可见光通信系统方案设计

李丽

摘 要： 随着无线通信技术的井喷式发展，传统的无线通信技术已无法满足人们对高速率数据传输的需求。基于LED的可见光无线通信技术凭借其丰富频谱资源、无电磁辐射、网络安全、绿色节能等诸多优势成为未来无线通信技术的发展方向之一。本文对可见光通信技术原理进行了研究，设计了一种可见光通信系统方案，系统发射机将用户信息封装成数据帧，控制LED驱动电路快速切换光照强度，实现电光信号转换。系统接收机采用光敏二极管感知光强，提取光信号所携带的数据比特。最后搭建环境验证了所设计的可见光通信系统方案的合理性。

关键词： LED;可见光通信;绿色节能

一、前言

照明技术高速发展至今，人类照明光源技术经理了三次革新，第一次照明光源变革为光源寿命的大幅提升，即寿命较短的白炽灯变革为寿命较长的荧光灯;第二次照明光源变革为响应速率的大幅提升，响应速率较慢的荧光灯变革为响应速率更快的节能灯;第三次照明光源变革是LED照明技术的诞生，不仅大幅度地提升了发光效率、使用寿命、响应速率，而且LED工作电压低、光强度易调节、成本低廉。LED凭借其诸多优点迅速得到市场认可，截止2018年LED在全球照明市场中的占比已达到60%，随着LED技术的不断改善，未来LED将广泛应用于各个领域。

随着无线通信技术的井喷式发展，人们日常工作、生活和学习中使用的智能终端所产生的数据成指数增长，对无线通信技术的传输速率的提出了更高的要求。现阶段的无线通信技术面临着无线电频谱资源紧缺和电磁信号易受干扰等困境，致使传统的无线通信技术已无法满足人们对高速率数据传输的需求。LED光源的响应时间达到纳秒级，此特性使得LED能够实现信息的高速调制，因此基于LED的可见光无线通信技术应运而生。截止目前，可见光通信技术仍存于初级阶段，尚未有成熟的可见光通信系统解决方案，基于此，本文将对可见光通信系统方案设计展开研究。

二、可见光通信技术原理

可见光通信与传统无线通信技术存在诸多相似之处，均由发送端、信道和接收端组成，发送端将数据比特调制为信号，接收端将信号解调为数据比特，信道均为空气或真空媒介。与传统无线通信技术不同，可见光通信系统的发送端将电信号转换为光信息，其接收端将光信号转换为电信号。可见光通信技术原理如图1所示，发送端首先借助调制设备将用户发送端的数据进行封装成帧，再控制LED驱动电路快速切换光照强度，信息比特转为光信号实现数据传输。接收端首先借助发光二极管感知光照强度变化，提取光信号所携带的信息比特，再采用解调设备对帧信息进行解帧处理。由于光信号在媒介中传输过程中，光信号会随着传输距离快速衰减，且会引入干扰噪声，所以在发光二极管与解调设备直接插入滤波放大电路，实现对干扰噪声的滤除和有效信号的放大。

可见光波长为380～780nm，具有高达400THz的丰富频谱资源，而且光通信系统不存在电磁辐射，网络安全性更高。光通信系统中的LED光强度调节频率远高于人类肉眼的察觉能力，LED既可以作为稳定、节能、高效的照明光源，也可以作为系统信号源，证明光通信系统绿色节能，未来极具发展潜力。

三、可见光通信系统方案设计

基于可见光通信技术原理的研究可知，系统方案的设计主要包括发射机设计和接收机设计。

3.1 发射机设计

光通信系统的发射机由发送控制模块、串口模块、继电器选通模块、音频信号处理模块构成，如图2所示。发送控制模块采用STM32控制器，接收上位机通过串口所下发的待传输数据，OLED显示组帧后的数据比特。音频信号处理模块实现对音频信号的放大、低通滤波和三角采样处理，电压比较器实现三角波形至方波的转换。STM32控制器通过控制继电器实现对自定义数据方波和音频数据方波的选择，LED灯根据方波的高低电平实现光照强度快速响应。

3.2 接收机设计

系统接收机设计与发射机相对应，主要由光信号接收模块、光电转换模块、滤波放大模块、通道切换模块、自定义信号处理模块和音频信号处理模块构成，如图3所示。光敏二极管负责敏感光信号，借助光电转换模块将光信号转换为电信号。信号在传输过程中发生衰减和引入噪声，借助滤波放大电路滤除噪声，且对信号进行放大。通导切换根据信号类别将其切换至自定义数据处理或音频信号处理。自定义数据处理对数据帧进行解析，OLED显示所传输的数据。音频信号处理从数据帧中提取音频信号，采用音频功放进行播放。

3.3 系统方案验证

根据所设计的可见光通信系统方案，在室内环境下搭建了可见光通信系统进行功能性测试，包括自定义数据传输和音频数据传输。测试结果表明，在室内强光背景干扰下，此系统能较好的实现数据传输、调制解调、音频功放和数据显示等功能，通信速率最高达到200Kbps，通信距离最远达到3米。

结论：

本文对可见光通信技术原理进行了研究，系统发送端将用户信息封装成数据帧，控制LED驱动电路快速切换光照强度，实现电光信号转换。系统接收端采用光敏二极管感知光照强度，提取光信号所携带的数据比特，解析数据获取所需信息。基于技术原理设计了一种可见光通信系统方案，系统发射机设计由发送控制模块、串口模块、继电器选通模块、音频信号处理模塊构成，系统接收机设计由光信号接收模块、光电转换模块、滤波放大模块、通道切换模块、自定义信号处理模块和音频信号处理模块构成。本文搭建环境验证了所设计的可见光通信系统方案的合理性。

参考文献

[1] 张晓锋， 王敏， 王瑾. 基于可见光通信室内定位的研究现状与发展[J]. 激光与光电子学进展， 2017（10）：1-12.

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[3] 迟楠， 卢星宇， 王灿，等. 基于LED的高速可见光通信[J]. 中国激光， 2017（3）：1-12.