一種基于LED照明燈的可見光通信系統(tǒng)

中國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照明燈的可見光通信系統(tǒng)

中國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)計并實現(xiàn)了一套可見光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)由可見光發(fā)射模塊與可見光接收模塊的組成。發(fā)射模塊基于硬件電路驅(qū)動LED光源，接收機(jī)用于接收光信號。在實驗區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)了音頻信號的傳輸。

【關(guān)鍵詞】可見光通信（VLC）；LED；PFM

0　引言

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

1　可見光通信系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1光發(fā)射模塊設(shè)計

光發(fā)射模塊由信號融合電路、編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動電路、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)計方案簡圖如圖1所示：

圖1　設(shè)計方案簡圖

在光發(fā)射模塊部分采用脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。將音、視頻信號和數(shù)據(jù)信號經(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，然后通過光發(fā)射模塊，即LED驅(qū)動，變?yōu)楣庑盘柌l(fā)射該光波，經(jīng)空氣傳輸，由可見光接收模塊的接收。

在本方案中的PFM可見光發(fā)射模塊中，傳輸了一路圖像、一路語音和一路數(shù)據(jù)三種信號，圖像是一種寬帶視頻信息；語音是一種音頻信號，其頻譜分布于20Hz～20kHz的頻率范圍；數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，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信道上傳輸而不發(fā)生相互干擾，需要對三種信息進(jìn)行預(yù)處理：分別對語音和數(shù)據(jù)信號進(jìn)行頻率調(diào)制，使其頻譜搬移至圖像信號頻譜的高端，從而使三者的頻譜彼此分開、互不混疊，如圖2所示。這里，語音信號和數(shù)據(jù)信號采用了移頻鍵控調(diào)制方式（FSK）。經(jīng)過上述處理后的圖像、語音和數(shù)據(jù)信號再通過頻分復(fù)用，就可以合成為復(fù)合基帶信號。

圖2　復(fù)合基帶信號頻譜分布

為了使混合的信號能夠進(jìn)行無線傳輸，還需要對基帶信號再進(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

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

圖4　光接收模塊原理框圖

2　實驗驗證

通過實驗驗證，該系統(tǒng)主要能完成以下幾個功能：（1）基于可見光通信系統(tǒng)的音頻信號（模擬）通信。（2）基于可見光通信系統(tǒng)的數(shù)字信號通信。

該系統(tǒng)主要有以下幾個特點：（1）實現(xiàn)無線光通信，可拓展帶寬較寬，不占用無線電頻譜資源；（2）實現(xiàn)模擬音頻與數(shù)字信號的無線光通信，實用性強(qiáng)。（3）可見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，實現(xiàn)50cm空間廣播式可見光通信。（5）電路功耗低。所有供電線路均采用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，元件均為表貼元件封裝設(shè)計，實現(xiàn)了整個模型的小型化設(shè)計。

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

3 結(jié)語

可見光通信作為一個新興的通信技術(shù)，在國外也還出在起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非?？春?，不僅可以用于室內(nèi)無線

接入，還可以為城市車輛的移動提供導(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，目前對可見光通信技術(shù)的研究正處在一個如火如荼的時期?；趯梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的研究，設(shè)計了涵蓋視頻信號、音頻信號、數(shù)字信號的可見光通信系統(tǒng)理論模型，完成了可見光通信系統(tǒng)實物模型的制作。通過實驗，證實了系統(tǒng)理論設(shè)計的可行性，驗證了系統(tǒng)模型對音頻信號、數(shù)字信號的傳輸能力，實現(xiàn)了信號融合與信號分離技術(shù)的成功運(yùn)用，通過優(yōu)化調(diào)制方式實現(xiàn)了較高的抗干擾能力，使我對可見光通信的原理、途徑有了更深的理解和認(rèn)識。通過實驗，證明該實物模型實現(xiàn)了音頻信號及數(shù)字信號的同步傳輸，基本上實現(xiàn)了可見光通信系統(tǒng)理論設(shè)計的功能。同時，由于可見光視頻通信由于其對頻帶的要求較高，目前所完成的數(shù)字信道由于器材受限只實現(xiàn)控制指令的傳輸，并不具備傳輸視頻的能力。

參考文獻(xiàn)

［1］駱宏圖，陳長纓，傅倩，趙惠珊，莫晨曉.白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)［J］.2011.

［2］胡國永.基于LED的可見光無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.廣州；暨南大學(xué)，2009.

［3］姜玲玲.自適應(yīng)OFDM在室內(nèi)可見光通信中的應(yīng)用研究［D］.長春理工大學(xué)，2010.

［4］周洋，劉耀進(jìn)，趙玉虎.LED可見光無線通信的現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.淮陰工學(xué)院學(xué)報，2006.

［5］丁德強(qiáng)，柯熙政，李建勛.VLC系統(tǒng)的光源布局設(shè)計與仿真研究［J］.光電工程，2007.

［6］劉宏展，呂曉旭.白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.無線光通信，2010.