CN112910556A - 一种光通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光通信方法及系统。该光通信系统包括发射、信道传输和接收3部分。携带音频信息的原始数字信号解码恢复成模拟信号后，对LED进行光强度调制，进而将电信号转换为光信号发射到空间中。承载着音频数据的光信号在空间中传播，接收机采用光电转换元件获取这些信号。光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号，经滤波处理后导入扬声器恢复为音乐。本发明在结构上更为简单，不采用聚光和反射等手段就可实现近3m的有效传输距离，通信距离和信噪比都较高。相比数字通信系统，省去了接收端的解调模块，成本低廉，更加小型化，对环境要求低，可应用于多种应用场景。

Description

一种光通信方法及系统
【技术领域】
涉及光通信技术领域，具体涉及一种应用于可见光通信的方法及系统。
【背景技术】
可见光通信VLC是指在无线通信领域使用肉眼不可见的高速光和暗闪光信号，例如荧光灯或可见光，来传输信息，基于LED的可见光通信广泛受到人们的关注。可见光通信是利用二极管LED发出光线强度的变化来传递信息与照明的技术。与当前使用的无线局域网通信相比，可见光通信系统可以使用普通的室内LED照明设备代替无线LAN本地局域基站来发射信号，它的通信速度可以达每秒几十兆比特到几百兆比特，未来的传输速度还可能会超过光纤通信。只要室内可见光可以照明，就可以使用发送和接收信号的专用计算机和移动信息终端，就可以长时间下载或者上传文字字符数据或者一些音频，该系统还具有安全性高的特点。当窗帘用于遮盖可见光时，信息就不会泄漏到外面，使用多台计算机也不会影响其通信速度。由于不使用无线电波通信，一些对电磁信号敏感的地方也可以自由使用该系统，比如学校，医院等，在军营和一些保密单位，保密性高，不需要WiFi信号，就可以使用LED可见光通信来访问互联网。
可见光通信技术一经问世就受到了广泛关注并迅猛发展，取得了一个又一个突破性的成果。但在可见光通信技术中，可见光信号的有效传输距离与设备的小型化设计是亟需解决的技术问题。
【发明内容】
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种光通信方法及系统。
本申请所采用的技术方案如下：
一种光通信系统，该系统包括服务器、发射端以及接收端；
服务器，用于存储音乐文件，在播放时读取音乐文件并将文件通过UDP协议以数据流的方式发送给发射端；
发射端由主控芯片、以太网通信模块、音频解码模块和可见光调制电路组成，主控芯片与各模块间采用SPI通信；
接收端由可见光接收电路和喇叭组成，用于捕获空间中的可见光信号并将其中的信息转换为音频信号播放出来。
进一步的，所述主控芯片采用STM32芯片、以太网通信模块采用W5500芯片、音频解码模块采用VS1053芯片；
以太网通信模块连接发射端系统控制模块与服务器的网络接口，将来自服务器的数据经转换后送入系统控制模块；
主控芯片将数据写入音频解码模块以解码恢复为音频信号，经可见光调制电路后调制为可见光信号发射到空间中。
进一步的，所述音频解码模块是将MP3/AAC/WMA/MIDI格式的音频数据恢复成模拟信号；
可见光调制电路中包含了一个开关电路，通过控制它每秒数百万次闪烁，亮了表示1、灭了代表0，二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输，采用LWW5SM白光LED作为光源，并采用N沟道MOS管做为LED光源的驱动管，通过MOS管的导通和截止来控制LED的点亮和熄灭以实现了信号的发送。
进一步的，可见光接收电路的核心器件选用PIN光电二极管或APD二极管，若采用PIN光电二极管，则选用BPX65型光电二极管来接收可见光，将光信号转换为电信号。
进一步的，前级运放电路将接收到的光信号转换为电信号，再经过后级的高通滤波电路消除低频干扰，得到载有原始音频信息的电信号，将其输入到音响即可播放出音乐；
所述接收端还包括光电控测器、放大和滤波电路，采用运算放大器对接收到的可见光信号进行放大。
进一步的，前级运放电路采用BPX65光电二极管作为检测元件，接受可见光信号转换得到电信号，后级运放电路构成一个带增益的有源高通滤波器，其中电路参数进行电路指标估算，记中频带增益为A m 、上限截止频率为f B 、下限截止频率为f A ，则：
Figure 21208DEST_PATH_IMAGE001
Figure 325151DEST_PATH_IMAGE002
Figure 665521DEST_PATH_IMAGE003
。
一种光通信方法，该方法应用于上述系统中，服务器中上位机软件控制系统音乐播放，在播放音乐时进行实时音频数据传输，上位机软件主体为一个有限状态机，有等待播放音乐和播放音乐2个状态，播放音乐时，将音频文件一帧一帧地发送给单片机系统，直到文件传输完成，单片机系统的控制程序由一个有限状态机实现，包括待命和播放2个状态，播放状态下控制发射端不断接收来自服务器的UDP数据包并写入VS1053芯片进行解码。
本系统采用 STM32控制实现的模拟通信，在结构上更为简单，不采用聚光和反射等手段就可实现近 3 m 的有效传输距离，通信距离和信噪比都较高。相比数字通信系统，省去了接收端的解调模块，成本低廉，更加小型化，对环境要求低，可应用于多种应用场景。可满足室内网、物联网、车联网、工业4．0、安全支付、智慧城市、国防通信、武器装备、电磁敏感区域等网络末端无线通信需求，为物联网+提供一种崭新的廉价接入方法。同时也是具有广阔应用前景的下一代无线通信技术之一。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光通信系统的组成结构示意图。
【具体实施方式】
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的光通信系统利用LED点光源发出高速的明暗交替信号来传输数据信息，由于LED点光源信号具有较高的调制带宽，可以对信息数据，例如音视频等多媒体信号，进行调制并通过LED点光源信号进行传输，以实现信息数据的传输。
图1为光通信系统的组成结构示意图。本申请的光通信系统包括发射、信道传输和接收3部分。携带音频信息的原始数字信号解码恢复成模拟信号后，对LED进行强度调制，进而将电信号转换为光信号发射到空间中。承载着音频数据的光信号在空间中传播，接收机采用光电转换元件获取这些信号。光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号，经滤波处理后导入扬声器恢复为音乐。
（1）服务器用于存储音乐文件，在播放时读取音乐文件并将文件通过UDP协议以数据流的方式发送给发射端。
（2）发射端由STM32主控芯片、W5500以太网通信模块、VS1053音频解码模块和可见光调制电路组成，主控芯片与各模块间采用SPI通信。W5500模块连接发射端系统控制模块与服务器的网络接口，将来自服务器的数据经转换后送入系统控制模块。系统控制模块将数据写入VS1053模块解码恢复为音频信号，经LED调制模块调制为可见光信号发射到空间中。
VS1053模块是一种单片音频解码器，它包含硬件解码芯片VS1053，可将MP3/AAC/WMA/MIDI格式的音频数据恢复成模拟信号。LED调制模块中包含了一个三极管放大电路，采用LWW5SM白光LED作为光源，通过光强度调制将电信号转换为光信号。
在另一种实施方式中，LED调制模块中包含了一个开关电路，通过控制它每秒数百万次闪烁，亮了表示1、灭了代表0。由于频率太快，人眼根本觉察不到，但光敏传感器却可以接收到这些变化。二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。
为了使LED光线在可见光通信中有较好的数据传输速度，采用N沟道MOS管做为驱动管，其开关频率可高达1MHz以上。通过MOS管的导通和截止来控制LED的点亮和熄灭，实现了信号的发送。
（3）接收端由可见光接收电路和喇叭组成，可以捕获空间中的可见光信号并将其中的信息转换为音频信号播放出来。考虑到PIN光电二极管具有光电转换线性度较好、响应速度较快、价格较低等优势，所以光电接收模块核心器件采用PIN光电二极管BPX65接收可见光，将光信号转换为电信号。
在另一种实施方式中，可见光接收电路的核心器件可选用APD二极管。
本文系统实现可见光通信的硬件电路可分为发射端和接收端。
发射端电路实现了信号调制和可见光发射功能，包含音频信号调整和可见光调制2部分。调制是指使待传输的信号加载到光波的过程，可见光调制就是通过改变载波的振幅、强度、频率等方法，使可见光携带信息，可通过三极管放大电路来实现可见光调制部分。这部分电路利用LED的光调制特性将调整后的音频模拟电信号转换为光信号，其工作原理是为白光LED提供适当的偏置电流和调制电流，同时实现通信和照明功能。白光LED根据结构，可分为单芯片和多芯片2种类型。单芯片型的LED是将蓝光、紫光或某一单色LED作为光源，配合荧光粉发白光，调制速率和发光效率较高，适于作为通信调制光源。传输音频信号不需要很大的带宽，出于经济性和实用性的考虑，本系统采用市面上常见的LWW5SM作为光源。
电路中选用的运算放大器型号为LM833，具有16MHz的增益带宽，其余元件取值已在图中标出。音频信号调整部分对前级VS1053音频解码模块输出的音频模拟信号进行放大和滤波，便于后级可见光发射电路依据电流信号调制光信号；采用电容C1将由前级输入音频信号中的直流分量去除，然后通过一个带RC低通滤波的反向比例器对其进行放大或者缩小并去掉高频噪声。
在电路中取电阻电容参数为C 1 =1μF、C 2 =1nF、R 1 =10kΩ、R 2 =8kΩ。
该环节的传递函数为如下公式：
Figure 308992DEST_PATH_IMAGE004
下限截止频率约为15.72Hz、上限截止频率约为19.65kHz。中频增益为–1.95dB。
接收端电路完成通信还需要可见光信号接收电路，硅基PIN光电探测器的波长响应范围为0.4~1.1μm，很适合作可见光信号检测，目前绝大多数VLC系统均采用PIN光电二极管。设计中采用硅基PIN光电二极管作接收探测器，组成一个互阻抗放大电路来接收光信号。接收端光电检测部分电路主要由两级运放电路组成，前级运放电路将接收到的光信号转换为电信号，再经过后级的高通滤波电路消除直流偏置，得到载有原始音频信息的电信号，将其输入到音响即可播放出音乐。在该系统采用PAM8403功放芯片的典型应用电路对信号进行功率放大后送入扬声器播放出音乐。
接收端的电路由光电控测器、放大和滤波等电路组成，一般光接收管输出的电流较微弱且含有噪声，故需要经过放和滤波，在光接收管后端采用精密、高速运算放大器等对光接收管输出的信号进行放大。
前级光电检测电路采用BPX65光电二极管作为检测元件，接受可见光信号转换得到电信号。后级运放电路构成一个带增益的有源高通滤波器。其中电路参数进行电路指标估算，记中频带增益为A m 、上限截止频率为f B 、下限截止频率为f A ，则：
Figure 706475DEST_PATH_IMAGE001
Figure 497713DEST_PATH_IMAGE005
Figure 576528DEST_PATH_IMAGE003
该系统的控制程序分为2部分，分别是采用Python语言编写的上位机程序和采用C语言编写的单片机程序。服务器中上位机软件控制系统音乐播放，在播放音乐时进行实时音频数据传输。上位机软件主体为一个有限状态机，有等待播放音乐和播放音乐2个状态，播放音乐时，将音频文件一帧一帧地发送给单片机系统，直到文件传输完成。单片机系统的控制程序主要功能同样也是由一个有限状态机实现的，包括待命和播放2个状态，播放状态下控制发射端不断接收来自服务器的UDP数据包并写入VS1053芯片进行解码。
在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载并被执行时，可以执行上文描述的方法的一个或多个步骤。
本发明中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）等等。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (7)

1.一种光通信系统，其特征在于，该系统包括服务器、发射端以及接收端；
服务器，用于存储音乐文件，在播放时读取音乐文件并将文件通过UDP协议以数据流的方式发送给发射端；
发射端由主控芯片、以太网通信模块、音频解码模块和可见光调制电路组成，主控芯片与各模块间采用SPI通信；
接收端由可见光接收电路和喇叭组成，用于捕获空间中的可见光信号并将其中的信息转换为音频信号播放出来。
2.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，所述主控芯片采用STM32芯片、以太网通信模块采用W5500芯片、音频解码模块采用VS1053芯片；
以太网通信模块连接发射端系统控制模块与服务器的网络接口，将来自服务器的数据经转换后送入系统控制模块；
主控芯片将数据写入音频解码模块以解码恢复为音频信号，经可见光调制电路后调制为可见光信号发射到空间中。
3.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，所述音频解码模块是将MP3/AAC/WMA/MIDI格式的音频数据恢复成模拟信号；
可见光调制电路中包含了一个开关电路，通过控制它每秒数百万次闪烁，亮了表示1、灭了代表0，二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输，采用LWW5SM白光LED作为光源，并采用N沟道MOS管做为LED光源的驱动管，通过MOS管的导通和截止来控制LED的点亮和熄灭以实现了信号的发送。
4.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，可见光接收电路的核心器件选用PIN光电二极管或APD二极管，若采用PIN光电二极管，则选用BPX65型光电二极管来接收可见光，将光信号转换为电信号。
5.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，前级运放电路将接收到的光信号转换为电信号，再经过后级的高通滤波电路消除低频干扰，得到载有原始音频信息的电信号，将其输入到音响即可播放出音乐；
所述接收端还包括光电控测器、放大和滤波电路，采用运算放大器对接收到的可见光信号进行放大。
6.根据权利要求5所述的光通信系统，其特征在于，前级运放电路采用BPX65光电二极管作为检测元件，接受可见光信号转换得到电信号，后级运放电路构成一个带增益的有源高通滤波器，其中电路参数进行电路指标估算，记中频带增益为A m 、上限截止频率为f B 、下限截止频率为f A ，则：
Figure 894825DEST_PATH_IMAGE001
Figure 631837DEST_PATH_IMAGE002
Figure 217539DEST_PATH_IMAGE003
。
7.一种光通信方法，该方法应用于如权利要求1至6之一所述的系统中，其特征在于，服务器中上位机软件控制系统音乐播放，在播放音乐时进行实时音频数据传输，上位机软件主体为一个有限状态机，有等待播放音乐和播放音乐2个状态，播放音乐时，将音频文件一帧一帧地发送给单片机系统，直到文件传输完成，单片机系统的控制程序由一个有限状态机实现，包括待命和播放2个状态，播放状态下控制发射端不断接收来自服务器的UDP数据包并写入VS1053芯片进行解码。
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