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可见光通信的设计与实现
瓦利德·哈立德·阿扎维、瑞德·哈立德、艾曼·穆罕默德·柯达耶，杜莱米
法拉希迪大学，巴格达，伊拉克
摘要:无线通信最近有许多技术发展，需求呈指数级增长，如缺乏足够的空间、带宽限制和干扰。无线电波被用来进行传统的相互作用，由于这一挑战，越来越多的义务寻找新技术。因此，利用光接触是一个非常激励的无线通信解决最大的挑战。LiFi（轻保真度）是一种现代的接触方式。可见光通信(VLC)同时解决了启蒙和通信方面的问题。本文构思并实现了一个VLC的概念。
关键字:可见光通信、实现、LiFi（光保真度）、可见光通信(VLC)
- 介绍
该项目旨在开发一个原型，以创建一个使用可见传输频谱的通信连接。这通常被称为可见光通信(VLC)。此外，它还试图在精度方面平衡速度和距离之间的固有贸易价值。其目标是在50厘米处达到1Mbps的数据速率，准确率超过99%。VLC是一个现代概念，可以影响未来的无线通信 。在VLC中，信息是通过调制用于照明的可见光光谱(400-700nm)来传递的。分析和实验工作表明，VLC有能力提供高速数据传输，同时还提高了能源效率和传输过程中的安全性/隐私性。VLC仍处于早期调查阶段。关于这一课题撰写的主要涉及物理层研究的综述论文较少。与其他 文章不同的是，本文提出了一个VLC视角框架，以及当前的文献调查，以及VLC实现和集成[1]的可能障碍。照明吸收了全球所使用的约19%的能源，而且由于全球过时的照明光源仍在使用 ，因此有巨大的节约电力的潜力。荧光灯也有一些缺点，其发光效率比白炽灯和卤素灯更高。本文介绍了发光二极管(LEDs)作为建筑光源的研究能力的几个方面的发现，并将其与更集成的光源进行了比较。它包括来自七家光源制造公司的科学论文、政府报告和产品目录的摘要。结果表明，LEDs具有较长的寿命，相关色温范围广，良好的发光效率，显色指数，以及许多其他与荧光灯相似的特性。然而，生产成本仍然高于其他照明系统，而且市场上仍有太多的低质量的LEDs可用。此外，散热效率低的LEDs可能会有很高的管腔折旧；因此，会导致更短的寿命。然而，尽管有这些限制，LED技术正在迅速发展，与其他光源不同的是，它有巨大的发展潜力，可能是未来几年照明的最佳选择[2-7]。然而，VLC需要在传统的室内环境中进行网络的多单元活动，以实现无缝覆盖和高数据率。这种蜂窝网络被称为光学适应-蜂窝网络。该网络内相邻光单元之间的共信道干扰(CCI)限制了网络容量。为了优化设备效率和提高整个覆盖区域的信号质量，需要缓解CCI。多点联合传输(JT)原理适用于蜂窝VLC网络。它通常可以定义为从多个合作基站(BSs)向移动站(MS)并发并发数据。在VLC JT系统中，协调传输防止了重CCI，此外，还利用了强度调制(IM)系统的一个基本特性。这是因为信号通常是建设性地叠加，与射频(RF)依赖系统形成直接对比。因此，有可能增加细胞边缘的消费信号到干扰加噪声比(SINRs)。结果表明，与完全频率复用系统[8-15]相比，JT方案使平均SINR增加了16.4dB。在本文中，迫切需要寻找一种解决这种频谱危机的方法，以及由于对物联网等新兴技术的需求而推动了其日益增长的需求。有趣的是，我们正面临着一个看似合理的选择——可见光。这个想法导致了一个全新的、迅速出现的光保真度，或通常被称为LiFi。它是一种经常被用来代替可见光通信的概念，也是一种试图与启蒙和交流共同解决这个问题的方法。这是通过操纵高频光源来实现的，使敏感的光电二极管对人眼看不见。这种通信设备有多种用途。想象一下，一个无人驾驶汽车的前大灯与临时的c灯互动，以决定是否向前走。以室内定位系统为例，移动摄像头可以与周围的灯光通信，以评估我们在这里的位置，比如大型购物。我们对这些不同的应用感到兴奋，我们同意创建一个基于可见光通信的链路原型。目前的项目的目标是尽快提交数据，同时保持所需的接收精度。在这种情况下，该项目包括一个发射器，一个LED，它将把消息信号中继到接收器。
- 方法论
该项目设计的目的是使用可见光创建一个通信连接，其中数据从一个le获取，通过连接发送，并再次存储在一个精简的接收端。挑战不仅在于独立设计硬件和软件系统，还在于设计和整合两者之间的无缝集成。在硬件方面，一个标准通信设备有两个组件，一个在传输端上，另一个在接收端上。接收机的复杂性也增加了，以确保数据的同步传输。考虑到这些广泛的分类，项目硬件模块基本上由4个子系统组成，即：发射机电路、接收机电路和时钟同步电路。第二和第三组件一起在接收器处形成硬件，同时有效地合并第四元件以使设备便携。本质上，发射机电路必须获取输入数据并通过导线发送。接收电路设计用于收集数据和处理来自连接和终端的数据波形。顾名思义，时钟同步组件允许通过检索时钟来实现同步数据接收。除了这个硬件部分之外，我们还有一个软件组件。来自le的数据被读取到传输端的tivaC板上，在那里数据使用编码进行编码，然后以适当的频率发送到一个引脚。该引脚输出作为对变送器电路的参考。硬件本身在接收端进行解码，然后tivaC只需要读取数据并提取数据，并通过与设备的USB连接将其发送到接收端。一个移位寄存器用于允许同时读取四个引脚。图1和图2显示了发射机和接 收机的方框图。它还提供了一个开始和停止收据的协议。
图1.发射器框图
图2.接收器框图
3.系统实现
3.1.通信协议
除了编码外，还使用了ON-O键控(OOK)。当输出为1位时，开o键控的输出为5V，当输入为0时，输出为0V。尽管ON-O键控会降低平均光值，从而降低功率，但该选项背后的主要原因是它在实现和调试方面的灵活性。简单地说，位1编码为10，位0编码为01。当然，OOK顶部的编码指的是PLL电路，PLL电路直接给我们解码的输出，这就是使用这种编码的主要原因。对于传输，首先发送一个0s的序列，这在编码时给出了一个01的序列，并有助于锁定PLL。然后它发送一个开始列表，然后发送实际的数据，并终止消息。发射机和接收机都知道这些序列，因此接收机知道什么时候开始保存数据，什么时候结束数据。
3.2.发射机代码
发射机(TivaC)的任务是定期向发射机电路发送编码位。虽然这似乎是一个琐碎的任务在r-s-t使用的计时器中断，但也有一些问题，特别是由于USB连接。TivaC有一个USB接收器，当从设备发送东西时就会控制。这是在Pyserin和PyUSB的帮助下完成的。当TivaC从PC接收数据时，它立即进入中断接收处理程序，该处理程序接收收集到的位并将它们存储在它的内存中。使用计时器中断，这个功能中断通常的传输，因此整个硬件崩溃。还有其他一些问题，例如由TivaC获得的初始30字节是垃圾值，并且在连接USB和从PC发送位之间必须存在一些错误（3-4秒）。如上所述，TivaC有一个非常宽的非易失性内存；为了测试目的，最好将le硬编码为TivaC。如果知道数据要被传输，发射机对数据进行编码并将其存储在业务处理器中。它最初发送一个PLL用于锁定的同步序列，一旦PLL被锁定，它就会继续以循环发送数据的方式分布（实现为一个循环数组）。同步电路也需要很少的额外位来操作。开始序列和结束序列分别应用于在开始和结束处传输的数据。
3.3.发射机电路
发射机电路将数据（待传输）作为TivaC板的输入，并根据输入数据驱动LED。该电路很简单，主要由一个LED驱动器和一个电阻器组成，以控制光强。为了驱动信号，我们的电路实现使用了ICSN7440N，这是一个双四元输入NAND门。在输入端，在输出处有上拉电阻和类似的下拉电阻，以控制引导信号的振幅值，从而控制平均LED强度。这是一个重要的因素，因为光源的主要用途大多不是在VLC应用程序中的通信，而是为了提供照明。因此，要实现双重动机，重要的是我们不应该实现主要的意图。光电二极管的灵敏度是需要调节平均强度的另一个因素。所使用的光电二极管总是在一个强度范围内是敏感的，如果我们使用它超过这个范围，它似乎表现不足或饱和。因此，根据发射机和接收机之间的距离，这些值将需要进行调谐。任何功能适当的基本逻辑门都可用于LED驱动器。由于与非门的低电阻，我们在输出处使用低逻辑驱动，以确保输出不是可选择的。
3.4.接收器电路
顾名思义，接收机电路是指在信号的接收端处的用于采集和接收信号的硬件。这个电路基本上是捕获数据，放大捕获的信号，并将噪声传给波形，可以用来同步时钟。光电二极管吸收光，产生的电流的大小与落在光电二极管上的光的强度成正比。重要的是要记住，有许多强度的光电二极管的性能很好，它应该确保二极管是在这个范围内工作，以便输出不饱和。为此，我们的电路实现使用了BPW34光电二极管。使用它的关键原因之一是，它有一个相对较小的下降和上升时间，约为100ns，这将使我们能够在更高的频率范围内工作，并很容易地传输数据，从而允许更好的数据速率。光电二极管提供的电流只有微安培(106A)在使用前需要进行扩增。因此，电流通过一个大的电阻器来放大连接到一个buer电压的电压，以进一步使用该电压。应确保上述电路其余部分的隔离。这一点很重要，因为电路的这部分的电流很低，如果要直接连接，它可以被电路的其他部分连接。变送器的实现电路如图3所示。
图3.发射机实现
该程序没有高频噪声，而是具有低频谱。这主要是因为应用在设备上的噪声来自于落在环境光上的光电二极管光。速度驱动的频率变量等于50Hz的供电频率。因此，必须从接收到的信号中去除50Hz部分。如果没有实现这一点，那么波形看起来就像一个在非常低频波上调制的真实波(实际上相当于50Hz)。因此，一个简单的铜频率为700Hz的高通RClter通过波形。波形在这个阶段已经升高，失去了矩形形状。输出通过一个比较器传递，以确保恢复原始的矩形波形。这里使用的比较器是LM361，它可以工作到1米赫兹，远远高于所需的范围。比较器的输出然后被输入到进行时钟同步和频率校正的电路中。
3.5.时钟同步和频率校正电路
时钟同步和频率校正的功能，从接收的信号中去除时钟，并与提取的时钟中的接收信号同步。这个特殊的阶段是很重要的，因为我们需要得到一个参考时钟，因为我们将分析我们已经获得的数据。不仅如此，该关系还必须被安排成发生正确采样的这样一种方式，也就是说，数据将在正确的时间进行采样。接收机电路如图4所示。
图4.接收器实现
当前的问题是PLL电路如何记住时钟，直到实际数据被传输。如前所述，发送和接收的数据将被进行编码。很明显，这些数据将是一个由1和0的非周期序列。根据所发送的数据，从高到低的转换将在任何时候发生。PLL不应该对每个转换都做出反应，而应该只对周期性的、与传输数据的实际频率对应的选定数量的转换做出反应。
3.6.移位寄存器和接收器代码
接收器电路将发出时钟的解码比特。这被传送到一个分类中。研究人员选择了SN7495作为轮班登记册。移位寄存器有多种模式，左右负荷用于项目连续移位，i。e.它本质上接受了一个串行输入，并在4个引脚上给出了正确的输出。它以PLL时钟和数据输出作为输入，同步给出当前4位的数据输出；接收器代码接收器有4个引脚注册进入它的4个gpio引脚。时钟被发送到一个TivaC gpio引脚，一个gpio中断在这个pio上被启用，中断在边缘被调用会增加。当检测到一个增加的边时，命名一个中断函数处理程序，该处理程序读取4gpio引脚以获得移位寄存器信息。最初，接收器(TivaC)检查要启动的序列。当找到这个开始序列时，它就知道在此之后将会有相关的数据。由于移位寄存器给出了4个引脚的性能，接收器检查4个的倍数，并使用这些数据来构成整个字节。这是根据开始序列来完成的，在每第4个时钟周期后，检查是否读取数据。因此，在每一个(4k 1)边缘，它接收较低的片段，在每一个(4k)高度，它接收较高的碎片，并将它们组合形成一个字节并增加数组指针。它还会检查结束序列是否同时出现。当到达结束序列时，它将禁用中断。所有与USB相关的问题也在了。因此，我们需要确保USB中断是不被允许的，直到它们全部被获得。如果它接收到所有传输的数据，收集到的数据将使用USB连接到PC。
4.性能评价
样品规格如下。它有对每个组件的详细描述，以及选择相同组件的原因。这是一个简单的电路，使用一个SN7440NIC与非门。它是一个双四输入集成电路。输入端通过一个1.5k的上拉电阻器连接到电源上，而一个220k的电阻器则将输出引脚连接到正极LED端子上。NAND门被用来驱动电路，主要是因为，当输出被驱动到一个低值时，它有一个非常低的电阻，使它很容易沉在电流中，因此不会扭曲输出。图5和图6反映了电路发射器和接收器。
图5.发射机电路PCB，注：1.5k连接到5V。
图6.接收器电路PCB，注：10K连接到5V。
光电二极管的规格是快速响应时间、可见光谱光谱灵敏度和广泛灵敏的辐射场。敏感辐射区域的大小是至关重要的，因此使用的光电二极管是一个VISHAYBPW34。光谱带宽范围从430nm到1100nm，这给了预期的应用一个完美的范围它的光强度呈线性，辐射的敏感区域为7.5毫米2，它比大多数光电二极管都要大。它有一个上升和停机时间为100ns，每个提供一个5mHz的开关频率。这还伴随着一个高压跟随器，将信号转换为电压波形，并将其与电路的其他部分进行电性分离。然后输出通过一个使用简单的无源组件。其特征形成为停止频率=100Hz，传输频率=5kHz。使用这些值绘制并分别测试。重要的是要记住，冷凝器在这里起着双重作用。除了后一部分外，它还可以作为解耦冷凝器。由于NAND门在0到5V之间翻转，到目前为止，波形一直在0-5V的范围内。冷凝器后，系统的直流值为0，电压的正负值波动相等。
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