一种基于LED可见光通信的音频与视频传输系统设计

    徐嘉伟 张国忠

    摘 要：基于LED节能灯照明的可见光通信（Visible Light Communication，VLC）技术是近年来迅速发展的一种新型通讯技术，对于可见光通信方面现在世界各国都有或多或少的研究，发达国家已经在VLC的通信距离和通信速度等方面都取得了一定的成果，国内的研究虽然在这些方面都有一些研究，但距离商业运用还有距离。本项目设计了一套基于白光LED可见光通信的音频与视频传输系统。

    关键词：可见光通信；音频传输；视频传输

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

    1 可见光通信的音频视频传输现状

    可见光通信技术是基于LED节能灯照明的传输基础上近年来迅速发展的一种新型通讯技术，它利用室内随处可见的照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆；发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰和电磁辐射、节约能源等都是它的优点。现在世界各国都在积极发展可见光通信技术，发达国家已经在VLC的通信距离和通信速度等方面都取得了一定的成果，国内的研究虽然在这些方面都有一些研究，但距离商业运用还有距离。现有的技术中，大多是单一的音频传输或是单一的视频传输，并且传输距离较短。

    2 可见光通信的音频视频传输的设计

    2.1 本文主要解决问题

    本设计主要需要解决的问题是：如何将基于LED可见光通信的音频传输与视频传输结合到一个设备中进行传输，并且在传输的过程中互不干扰地传输清晰无损的信号，同时还可以与照明相结合。

    2.2 主要模块介绍

    基于LED节能灯照明的可见光通信的音频与视频结合传输系统总体可以分为发射系统部分和接收系统部分。视频传输系统结构框图如图 1 所示，视频传输系统部分大致也分为发射与传输部分，细致分顺序由8部分组成，分别是：摄像头图像输入、视频信号数据采集电路、LED驱动电路（带光学天线）、节能LED以上为发射部分；中途由LED可见光无线传输；还有光电检测单元、信号调理电路、视频信号数据恢复电路以及输出显示屏为接收部分。可见光传输部分通过聚光和光反射实现可5m以上的通信距离，利用聚光镜和反光镜实现远距离的聚光反光传输，并且可以与日常照明相结合，方便节能又环保。

    相比于视频传输部分，音频传输部分较为简便，结构框图如图2所示[1]。它只需要用到信号输入、LED驱动电路、LED、可见光传输、光电探测器以及输出装置即可。

    2.3 发射模块部分

    视频信号传输系统利用输入设备摄像头对于所要传输的内容进行捕捉采集。摄像头设备所传输出来的是模拟量信号，并且采用 FPGA（现场可编程门阵列）系统将由摄像头设备传输产生的模拟量信号进行AD数据采样收集，接着通过系统将模拟量信号转化为数字量信号用于传输。FPGA系统选择采用Intel公司的EP4CE6F17C8FPGA型号芯片作为主控芯片配合ADC0809型号AD模拟转换器去完成数据采样收集环节。ADC0809AD模拟转换器工作时需用5V直流电源供电，其功能强大，可以达到8位精度的高分辨率，模数信号转换时限为100μS。通过FPGA系统中的配合达到控制模数AD转换的功能效果，可将50MHz的信号分频化为1MHz的信号传输至ADC0809中的时钟CP。系统中AD0809主要负责进行时序控制以及对输入的模拟量信号进行采样收集，并且将模拟量信号转化为数字量信号，再与FPGA系统配合读取数据，并将数据完成串行依次发送至后续的LED驱动电路。传输至LED驱动电路后驱动使用直接信号调制的方法，使所传输的电信号随着输入的改变而改变，继而直接影响改变半导体LED发光的电流以及发光的强度，LED所输出的光信号的发光强度随着电信号的改变而改变，最后光信号通过光学天线进行发射完成信号发射部分。中间传输过程中，传输内容通过光学天线将输出的光信号统统聚焦到反射镜以及折射镜上，然后传输到光电检测单元中的光电探测器上。将由LED所传输的光信号再次转换回电信号，经过除杂、放大、滤波以及 FPGA系统的解码功能实现视频信号数据的光电恢复，这就是视频信号传输的大体流程。

    其中的LED驱动电路如图3所示，它的功能是控制白光LED发光，其工作原理是给白光LED提供适当的偏置电流和调制电流，恒定偏置电流的作用是使白光 LED 工作于阈值以上的线性工作区。

    音频传输系统是采用手机3.5mm双音频线对音频信息进行传输，图4是音频发射部分电路。放大后的交流信号经过 RC音频滤波电路后输入到LED 驱动电路中，使 LED 的发光强度随着输入信号的变化而变化，实现电信号到光信号的转换。

    2.4 可见光传输部分

    中间可见光传输部分采用聚光、反射等作用来实现远距离传输。在一般情况下，可以通过日常照明所用的LED灯来实现传输，日常照明的可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光的光波波长范围在 770～350 纳米之间，可见光通信是指是利用白光LED 高速点灭的发光响应特性，发出明暗闪烁信号，以极高的传输速率来传递信息，其闪烁频率保持肉眼不可见。将要传输的信号连接在 LED 装置上，加入电源驱动照明装置工作，在接收端前端加一个光电转换装置，利用光电二极管等器件接收光信号，获得信息。这种 VCL 系统可实现在室内照明的同时，进行信息传输。

    2.5 接收部分

    光电检测单元中的观点探测器还需要进行选型，而它的选型要根据所传输的被测信号、所使用的光学系统以及接下来继续传输的后续电路都要相匹配，所以选型也是至关重要并且会直接影响通信质量的一步。在此系统中我们决定采用滨松公司的S5972型号的硅PIN光电二极管，其功能强大，较为符合我们的使用要求，它的探测灵敏度较高，可达： 0.55 A/ W，且截止频率为500 MHz；并且其光谱响应范围较广，可达：320～1000nm。但是也有美中不足，由于该设备的探测光敏面积较小，无法接受到充足的光能量，所以我们才在系统前端中添加了光学天线设备，将其可以接收光能量的范围扩大，不再拥有局限性，更好的保证我们接收信号的完整性以及稳定性。其工作原理是每当有光照射在PIN光电二极管上时，此时的PIN光电二极管就相当于一个电流源，进而传输我们所需的信号。此系统通过接下来的信号调理电路将PIN接收所传输的光信号而产生的电流源的电信号转换为FPGA系统可接受的标准TTL信号。信号调理电路如图 5 所示，当PIN光电二极管在偏压状态下工作时，实现光信号到电流源电信号的转换，之后将得到电流源信号通过两级的放大转换为电压信号继续传输。

    音频信号的后续处理电路采用LM1875 的典型电路，如图6所示。其中R12为输出阻抗匹配电阻，C7 起到隔直作用，R3、R7 和 R8 为放大器正相端提供浮地电压，C3 为滤波电容，R2 和 C2 为高通滤波，R4 和R2构成电压负反馈R11 和 C9 为低通滤波，C6 为输出耦合电容。

    视频信号传输的视频信号数据恢复电路与视频信号数据采集电路功能正好相反，视频恢复原理框图如图7所示，经过之前信号调理电路所转化的标准TTL信号继续向下传输，通过 FPGA系统将得到的串行数据转换为并行数据，从而通过系统完成视频信号数据的恢复功能。其中时钟模块起到重要作用，在系统中为整个视频信号数据的恢复来提供5Mb/s和25Mb/s的时钟，恢复时光信号的峰值速率极快可达到：25Mb/s。系统中的FIFO（先入先出存储）模块将整体的数据有效分隔，全部分为8bit一组，其中所缓存的数据使其能与FPGA系统的5Mb/s内部时钟同步传输对应，使其能够通过串行/并行转换模块将串行25Mb/s的数据顺利转换为并行5Mb/s的数据得以输出，经过AD转换模块后，恢复为模拟量信号的视频信号，最后终于完成所要求的视频信号数据的恢复。

    最后将经过视频数据恢复电路的视频信号和经过后续处理电路的音频信号传输至输出装置。视频信号输出至显示屏，音频信号输出至音响，播放出清晰无损的视频与音频。

    3 实验情况

    系统总体结构图如图8所示，它是由单片机为核心，控制着基于LED可见光通信的音频与视频传输。本系统经过试验室反复调试，各种环境的考验，可以分别传输音频信号和视频信号，传输距离5米左右。虽然在接收终端音频信号和视频信号有噪声，但可以用，为今后有实用价值的应用奠定了基础。

    参考文献：

    [1]李志全，谢锐杰，王聰，刘同磊，李文超，顾而丹，牛力勇. 基于白光LED可见光通信的音频传输系统[J].发光学报，2016， 37（07）：852-858.

    [2]骆宏图，陈长缨，傅倩，赵惠珊，莫晨晓.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011，4（02）：56-59.

    作者简介：徐嘉伟（1997-），男，天津人，本科在读，研究方向：无线通信。