基于PWM的可见光通信系统设计

都文和，陈 晨

(齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔161006)



基于PWM的可见光通信系统设计

都文和，陈 晨

(齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔161006)

为了解决传统可见光通信技术中抗光干扰能力弱的问题，采用脉冲宽度调制(PWM)的调制方式，以STM32为核心处理器，完成了可见光通信系统的设计。实验中将两颗50 lx光通量的LED光源发出的可见光作为信息载体，在室内非封闭空间的0.5 m直视链路上，在9 600 Bd的单工通信下，误差仅为1.879 0×10-4。实验结果表明，基于PWM调制的可见光通信系统能降低室内光线干扰的问题，将促进可见光通信技术在室内无线通信领域的发展和应用。

PWM；STM32；可见光通信；LED

当今信息时代，人们对信息传输速率提出了更高的要求，传统的无线传输方式受限于载波频率，通信速率无法突破瓶颈，而以可见光频段的光波为载波的可见光通信技术能极大地提高通信速率，满足人们日益增长的需求[1-2]。可见光通信技术由于调制带宽高、不受电磁干扰等优点，作为新的宽带接入方式迅速发展起来，成为学者们研究的热点[3-5]。

国内外研究成果显著，但依然存在诸多方面的缺陷。吴伊雪[6]研究采用的RGB-LED本身价格昂贵，市场占有率很低，而且三色光波长和发光效率不同，又并未对并行传输的光相互干扰的问题提出解决方案。旷亚和[7]对可见光通信系统自由空间的信道分析不足，研究中一般分析的是视距链路，对于非视距链路，可见光通过反射、散射等复杂方式到达接收端的情况缺少相应的理论研究。亢烨[8]提出采用PPM的多维编码，但未考虑系统中所采用的调制方式是否能有效抗干扰。

本文设计了以STM32F103RCT6为核心处理器的可见光通信系统，将SMD1206LED光源发出的可见光作为信息载体，采用PWM的调制方式传输数据以降低光干扰的影响，在有室外光干扰的非封闭空间的直视链路上可以实现低误码率的单工可见光通信。

1 可见光通信系统

1.1 系统框架

可见光通信系统通常分为发射部分和接收部分[9-11]。如图1所示，传播路径为室内的自由空间，发射端和接收端之间是视距链路(LOS)，传播数据的载体为LED发出的白色可见光。在发射部分，信号源将数字信号发送给调制模块，调制之后，将放大后的电信号发送给LED驱动器来驱动LED工作。在接收部分，光电探测器检测到发射端发送的可见光，将其转换成电信号，经过信号放大后通过解调模块将原始信号解调出来[12]。

图1 可见光通信系统框图

1.2 信道模型分析

可见光通信系统主要采用IM/DD的调制检测的传输方式，图2是可见光通信系统的基带系统模型。

图2 基带系统模型图

图2中，X(t)是发射光的功率，R是光电探测器的光电转换效率，h(t)是信道的脉冲响应，N(t)是高斯白噪声，Y(t)是光电转换后的接收电流，可以表示为

Y(t)=RX(t)⊗h(t)+N(t)

(1)

自由空间的数据传输不能忽略信道中的多径衰落，大尺度衰落主要是平均路径的损耗，光源发出的可见光载波的路径损耗PLF(d)可以表示为

(2)

式中：d表示收发端之间的距离；λ为发射波长。而在实际环境中，接收端接收到的平均光信号功率随d的值呈对数方式减小，对数距离路径损耗为

(3)

式中：n是引入的路径损耗指数；d0为参考距离，对于室内可见光通信系统，取值为0.1～3 m；n的数值由传播路径和环境决定，在传统微波通信中的变化范围为2～6，但在可见光的自由空间中，n取值要比传统的WiFi传输中的值更大，也就是说在可见光的传输中，衰落更加严重。所以实验中的传输距离对实验结果影响很大，通常的可见光通信系统实验选择的均为短距离通信，以减少信道中衰落的影响。

小尺度衰落是接收可见光信号的终端与发送端之间位置的相对移动使接收的信号在短期内快速拨动而引起的，一般由接收信号的终端的位移速度、多径传播等因素决定。LOS环境中接收到的可见光信号的概率密度函数(PDF)服从莱斯分布。对于LOS环境，接收信号的幅度可以表示为

X=c+W1+jW2

(4)

式中：c表示通信系统中光的直射分量；W1和W2为两个均值为0，方差为σ2的独立高斯随机变量。所以，发射端和接收端之间的物体遮挡和相对位移，对实验结果有一定的影响。实际应用中发送端和接收端的位置应该保持相对固定，以减少衰落。

2 系统设计

2.1 发射端和接收端电路设计

如图3所示，在光驱动电路中，经过调制的电信号由SEND端输入，当输入端是高电平时，三极管S9013被导通，LED1处于工作状态，当输入端是低电平时，三极管S9013无电流通过，LED1处于非工作状态。调制后的电信号控制着LED的工作状态及时间间隔。所以，数字信号能通过驱动电路以光信号的形式发送。

在光检测电路中，电信号并不是直接由光敏探测器得到的，还增加了保护电路和放大电路。如图4所示，光电二极管VD5在检测到光信号时，电阻值减小，使得双电压比较器LM393的正向输入端电压减小，而反向输入端的电压由可变电阻R16决定，当光敏探测器检测到明显的光信号时，正向输入端的电压小于反向输入端的电压，则双电压比较器LM393的输出端为0，指示灯导通，当光敏探测器未检测到明显光信号时，图中3号输入口的电压高于2号输入口的电压，此时的LM393的输出端是高电平，信号灯不亮。根据室内干扰光线的强弱，可以调节可变电阻R16的值，从而改变整个光电探测系统的灵敏度。

图3 光驱动电路

图4 光检测电路

2.2 PWM调制解调

调制解调过程需要涉及到STM32中的4个寄存器：计数器寄存器、预分频器寄存器、自动重装载寄存器和捕获/比较寄存器。调制PWM波形主要用到的库函数是stm32f10x_tim.h和stm32f10x_tim.c文件。信号调制过程如图5所示，PWM波形的占空比20%和80%代表不同的数据0和1，可以通过不同的定时器来实现。

图5 调制流程图

解调设计中，通过脉冲信号中高电平的持续时间判断PWM的占空比，从而判定接收到的逻辑数字，这样可以解调出接收到的数据信息。在读取到发送结束符之前，解调出的字符会被存储起来。当字符串中的字符依次传送完成之后，会将整个数据发送到PC机。解调的过程如图6所示。

图6 解调流程图

3 实验测试

3.1 PWM波形测试

在程序烧写到芯片中，并将设计的系统制作为成品后，通过示波器观察硬件模块内部调制出的PWM波形图。如图7中示波器所示，以数字“0”的波形为例。

图7 PWM波形图(照片)

背景框架中每一格的时间间隔为50 μs，波形的下侧显示了电压值为3.203 V，频率为8.439 392 kHz，占空比D为19.81%。可以推算出一个周期的时间为约118.491 948 μs。由此可以计算出一个周期内，LED光源工作的时间为

tH=T×D=118.491 948 μs×19.81%≈

23.473 255 μs

(5)

LED灯光熄灭的时间为

tL=T-tH=118.491 948 μs-23.473 255 μs=

95.018 693 μs

(6)

这个数值远小于人眼能感觉到的闪烁时间间隔0.041 67 s。所以做出的硬件实物完全能满足人们照明的需求，不会感觉到闪烁和不适。

3.2 功能实现

实验测试的环境是晴天非封闭性的室内，接收端的探测器采用背光放置。光源采用的是两颗0.5 W、光通量为50 lx的SMD1206LED。家庭中客厅所需要的光通量为300～500 lx，起居室所需要的光通量为100～200 lx，可以通过增加LED的个数达到室内照明要求。在完成软件编辑仿真和硬件实物之后，对最终的成品进行实验测试。

在调试助手界面下侧的输入框中输入：“visible light communication”，点击发送，如图8所示。接收端的LED灯工作，传输数据。接收端显示器显示“可见光通信系统Test Begin：”，PC终端接收到相应的字符串“visible light communication”，发送和接收成功，如图9所示。

图8 发送界面(截图)

图9 接收界面(截图)

3.3 误码率测试

系统传输的大量码元中，误码个数与总码数的比值就是误码率。实验中，可以发送大量数据，找出错误的码元，通过计算可以得出该通信系统的误码率。在发送端发出大量重复的26个英文字母和一系列规律性数字及空格，多次发送完毕后，在接收界面观察接收到的字符是否发生了错误。

最终统计出所有误码比特的数量并计算与传输的总字符数的比值。实验中发送次数越多，总字符数越多，计算出的误码率就越真实可靠。实验中在0.5 m的距离9 600 Bd条件下得出的误码率为1.879 0×10-4，低于可见光通信同环境下常用的PPM和PWM调制方式，统计的实验比较结果如图10所示。

图10 误码率比较

4 小结

本设计中的实验环境是有室外光源干扰的非封闭室内空间，在非封闭性空间的直视链路上采用两颗50 lx光通量的SMD1206LED灯可以实现可见光通信，在9 600 Bd、0.5 m的单工通信中误码率仅有1.879 0×10-4。实验表明，相比其他的可见光通信系统，本系统对光线的抗干扰能力更强，可以在满足室内光照度的环境下进行可见光通信，将促进可见光通信技术在室内无线通信领域的推广和工程实际应用。

[1]关伟鹏，文尚胜，胡卉馨，等．基于双重调制技术的可见光通信系统研究[J].光电子·激光，2015，26(11)：2125-2132.

[2]王虹，蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展[J].半导体光电，2014，35(1)：5-9.

[3]孙帮成，丁文伯，闫阳天，等．PLC和VLC融合的车厢内宽带视频服务系统[J]．电视技术，2015，39(11)：57-60.

[4]张建昆，刘博，杨宇，等．一种室内可见光通信亮度控制方法[J]．光电子·激光，2011，22(7)：1013-1017.

[5]邓健志，程小辉．基于可见光通信的溶洞景区照明控制方法研究[J]．电视技术，2014，38(9)：193-196.

[6]吴伊雪，陈名松，汤玲利．基于FPGA的RGB-LED调制解调的仿真研究[J]．光通信技术，2015，39(1)：33-35.

[7]旷亚和．基于LED的无线数据传输技术研究与设计实现[D]．大连：大连海事大学，2014.

[8]亢烨,柯熙政．可见光通信中的多维编码[J]．中国激光，2015，42(2)：138-144.

[9]杨宇，刘博，张建昆，等．一种基于大功率LED照明灯的可见光通信系统[J]．光电子·激光，2011，22(6)：803-807.

[10]冯庆，方安安，汪蓉蓉．基于OCDMA的改进型室内可见光无线局域网分析[J]．电视技术，2014，38(3)：102-104.

[11]郎磊，贾倩．室内可见光蜂窝网络信道特性研究[J]．光电子·激光，2015，26(1)：81-85.

[12]王涛．基于51单片机的LED可见光通信系统[J]．电视技术，2013，37(9)：61-63.

都文和(1970— )，硕士生导师，主要研究方向为卫星激光通信及室内可见光通信等；

陈 晨(1991— )，硕士生，主研信息传输理论及技术。

责任编辑：许 盈

Design of visible communication system based on PWM

DU Wenhe, CHEN Chen

(CommunicationandElectronicEngineeringInstitute,QiqiharUniversity,HeilongjiangQiqihar161006,China)

In order to solve the problem of weak anti-interference ability of light in the traditional visible light communication technology, the PWM mode is adopted to transmit data, and STM32 is chosen as core processor. The design in the experiment takes visible light from two LED lamps of 50 lx luminous flux as information carrier, which in the closed space on the direct link, and the BER in simplex communication of 9 600 Bd is only 1.879 0×10-4. Experimental result of this paper shows that the visible light communication system based on PWM can reduce the problem of indoor light interference, and will promote the popularity of visible light communication technology in the field of indoor wireless optical communications and engineering application.

PWM; STM32; visible light communication; LED

都文和，陈晨.基于PWM的可见光通信系统设计[J].电视技术，2016，40(11)：50-53. DU W H, CHEN C. Design of visible communication system based on PWM [J].Video engineering，2016，40(11)：50-53.

TN915

A

10.16280/j.videoe.2016.11.011

黑龙江省自然科学基金项目(F2015026)

2016-05-09