可见光通信技术的研究与设计

黄玺如， 莫 楠， 姜荣旭， 王 鑫

（东北石油大学电气信息工程学院， 黑龙江 大庆 163318）

引言

可见光通信主要利用白光LED作为通信光源，将需要传输的信号加载在光波上，进行信号的发送与接收。与其他通信方式相比较，可见光通信具有以下显著优点：不占用频谱资源，具备丰富的潜在带宽；可见光通信技术利用LED灯进行信号的发射，既实现了照明，又实现了上网通信；无电磁干扰，安全性好，可以运用于多种场景，作为对当前无线通信的有效补充；可运用于高速通信系统。

文章提出的“可见光通信”方案用于传输各种字符如字母，数字，标点符号等等，本设计包括发送端和接收端，具体实现电路：主控模块电路、电源模块电路、晶振电路、信号发送电路、矩阵键盘电路、光电检测模块电路和显示电路组成。其中，STC12C5A60S2单片机作为发送端和接收端的主控制器，可通过矩阵键盘扩展成电脑键盘或者手机键盘模样，如此就可以输入任何样式的符号。

1 可见光通信技术理论

1.1 可见光通信关键技术

1）光源。作为光通信系统的光源，它必须具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高和发射功率大等特点。

2）均衡技术。受限于载流子寿命和结电容的影响，LED的调制带宽（定义为当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时的频率）普遍较低，大部分商用LED的调制带宽只有几兆赫兹，这大大限制了LED用于高速通信系统。因此，可见光通信技术采用均衡技术，可以有效的提高LED的调制带宽。

3）光源布局。可见光通信的应用场合主要是室内，必然要考虑房间的大小、形状、室内环境等因素。

4）调制技术。目前可见光通信中，调制方式有OOK调制、PPM调制、DMT调制和OFDM调制等。

5）接收技术。接收技术是可见光通信中极为重要的一环，主要涉及光探测器的选择、蓝光过滤、接收机后均衡等。

1.2 LED的发光原理

LED的发光机理是一种固定在电场作用下直接发光的现象，属于注入式场致发光。LED的发光方式有两种：第一种是注入的电子在P区直接与空穴复合发光或者发光中心先将电子捕获后，电子随后再与空穴复合，这种情况下发出的光为可见光。第二种是有部分注入的电子首先被非发光中心捕获，再与空穴复合，这种情况虽然可以发光，但是释放的能量较少，发出的光是不可见的，即不可见光。

1.3 LED的伏安特性

LED与PN结一样，具有单向导电性。在分析时，一般使用PN结的电流方程式近似表示LED的伏安特性。将kT/q用UT取代，则得

由式（1）可知，当LED两端加正向电压，且VF远大于UT时也就是说IF随UF按指数规律变化。实际检测LED的伏安特性时，可以发现，当外加正向电压较小时，LED并不能导通。只有当电压足够大时，LED中才开始有电流通过，且近似按指数规律变化。这说明，LED的导通有一个临界电压，称为Uon。LED的正向伏安特性曲线如图1所示。

图1 LED伏安特性曲线

2 系统硬件设计

本设计包括发送端和接收端，具体实现电路：主控模块电路、电源模块电路、晶振电路、信号发送电路、矩阵键盘电路、光电检测模块电路和显示电路组成。其中，STC12C5A60S2单片机作为发送端和接收端的主控制器，5 V电源模块为整个系统供电；晶振电路为主控提供所需要的时钟并且发送端和接收端均有晶振电路，信号发送端用于发送信号；矩阵键盘电路是一个4×4的矩阵键盘用于输入符号属于发送端的电路模块；光电检测模块用于检测接收到的信息属于接收端的模块；显示电路用于显示接收到的字符信息也属于接收端。通过矩阵键盘输入发送传递的字符，单片机对应的引脚被置高或者置低，相应的控制LED灯的亮灭，该信息被光电检测模块检测接收到，经过该模块的单片机进行处理，在LCD显示屏上显示接收到的字符信息。

系统整体设计框图（如图2、3所示）：

图3 接收端电路设计框图

3 系统软件设计

系统整体设计流程为：上电后，首先初始化各个模块参数，接着判断矩阵按键是否被按下，如果矩阵键盘未被按下则程序一直处于检测按键状态；如果有一个或者多个按键被按下，再根据输入的字符，通过OOK调制给单片机的的对应引脚高电平或者低电平，然后去控制LED灯的亮灭，LED灯亮灭所携带的信息，通过发送模块将按下的信息发送出去。该信息被光电检测模块检测接收到后，经过接收端的单片机进行处理，在LCD显示屏上显示接收到的字符信息。此外，发送按键是一个4×4的矩阵键盘用于输入符号，可以输入从0到9的任何数字信息，也可以输入A-D字母，还可以输入特殊符号*或者#等等。

主程序设计流程如图4所示。

图4 主程序设计流程图