED 發(fā)出高速明暗閃爍信息以實(shí)現(xiàn)信息傳遞,LED 每秒閃爍速可達(dá)數(shù)百萬(wàn)次[1]。可見(jiàn)光通信技術(shù)與其他通信技術(shù)相比具有無(wú)電磁干擾,無(wú)需頻段許可授權(quán)等優(yōu)點(diǎn),憑借頻帶寬、安全性高等優(yōu)勢(shì),為多媒體通信發(fā)展提供了可靠保障[2-3]。我國(guó)水下資源豐富,迫切需要水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的支持[4]。要對(duì)水下資源進(jìn)行探索,就需要采集水下的視頻圖像并進(jìn)行傳輸[5-7]。水的光譜特性與水中所含的物質(zhì)成分密切相關(guān)[8-10]。目前我校正大力發(fā)展“三海一核”特色專(zhuān)業(yè),對(duì)水下相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)需求迫切。因此,本文基于可見(jiàn)光通信技術(shù)設(shè)計(jì)了在水中信息傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳輸信息質(zhì)量好、傳輸效率高,能滿(mǎn)足當(dāng)前對(duì)傳輸視頻信號(hào)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下光通信實(shí)驗(yàn)裝置共分為視頻、語(yǔ)音、文字3個(gè)模塊。每個(gè)部分都有各自的發(fā)射端與接收端,而且信號(hào)類(lèi)型以及處理方式均不同[11]。由于波長(zhǎng)450 nm～530 nm的藍(lán)綠光在水下的衰減較其他光波段小得多,因此藍(lán)綠光作為重要窗口波段應(yīng)用于水下通信,本系統(tǒng)均使用綠光LED作為光源,其波段為500～510 nm。在水下進(jìn)行光通信,視頻部分使用模擬信號(hào),發(fā)射端將攝像頭產(chǎn)生的模擬信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制綠色LED發(fā)光,以光信號(hào)的方式發(fā)射出去；接收端將光電二極管接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行放大后輸出到視頻采集卡上,通過(guò)PC端進(jìn)行播放。語(yǔ)音部分通過(guò)麥克風(fēng)將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),進(jìn)行功率放大后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制綠色LED將信號(hào)發(fā)送出去；接收端同樣利用光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),直接驅(qū)動(dòng)音頻播放器。文字部分利用PC通過(guò)串口將文字信息傳輸給單片機(jī),單片機(jī)對(duì)文字信息進(jìn)行調(diào)制,再將信號(hào)輸出,驅(qū)動(dòng)LED發(fā)送信息；接收端利用光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),再將文字信息通過(guò)串口傳輸給電腦。裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

由于利用模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸,可以省略信號(hào)的編碼、解碼等步驟,容易實(shí)現(xiàn),因此本系統(tǒng)使用可以輸出模擬信號(hào)的攝像頭作為圖像采集裝置。由于LED為非線(xiàn)性元件,其發(fā)光強(qiáng)度和電流相關(guān),因此采用電流調(diào)制的方式。攝像頭輸出的模擬信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大加載到LED兩端,實(shí)現(xiàn)向光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)電路采用S9013三極管,響應(yīng)速率為150 MHz,可以調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變信號(hào)的放大倍數(shù)。LED驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖2。

圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路

1.1.2 接收端設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)化器件采用濱松公司的S6968 PIN管,響應(yīng)速度高達(dá)50 MHz,光譜響應(yīng)范圍為320～1 060 nm,能夠接收35°范圍內(nèi)的光信號(hào)。放大電路采用精密運(yùn)放OPA2846,增益帶寬積為1650 MHz。放大電路由運(yùn)放以及一些阻容器件組成,可將電信號(hào)放大還原為視頻信號(hào),降低了圖像的失真程度。視頻放大電路見(jiàn)圖3。

圖3 視頻放大電路

1.2 語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

由于電路中的電信號(hào)十分微弱,因此需要進(jìn)行放大。音頻放大電路采用LM386作為放大芯片,LM386是一種集成音頻功率放大芯片,自身功率低、內(nèi)置增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少、總諧波失真小。音頻放大電路如圖4所示。最后將放大后的音頻信號(hào)通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)發(fā)送出去。由于語(yǔ)音傳輸同樣使用模擬信號(hào),因此LED驅(qū)動(dòng)電路與視頻傳輸系統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電路相同。

圖4 音頻放大電路

1.2.2 接收端設(shè)計(jì)

接收端電路由光電二極管與1個(gè)電阻組成,將光信號(hào)還原為模擬信號(hào),輸出到有源音箱進(jìn)行播放。圖5為音頻輸出電路。

圖5 音頻輸出電路

1.3 字符傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

PC端將文字信息通過(guò)串口發(fā)送給控制器MCU,MCU對(duì)文字信息進(jìn)行調(diào)制,光強(qiáng)調(diào)制的方式驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光,轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。MCU采用STM32F103C8T6,32位ARM微處理器,高性能、低功耗、低成本。LED驅(qū)動(dòng)電路使用8550三極管,由于使用數(shù)字信號(hào),因此簡(jiǎn)化電路,控制LED的通斷即可。圖6為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路。

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電路

1.3.2 接收端設(shè)計(jì)

由于使用的是數(shù)字信號(hào),因此使用比較電路完成信號(hào)的檢測(cè)。光信號(hào)通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào),比較電路將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),MCU對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),將文字信息通過(guò)串口傳輸給計(jì)算機(jī)。比較電路采用電壓比較器LM393,切換速度快,延遲時(shí)間較小,失調(diào)電壓低。比較電路如圖7所示。

圖7 比較電路

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試

本文設(shè)計(jì)的可見(jiàn)光水中視頻傳輸系統(tǒng)可以在字符、語(yǔ)音、視頻方面實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果,在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試,調(diào)試時(shí)對(duì)光照沒(méi)有太高的要求,在普通光照下即可,圖8為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)物包括發(fā)送電路和接收電路兩部分[12]。水箱的左端為發(fā)射電路,右端為接收電路。

圖8 綠光通信的水下視頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 字符調(diào)試

字符傳輸屬于串口通信,需要在串口調(diào)試助手軟件的幫助下進(jìn)行。打開(kāi)2個(gè)串口調(diào)試窗口,波特率均設(shè)置為9 600,將設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射板接到計(jì)算機(jī)上,發(fā)射LED對(duì)準(zhǔn)接收端的傳感器,在發(fā)射板一端輸入“ 基于可見(jiàn)光通信的水中視頻傳輸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”字樣,手動(dòng)發(fā)送信號(hào),可在接收端串口調(diào)試助手的窗口中看到相同字樣。圖9為實(shí)際傳輸字符效果圖。

2.2 語(yǔ)音調(diào)試

用計(jì)算機(jī)軟件播放的音樂(lè)作為音頻信號(hào)的信號(hào)源,用音頻線(xiàn)將發(fā)射板連接在計(jì)算機(jī)上,音頻經(jīng)發(fā)射板電路處理后變成一系列的調(diào)制信號(hào)。示波器采集到的輸入信號(hào)與接收信號(hào)的波形如圖10所示,圖中黃線(xiàn)表示輸入波形,藍(lán)線(xiàn)表示輸出波形。兩段信號(hào)對(duì)比,差異較小,可知用該系統(tǒng)傳輸音頻信號(hào),可以得到較好的音質(zhì)。

圖9 實(shí)際傳輸字符效果

圖10 發(fā)射信號(hào)與輸出信號(hào)對(duì)比

2.3 視頻調(diào)試

視頻傳輸需要借助視頻采集軟件,將捕捉到的圖像傳輸出來(lái)。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在短距離范圍內(nèi)視頻傳輸質(zhì)量好,所以接收端無(wú)需聚光透鏡聚光。實(shí)驗(yàn)時(shí),視頻線(xiàn)一端連接USB采集卡的接口,一端連接接收板,將發(fā)射板的發(fā)射燈對(duì)準(zhǔn)接收板的傳感器,在計(jì)算機(jī)屏幕上可以看到攝像頭采集到的圖像,圖11為視頻傳輸效果圖。隨著傳輸距離的增大,顯示器上的視頻信號(hào)逐漸模糊,且顏色逐漸由彩色變?yōu)楹诎咨?。因?視頻傳輸質(zhì)量的好壞與距離有一定的關(guān)系。

圖11 視頻傳輸效果

3 結(jié)論

本文根據(jù)可見(jiàn)光通信的特點(diǎn),并考慮到水的傳輸特性,設(shè)計(jì)了能夠在水中短距離傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置。介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的設(shè)計(jì)原理,并對(duì)系統(tǒng)中用到的器件進(jìn)行具體說(shuō)明[13]。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的傳輸能力,進(jìn)行了調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該視頻裝置能實(shí)現(xiàn)短距離的字符、音頻、視頻信號(hào)傳輸,接收到的信號(hào)失真度小,通信效果良好,在短距離水下光通信方面具有一定的實(shí)用性。