基于绿光LED的水中无线光通信实验教学系统设计

张 杨, 商艳婷, 易重桂, 朱 正, 刘 禄, 孙晶华, 王晓峰

(哈尔滨工程大学 理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

可见光通信技术是借助 LED 发出高速明暗闪烁信息以实现信息传递,LED 每秒闪烁速可达数百万次[1]。可见光通信技术与其他通信技术相比具有无电磁干扰,无需频段许可授权等优点,凭借频带宽、安全性高等优势,为多媒体通信发展提供了可靠保障[2-3]。我国水下资源丰富,迫切需要水下无线通信技术的支持[4]。要对水下资源进行探索,就需要采集水下的视频图像并进行传输[5-7]。水的光谱特性与水中所含的物质成分密切相关[8-10]。目前我校正大力发展“三海一核”特色专业,对水下相关实验教学系统需求迫切。因此,本文基于可见光通信技术设计了在水中信息传输的实验系统。该实验系统传输信息质量好、传输效率高,能满足当前对传输视频信号的要求。

1 实验系统设计

水下光通信实验装置共分为视频、语音、文字3个模块。每个部分都有各自的发射端与接收端,而且信号类型以及处理方式均不同[11]。由于波长450 nm～530 nm的蓝绿光在水下的衰减较其他光波段小得多,因此蓝绿光作为重要窗口波段应用于水下通信,本系统均使用绿光LED作为光源,其波段为500～510 nm。在水下进行光通信,视频部分使用模拟信号,发射端将摄像头产生的模拟信号通过驱动电路调制绿色LED发光,以光信号的方式发射出去；接收端将光电二极管接收的光信号转换为电信号,电信号经过放大电路进行放大后输出到视频采集卡上,通过PC端进行播放。语音部分通过麦克风将语音信号转换为电信号,进行功率放大后通过驱动电路调制绿色LED将信号发送出去；接收端同样利用光电二极管将光信号转换为电信号,直接驱动音频播放器。文字部分利用PC通过串口将文字信息传输给单片机,单片机对文字信息进行调制,再将信号输出,驱动LED发送信息；接收端利用光电二极管将光信号转换为电信号,单片机对信号进行解调,再将文字信息通过串口传输给电脑。装置系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.1 视频传输系统设计

1.1.1 发射端设计

由于利用模拟信号进行传输,可以省略信号的编码、解码等步骤,容易实现,因此本系统使用可以输出模拟信号的摄像头作为图像采集装置。由于LED为非线性元件,其发光强度和电流相关,因此采用电流调制的方式。摄像头输出的模拟信号通过驱动电路放大加载到LED两端,实现向光信号的转换。驱动电路采用S9013三极管,响应速率为150 MHz,可以调节电位器来改变信号的放大倍数。LED驱动电路见图2。

图2 LED驱动电路

1.1.2 接收端设计

光电转化器件采用滨松公司的S6968 PIN管,响应速度高达50 MHz,光谱响应范围为320～1 060 nm,能够接收35°范围内的光信号。放大电路采用精密运放OPA2846,增益带宽积为1650 MHz。放大电路由运放以及一些阻容器件组成,可将电信号放大还原为视频信号,降低了图像的失真程度。视频放大电路见图3。

图3 视频放大电路

1.2 语音传输系统设计

1.2.1 发射端设计

由于电路中的电信号十分微弱,因此需要进行放大。音频放大电路采用LM386作为放大芯片,LM386是一种集成音频功率放大芯片,自身功率低、内置增益可调整、电源电压范围大、外接元件少、总谐波失真小。音频放大电路如图4所示。最后将放大后的音频信号通过LED驱动电路将信号发送出去。由于语音传输同样使用模拟信号,因此LED驱动电路与视频传输系统的LED驱动电路相同。

图4 音频放大电路

1.2.2 接收端设计

接收端电路由光电二极管与1个电阻组成,将光信号还原为模拟信号,输出到有源音箱进行播放。图5为音频输出电路。

图5 音频输出电路

1.3 字符传输系统设计

1.3.1 发射端设计

PC端将文字信息通过串口发送给控制器MCU,MCU对文字信息进行调制,光强调制的方式驱动LED发光,转换为光信号进行传输。MCU采用STM32F103C8T6,32位ARM微处理器,高性能、低功耗、低成本。LED驱动电路使用8550三极管,由于使用数字信号,因此简化电路,控制LED的通断即可。图6为LED驱动电路。

图6 LED驱动电路

1.3.2 接收端设计

由于使用的是数字信号,因此使用比较电路完成信号的检测。光信号通过光电二极管转换为电信号,比较电路将模拟电信号转换为数字信号,MCU对信号进行解调,将文字信息通过串口传输给计算机。比较电路采用电压比较器LM393,切换速度快,延迟时间较小,失调电压低。比较电路如图7所示。

图7 比较电路

2 实验系统调试

本文设计的可见光水中视频传输系统可以在字符、语音、视频方面实现信号传输。为验证实验效果,在实验室中进行模拟实验,对实验系统调试,调试时对光照没有太高的要求,在普通光照下即可,图8为实验系统。系统实物包括发送电路和接收电路两部分[12]。水箱的左端为发射电路,右端为接收电路。

图8 绿光通信的水下视频实验系统

2.1 字符调试

字符传输属于串口通信,需要在串口调试助手软件的帮助下进行。打开2个串口调试窗口,波特率均设置为9 600,将设计好的实验系统发射板接到计算机上,发射LED对准接收端的传感器,在发射板一端输入“ 基于可见光通信的水中视频传输实验验证”字样,手动发送信号,可在接收端串口调试助手的窗口中看到相同字样。图9为实际传输字符效果图。

2.2 语音调试

用计算机软件播放的音乐作为音频信号的信号源,用音频线将发射板连接在计算机上,音频经发射板电路处理后变成一系列的调制信号。示波器采集到的输入信号与接收信号的波形如图10所示,图中黄线表示输入波形,蓝线表示输出波形。两段信号对比,差异较小,可知用该系统传输音频信号,可以得到较好的音质。

图9 实际传输字符效果

图10 发射信号与输出信号对比

2.3 视频调试

视频传输需要借助视频采集软件,将捕捉到的图像传输出来。由于实验系统在短距离范围内视频传输质量好,所以接收端无需聚光透镜聚光。实验时,视频线一端连接USB采集卡的接口,一端连接接收板,将发射板的发射灯对准接收板的传感器,在计算机屏幕上可以看到摄像头采集到的图像,图11为视频传输效果图。随着传输距离的增大,显示器上的视频信号逐渐模糊,且颜色逐渐由彩色变为黑白色。因此,视频传输质量的好坏与距离有一定的关系。

图11 视频传输效果

3 结论

本文根据可见光通信的特点,并考虑到水的传输特性,设计了能够在水中短距离传输的实验装置。介绍了实验系统发射端和接收端的设计原理,并对系统中用到的器件进行具体说明[13]。为了验证系统的传输能力,进行了调试。实验结果表明,该视频装置能实现短距离的字符、音频、视频信号传输,接收到的信号失真度小,通信效果良好,在短距离水下光通信方面具有一定的实用性。