基于可见光通信的图像传输系统

杨欣华,刘 洋,康文炜,刘 斌,王兆丹

(1.吉林大学 a.电子科学与工程学院；b.通信工程学院,长春 130012;2.空军航空大学 飞行教官训练基地,长春 130022)



基于可见光通信的图像传输系统

杨欣华1a,刘 洋1b,康文炜1b,刘 斌1b,王兆丹2

(1.吉林大学 a.电子科学与工程学院；b.通信工程学院,长春 130012;2.空军航空大学 飞行教官训练基地,长春 130022)

针对无线图像传输系统抗干扰能力差、保密性低等问题,设计并研制了基于可见光通信的图像传输系统。该系统采用51单片机为主要控制器,以发光二极管发出的高速调制可见光作为信息载体,利用光电二极管接收光载波信号,并通过PC机获得图像信息,实现了基于可见光通信的无线图像传输。实验结果表明,该系统抗电磁干扰能力强、成本低、功耗小、安全性好,在通信距离为0.7 m时,其最大位传输速率为0.1 Mbit/s,误码率小于10-5,有效克服了现有图像无线传输系统的固有问题,是短距离无线通信技术很好的补充,具有很好的应用前景。

可见光通信; 图像传输; 白光LED

0 引 言

1 系统结构及原理

1.1 系统结构

基于可见光通信的图像传输系统结构示意图如图1所示。系统以51单片机为主要控制器,发送端以白光LED驱动模块、Bias-Tee耦合模块组成,接收端由光电检测模块、信号放大模块、信号滤波模块、信号解调与解码模块组成。首先由PC机输入原始图片,通过Matlab软件编程进行离散化处理,成为可以传输的二进制代码,再通过Matlab代码由com端口传给白光LED阵列驱动电路。该信号与白光LED的直流偏置电压经Bias-Tee电路耦合后加载至白光LED的两端,产生OOK-NRZ(On-Off Keying-Non-Return Zero)调制信号。由白光LED发出的调制信号光经由自由空间的可见光信道后到达光电探测器并转换为电信号,经可见光接收端对OOK-NRZ信号进行放大、滤波以及解调[3]。实现了基于白光LED阵列的短距离无线图像传输。

图1 基于白光LED阵列通信的图像传输系统结构图Fig.1 Image transmission system structure based on white LED array

1.2 系统原理

系统示意图如图2所示。

图2 可见光通信系统收发端结构示意图Fig.2 Structures of the proposed VLC transmitter and receiver

为驱动LED并使其工作在线性区,需要利用一个Bias-Tee电路将调制信号叠加在直流信号U0上[10],该直流信号的OOK调制信号可写为

其中p(0

其中KEO(λ)是LED的电光转换系数,设R(λ)为探测器在波长为λ处的光谱响应度,可见光探测器的输出电流可写为

小窍门：瘦猪肉用蚝油腌制，因为蚝油比酱油含有更多的锌。各种新鲜、天然的蔬菜瓜果、不加糖的鲜榨果蔬汁、红薯、煮玉米、坚果类。当然，那些过度加工含有太多食品添加剂的零食就属于限制级的零食，尽量少给孩子吃或者不吃，这些食物包括：膨化食品、巧克力派、糖果、炸鸡块、炸鸡翅、奶油夹心饼干、方便面、奶油蛋糕、水果罐头、果脯、蜜枣脯、全脂或低脂炼乳、炸薯片和炸薯条、高糖分汽水或可乐等碳酸饮料、较甜的雪糕、冰激凌等。

通过后续电路放大,输入到相干解调器的信号可表示为

其中G是放大电路的增益系数,RL是探测器的负载电阻,n(t)是高斯噪声。由式(1)中的us(t)和式(4)中的ur(t),将EOE(Electro Optical Electro,E(fc)频域响应定义为

另外,将方波信号替代余弦波信号叠加在WLED(White Light Emitting Diode)上,也可测量时域的EOE响应。由LED、可见光探测器和其他光电器件决定的频域和时域的EOE响应可通过实验测量得到。

在OOK解调器中,ur(t)乘以载波信号cos(2πfct),然后通过低通滤波器处理,即

由此,得到初始的基带信号,进而初始数据被解调。

2 系统的收发装置

2.1 发射装置

基于可见光通信的图像传输系统的发送端由USB转串口模块、MCU(Microcontroller Unit)控制模块、LED阵列驱动模块、调制和编码模块、Bias-Tee耦合模块和LED阵列光源模块组成。当LED阵列光源工作温度正常时,Bias-Tee耦合模块将LED直流驱动电压、信号调制和编码模块输出的调制电压信号共同输出,以驱动LED光源模块,使其发出的可见光信号加载有用信息(见图3)。

图3 信号发射端工作流程图Fig.3 The flow chart of signal transmitting end

既要满足白光LED阵列的高速通信需求,又要满足视觉亮度需求,电源设计是LED阵列驱动的关键技术,笔者设计了一种用于驱动白光LED阵列的DC/DC供电系统。该系统方案是恒压电源,具有低耗、高效、稳定以及可延长供电系统的使用寿命等优点,是驱动LED的理想电源。该电源由主控制模块、DC/DC模块、电压电流采样模块和温度保护模块组成,系统的整体方案如图4所示。

图4 系统的整体方案图Fig.4 The overall plan of the system

2.2 接收装置

基于白光LED阵列的VLC数字广播收/发系统的接收端由光电检测模块、信号放大模块、信号滤波与整形模块、信号解调与解码模块、单片机模块和数据显示模块组成。在信号接收端,通过光电检测模块将可见光信号变换为电信号,经信号放大模块将检测信号放大,再由滤波与整形模块去除干扰并调整成方波,由信号解调与解码模块获得原发送信息,经MCU模块处理后,送入PC机串口调试助手中进行显示。该过程如图5所示。

图5 信号接收端工作流程图Fig.5 The flow chart of signal receiving end

3 实验与结果

3.1 试验结果

USB转串口一端连接发射板上单片机的接口后,对发射板加电,另一端通过USB接口连接PC机COM10口。USB转串口模块一端连接接收板上单片机的接口,对接收板加电,另一端通过USB接口连接PC机COM9口,电路实物图如图6所示。

对系统的GUI(Graphical User Interface)进行设计,通过‘选择’按键选择电脑的一个存有图片的文件夹,在Listbox中双击对应的图片,即可显示图片。发送端发送的图像如图7所示,接收端接收到的图像如图8所示。实验结果表明,该系统能实现基于可见光通信的短距离无线图像传输。

图6 电路实物图Fig.6 The view of circuit

图7 发送的图像Fig.7 The sending image

图8 接收的图像Fig.8 The receiving image

3.2 通信距离与误码率

将信号发送端与信号接收端以某一距离固定,分别为20 cm,50 cm,100 cm,120 cm和150 cm,然后令发送端开始发送数据,接收端接收数据。统计通信距离与误码率之间的关系如图9所示。

由图9可以看出,当通信距离小于某一值时,误码率随通信距离增大而减小；通信距离大于该值后,误码率随通信距离增大而增大,即存在一个最佳通信距离(0.7 m)使误码率最小,误码率最小时可达到10-5。

3.3 通信速率

在稳定的通信条件下,观察发送端和接收端的发/收波形可得到该通信系统的通信速率(见图10)。每个格代表2 μs,高电平持续4格,为8 μs,低电平持续4格,为4 μs,平均一个电平持续3个格,即6 μs。所以,该通信系统的通信速率达0.1 Mbit/s。

图9 通信距离对误码率的影响Fig.9 The influence of communicatio distance on bit error rate

图10 通信速率测试Fig.10 The communication rate test

4 结 语

笔者采用51单片机为主要控制器,利用照明设备LED发出的高速调制可见光作为信息载体,利用光电二极管以接收广播的光载波信号,并通过PC机获得图像信息。设计了基于可见光通信的图像传输系统,实现了短距离的图像传输。所设计的装置在通信距离为0.7 m时,其最大位传输速率为0.1 Mbit/s,误码率小于10-5。

[1]LIU Yang,ZHENG Chuantao,LI Yanting,et al.Portable Mbps Point-to-Point OOK-NRZ Visible Light Communication Devices Based on White Light-Emitting Diode Illuminant [J].Microwave and Optical Technology Letters,2012,53(10): 2248-2252.

[2]KOMINA T,HAMYAMA S,NAKAGAWA M.Integrated System of White LED Visible Light Communication and Power-Line Communication [J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2003,49(1): 71-79.

[3]DOUSEKI T,KAKUNI A.Batteryless Optical-Wireless System with White-Led Illumination [C]∥IEEE Int Symp Person Indoor Mobile Radio Commun.Barcelona,Spain: [s.n.],2004,4: 2529-2533.

[4]KOMINE T,NAKAGAWA M.Integrated System of White LED Visible-Light Communication and Power Line Communication [J].IEEE Trans on Consumer Electronics,2003,49(1)： 71-79.

[5]张择书,郭树旭.可见光通信信道编码中卷积与RS级联码分析 [J].吉林大学学报: 信息科学版,2014,32(1): 36-40.ZHANG Zeshu,GUO Shuxu.Analysis of Cascaded Codes Using Convolution Code and RS Code of Visible Light Communication Channel Coding [J].Journal of Jilin University: Information Science Edition,2014,32(1): 36-40.

[6]燕奇,翁晓东,宋占伟.基于LED光通信的传感数据自组织自恢复系统 [J].吉林大学学报: 信息科学版,2011,29(1): 14-20.YAN Qi,WENG Xiaodong,SONG Zhanwei.Sel-Organization and Self-Recovery System of Sensing Data Based on LED Light Communication [J].Journal of Jilin University: Information Science Edition,2011,29(1): 14-20.

[7]TANAKA Y,HARUYAMA S,NAKAGAWA M.Wireless Optical Transmissions with White Colored LED for Wireless Home Links [C/OL]∥The 11th International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications.2000,2: 1325-1329 [2014-05-08].http：∥electricalandelectmnics.org/wp-content/uploads/2008/11/0088/634.pdf.

[8]TANAKA Y,KOMINE T.Indoor Visible Light Data Transmission System Utilizing White LED Lights [J].IEICE Transactions on Communications,2003,E86-B(8): 2440-2454.

[9]赵英豪,张静,董伟.嵌入式多媒体图像无线传输系统的设计 [J].微计算机信息,2008,24(33): 157-159.ZHAO Yinghao,ZHANG Jing,DONG Wei.Embedded Multimedia Image Wireless Transmission System’s Design [J].Microcomputer Information,2008,24(33): 157-159.

[10]叶玮琳,郑传涛,张红伟,等.便携式点对点可见光通信终端的实验研究 [J].光电子激光,2013,24(8): 1500-1506.YE Weilin,ZHENG Chuantao,ZHANG Hongwei,et al.Experimental Study of Portable Point-to-Point Visible Light Communication Terminals [J].Journal of Optoelectronics Laser,2013,24(8): 1500-1506.

(责任编辑： 何桂华)

Image Transmission System Based on Visible Light Communication

YANG Xinhua1a,LIU Yang1b,KANG Wenwei1b,LIU Bin1b,WANG Zhaodan2

(1a.College of Electronic Science and Engineering; 1b.College of Communication Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China;2.Flight Instructor Training Base,Avtiation University of Air Force,Changchun 130022,China)

Because the existing wireless image transmission system has poor anti-interference ability and low confidentiality issues,an image transmission system based on VLC(Visible Light Communication) is designed.51 processor is used as the main controller,using visible LED(Light Emitting Diode) high-velocity modulation as information carrier,visible light of high-speed modulation emitted from the LED is utilized as information carrier,photodiode is utilized to receive optical carrier signals,the image information is obtained through the PC,wireless image transmission based on visible light communication is realized.The results show that the maximum bit transfer rate of the device is 0.1 Mbit/s when the communication distance is 0.7 m,the BER(Bit Error Rate) is less than 10-5.The system effectively overcomes the problems inherent in the conventional image transmission system of the wireless,it is a good supplement for short-range wireless communications technology,having a good prospects.

visible light communication (VLC); image transmission; white light emitting diode (LED)

1671-5896(2015)02-0120-05

2014-12-09

国家自然科学基金青年基金资助项目(61201368)

杨欣华(1982— ),男,长春人,吉林大学博士研究生,主要从事无线通信研究,(Tel)86-13944162195(E-mail)13944162195@139.com。

TG156

A