基于PWM的可見光通信系統設計

都文和，陳 晨

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

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基于PWM的可見光通信系統設計

都文和，陳 晨

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

為了解決傳統可見光通信技術中抗光干擾能力弱的問題，采用脈沖寬度調制(PWM)的調制方式，以STM32為核心處理器，完成了可見光通信系統的設計。實驗中將兩顆50 lx光通量的LED光源發出的可見光作為信息載體，在室內非封閉空間的0.5 m直視鏈路上，在9 600 Bd的單工通信下，誤差僅為1.879 0×10-4。實驗結果表明，基于PWM調制的可見光通信系統能降低室內光線干擾的問題，將促進可見光通信技術在室內無線通信領域的發展和應用。

PWM；STM32；可見光通信；LED

當今信息時代，人們對信息傳輸速率提出了更高的要求，傳統的無線傳輸方式受限于載波頻率，通信速率無法突破瓶頸，而以可見光頻段的光波為載波的可見光通信技術能極大地提高通信速率，滿足人們日益增長的需求[1-2]。可見光通信技術由于調制帶寬高、不受電磁干擾等優點，作為新的寬帶接入方式迅速發展起來，成為學者們研究的熱點[3-5]。

國內外研究成果顯著，但依然存在諸多方面的缺陷。吳伊雪[6]研究采用的RGB-LED本身價格昂貴，市場占有率很低，而且三色光波長和發光效率不同，又并未對并行傳輸的光相互干擾的問題提出解決方案。曠亞和[7]對可見光通信系統自由空間的信道分析不足，研究中一般分析的是視距鏈路，對于非視距鏈路，可見光通過反射、散射等復雜方式到達接收端的情況缺少相應的理論研究。亢燁[8]提出采用PPM的多維編碼，但未考慮系統中所采用的調制方式是否能有效抗干擾。

本文設計了以STM32F103RCT6為核心處理器的可見光通信系統，將SMD1206LED光源發出的可見光作為信息載體，采用PWM的調制方式傳輸數據以降低光干擾的影響，在有室外光干擾的非封閉空間的直視鏈路上可以實現低誤碼率的單工可見光通信。

1 可見光通信系統

1.1 系統框架

可見光通信系統通常分為發射部分和接收部分[9-11]。如圖1所示，傳播路徑為室內的自由空間，發射端和接收端之間是視距鏈路(LOS)，傳播數據的載體為LED發出的白色可見光。在發射部分，信號源將數字信號發送給調制模塊，調制之后，將放大后的電信號發送給LED驅動器來驅動LED工作。在接收部分，光電探測器檢測到發射端發送的可見光，將其轉換成電信號，經過信號放大后通過解調模塊將原始信號解調出來[12]。

圖1 可見光通信系統框圖

1.2 信道模型分析

可見光通信系統主要采用IM/DD的調制檢測的傳輸方式，圖2是可見光通信系統的基帶系統模型。

圖2 基帶系統模型圖

圖2中，X(t)是發射光的功率，R是光電探測器的光電轉換效率，h(t)是信道的脈沖響應，N(t)是高斯白噪聲，Y(t)是光電轉換后的接收電流，可以表示為

Y(t)=RX(t)?h(t)+N(t)

(1)

自由空間的數據傳輸不能忽略信道中的多徑衰落，大尺度衰落主要是平均路徑的損耗，光源發出的可見光載波的路徑損耗PLF(d)可以表示為

(2)

式中：d表示收發端之間的距離；λ為發射波長。而在實際環境中，接收端接收到的平均光信號功率隨d的值呈對數方式減小，對數距離路徑損耗為

(3)

式中：n是引入的路徑損耗指數；d0為參考距離，對于室內可見光通信系統，取值為0.1～3 m；n的數值由傳播路徑和環境決定，在傳統微波通信中的變化范圍為2～6，但在可見光的自由空間中，n取值要比傳統的WiFi傳輸中的值更大，也就是說在可見光的傳輸中，衰落更加嚴重。所以實驗中的傳輸距離對實驗結果影響很大，通常的可見光通信系統實驗選擇的均為短距離通信，以減少信道中衰落的影響。

小尺度衰落是接收可見光信號的終端與發送端之間位置的相對移動使接收的信號在短期內快速撥動而引起的，一般由接收信號的終端的位移速度、多徑傳播等因素決定。LOS環境中接收到的可見光信號的概率密度函數(PDF)服從萊斯分布。對于LOS環境，接收信號的幅度可以表示為

X=c+W1+jW2

(4)

式中：c表示通信系統中光的直射分量；W1和W2為兩個均值為0，方差為σ2的獨立高斯隨機變量。所以，發射端和接收端之間的物體遮擋和相對位移，對實驗結果有一定的影響。實際應用中發送端和接收端的位置應該保持相對固定，以減少衰落。

2 系統設計

2.1 發射端和接收端電路設計

如圖3所示，在光驅動電路中，經過調制的電信號由SEND端輸入，當輸入端是高電平時，三極管S9013被導通，LED1處于工作狀態，當輸入端是低電平時，三極管S9013無電流通過，LED1處于非工作狀態。調制后的電信號控制著LED的工作狀態及時間間隔。所以，數字信號能通過驅動電路以光信號的形式發送。

在光檢測電路中，電信號并不是直接由光敏探測器得到的，還增加了保護電路和放大電路。如圖4所示，光電二極管VD5在檢測到光信號時，電阻值減小，使得雙電壓比較器LM393的正向輸入端電壓減小，而反向輸入端的電壓由可變電阻R16決定，當光敏探測器檢測到明顯的光信號時，正向輸入端的電壓小于反向輸入端的電壓，則雙電壓比較器LM393的輸出端為0，指示燈導通，當光敏探測器未檢測到明顯光信號時，圖中3號輸入口的電壓高于2號輸入口的電壓，此時的LM393的輸出端是高電平，信號燈不亮。根據室內干擾光線的強弱，可以調節可變電阻R16的值，從而改變整個光電探測系統的靈敏度。

圖3 光驅動電路

圖4 光檢測電路

2.2 PWM調制解調

調制解調過程需要涉及到STM32中的4個寄存器：計數器寄存器、預分頻器寄存器、自動重裝載寄存器和捕獲/比較寄存器。調制PWM波形主要用到的庫函數是stm32f10x_tim.h和stm32f10x_tim.c文件。信號調制過程如圖5所示，PWM波形的占空比20%和80%代表不同的數據0和1，可以通過不同的定時器來實現。

圖5 調制流程圖

解調設計中，通過脈沖信號中高電平的持續時間判斷PWM的占空比，從而判定接收到的邏輯數字，這樣可以解調出接收到的數據信息。在讀取到發送結束符之前，解調出的字符會被存儲起來。當字符串中的字符依次傳送完成之后，會將整個數據發送到PC機。解調的過程如圖6所示。

圖6 解調流程圖

3 實驗測試

3.1 PWM波形測試

在程序燒寫到芯片中，并將設計的系統制作為成品后，通過示波器觀察硬件模塊內部調制出的PWM波形圖。如圖7中示波器所示，以數字“0”的波形為例。

圖7 PWM波形圖(照片)

背景框架中每一格的時間間隔為50 μs，波形的下側顯示了電壓值為3.203 V，頻率為8.439 392 kHz，占空比D為19.81%。可以推算出一個周期的時間為約118.491 948 μs。由此可以計算出一個周期內，LED光源工作的時間為

tH=T×D=118.491 948 μs×19.81%≈

23.473 255 μs

(5)

LED燈光熄滅的時間為

tL=T-tH=118.491 948 μs-23.473 255 μs=

95.018 693 μs

(6)

這個數值遠小于人眼能感覺到的閃爍時間間隔0.041 67 s。所以做出的硬件實物完全能滿足人們照明的需求，不會感覺到閃爍和不適。

3.2 功能實現

實驗測試的環境是晴天非封閉性的室內，接收端的探測器采用背光放置。光源采用的是兩顆0.5 W、光通量為50 lx的SMD1206LED。家庭中客廳所需要的光通量為300～500 lx，起居室所需要的光通量為100～200 lx，可以通過增加LED的個數達到室內照明要求。在完成軟件編輯仿真和硬件實物之后，對最終的成品進行實驗測試。

在調試助手界面下側的輸入框中輸入：“visible light communication”，點擊發送，如圖8所示。接收端的LED燈工作，傳輸數據。接收端顯示器顯示“可見光通信系統Test Begin：”，PC終端接收到相應的字符串“visible light communication”，發送和接收成功，如圖9所示。

圖8 發送界面(截圖)

圖9 接收界面(截圖)

3.3 誤碼率測試

系統傳輸的大量碼元中，誤碼個數與總碼數的比值就是誤碼率。實驗中，可以發送大量數據，找出錯誤的碼元，通過計算可以得出該通信系統的誤碼率。在發送端發出大量重復的26個英文字母和一系列規律性數字及空格，多次發送完畢后，在接收界面觀察接收到的字符是否發生了錯誤。

最終統計出所有誤碼比特的數量并計算與傳輸的總字符數的比值。實驗中發送次數越多，總字符數越多，計算出的誤碼率就越真實可靠。實驗中在0.5 m的距離9 600 Bd條件下得出的誤碼率為1.879 0×10-4，低于可見光通信同環境下常用的PPM和PWM調制方式，統計的實驗比較結果如圖10所示。

圖10 誤碼率比較

4 小結

本設計中的實驗環境是有室外光源干擾的非封閉室內空間，在非封閉性空間的直視鏈路上采用兩顆50 lx光通量的SMD1206LED燈可以實現可見光通信，在9 600 Bd、0.5 m的單工通信中誤碼率僅有1.879 0×10-4。實驗表明，相比其他的可見光通信系統，本系統對光線的抗干擾能力更強，可以在滿足室內光照度的環境下進行可見光通信，將促進可見光通信技術在室內無線通信領域的推廣和工程實際應用。

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都文和(1970— )，碩士生導師，主要研究方向為衛星激光通信及室內可見光通信等；

陳 晨(1991— )，碩士生，主研信息傳輸理論及技術。

責任編輯：許 盈

Design of visible communication system based on PWM

DU Wenhe, CHEN Chen

(CommunicationandElectronicEngineeringInstitute,QiqiharUniversity,HeilongjiangQiqihar161006,China)

In order to solve the problem of weak anti-interference ability of light in the traditional visible light communication technology, the PWM mode is adopted to transmit data, and STM32 is chosen as core processor. The design in the experiment takes visible light from two LED lamps of 50 lx luminous flux as information carrier, which in the closed space on the direct link, and the BER in simplex communication of 9 600 Bd is only 1.879 0×10-4. Experimental result of this paper shows that the visible light communication system based on PWM can reduce the problem of indoor light interference, and will promote the popularity of visible light communication technology in the field of indoor wireless optical communications and engineering application.

PWM; STM32; visible light communication; LED

都文和，陳晨.基于PWM的可見光通信系統設計[J].電視技術，2016，40(11)：50-53. DU W H, CHEN C. Design of visible communication system based on PWM [J].Video engineering，2016，40(11)：50-53.

TN915

A

10.16280/j.videoe.2016.11.011

黑龍江省自然科學基金項目(F2015026)

2016-05-09