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【摘要】本文介紹了一套完整的可見光通信系統，兼容字符、音頻和視頻數據的傳輸。其發送端和接收端均為獨立PCB設計，在發送端，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通過該接口將數據加載到系統中；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備；視頻接口可接至AV攝像頭，使用AV攝像頭作為視頻傳輸的信源。這些數據經過軟硬件的一系列處理后，送至大功率LED發射，使加載有信息的可見光信號在自由空間傳播。在接收端分別使用兩個低速PIN光電管和一個高速PIN光電管接收字符、音頻和視頻信號，分三路進行軟硬件的處理后，字符信號可通過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；音頻信號處理后直接傳輸至外置揚聲器；視頻信號通過視頻分量線傳輸到USB視頻采集卡上，通過采集卡將數據上傳至信宿PC，并在信宿PC的上位機程序中顯示。經過長期對本系統軟硬件的調試，本系統的工況已經基本穩定，隨后利用本系統進行了數十次字符、音頻和視頻數據的可見光通信實驗，實驗結果表明，系統可以實現預期的基本功能，通信效果良好。

【關鍵詞】可見光通信大功率LEDPIN光電管

1引言

可見光通信的概念在21世紀初提出之后，迅速獲得了世界各國的研究機構、學校和知名企業的關注和支持，在短短的幾十年間得到了迅猛的發展，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到今天的預均衡、后均衡技術，從最初的點對點到MIMO，從基帶傳輸到低階調制再到高階調制，技術發展一日千里。可見光通信已被美國的《時代周刊》評委2011年全球50大科技發明之一。西方認為可見光通信技術的潛力無窮，前景十分美好，大力鼓勵研究該技術。但目前，國內除上海復旦大學遲楠教授的研究小組外，還沒有其它研究機構或學校明確表示致力于這方面的研究，可以說該項技術在國內尚有很大的研究空間。長期以來，世界各國的致力于可見光通信系統研究的主流學者和研究人員大多已經實現了基于可見光的字符、音頻或視頻格式數據的通信系統，但由于LED的帶寬和光電探測器的帶寬制約，導致更加復雜的數據格式未經高階調制無法直接傳輸，高階調制又大大的加大了系統的復雜性。本文所述的可見光通信系統的研究方向側重于不加高階調制系統、使用更高帶寬的光電探測器。本文成稿時間較短，不足之處在所難免，誠懇希望廣大讀者多提寶貴意見，以利于我們今后的改進和提高。

2應用范圍

可見光通信如果可以被推廣普及，將會得到廣泛的應用，其主要應用范圍，有如下三點：a.應用于電磁敏感環境或電磁屏蔽環境內。可見光通信應用于電磁敏感環境中的優勢在于，光信號一般不會對環境造成電磁干擾。另外，其亦可應用在一些電磁屏蔽環境內，例如電梯，礦井等電磁波不易到達的環境內，不需加裝龐雜的通信系統，僅需一組LED照明燈引入環境內，即可實現電磁屏蔽環境內對外界的通信；b.應用于汽車領域。汽車領域如若可以引入可見光通信技術，將有望可能加快車聯網的進程。例如加載了信息的車燈光線照射到路邊的可見光接收設備后，設備將會馬上反饋給車載導航儀實時路況信息；另外，在汽車高速行駛時，司機如果分神，接近前車，其車身上的可見光通信設備將主動對本車采取制動措施，并把接近信號傳給前車，使前車主動避讓。這些都將會給駕駛員提供更優質、更優越的駕駛體驗；c.推動智能家居廣泛普及。未來可見光通信系統將很可能取代WIFI，未來我們不需要在家中放置無線路由器，僅需打開一盞LED照明燈，我們的手機即可接收到互聯網上的氣象預報信息、新聞等，另外亦可通過該系統實現家庭成員的終端到終端間的數據秒傳

3系統設計

3.1發射終端設計

發射端的硬件設計上，AV信號采集和音頻信號采集、放大后，共同送至一個選擇器，選擇器用來選擇音、視頻傳輸模式，選擇后通過S9013三極管驅動發射LED，值得注意的是，音視頻發射部分不依賴主控芯片控制，為獨立的一部分電路。而字符傳輸則需以來主控芯片的控制，上位機發送的字符信號通過串口1送入主控芯片，經主控芯片處理后轉送至串口2，通過S8550三極管驅動LED發射信號。另外地，為了后期調試主控芯片時更方便，我們為主控芯片增加了一個SWD調試接口、BOOT0選擇器和復位開關，可以兼容J-LINKDebugger或ST-LINKDebugger對該芯片的調試和串口的程序下載。此外，考慮到今后的系統優化和功能升級，我們額外地為發射端增加了一部分兼容設計，這部分主要包括擴展按鍵和擴展LED等。在發射端控制芯片選型時，考慮發射端到要使用多個串口并且串口傳輸的波特率可以被靈活地調節，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化和功能升級等工作，又綜合考慮了成本、調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。根據官方給出的STM32F103C8T6芯片最小系統硬件設計參考則可完成主控芯片及其外圍電路設計。

3.2接收終端設計

接收端硬件設計大致分為三部分，三部分相互獨立，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管接收發射端發射出的視頻信號，接收到信號后送至運算放大器作放大處理，后通過USB視頻采集卡將處理后的CVBS信號送至上位機顯示。音頻傳輸部分由PIN光電管接收發射端發射出的音頻信號，接收后通過一個上拉電阻引至3.5mm音頻接口，送至音頻播放設備。而字符接收部分仍舊選用了STM32F103C8T6這款處理器來進行字符信號的處理，具體工作流程即通過PIN管接收發射端發來的字符信號，隨后送入功率放大器進行放大處理，放大后送至串口2，主控芯片將該信號進行還原處理后通過串口1送至上位機進行顯示，或是通過OLED顯示出來。另外地，和發射端類似，接收端的控制芯片也設置了相應的外圍電路，包括預留的一個SWD調試接口、兩個串行通信接口，和兼容設計中提到的按鍵和LED。

4系統測試

4.1視頻通信調試

視頻通信測試時的具體操作步驟如下，首先，在發射端，將AV攝像頭插入發射端AV接口1，將Video/Audio選擇器放置到Video一側；隨后將USB視頻采集卡通過視頻分量線接駁到接收端Video_OUT接口上，檢查連接無誤后上電，打開視頻采集卡配套的上位機程序，并調節發射端發射管靜態工作點，以增加或減少發射端運算放大器反相輸入端的直流信號幅度，在調節適當后即可從上位機窗口中觀察到AV攝像頭傳回的視頻。

4.2音頻通信調試

音頻通信測試時的具體操作步驟如下，首先，將音頻信號源通過3.5mm雙公頭線纜接入發射端，將Video/Audio選擇器放置到Audio一側；隨后將接收端上的Audio_Out接口接駁至外部音響，檢查連接無誤后上電，在這里我們選擇計算機作為音頻測試中的音頻信號源，所以在上電后打開計算機上的音樂播放軟件，開始播放音樂。此時可聽到從音響中播放出的測試音樂。

4.3字符通信調試

字符通信測試時的操作步驟相對較簡單，僅須將A/VTransmitEnable選擇器斷開，將計算機上的上位機軟件打開，在本系統中，我們使用UartAssist這款串口調試上位機來進行字符通信調試，我們分別打開兩個UartAssist，對應發射端和接收端，在軟件內設置對應的串口號，并設置波特率為9600，然后打開兩個串口。接下來我們可以在發射端對應的串口終端內輸入任意字符，隨后點下發送，我們可以觀察到發射端的發射LED點亮，之后我們即可在接收端對應的串口終端觀察到我們發送的信息。5結論經過為期三個多月的設計與調試，本文中所描述的可見光通信系統運行良好，其視頻、音頻和字符通信部分均可長時間工作在較為穩定的狀態下。在系統地調試后，我們將本文所述的可見光通信系統中字符通信部分的最大通信距離調整為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整為400mm（日光光照下）和150mm（燈光光照下）。由此可見，我們所設計的可見光通信系統功能基本完整，可靠性良好，基本達到了我們預期的設計構想，可見光通信系統的設計基本成功。但由于本文所研究的系統沒有經過高階調制和數據壓縮編碼，直接在信道中傳輸，故系統耐干擾性能不佳，在強光干擾下或在白光照明環境下的傳輸性能不佳，誤碼率較高。尤其是在視頻傳輸時，強光干擾會直接導致視頻信號嚴重失真。在今后的設計研究過程中，應將研究方向和重心轉移到高階調制和數據壓縮編碼上。就目前的實驗結果而言，只有在系統中增加調制機制和壓縮編碼機制，才可以讓系統整體的可靠性得到顯著提高。本文所研究的可見光通信系統雖整體上實現了LED可見光通信的課題內容，完成了課題研究的預想，但由于現階段的多種制約因素和軟硬件設計上的缺陷使得系統多種通信模式下的信噪比較低，且通信距離不夠遠，在今后的一段時間內，仍需進行進一步的研究。

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作者:龐宏浩 單位:天津七一二移動通信有限公司