基于可见光通信的视频传输系统

吴 猛

(吉林化工学院 信息与控制工程学院， 吉林 吉林 132022)

0 引 言

可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是通过可见光波段的光作为载波传输信息的一种无线通信技术[1]。与传统无线电通信相比，VLC具有通信速率高、保密性好、低功耗、无辐射、机动灵活等特点，且使用频段无需申请授权。VLC通常采用发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为光源，通过VLC实现低成本、高带宽、高速率的无线数据传输，是典型的绿色通信技术[2-3]。

1999年，VLC刚刚兴起，Pang等[4]率先对VLC的音频传输开展了研究，但因其有限的带宽限制了VLC的传输速率。2003年，日本成立VLC联合体(VLCC)，大力发展商业化的VLC。其中，中川研究室实现了基于VLC的超市定位及导航系统[5]。2010年，德国弗劳恩霍夫研究所的团队将通信速率提高至 513 Mb/s，创造了世界纪录，并通过理论分析认为此系统通信速率仍有很大的提升空间，从此可见光通信的研究有了质的飞跃[6]。2013年，我国创立首个可见光“863计划”项目，组建了“中国可见光通信产业技术联盟”，并通过3年多的科技攻关，先后成功研发“可见光新型无线广播”[7]“可见光精确定位”等应用示范系统[8-10]。近2年，逐渐有学者将激光通信技术引进视频传输中[11]，并得到了比传统视频传输更好的通信效果。如，2017年范桂龄等提出了激光通信的图像传输系统，并通过仿真实验对图像传输采集技术的性能进行验证[12]。同年，林逢春等针对激光视频传输中的信号采集，提出了小波去噪、视频图像增强处理等方案[13]。

本文针对可见光通信独有特点，设计了一种基于FPGA的可见光视频传输收发系统，系统采用开关键控-非归零(OOK-NRZ)调制编码方式。实现了单工通信模式下的数据传输，并通过时钟数据恢复验证通信系统可传输带宽为30 Mb/s。

1 系统总体设计

LD可见光通信无线视频传输系统可根据功能分为发射系统和接收系统。发射系统主要由摄像头、视频数据采集电路、激光驱动电路、光学天线及激光器组成；接收系统主要由光电探测器、信号调理电路、接收端视频恢复电路、光学天线以及显示器组成。系统框图如图1所示。

图1 VLC视频传输系统框图

系统采用摄像头对图像信息进行采集，摄像头输出为模拟信号，通过FPGA对模拟视频信号进行AD采样，即将模拟信号转换为数字信号，激光驱动电路采用直接调制的方式，使电信号直接改变半导体激光器的电流，输出激光强度随电信号而改变，最后光信号通过光学天线完成发送[14-15]。光信号通过光学天线聚焦到光电探测器上，将光信号转换为电信号，在经过放大、滤波以及FPGA解码实现视频数据的恢复。

2 发射单元设计

2.1 视频数据采集电路

视频数据采集电路采用FPGA将摄像头采集的模拟信号转换为数字信号，系统选用Intel(原ALTERA)公司的EP4CE6F17C8FPGA作为主控芯片配合ADC0809进行完成数据采集。ADC0809采用5 V单电源供电，具有8位精度的分辨率，转换时间为100 μs。通过FPGA控制模数A/D转换，将50 MHz分频为1 MHz输入给0809的时钟CP。AD0809主要进行时序控制，对模拟信号采样，转变为数字信号，再由FPGA读取并完成串行发送至激光驱动器。

2.2 激光驱动电路

LD和LED在可见光通信系统中各有特点，而LD的转换速率更快，发散角度小等特点在视频传输上更具优势。因此，设计选用PL520B半导体激光器作为光源，其输出波长为520 nm，最大输出光功率可达80 mW，最佳工作温度为25℃。由于LD为电流控制器件，即其输出与电流近似呈线性相关，如图2所示。

图2 PL520B激光调制原理图

设计选用40N10高速场效应管(MOSFET)，该管具有100 V的漏-源极击穿电压，40A的漏极电流，依靠栅极电压导通特性，其栅极阈值电压为2～4 V，上升沿时间为30 ns，设计驱动电路如图3所示。选用TC4427A作为该场效应管的驱动，输入容许TTL(0～5 V)数据信号，峰值输出电流为1.5 A，满足高速激光器驱动要求。启动时，允许有电流经过LD和限流电阻，并由外部6.5 V稳压源为其供电。其中R1电阻为LD限流电阻，限制电流在1A以下。

图3 激光驱动电路

3 接收单元设计

3.1 信号调理电路

光电探测器的选型不仅要和后续电路相匹配，更要和被测信号、光学系统相匹配，因此探测器的选型直接影响通信质量。采用滨松公司的S5972硅PIN光电二极管，光谱响应范围320～1 000 nm，探测灵敏度为0.55 A/W，截止频率为500 MHz。由于其探测光敏面仅为直径0.8 mm的圆，在探测面积下接收到的光能量很小，以此在前端设计有光学天线将接受范围扩大到35°，最大限度保证接收信号的稳定性。

当有光照射到PIN上时，此时的PIN就相当于一个电流源。设计通过信号调理电路将PIN产生的电流信号转换为FPGA可接受的标准TTL信号。信号调理单元如图4所示，光电二极管工作在偏压状态下，进行光信号到电流信号的转换，后经过两级放大并转换为电压信号。

图4 信号调理框图

前置运算放大器主要是完成电流-电压的转换，也称为跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier：TIA)，选用ANALOG DEVICES公司的OP37芯片，其输出端有很好的负载能力，电流-电压转换电路如图5所示。其输出电压为

Uout=Uref-IinRfdb

式中:Uref为参考信号输入端;Rfdb为反馈阻抗。由此可见，通过使用跨阻阻抗可成功将电流信号转换为电压信号。而对于所有的负反馈电路，均存在一定幅度的自激振荡，因此在Rfdb两端并用小容值的电容，以此消除不必要的自激振荡和过冲。

图5 电流-电压转换电路

在TIA放大之后的电压信号是一种幅值不等的数字信号，以此仍需限幅放大器作为主运放，对输出电压信号的幅值整形，使其稳定在0 V或5 V供FPGA使用。其中电压比较器是较为常用的限幅放大器，设计选用Texas Instruments公司生产的TLV3502电压比较器芯片，输入信号频率范围为0.1 Hz～230 MHz，输入信号电压范围为0.01～5Upp，阈值电压可以通过手动调节或者外接DA程序调节，调整范围为0～4.5 V，输入高阻抗，输出50 Ω阻抗。如图6所示，-INA为输入参考电压，当输入+INA的电压高于参考电压时，输出U+电压为5 V，反之则输出U-电压为0 V。

图6 限幅放大电路

3.2 视频数据恢复电路

视频数据恢复电路与视频数据采集电路功能相反，视频恢复如图7所示，将经过信号调理电路的标准TTL信号，通过FPGA将串行数据转换为并行数据，并实现视频信号的恢复。时钟模块为整个数据恢复提供5及25 Mb/s的时钟，光信号的峰值速率为25 Mb/s。FIFO模块将数据分为8 bit一组，缓存数据使其能与FPGA的5 Mb/s内部时钟同步，以便串并转换模块将串行25 Mb/s的数据转换为并行5 Mb/s的并行数据输出，经过数模转换恢复模拟的视频信号，最终实现视频数据的恢复。

图7 视频恢复原理框图

4 系统测试

根据上述原理设计制作视频传输装置。实验先对3 m通信距离下系统的通信质量进行测试，测试框图如图8所示。测试首先采用FPGA产生伪随机序列码作为信号源，直接加载在发射端驱动器上，通过直接调制的方式驱动激光器；接收端采用CDR进行时钟和数据恢复，并通过tek探测器进行波形的观察。测试结果如图9所示，图中蓝色为数据信号，黄色为CDR恢复的时钟信号，测试结果时钟频率为30 MHz，满足设计要求。

图8 通信性能测试框图

图9 探测器显示波形

5 结 语

设计了一套基于半导体激光器的可见光通信视频传输系统，利用FPGA对图像进行采集，并通过驱动电路实现光信号的发送；接收端光电转换后通过信号调理整形，数据并串转换恢复视频数据，完成视频数据的空间传输，其传输距离可达10m，且视频实时传输效果好、传输数据容量大，所传输图像清晰度高达1024P。综上所述，本文研究的可见光通信视频传输实现了高清视频数据的无线激光传输和显示，是对现有空间光通信技术的一种新型应用，极大的降低了视频传输系统的架设时间和链路维护成本，丰富了无线光通信技术的应用场景。