一種基于LED可見光通信的音頻與視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐嘉偉 張國(guó)忠

摘 要：基于LED節(jié)能燈照明的可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型通訊技術(shù)，對(duì)于可見光通信方面現(xiàn)在世界各國(guó)都有或多或少的研究，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在VLC的通信距離和通信速度等方面都取得了一定的成果，國(guó)內(nèi)的研究雖然在這些方面都有一些研究，但距離商業(yè)運(yùn)用還有距離。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套基于白光LED可見光通信的音頻與視頻傳輸系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：可見光通信；音頻傳輸；視頻傳輸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.129

1 可見光通信的音頻視頻傳輸現(xiàn)狀

可見光通信技術(shù)是基于LED節(jié)能燈照明的傳輸基礎(chǔ)上近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型通訊技術(shù)，它利用室內(nèi)隨處可見的照明設(shè)備代替無(wú)線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號(hào)，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆；發(fā)射功率高、不占用無(wú)線電頻譜、無(wú)電磁干擾和電磁輻射、節(jié)約能源等都是它的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在世界各國(guó)都在積極發(fā)展可見光通信技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在VLC的通信距離和通信速度等方面都取得了一定的成果，國(guó)內(nèi)的研究雖然在這些方面都有一些研究，但距離商業(yè)運(yùn)用還有距離。現(xiàn)有的技術(shù)中，大多是單一的音頻傳輸或是單一的視頻傳輸，并且傳輸距離較短。

2 可見光通信的音頻視頻傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

2.1 本文主要解決問(wèn)題

本設(shè)計(jì)主要需要解決的問(wèn)題是：如何將基于LED可見光通信的音頻傳輸與視頻傳輸結(jié)合到一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行傳輸，并且在傳輸?shù)倪^(guò)程中互不干擾地傳輸清晰無(wú)損的信號(hào)，同時(shí)還可以與照明相結(jié)合。

2.2 主要模塊介紹

基于LED節(jié)能燈照明的可見光通信的音頻與視頻結(jié)合傳輸系統(tǒng)總體可以分為發(fā)射系統(tǒng)部分和接收系統(tǒng)部分。視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，視頻傳輸系統(tǒng)部分大致也分為發(fā)射與傳輸部分，細(xì)致分順序由8部分組成，分別是：攝像頭圖像輸入、視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路、LED驅(qū)動(dòng)電路（帶光學(xué)天線）、節(jié)能LED以上為發(fā)射部分；中途由LED可見光無(wú)線傳輸；還有光電檢測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理電路、視頻信號(hào)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路以及輸出顯示屏為接收部分?？梢姽鈧鬏敳糠滞ㄟ^(guò)聚光和光反射實(shí)現(xiàn)可5m以上的通信距離，利用聚光鏡和反光鏡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的聚光反光傳輸，并且可以與日常照明相結(jié)合，方便節(jié)能又環(huán)保。

相比于視頻傳輸部分，音頻傳輸部分較為簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[1]。它只需要用到信號(hào)輸入、LED驅(qū)動(dòng)電路、LED、可見光傳輸、光電探測(cè)器以及輸出裝置即可。

2.3 發(fā)射模塊部分

視頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)利用輸入設(shè)備攝像頭對(duì)于所要傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行捕捉采集。攝像頭設(shè)備所傳輸出來(lái)的是模擬量信號(hào)，并且采用 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）系統(tǒng)將由攝像頭設(shè)備傳輸產(chǎn)生的模擬量信號(hào)進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采樣收集，接著通過(guò)系統(tǒng)將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)用于傳輸。FPGA系統(tǒng)選擇采用Intel公司的EP4CE6F17C8FPGA型號(hào)芯片作為主控芯片配合ADC0809型號(hào)AD模擬轉(zhuǎn)換器去完成數(shù)據(jù)采樣收集環(huán)節(jié)。ADC0809AD模擬轉(zhuǎn)換器工作時(shí)需用5V直流電源供電，其功能強(qiáng)大，可以達(dá)到8位精度的高分辨率，模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)限為100μS。通過(guò)FPGA系統(tǒng)中的配合達(dá)到控制模數(shù)AD轉(zhuǎn)換的功能效果，可將50MHz的信號(hào)分頻化為1MHz的信號(hào)傳輸至ADC0809中的時(shí)鐘CP。系統(tǒng)中AD0809主要負(fù)責(zé)進(jìn)行時(shí)序控制以及對(duì)輸入的模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣收集，并且將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)，再與FPGA系統(tǒng)配合讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)完成串行依次發(fā)送至后續(xù)的LED驅(qū)動(dòng)電路。傳輸至LED驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)使用直接信號(hào)調(diào)制的方法，使所傳輸?shù)碾娦盘?hào)隨著輸入的改變而改變，繼而直接影響改變半導(dǎo)體LED發(fā)光的電流以及發(fā)光的強(qiáng)度，LED所輸出的光信號(hào)的發(fā)光強(qiáng)度隨著電信號(hào)的改變而改變，最后光信號(hào)通過(guò)光學(xué)天線進(jìn)行發(fā)射完成信號(hào)發(fā)射部分。中間傳輸過(guò)程中，傳輸內(nèi)容通過(guò)光學(xué)天線將輸出的光信號(hào)統(tǒng)統(tǒng)聚焦到反射鏡以及折射鏡上，然后傳輸?shù)焦怆姍z測(cè)單元中的光電探測(cè)器上。將由LED所傳輸?shù)墓庑盘?hào)再次轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，經(jīng)過(guò)除雜、放大、濾波以及 FPGA系統(tǒng)的解碼功能實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)數(shù)據(jù)的光電恢復(fù)，這就是視頻信號(hào)傳輸?shù)拇篌w流程。

其中的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，它的功能是控制白光LED發(fā)光，其工作原理是給白光LED提供適當(dāng)?shù)钠秒娏骱驼{(diào)制電流，恒定偏置電流的作用是使白光 LED 工作于閾值以上的線性工作區(qū)。

音頻傳輸系統(tǒng)是采用手機(jī)3.5mm雙音頻線對(duì)音頻信息進(jìn)行傳輸，圖4是音頻發(fā)射部分電路。放大后的交流信號(hào)經(jīng)過(guò) RC音頻濾波電路后輸入到LED 驅(qū)動(dòng)電路中，使 LED 的發(fā)光強(qiáng)度隨著輸入信號(hào)的變化而變化，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.4 可見光傳輸部分

中間可見光傳輸部分采用聚光、反射等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。在一般情況下，可以通過(guò)日常照明所用的LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸，日常照明的可見光是電磁波譜中人眼可以感知的部分，可見光的光波波長(zhǎng)范圍在 770～350 納米之間，可見光通信是指是利用白光LED 高速點(diǎn)滅的發(fā)光響應(yīng)特性，發(fā)出明暗閃爍信號(hào)，以極高的傳輸速率來(lái)傳遞信息，其閃爍頻率保持肉眼不可見。將要傳輸?shù)男盘?hào)連接在 LED 裝置上，加入電源驅(qū)動(dòng)照明裝置工作，在接收端前端加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置，利用光電二極管等器件接收光信號(hào)，獲得信息。這種 VCL 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)照明的同時(shí)，進(jìn)行信息傳輸。

2.5 接收部分

光電檢測(cè)單元中的觀點(diǎn)探測(cè)器還需要進(jìn)行選型，而它的選型要根據(jù)所傳輸?shù)谋粶y(cè)信號(hào)、所使用的光學(xué)系統(tǒng)以及接下來(lái)繼續(xù)傳輸?shù)暮罄m(xù)電路都要相匹配，所以選型也是至關(guān)重要并且會(huì)直接影響通信質(zhì)量的一步。在此系統(tǒng)中我們決定采用濱松公司的S5972型號(hào)的硅PIN光電二極管，其功能強(qiáng)大，較為符合我們的使用要求，它的探測(cè)靈敏度較高，可達(dá)： 0.55 A/ W，且截止頻率為500 MHz；并且其光譜響應(yīng)范圍較廣，可達(dá)：320～1000nm。但是也有美中不足，由于該設(shè)備的探測(cè)光敏面積較小，無(wú)法接受到充足的光能量，所以我們才在系統(tǒng)前端中添加了光學(xué)天線設(shè)備，將其可以接收光能量的范圍擴(kuò)大，不再擁有局限性，更好的保證我們接收信號(hào)的完整性以及穩(wěn)定性。其工作原理是每當(dāng)有光照射在PIN光電二極管上時(shí)，此時(shí)的PIN光電二極管就相當(dāng)于一個(gè)電流源，進(jìn)而傳輸我們所需的信號(hào)。此系統(tǒng)通過(guò)接下來(lái)的信號(hào)調(diào)理電路將PIN接收所傳輸?shù)墓庑盘?hào)而產(chǎn)生的電流源的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA系統(tǒng)可接受的標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路如圖 5 所示，當(dāng)PIN光電二極管在偏壓狀態(tài)下工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電流源電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，之后將得到電流源信號(hào)通過(guò)兩級(jí)的放大轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)繼續(xù)傳輸。

音頻信號(hào)的后續(xù)處理電路采用LM1875 的典型電路，如圖6所示。其中R12為輸出阻抗匹配電阻，C7 起到隔直作用，R3、R7 和 R8 為放大器正相端提供浮地電壓，C3 為濾波電容，R2 和 C2 為高通濾波，R4 和R2構(gòu)成電壓負(fù)反饋R11 和 C9 為低通濾波，C6 為輸出耦合電容。

視頻信號(hào)傳輸?shù)囊曨l信號(hào)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路與視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集電路功能正好相反，視頻恢復(fù)原理框圖如圖7所示，經(jīng)過(guò)之前信號(hào)調(diào)理電路所轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)繼續(xù)向下傳輸，通過(guò) FPGA系統(tǒng)將得到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，從而通過(guò)系統(tǒng)完成視頻信號(hào)數(shù)據(jù)的恢復(fù)功能。其中時(shí)鐘模塊起到重要作用，在系統(tǒng)中為整個(gè)視頻信號(hào)數(shù)據(jù)的恢復(fù)來(lái)提供5Mb/s和25Mb/s的時(shí)鐘，恢復(fù)時(shí)光信號(hào)的峰值速率極快可達(dá)到：25Mb/s。系統(tǒng)中的FIFO（先入先出存儲(chǔ)）模塊將整體的數(shù)據(jù)有效分隔，全部分為8bit一組，其中所緩存的數(shù)據(jù)使其能與FPGA系統(tǒng)的5Mb/s內(nèi)部時(shí)鐘同步傳輸對(duì)應(yīng)，使其能夠通過(guò)串行/并行轉(zhuǎn)換模塊將串行25Mb/s的數(shù)據(jù)順利轉(zhuǎn)換為并行5Mb/s的數(shù)據(jù)得以輸出，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊后，恢復(fù)為模擬量信號(hào)的視頻信號(hào)，最后終于完成所要求的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

最后將經(jīng)過(guò)視頻數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的視頻信號(hào)和經(jīng)過(guò)后續(xù)處理電路的音頻信號(hào)傳輸至輸出裝置。視頻信號(hào)輸出至顯示屏，音頻信號(hào)輸出至音響，播放出清晰無(wú)損的視頻與音頻。

3 實(shí)驗(yàn)情況

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，它是由單片機(jī)為核心，控制著基于LED可見光通信的音頻與視頻傳輸。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室反復(fù)調(diào)試，各種環(huán)境的考驗(yàn)，可以分別傳輸音頻信號(hào)和視頻信號(hào)，傳輸距離5米左右。雖然在接收終端音頻信號(hào)和視頻信號(hào)有噪聲，但可以用，為今后有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志全，謝銳杰，王聰，劉同磊，李文超，顧而丹，牛力勇. 基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2016， 37（07）：852-858.

[2]駱宏圖，陳長(zhǎng)纓，傅倩，趙惠珊，莫晨曉.白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2011，4（02）：56-59.

作者簡(jiǎn)介：徐嘉偉（1997-），男，天津人，本科在讀，研究方向：無(wú)線通信。