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【摘要】本文介紹了一套完整的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，兼容字符、音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。其發(fā)送端和接收端均為獨(dú)立PCB設(shè)計(jì)，在發(fā)送端，有三組信源接口，分別為字符、音頻和視頻接口，其中，字符傳輸接口為串行通信接口，信源PC通過(guò)該接口將數(shù)據(jù)加載到系統(tǒng)中；音頻傳輸接口為3.5mm音頻接口，信源可采用任何支持三段式音頻接口輸出的設(shè)備；視頻接口可接至AV攝像頭，使用AV攝像頭作為視頻傳輸?shù)男旁?。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟硬件的一系列處理后，送至大功率LED發(fā)射，使加載有信息的可見(jiàn)光信號(hào)在自由空間傳播。在接收端分別使用兩個(gè)低速PIN光電管和一個(gè)高速PIN光電管接收字符、音頻和視頻信號(hào)，分三路進(jìn)行軟硬件的處理后，字符信號(hào)可通過(guò)接收端的串行通信接口傳輸至信宿PC，亦可以直接在接收端板載OLED上顯示；音頻信號(hào)處理后直接傳輸至外置揚(yáng)聲器；視頻信號(hào)通過(guò)視頻分量線傳輸?shù)経SB視頻采集卡上，通過(guò)采集卡將數(shù)據(jù)上傳至信宿PC，并在信宿PC的上位機(jī)程序中顯示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)本系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試，本系統(tǒng)的工況已經(jīng)基本穩(wěn)定，隨后利用本系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)十次字符、音頻和視頻數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的基本功能，通信效果良好。

【關(guān)鍵詞】可見(jiàn)光通信大功率LEDPIN光電管

1引言

可見(jiàn)光通信的概念在21世紀(jì)初提出之后，迅速獲得了世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校和知名企業(yè)的關(guān)注和支持，在短短的幾十年間得到了迅猛的發(fā)展，從最初的幾十kb/s的傳輸速率到今天的Gb/s的傳輸速率，從最初的不使用均衡技術(shù)到今天的預(yù)均衡、后均衡技術(shù)，從最初的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到MIMO，從基帶傳輸?shù)降碗A調(diào)制再到高階調(diào)制，技術(shù)發(fā)展一日千里。可見(jiàn)光通信已被美國(guó)的《時(shí)代周刊》評(píng)委2011年全球50大科技發(fā)明之一。西方認(rèn)為可見(jiàn)光通信技術(shù)的潛力無(wú)窮，前景十分美好，大力鼓勵(lì)研究該技術(shù)。但目前，國(guó)內(nèi)除上海復(fù)旦大學(xué)遲楠教授的研究小組外，還沒(méi)有其它研究機(jī)構(gòu)或?qū)W校明確表示致力于這方面的研究，可以說(shuō)該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚有很大的研究空間。長(zhǎng)期以來(lái)，世界各國(guó)的致力于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)研究的主流學(xué)者和研究人員大多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于可見(jiàn)光的字符、音頻或視頻格式數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，但由于LED的帶寬和光電探測(cè)器的帶寬制約，導(dǎo)致更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式未經(jīng)高階調(diào)制無(wú)法直接傳輸，高階調(diào)制又大大的加大了系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文所述的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的研究方向側(cè)重于不加高階調(diào)制系統(tǒng)、使用更高帶寬的光電探測(cè)器。本文成稿時(shí)間較短，不足之處在所難免，誠(chéng)懇希望廣大讀者多提寶貴意見(jiàn)，以利于我們今后的改進(jìn)和提高。

2應(yīng)用范圍

可見(jiàn)光通信如果可以被推廣普及，將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用范圍，有如下三點(diǎn)：a.應(yīng)用于電磁敏感環(huán)境或電磁屏蔽環(huán)境內(nèi)?？梢?jiàn)光通信應(yīng)用于電磁敏感環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)在于，光信號(hào)一般不會(huì)對(duì)環(huán)境造成電磁干擾。另外，其亦可應(yīng)用在一些電磁屏蔽環(huán)境內(nèi)，例如電梯，礦井等電磁波不易到達(dá)的環(huán)境內(nèi)，不需加裝龐雜的通信系統(tǒng)，僅需一組LED照明燈引入環(huán)境內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽環(huán)境內(nèi)對(duì)外界的通信；b.應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。汽車(chē)領(lǐng)域如若可以引入可見(jiàn)光通信技術(shù)，將有望可能加快車(chē)聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程。例如加載了信息的車(chē)燈光線照射到路邊的可見(jiàn)光接收設(shè)備后，設(shè)備將會(huì)馬上反饋給車(chē)載導(dǎo)航儀實(shí)時(shí)路況信息；另外，在汽車(chē)高速行駛時(shí)，司機(jī)如果分神，接近前車(chē)，其車(chē)身上的可見(jiàn)光通信設(shè)備將主動(dòng)對(duì)本車(chē)采取制動(dòng)措施，并把接近信號(hào)傳給前車(chē)，使前車(chē)主動(dòng)避讓。這些都將會(huì)給駕駛員提供更優(yōu)質(zhì)、更優(yōu)越的駕駛體驗(yàn)；c.推動(dòng)智能家居廣泛普及。未來(lái)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)將很可能取代WIFI，未來(lái)我們不需要在家中放置無(wú)線路由器，僅需打開(kāi)一盞LED照明燈，我們的手機(jī)即可接收到互聯(lián)網(wǎng)上的氣象預(yù)報(bào)信息、新聞等，另外亦可通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)家庭成員的終端到終端間的數(shù)據(jù)秒傳

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1發(fā)射終端設(shè)計(jì)

發(fā)射端的硬件設(shè)計(jì)上，AV信號(hào)采集和音頻信號(hào)采集、放大后，共同送至一個(gè)選擇器，選擇器用來(lái)選擇音、視頻傳輸模式，選擇后通過(guò)S9013三極管驅(qū)動(dòng)發(fā)射LED，值得注意的是，音視頻發(fā)射部分不依賴(lài)主控芯片控制，為獨(dú)立的一部分電路。而字符傳輸則需以來(lái)主控芯片的控制，上位機(jī)發(fā)送的字符信號(hào)通過(guò)串口1送入主控芯片，經(jīng)主控芯片處理后轉(zhuǎn)送至串口2，通過(guò)S8550三極管驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射信號(hào)。另外地，為了后期調(diào)試主控芯片時(shí)更方便，我們?yōu)橹骺匦酒黾恿艘粋€(gè)SWD調(diào)試接口、BOOT0選擇器和復(fù)位開(kāi)關(guān)，可以兼容J-LINKDebugger或ST-LINKDebugger對(duì)該芯片的調(diào)試和串口的程序下載。此外，考慮到今后的系統(tǒng)優(yōu)化和功能升級(jí)，我們額外地為發(fā)射端增加了一部分兼容設(shè)計(jì)，這部分主要包括擴(kuò)展按鍵和擴(kuò)展LED等。在發(fā)射端控制芯片選型時(shí)，考慮發(fā)射端到要使用多個(gè)串口并且串口傳輸?shù)牟ㄌ芈士梢员混`活地調(diào)節(jié)，并且要擁有盡量多的I/O接口以便于我們今后的軟硬件優(yōu)化和功能升級(jí)等工作，又綜合考慮了成本、調(diào)試難度及工作量等因素，最終選擇了ST公司的STM32系列芯片中的STM32F103C8T6。在此，我們考慮到SMT外加工的成本和手工焊接的可行性，選擇了LQFP-48這種封裝形式。根據(jù)官方給出的STM32F103C8T6芯片最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)參考則可完成主控芯片及其外圍電路設(shè)計(jì)。

3.2接收終端設(shè)計(jì)

接收端硬件設(shè)計(jì)大致分為三部分，三部分相互獨(dú)立，分別為視頻傳輸部分，音頻傳輸部分和字符傳輸部分。視頻傳輸部分由高速PIN管接收發(fā)射端發(fā)射出的視頻信號(hào)，接收到信號(hào)后送至運(yùn)算放大器作放大處理，后通過(guò)USB視頻采集卡將處理后的CVBS信號(hào)送至上位機(jī)顯示。音頻傳輸部分由PIN光電管接收發(fā)射端發(fā)射出的音頻信號(hào)，接收后通過(guò)一個(gè)上拉電阻引至3.5mm音頻接口，送至音頻播放設(shè)備。而字符接收部分仍舊選用了STM32F103C8T6這款處理器來(lái)進(jìn)行字符信號(hào)的處理，具體工作流程即通過(guò)PIN管接收發(fā)射端發(fā)來(lái)的字符信號(hào)，隨后送入功率放大器進(jìn)行放大處理，放大后送至串口2，主控芯片將該信號(hào)進(jìn)行還原處理后通過(guò)串口1送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，或是通過(guò)OLED顯示出來(lái)。另外地，和發(fā)射端類(lèi)似，接收端的控制芯片也設(shè)置了相應(yīng)的外圍電路，包括預(yù)留的一個(gè)SWD調(diào)試接口、兩個(gè)串行通信接口，和兼容設(shè)計(jì)中提到的按鍵和LED。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1視頻通信調(diào)試

視頻通信測(cè)試時(shí)的具體操作步驟如下，首先，在發(fā)射端，將AV攝像頭插入發(fā)射端AV接口1，將Video/Audio選擇器放置到Video一側(cè)；隨后將USB視頻采集卡通過(guò)視頻分量線接駁到接收端Video_OUT接口上，檢查連接無(wú)誤后上電，打開(kāi)視頻采集卡配套的上位機(jī)程序，并調(diào)節(jié)發(fā)射端發(fā)射管靜態(tài)工作點(diǎn)，以增加或減少發(fā)射端運(yùn)算放大器反相輸入端的直流信號(hào)幅度，在調(diào)節(jié)適當(dāng)后即可從上位機(jī)窗口中觀察到AV攝像頭傳回的視頻。

4.2音頻通信調(diào)試

音頻通信測(cè)試時(shí)的具體操作步驟如下，首先，將音頻信號(hào)源通過(guò)3.5mm雙公頭線纜接入發(fā)射端，將Video/Audio選擇器放置到Audio一側(cè)；隨后將接收端上的Audio_Out接口接駁至外部音響，檢查連接無(wú)誤后上電，在這里我們選擇計(jì)算機(jī)作為音頻測(cè)試中的音頻信號(hào)源，所以在上電后打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的音樂(lè)播放軟件，開(kāi)始播放音樂(lè)。此時(shí)可聽(tīng)到從音響中播放出的測(cè)試音樂(lè)。

4.3字符通信調(diào)試

字符通信測(cè)試時(shí)的操作步驟相對(duì)較簡(jiǎn)單，僅須將A/VTransmitEnable選擇器斷開(kāi)，將計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件打開(kāi)，在本系統(tǒng)中，我們使用UartAssist這款串口調(diào)試上位機(jī)來(lái)進(jìn)行字符通信調(diào)試，我們分別打開(kāi)兩個(gè)UartAssist，對(duì)應(yīng)發(fā)射端和接收端，在軟件內(nèi)設(shè)置對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，并設(shè)置波特率為9600，然后打開(kāi)兩個(gè)串口。接下來(lái)我們可以在發(fā)射端對(duì)應(yīng)的串口終端內(nèi)輸入任意字符，隨后點(diǎn)下發(fā)送，我們可以觀察到發(fā)射端的發(fā)射LED點(diǎn)亮，之后我們即可在接收端對(duì)應(yīng)的串口終端觀察到我們發(fā)送的信息。5結(jié)論經(jīng)過(guò)為期三個(gè)多月的設(shè)計(jì)與調(diào)試，本文中所描述的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)運(yùn)行良好，其視頻、音頻和字符通信部分均可長(zhǎng)時(shí)間工作在較為穩(wěn)定的狀態(tài)下。在系統(tǒng)地調(diào)試后，我們將本文所述的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中字符通信部分的最大通信距離調(diào)整為600mm（日光光照下）和300mm（燈光光照下），音頻通信部分的最大通信距離調(diào)整為1000mm（日光光照下）和500mm（燈光光照下），視頻通信部分的最大通信距離調(diào)整為400mm（日光光照下）和150mm（燈光光照下）。由此可見(jiàn)，我們所設(shè)計(jì)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)功能基本完整，可靠性良好，基本達(dá)到了我們預(yù)期的設(shè)計(jì)構(gòu)想，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本成功。但由于本文所研究的系統(tǒng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)高階調(diào)制和數(shù)據(jù)壓縮編碼，直接在信道中傳輸，故系統(tǒng)耐干擾性能不佳，在強(qiáng)光干擾下或在白光照明環(huán)境下的傳輸性能不佳，誤碼率較高。尤其是在視頻傳輸時(shí)，強(qiáng)光干擾會(huì)直接導(dǎo)致視頻信號(hào)嚴(yán)重失真。在今后的設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，應(yīng)將研究方向和重心轉(zhuǎn)移到高階調(diào)制和數(shù)據(jù)壓縮編碼上。就目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，只有在系統(tǒng)中增加調(diào)制機(jī)制和壓縮編碼機(jī)制，才可以讓系統(tǒng)整體的可靠性得到顯著提高。本文所研究的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)雖整體上實(shí)現(xiàn)了LED可見(jiàn)光通信的課題內(nèi)容，完成了課題研究的預(yù)想，但由于現(xiàn)階段的多種制約因素和軟硬件設(shè)計(jì)上的缺陷使得系統(tǒng)多種通信模式下的信噪比較低，且通信距離不夠遠(yuǎn)，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn):

[1]丁德強(qiáng)，柯熙政.可見(jiàn)光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2016（04）:6-8.

[2]陳特，劉璐，胡薇薇.可見(jiàn)光通信的研究[J].中興通訊技術(shù)，2014（08）:13-14.

[3]談茜，饒豐，張永林，楊帆，徐何辰.LED光譜特性及其在中間視覺(jué)下的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014（89）:25-27.

[4]初寧，曹立軍，黃威.基于光照強(qiáng)度的PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013（16）:14.

[5]喻志遠(yuǎn).高速光電檢測(cè)器和高速光接收機(jī)進(jìn)展[M].通信學(xué)報(bào)，1994（19）:9.

作者:龐宏浩 單位:天津七一二移動(dòng)通信有限公司