黃璽如， 莫 楠， 姜榮旭， 王 鑫

（東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

引言

可見光通信主要利用白光LED作為通信光源，將需要傳輸?shù)男盘柤虞d在光波上，進(jìn)行信號的發(fā)送與接收。與其他通信方式相比較，可見光通信具有以下顯著優(yōu)點：不占用頻譜資源，具備豐富的潛在帶寬；可見光通信技術(shù)利用LED燈進(jìn)行信號的發(fā)射，既實現(xiàn)了照明，又實現(xiàn)了上網(wǎng)通信；無電磁干擾，安全性好，可以運用于多種場景，作為對當(dāng)前無線通信的有效補充；可運用于高速通信系統(tǒng)。

文章提出的“可見光通信”方案用于傳輸各種字符如字母，數(shù)字，標(biāo)點符號等等，本設(shè)計包括發(fā)送端和接收端，具體實現(xiàn)電路：主控模塊電路、電源模塊電路、晶振電路、信號發(fā)送電路、矩陣鍵盤電路、光電檢測模塊電路和顯示電路組成。其中，STC12C5A60S2單片機作為發(fā)送端和接收端的主控制器，可通過矩陣鍵盤擴展成電腦鍵盤或者手機鍵盤模樣，如此就可以輸入任何樣式的符號。

1 可見光通信技術(shù)理論

1.1 可見光通信關(guān)鍵技術(shù)

1）光源。作為光通信系統(tǒng)的光源，它必須具有使用壽命長、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高和發(fā)射功率大等特點。

2）均衡技術(shù)。受限于載流子壽命和結(jié)電容的影響，LED的調(diào)制帶寬（定義為當(dāng)LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時的頻率）普遍較低，大部分商用LED的調(diào)制帶寬只有幾兆赫茲，這大大限制了LED用于高速通信系統(tǒng)。因此，可見光通信技術(shù)采用均衡技術(shù)，可以有效的提高LED的調(diào)制帶寬。

3）光源布局?？梢姽馔ㄐ诺膽?yīng)用場合主要是室內(nèi)，必然要考慮房間的大小、形狀、室內(nèi)環(huán)境等因素。

4）調(diào)制技術(shù)。目前可見光通信中，調(diào)制方式有OOK調(diào)制、PPM調(diào)制、DMT調(diào)制和OFDM調(diào)制等。

5）接收技術(shù)。接收技術(shù)是可見光通信中極為重要的一環(huán)，主要涉及光探測器的選擇、藍(lán)光過濾、接收機后均衡等。

1.2 LED的發(fā)光原理

LED的發(fā)光機理是一種固定在電場作用下直接發(fā)光的現(xiàn)象，屬于注入式場致發(fā)光。LED的發(fā)光方式有兩種：第一種是注入的電子在P區(qū)直接與空穴復(fù)合發(fā)光或者發(fā)光中心先將電子捕獲后，電子隨后再與空穴復(fù)合，這種情況下發(fā)出的光為可見光。第二種是有部分注入的電子首先被非發(fā)光中心捕獲，再與空穴復(fù)合，這種情況雖然可以發(fā)光，但是釋放的能量較少，發(fā)出的光是不可見的，即不可見光。

1.3 LED的伏安特性

LED與PN結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?。在分析時，一般使用PN結(jié)的電流方程式近似表示LED的伏安特性。將kT/q用UT取代，則得

由式（1）可知，當(dāng)LED兩端加正向電壓，且VF遠(yuǎn)大于UT時也就是說IF隨UF按指數(shù)規(guī)律變化。實際檢測LED的伏安特性時，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加正向電壓較小時，LED并不能導(dǎo)通。只有當(dāng)電壓足夠大時，LED中才開始有電流通過，且近似按指數(shù)規(guī)律變化。這說明，LED的導(dǎo)通有一個臨界電壓，稱為Uon。LED的正向伏安特性曲線如圖1所示。

圖1 LED伏安特性曲線

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計包括發(fā)送端和接收端，具體實現(xiàn)電路：主控模塊電路、電源模塊電路、晶振電路、信號發(fā)送電路、矩陣鍵盤電路、光電檢測模塊電路和顯示電路組成。其中，STC12C5A60S2單片機作為發(fā)送端和接收端的主控制器，5 V電源模塊為整個系統(tǒng)供電；晶振電路為主控提供所需要的時鐘并且發(fā)送端和接收端均有晶振電路，信號發(fā)送端用于發(fā)送信號；矩陣鍵盤電路是一個4×4的矩陣鍵盤用于輸入符號屬于發(fā)送端的電路模塊；光電檢測模塊用于檢測接收到的信息屬于接收端的模塊；顯示電路用于顯示接收到的字符信息也屬于接收端。通過矩陣鍵盤輸入發(fā)送傳遞的字符，單片機對應(yīng)的引腳被置高或者置低，相應(yīng)的控制LED燈的亮滅，該信息被光電檢測模塊檢測接收到，經(jīng)過該模塊的單片機進(jìn)行處理，在LCD顯示屏上顯示接收到的字符信息。

系統(tǒng)整體設(shè)計框圖（如圖2、3所示）：

圖3 接收端電路設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計流程為：上電后，首先初始化各個模塊參數(shù)，接著判斷矩陣按鍵是否被按下，如果矩陣鍵盤未被按下則程序一直處于檢測按鍵狀態(tài)；如果有一個或者多個按鍵被按下，再根據(jù)輸入的字符，通過OOK調(diào)制給單片機的的對應(yīng)引腳高電平或者低電平，然后去控制LED燈的亮滅，LED燈亮滅所攜帶的信息，通過發(fā)送模塊將按下的信息發(fā)送出去。該信息被光電檢測模塊檢測接收到后，經(jīng)過接收端的單片機進(jìn)行處理，在LCD顯示屏上顯示接收到的字符信息。此外，發(fā)送按鍵是一個4×4的矩陣鍵盤用于輸入符號，可以輸入從0到9的任何數(shù)字信息，也可以輸入A-D字母，還可以輸入特殊符號*或者#等等。

主程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 主程序設(shè)計流程圖