一种基于LED照明灯的可见光通信系统

中国人民解放军装甲兵学院 郑博熙北京航空航天大学 陈立三北方工业大学 王亚峰中国人民解放军装甲兵工程学院 陈锡元



一种基于LED照明灯的可见光通信系统

中国人民解放军装甲兵学院 郑博熙
北京航空航天大学 陈立三
北方工业大学 王亚峰
中国人民解放军装甲兵工程学院 陈锡元

【摘要】基于PFM（Pulse Frequency Modulation）技术设计并实现了一套可见光通信系统，系统由可见光发射模块与可见光接收模块的组成。发射模块基于硬件电路驱动LED光源，接收机用于接收光信号。在实验区域内实现了音频信号的传输。

【关键词】可见光通信（VLC）；LED；PFM

0　引言

VLC（Visible Light Communication）是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的无线通信技术。它利用白光LED构建VLC无线网络，已达到数据传输的目的。与无线通信技术相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰和无电磁辐射等优点，作为一种全新的无线通信技术，VLC并不是要取代射频通信或某种无线通信方式，而是对现有无线通信技术的一种有效补充。例如在对电磁干扰和发射功率有所限制的医院、机场等场所应用VLC进行信息传输将是理想的选择。

1　可见光通信系统设计方案

1.1光发射模块设计

光发射模块由信号融合电路、编码电路、调制电路、驱动电路、LED及光学发射系统6部分组成。

光接收模块以标准接口连接至电器接口，由光学接收系统、光电转换电路、解调电路、解码电路及标准接口5部分组成。设计方案简图如图1所示：

图1　设计方案简图

在光发射模块部分采用脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。将音、视频信号和数据信号经前期处理并混合后输入到压控振荡器（VCO）进行方波调频，输出方波PFM信号，然后通过光发射模块，即LED驱动，变为光信号并发射该光波，经空气传输，由可见光接收模块的接收。

在本方案中的PFM可见光发射模块中，传输了一路图像、一路语音和一路数据三种信号，图像是一种宽带视频信息；语音是一种音频信号，其频谱分布于20Hz～20kHz的频率范围；数据是数字信号，以二进制串行方式出现，在频谱上，以其基频及各次倍频呈离散递减分布。

为了使这三种信息能在同一个信道上传输而不发生相互干扰，需要对三种信息进行预处理：分别对语音和数据信号进行频率调制，使其频谱搬移至图像信号频谱的高端，从而使三者的频谱彼此分开、互不混叠，如图2所示。这里，语音信号和数据信号采用了移频键控调制方式（FSK）。经过上述处理后的图像、语音和数据信号再通过频分复用，就可以合成为复合基带信号。

图2　复合基带信号频谱分布

为了使混合的信号能够进行无线传输，还需要对基带信号再进行一次射频调制。这里选用了脉冲频率调制方式（PFM）。PFM光发射模块原理框图如图3所示。

图3　光发射模块原理框图

1.2光接收模块设计

光接收模块的工作过程是光发射模块的逆过程。首先由光敏元件将光信号转换为电信号，之后选频电路选择出对应的频域，之后进行包络检波得到基带信号，最后通过低通滤波可以得到所需的信号。如图4所示：

图4　光接收模块原理框图

2　实验验证

通过实验验证，该系统主要能完成以下几个功能：（1）基于可见光通信系统的音频信号（模拟）通信。（2）基于可见光通信系统的数字信号通信。

该系统主要有以下几个特点：（1）实现无线光通信，可拓展带宽较宽，不占用无线电频谱资源；（2）实现模拟音频与数字信号的无线光通信，实用性强。（3）可见光信道不受日光灯光照的影响，系统抗干扰性强。（4）有效提高接收端灵敏度，实现50cm空间广播式可见光通信。（5）电路功耗低。所有供电线路均采用7.4V～5V直流单电源供电，有效地降低了整体的功耗；6.工程小型化。所有器件均采用小型化设计，元件均为表贴元件封装设计，实现了整个模型的小型化设计。

本设计通过系统数字通路的实现，证明了数字视频信号可见光通信的可行性。但由于器材受限，所设计模拟信道及数字信道都未能达到视频信号通信所需带宽。在下一步的研究中，可以通过高频器件实现高带宽解决这一问题。

3 结语

可见光通信作为一个新兴的通信技术，在国外也还出在起步和摸索阶段，但其应用前景非常看好，不仅可以用于室内无线

接入，还可以为城市车辆的移动提供导航及定位功能，以及在医疗、电网技术等方面的全新应用。正因如此，目前对可见光通信技术的研究正处在一个如火如荼的时期。基于对可见光通信系统的研究，设计了涵盖视频信号、音频信号、数字信号的可见光通信系统理论模型，完成了可见光通信系统实物模型的制作。通过实验，证实了系统理论设计的可行性，验证了系统模型对音频信号、数字信号的传输能力，实现了信号融合与信号分离技术的成功运用，通过优化调制方式实现了较高的抗干扰能力，使我对可见光通信的原理、途径有了更深的理解和认识。通过实验，证明该实物模型实现了音频信号及数字信号的同步传输，基本上实现了可见光通信系统理论设计的功能。同时，由于可见光视频通信由于其对频带的要求较高，目前所完成的数字信道由于器材受限只实现控制指令的传输，并不具备传输视频的能力。

参考文献

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［2］胡国永.基于LED的可见光无线通信关键技术研究［D］.广州；暨南大学，2009.

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