基于綠光LED的水中無線光通信實驗教學系統設計

張 楊, 商艷婷, 易重桂, 朱 正, 劉 祿, 孫晶華, 王曉峰

(哈爾濱工程大學 理學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

可見光通信技術是借助 LED 發出高速明暗閃爍信息以實現信息傳遞,LED 每秒閃爍速可達數百萬次[1]。可見光通信技術與其他通信技術相比具有無電磁干擾,無需頻段許可授權等優點,憑借頻帶寬、安全性高等優勢,為多媒體通信發展提供了可靠保障[2-3]。我國水下資源豐富,迫切需要水下無線通信技術的支持[4]。要對水下資源進行探索,就需要采集水下的視頻圖像并進行傳輸[5-7]。水的光譜特性與水中所含的物質成分密切相關[8-10]。目前我校正大力發展“三海一核”特色專業,對水下相關實驗教學系統需求迫切。因此,本文基于可見光通信技術設計了在水中信息傳輸的實驗系統。該實驗系統傳輸信息質量好、傳輸效率高,能滿足當前對傳輸視頻信號的要求。

1 實驗系統設計

水下光通信實驗裝置共分為視頻、語音、文字3個模塊。每個部分都有各自的發射端與接收端,而且信號類型以及處理方式均不同[11]。由于波長450 nm～530 nm的藍綠光在水下的衰減較其他光波段小得多,因此藍綠光作為重要窗口波段應用于水下通信,本系統均使用綠光LED作為光源,其波段為500～510 nm。在水下進行光通信,視頻部分使用模擬信號,發射端將攝像頭產生的模擬信號通過驅動電路調制綠色LED發光,以光信號的方式發射出去；接收端將光電二極管接收的光信號轉換為電信號,電信號經過放大電路進行放大后輸出到視頻采集卡上,通過PC端進行播放。語音部分通過麥克風將語音信號轉換為電信號,進行功率放大后通過驅動電路調制綠色LED將信號發送出去；接收端同樣利用光電二極管將光信號轉換為電信號,直接驅動音頻播放器。文字部分利用PC通過串口將文字信息傳輸給單片機,單片機對文字信息進行調制,再將信號輸出,驅動LED發送信息；接收端利用光電二極管將光信號轉換為電信號,單片機對信號進行解調,再將文字信息通過串口傳輸給電腦。裝置系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 視頻傳輸系統設計

1.1.1 發射端設計

由于利用模擬信號進行傳輸,可以省略信號的編碼、解碼等步驟,容易實現,因此本系統使用可以輸出模擬信號的攝像頭作為圖像采集裝置。由于LED為非線性元件,其發光強度和電流相關,因此采用電流調制的方式。攝像頭輸出的模擬信號通過驅動電路放大加載到LED兩端,實現向光信號的轉換。驅動電路采用S9013三極管,響應速率為150 MHz,可以調節電位器來改變信號的放大倍數。LED驅動電路見圖2。

圖2 LED驅動電路

1.1.2 接收端設計

光電轉化器件采用濱松公司的S6968 PIN管,響應速度高達50 MHz,光譜響應范圍為320～1 060 nm,能夠接收35°范圍內的光信號。放大電路采用精密運放OPA2846,增益帶寬積為1650 MHz。放大電路由運放以及一些阻容器件組成,可將電信號放大還原為視頻信號,降低了圖像的失真程度。視頻放大電路見圖3。

圖3 視頻放大電路

1.2 語音傳輸系統設計

1.2.1 發射端設計

由于電路中的電信號十分微弱,因此需要進行放大。音頻放大電路采用LM386作為放大芯片,LM386是一種集成音頻功率放大芯片,自身功率低、內置增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少、總諧波失真小。音頻放大電路如圖4所示。最后將放大后的音頻信號通過LED驅動電路將信號發送出去。由于語音傳輸同樣使用模擬信號,因此LED驅動電路與視頻傳輸系統的LED驅動電路相同。

圖4 音頻放大電路

1.2.2 接收端設計

接收端電路由光電二極管與1個電阻組成,將光信號還原為模擬信號,輸出到有源音箱進行播放。圖5為音頻輸出電路。

圖5 音頻輸出電路

1.3 字符傳輸系統設計

1.3.1 發射端設計

PC端將文字信息通過串口發送給控制器MCU,MCU對文字信息進行調制,光強調制的方式驅動LED發光,轉換為光信號進行傳輸。MCU采用STM32F103C8T6,32位ARM微處理器,高性能、低功耗、低成本。LED驅動電路使用8550三極管,由于使用數字信號,因此簡化電路,控制LED的通斷即可。圖6為LED驅動電路。

圖6 LED驅動電路

1.3.2 接收端設計

由于使用的是數字信號,因此使用比較電路完成信號的檢測。光信號通過光電二極管轉換為電信號,比較電路將模擬電信號轉換為數字信號,MCU對信號進行解調,將文字信息通過串口傳輸給計算機。比較電路采用電壓比較器LM393,切換速度快,延遲時間較小,失調電壓低。比較電路如圖7所示。

圖7 比較電路

2 實驗系統調試

本文設計的可見光水中視頻傳輸系統可以在字符、語音、視頻方面實現信號傳輸。為驗證實驗效果,在實驗室中進行模擬實驗,對實驗系統調試,調試時對光照沒有太高的要求,在普通光照下即可,圖8為實驗系統。系統實物包括發送電路和接收電路兩部分[12]。水箱的左端為發射電路,右端為接收電路。

圖8 綠光通信的水下視頻實驗系統

2.1 字符調試

字符傳輸屬于串口通信,需要在串口調試助手軟件的幫助下進行。打開2個串口調試窗口,波特率均設置為9 600,將設計好的實驗系統發射板接到計算機上,發射LED對準接收端的傳感器,在發射板一端輸入“ 基于可見光通信的水中視頻傳輸實驗驗證”字樣,手動發送信號,可在接收端串口調試助手的窗口中看到相同字樣。圖9為實際傳輸字符效果圖。

2.2 語音調試

用計算機軟件播放的音樂作為音頻信號的信號源,用音頻線將發射板連接在計算機上,音頻經發射板電路處理后變成一系列的調制信號。示波器采集到的輸入信號與接收信號的波形如圖10所示,圖中黃線表示輸入波形,藍線表示輸出波形。兩段信號對比,差異較小,可知用該系統傳輸音頻信號,可以得到較好的音質。

圖9 實際傳輸字符效果

圖10 發射信號與輸出信號對比

2.3 視頻調試

視頻傳輸需要借助視頻采集軟件,將捕捉到的圖像傳輸出來。由于實驗系統在短距離范圍內視頻傳輸質量好,所以接收端無需聚光透鏡聚光。實驗時,視頻線一端連接USB采集卡的接口,一端連接接收板,將發射板的發射燈對準接收板的傳感器,在計算機屏幕上可以看到攝像頭采集到的圖像,圖11為視頻傳輸效果圖。隨著傳輸距離的增大,顯示器上的視頻信號逐漸模糊,且顏色逐漸由彩色變為黑白色。因此,視頻傳輸質量的好壞與距離有一定的關系。

圖11 視頻傳輸效果

3 結論

本文根據可見光通信的特點,并考慮到水的傳輸特性,設計了能夠在水中短距離傳輸的實驗裝置。介紹了實驗系統發射端和接收端的設計原理,并對系統中用到的器件進行具體說明[13]。為了驗證系統的傳輸能力,進行了調試。實驗結果表明,該視頻裝置能實現短距離的字符、音頻、視頻信號傳輸,接收到的信號失真度小,通信效果良好,在短距離水下光通信方面具有一定的實用性。