基于STM32的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)之OOK調(diào)制技術(shù)

劉正翔

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，信息化生活對(duì)上網(wǎng)的需求越來(lái)越高，無(wú)線接入的用戶數(shù)量也急劇增加，無(wú)線通信的頻譜資源越來(lái)越擁擠。可見(jiàn)光通信技術(shù)解決了諸如此類(lèi)問(wèn)題。早在2000年，日本已提出可見(jiàn)光通信技術(shù)，并仿真了其可行性。2009年，日本科學(xué)家在中川實(shí)驗(yàn)室提出了一種可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，它基于CSMA/CD的全雙工多址接入的，可實(shí)現(xiàn)100 Mbps的傳輸速率[1]。之后歐美國(guó)家在政府的支持下，也在可見(jiàn)光通信領(lǐng)域取得很多科研成果。國(guó)內(nèi)的復(fù)旦大學(xué)、北京郵電大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)等高?？蒲袡C(jī)構(gòu)也對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，復(fù)旦大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室使用1 W的LED燈泡，實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)電腦同時(shí)高速上網(wǎng)[2]。

除了傳輸速度快，可見(jiàn)光通信技術(shù)的安全性、綠色健康，以及在隧道、高速公路、交通阻塞方面的應(yīng)用也引起了人們的興趣。

STM32系列CPU是ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex?-M3內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗的CPU，2.0～3.6 V的電源供電。由于其主頻可達(dá)到72 MHz，片上集成32-512 KB的Flash，及6-64 KB的SRAM存儲(chǔ)器。片內(nèi)硬件資源豐富，最多可達(dá)112個(gè)GPIO口，11個(gè)定時(shí)器，13個(gè)通信接口，包含IIC、USART、SPI、IIS、CAN、USB、SDIO等接口，而價(jià)格卻與普通單片機(jī)差不多，因此得到廣泛的應(yīng)用。

1 OOK調(diào)制工作原理

選擇合適的無(wú)線通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，對(duì)提高系統(tǒng)傳輸速率有重要意義。可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)一般有開(kāi)關(guān)鍵控OOK，脈沖位置調(diào)制PPM，正交頻分復(fù)用調(diào)制OFDM，單載波頻域均衡SC-FDE，無(wú)載波幅度相位調(diào)制CAP等。其較為簡(jiǎn)單高效的調(diào)制技術(shù)是脈沖位置調(diào)制PPM方式。它是將脈沖的相對(duì)位置來(lái)傳輸信息的調(diào)制方式。OFDM調(diào)制方式是把信道劃分成很多相互正交的子信道，將原本高速傳輸?shù)男畔⒘?，轉(zhuǎn)變成相對(duì)低速的多個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，并分別將其調(diào)制到各個(gè)相互正交的子信道中傳輸，接收端再用相關(guān)技術(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，其很大的優(yōu)勢(shì)是可減少相互串?dāng)_。而OOK調(diào)制技術(shù)則廣泛地與NRZ不歸零編碼結(jié)合來(lái)調(diào)制，是一種極為有效的調(diào)制方式。下面重點(diǎn)介紹OOK調(diào)制技術(shù)原理[4]。設(shè)二進(jìn)制振幅鍵控2ASK信號(hào)表達(dá)式為：

e2ASK(t)=s(t)cos(ωct+θ)

eOOK(t)=Acos(ωct+θ)

OOK信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法，分別是模擬調(diào)制法和鍵控法，如圖1所示。

圖1 2ASK/OOK信號(hào)調(diào)制器原理圖

本文采用OOK的數(shù)字鍵控法，即使用開(kāi)關(guān)電路通斷來(lái)控制LED發(fā)光強(qiáng)度變化，它將可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)成固定頻率的載波(正弦波形)，可以很好地克服發(fā)射端信號(hào)失真的問(wèn)題，接收端通過(guò)相干解調(diào)與非相干解調(diào)，經(jīng)帶通濾波器、低通濾波器、抽樣判決等過(guò)程來(lái)還原信號(hào)[6]。

2 可見(jiàn)光通信的OOK調(diào)制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)OOK調(diào)制技術(shù)工作原理得知，OOK調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，不管是模擬相乘法還是數(shù)字鍵控法，其本質(zhì)都是載波與輸入信源相乘(模擬開(kāi)關(guān)也可認(rèn)為是用“0”和“1”相乘的一種方式)。因此，要調(diào)制OOK信號(hào)就需要先得到兩個(gè)輸入信號(hào)，分別是s(t)和cosωct，即信號(hào)源與載波的產(chǎn)生。然后可通過(guò)模擬CD4066芯片，輸出為調(diào)制后的OOK信號(hào)[5]。值得關(guān)注的是，輸出的OOK調(diào)制信號(hào)并不能直接用于驅(qū)動(dòng)白光LED來(lái)控制產(chǎn)生光強(qiáng)度信號(hào)，還需考慮滿足LED調(diào)制特性。

2.1 信號(hào)源的產(chǎn)生

為了產(chǎn)生能隨時(shí)更改的信源信號(hào)，本系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)串口調(diào)試軟件發(fā)出要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(信源)，通過(guò)串口發(fā)送到STM32系列CPU，再編程將二進(jìn)制信號(hào)通過(guò)STM32引腳輸出到模擬開(kāi)關(guān)CD4066，輸出的信號(hào)經(jīng)LED驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)LED發(fā)送光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制過(guò)程。信號(hào)源產(chǎn)生的過(guò)程如圖2所示。

圖2 使用STM32編程信號(hào)源進(jìn)行調(diào)制

本系統(tǒng)采用的STM32系列CPU為STM32F103C8T6。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通信發(fā)送信源數(shù)據(jù)到該CPU，即在計(jì)算機(jī)上安裝串口調(diào)試軟件，設(shè)置波特率9 600，每次傳送8bit數(shù)據(jù)，1個(gè)停止位，沒(méi)有校驗(yàn)位。輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)“VLCLiFi”7個(gè)字母，點(diǎn)擊“發(fā)送”，即可被STM32的串口接收到，如圖3所示。

圖3 串口調(diào)試軟件發(fā)送6個(gè)字符界面

STM32串口USART編程接收數(shù)據(jù)前，定義一個(gè)32字節(jié)的C語(yǔ)言數(shù)組RX_BUF[32]用來(lái)保存接收到的數(shù)據(jù)。程序運(yùn)行時(shí)，打開(kāi)USART串口中斷等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到“VLCLiFi”字符串后，將它保存在數(shù)組unsigned char RX_BUF[32]中。由于一個(gè)字符剛好占1個(gè)字節(jié)，因此可通過(guò)以下程序段，按字節(jié)將字符轉(zhuǎn)成二進(jìn)制bit信號(hào)，從STM32引腳串行發(fā)送出去[3]。

for(i=0;i<8;i++)

{

flag=temp&0x80;

if(flag) LED=1;

else LED=0;

Delay_us(10); //碼元持續(xù)時(shí)間

temp=temp<<1;

}

由于STM32在主頻72 MHz時(shí)執(zhí)行一個(gè)指令的時(shí)間約為70 ns。理論上，該段程序輸出的方波頻率可達(dá)1 MHz以上，這意味著碼元的持續(xù)時(shí)間可達(dá)到1 μs，而后續(xù)3.2節(jié)產(chǎn)生的載波頻率500 kHz，即周期2 μs。因此要調(diào)整STM32的IO引腳上輸出方波的頻率要小于500 kHz(碼元持續(xù)時(shí)間大于2 μs)，這樣經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后，碼元為“1”時(shí)，才可能得到一個(gè)完整的正弦波。此處選擇10 μs的碼元持續(xù)時(shí)間。其中temp是數(shù)組RX_BUF[32]的一個(gè)字節(jié)元素。單個(gè)字節(jié)8位循環(huán)順序發(fā)送完畢，接著發(fā)送下一個(gè)字節(jié)元素，直到6個(gè)字符都發(fā)送完為止。

2.2 正弦載波的產(chǎn)生

本系統(tǒng)需要一個(gè)正弦波作為載波，產(chǎn)生500 kHz的正弦波(即周期為2 μs)。采用LC正弦振蕩器方式，LC振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率為500 kHz、輸出幅度大于1 V的載波。電路圖4所示，L2、C2、C3、C4構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，圖中的4個(gè)電阻是穩(wěn)定三極管靜態(tài)工作點(diǎn)；其中，R1、R2也是分壓式偏置電阻；C1為基極耦合電容，三極管發(fā)射極通過(guò)它交流接地。

圖4 OOK調(diào)制模塊電路圖

值得注意的是，電路中的三極管Q1選用了高頻三極管 2SC1815，使載波的峰值足夠大。調(diào)制信號(hào)從STM32的PA2引腳輸出后，輸入開(kāi)關(guān)模擬4066芯片，進(jìn)而輸出OOK信號(hào)，如圖5所示。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，STM32的GPIO引腳發(fā)出的方波正常，即“VLCLiFi”的二進(jìn)制信號(hào)波形。OOK信號(hào)也能在方波為“1”時(shí)是正弦波形，方波為低電平“0”時(shí)值為0，但略有波紋。而4066芯片雖能正確實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)功能，但對(duì)載波幅度有一定影響。

圖5 OOK調(diào)制后的仿真波形圖

2.3 LED光源的調(diào)制特性

由于STM32的電流較小，LED白光的強(qiáng)度變化并不能明顯表現(xiàn)出來(lái)，無(wú)法達(dá)到LED調(diào)試要求。為了準(zhǔn)確地把OOK調(diào)制出來(lái)的電信號(hào)高低電平有效轉(zhuǎn)化成白光LED的強(qiáng)度大小，必須滿足LED調(diào)制特性。LED調(diào)制能力用光功率-電流曲線來(lái)表示，該曲線呈線性，且直流偏置線應(yīng)盡量位于線性部分的中心處時(shí)，可以使光調(diào)制度變大[3]。此外，也要考慮LED的響應(yīng)時(shí)間，即為L(zhǎng)ED燈亮、滅的延遲時(shí)間，從該特性可得到LED跟隨外部控制信號(hào)變化的快慢程度。為了驅(qū)動(dòng)LED燈，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路可采用運(yùn)算放大器THS3001電路[3]，有明顯放大效果。而驅(qū)動(dòng)電路若采用三極管共集電極放大電路[6]，既可把OOK信號(hào)的電流量放大，又能給LED一個(gè)直流偏置(LED芯片的偏置電流一般100 mA以上)，使之工作在線性狀態(tài)，參考電路[6]如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)LED燈電路圖

3 總 結(jié)

本文詳細(xì)分析了室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中的OOK(2ASK)調(diào)制技術(shù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)串口調(diào)試軟件發(fā)送即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到STM32開(kāi)發(fā)板，經(jīng)過(guò)程序處理，將要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)成二進(jìn)制代碼，從GPIO引腳串行發(fā)送出去。為了使用模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)振蕩電路，產(chǎn)生500 kHz的正弦波作為載波，與STM32產(chǎn)生的方波共同送入4066芯片進(jìn)行模擬開(kāi)關(guān)運(yùn)算，輸出OOK調(diào)制信號(hào)。考慮到LED的調(diào)制特性，需要專(zhuān)門(mén)電路驅(qū)動(dòng)LED，滿足光功率-電流曲線近似線性時(shí)，才能獲取更好的電信號(hào)控制LED光強(qiáng)度，有效發(fā)送信息至接收端。