基于以太网的可见光通信系统
可见光通信实验平台:
实物图:
系统通信链路:
从计算机A向计算机B发送以太网数据的流程是:
1.计算机A通过自身的网卡,将需要的数据传输到信号接口 处理电路模块,进行滤波和耦合到以太网转换模块。
2.信号经以太网介质转换模块进行时钟恢复、解扰等处理, 并将以太网的MLT-3电平转换成适合LED光源调制的单极性 NRZ电平,再传输到光发射机模块。
另外,还有时钟提取、信号判决再生和数据转发等功能。 以太网介质转换模块的工作方式是存储-转发,并不对4B5B 码进行编码和解码处理。这种处理方式忽略所有的误码,以 牺牲纠光源LED的工作原理与特性:
a.伏安特性:
b. P-I特性:
c.调制特性: 调制特性是指将电信号加载到LED 光源上变成光信号
(5)光接收机: 光接收机原理框图:
信息的处理是采用“电处理、光传输” 方式,这种工作方 式的特点是:光电探测器的功能相当于电通信系统中的检波器, 仅仅是完成光强度变换的检测,完成光/电转换;检测出的电 信号在后续处理中与传统的电通信系统几乎一样,在传统的电 系统中完成放大等各种处理。
LED 的模拟调制技术:
设置好合适的偏置电流,以使静态工作点位于LED 的P-I 特 性曲线的中间,避免线性失真,然后再提供足够大的调制电 流驱动LED 光源发出足够强的光功率。
LED 的数字调制技术: 利用PCM 脉冲来实现 控制LED 导通和截止, 驱动电路主要起到开 和关的作用,LED 的 P-I 特性的非线性对数 字调制来说影响很小, 所以电路的开关速率, 即数据调制速率才是数字调制首要考虑问题
两种优化的研究方法: ☆射极耦合电流开关型LED高速调制驱动电路:
由于该电路超越了线性范围工作, 即使输入端过激励时, 其仍没有达到饱和,所以开关速率更高,计算表明该电路可响 应300Mb/s以上的数字信号。
☆均衡技术:
国外研究人员通过在白光LED通信系统中引入均衡技术 来提高系统的调制带宽。以16个LED作为光源, 同时借助于 16组略有差异的调谐驱动电路使每个LED具有不同的峰值频 率。每个LED的前置均衡电路都由一个缓存器、谐振电路、 谐振电容、谐振电感以及直流源组成(将产生的直流信号叠 加到原始信号上)。通过实验证明, 采用均衡技术将LED的调 制带宽从3MHZ提高到了25MHZ,同时相应地降低了系统的误码 率。在接收端也引入了均衡技术, 在实验中接收端的均衡方 案由一个简单的一阶模拟均衡器组成。最终的实验测试表明, 收发两端引入均衡技术后, 系统可以在保持106 级误码率的 同时提供超过75Mb/s的传输速率。
吴华炳 谢彬 白仲亮
1.可见光通信的概念 2.基于以太网的LED可见光通信系统 3. OFDM技术在可见光通信中的应用
可见光通信技术,是利用荧光灯或发光二极管等发 出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的, 将高速因特网的电线装置连接在照明装置上,插入 电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够 覆盖室内灯光达到的范围,电脑不需要电线连接, 因而具有广泛的开发前景。
(4)光发射机: 光发射机原理框图:
光发射机的主要功能是将电信号调制到LED 光源发出的 光上,然后在自由空间中传播出去。 光发射机性能的主要技术要求包括: (1)光源性能应符合要求。 (2)稳定的输出光功率。稳定的光功率输出能够保持系统 的稳定性。 (3)调制方法要简单,好的消光比。 (4)快的响应速度。
的特性。LED 的调制特性主要有两个问题,一是线性,二是 带宽。
LED 输出功率可表示为: p w p 0
1 (w )
可见光LED 驱动调制技术: 光波是电磁波的一部分,理论上光通信系统的信号调制
方式和电通信系统一样,都可以通过调幅、调频及调相把信 息调制到光上. 因为LED 光源的频谱不纯,中心频率也极不 稳定,出于设计实现简单和经济效益上考虑, 光通信系统 几乎都采用直接调制-幅度调制方式,称为直接光强度调制 法,即改变光源的激励电流,使得光输出强度随信号“0” 和“1”的不同而改变,用不同光输出强度代表不同信号。
(2)以太网介质转换模块:
计算机通过网卡与外界局域连接起来,网卡发送数据是 把计算机要发送的并行数据转换成串行数据,组装成以太网 帧,然后通过网卡的RJ45接口发送到5类非屏蔽双绞线上。
可见光通信系统要设计功能电路模块来完成信号从双极 性三电平的MLT-3编码到单极性码。同样的道理,来自光接 收器的单极性码也要通过功能电路模块变换成适合双绞线传 输的双极性三电平的MLT-3编码。
3.光发射模块的功能是向LED光源提供驱动电流,同时将电 信号调制到LED光源上,实现信号的电/光转换。信号调制成 光信号的形式,在空气中传播。
计算机B接收来自计算机A的数据流程:
1.PIN探测器接收来自计算机A的光信号,将光信号变成电信 号。
2. 变换后的电信号在光接收机模块和以太网介质转换模块 中进行放大、时钟提取和数据判决等处理,处理后的数据恢 复出原来的信息供计算机B使用。
(1)接口处理电路:
接口处理电路主要用于信号电平耦合,主要作用有:
1.将差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波使之得以增强,增 大传输距离。
2.提供芯片与外部模块的电气隔离,因为外部信号是通过电 磁场的转换耦合进来的,隔离了直流分量,避免大直流分量 对芯片的损坏, 还起到静电保护作用和一定的防雷作用。
3.兼容不同模块。隔离系统模块与模块之间的不同电平,以 防止不同电压通过网线传输损坏设备,使得采用不同电压供 电的模块可以兼容工作。
调制带宽是衡量LED的调制能力的参数, 是LED用于无线 光通信的重要参数之一, 它关系到LED的数据传输速度大小。 LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容 的影响。在白光LED制造工艺上, 除了减少载流子复合寿命 和减小寄生电容, 我们还可以采用具有很大的潜在调制带宽 的多芯片型白光。此外, 通过外部驱动电路的优化设计也是 提高LED调制能力的一种方法。
基于单片机的可见光通信系统实验设计
基于单片机的可见光通信系统实验设计1. 实验目的:了解可见光通信技术的原理及应用,设计并实现单片机控制的可见光通信系统。
2. 实验原理:可见光通信技术是利用光的属性进行通信的一种新型通信技术,与无线电通信技术相比,可见光通信技术具有无线电磁波干扰小、安全性高、光源广泛、无电磁辐射等优点。
光通信通过编码、调制、解调和解码等方式将信息传输到信道上。
如图1所示,一个光源通过编码电路将信息转换成可见光信号,然后光源将光信号传输到相应的接收器上,接收器通过解码电路将信息从光信号中提取出来。
3. 实验器材:1)LED发光二极管(TX端)和光敏二极管(RX端)2)Arduino单片机3)电阻、电容等元器件4)电源4. 实验步骤:1)把TX端的LED连接到Arduino单片机的数字管脚上。
2)对发送的信息进行编码,比如ASCII码。
3)将编码后的信息转化成二进制数字。
4)用二进制数字控制LED的亮灭时间,并在TX端发送出来。
5)在RX端将接收到的可见光信号转换成电信号,并识别出其中的二进制数字。
6)解码二进制数字并转换成信息。
7)在RX端显示出信息。
5. 实验注意事项:1)实验中的光源和光敏二极管要放置在一定的距离内,避免直接光照射手眼。
2)发送端和接收端的波长要匹配。
3)需要设置适当的功率和亮度。
6. 实验拓展:1)可以在单片机中增加自适应亮度调节、自适应位宽调节等功能。
2)可以尝试对传输速度进行优化,提高传输速率。
7. 实验结论:通过单片机控制的可见光通信系统,可以将信息通过可见光传输到接收端,并将信息显示出来。
可见光通信技术在新型通信技术中具有较大发展前景。
可见光远距离通信系统的设计与实现--基于室外环境
可见光远距离通信系统的设计与实现——基于室外环境张轩,黄明,汪弈舟,李国诚,徐泽琨(北方工业大学,北京 100144)摘 要: 在高压输电线、飞机、高铁等强干扰特殊场景下,为解决无线通信会受到极大限制的问题,应用可见光的特征,设计一种利用可见光传输、判断、监测的通信系统。
使用LED灯作为光源,用菲涅尔透镜对光汇聚成束;在远距离接收端,去除背景光影响,对信道均衡处理,完成波形恢复重建。
设计案例研究表明:室外正午阳光环境/夜色下均可在50 m传输距离达到7 Mbps,在70 m传输距离达到1 Mbps实时稳定传输。
设计的通信系统可在诸多特定环境下进行正常通信,且具有很高的定向性和安全性,同时具有成本低廉、性能优越、使用价值高的特点。
关键词: 可见光通信系统;远距离;室外;信道均衡;抗干扰中图分类号:TP 311 文献标识码:A 文章编号:2095-8412 (2019) 04-036-05工业技术创新 URL : http: // DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.04.007引言可见光通信(VLC )是一种利用人肉眼可见频率的光线(波长400~760 nm )进行传输的通信方式。
光波不会像传统电磁波那么易受周围电磁场干扰,且有较强的定向性,基于这种特殊性质,可见光通信具有极高安全性和抗干扰性,在军用、强电传输等领域有很高的应用价值。
可见光通信具有广阔的发展前景,近年来国内外投入大量财力和人力对其进行研究,可见光通信技术也因此得到了飞速的发展[1]。
当前,可见光通信领域更多的研究方向为高速传输,速率上已达到数百兆比特率,甚至在离线传输时能达到10 Gbps [2],但这仅限于在室内的较为理想环境中,实用性较差。
在室外,关于利用照明设施进行几十米甚至百米的实时传输的研究极少。
本文设计一种可见光通信系统,包括提出设计方案,以实现可见光通信在室外环境下的远距离实时传输。
实时以太网视频的室内可见光通信系统研究
1 8
北 方 工 业 大 学 学 报
第2 6卷
放 大 电路 选 用 高 速低 噪运算 放 大 芯 片 , 输
尤其 严 格.目前 市场 上 还没 有 完 全成 熟 的兼顾
入 信 号 先 经过 一 个 射极 跟 随 电路 , 以稳 定 信 号
输入 , 加大 电路 驱 动能力 . 放 大 电路 采用 同相放
刘 伟 张 常 年 钟 豪 康 小麓
( 北方工业大学信息工程学 院, 1 0 0 1 4 4 , 北京)
摘
要
将L E D照 明和 可 见 光 通 信 技 术 结 合 , 构 建 出 基 于室 内实 时 以 太 网 视 频 传 输 的 可
见光通信系统. 系统 发 送 端 利 用高 速场 效 应 管 直 接驱 动控 制 光 源 , 并 结 合 以太 网 数 据 特 征 , 采 用 UD P传 输 协 议 , 对信号进行 4 B : 5 B和 非 归 零 反 相 编 码 ( NR Z I ) 相 结合 的编码. 接 收 端 采 用 基 于 F P G A 的数 字 锁 相 环 技 术 对 光 探 测 信 号 的时 钟 和 数 据 进 行 恢 复 和 提 取 . 系 统 实 现 了室 内 l m 距 离的实时以太网视频可见光通信传输 , 促进 了 可 见 光 通 信 技术 的 实 用 化 . 关键词
收 稿 日期 : 2 0 1 3 — 0 8 — 2 2
芯 片 与 网 口 的初 始 化 , 以 及 UD P协 议 传 输 数 据 报 头 和数 据 尾 帧识 别 , 以便 于 光接 收 电路 中 进 行 相应 的数 据 同步 与恢 复. 由于 以太 网数 据
第一作者简介 : 刘伟 , 硕士研究生. 研究方 向: 电子 系统 设 计 、 嵌 入 式 系 统 应 用
基于STM32的室内可见光通信系统
基于STM32的室内可见光通信系统
封蔚鸿;葛冬;吴远兮;张而弛
【期刊名称】《移动信息》
【年(卷),期】2016(000)007
【摘要】提出了一种室内LED可见光通信系统.该系统利用STM32通过编程从端口产生编码调制后的电信号,该电信号驱动LED发送高速变化的光信号.在接收端,光信号被PIN二极管转换为电信号,电信号在经过解码之后还原出信源信息.
【总页数】3页(P77-79)
【作者】封蔚鸿;葛冬;吴远兮;张而弛
【作者单位】东南大学,江苏南京211189;东南大学,江苏南京211189;东南大学,江苏南京211189;东南大学,江苏南京211189
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.1
【相关文献】
1.基于STM32室内可见光定位系统的实现 [J], 胡玉松
2.基于STM32的可见光通信系统之OOK调制技术 [J], 刘正翔
3.基于STM32的LED可见光通信系统 [J], 陈昊; 潘欣裕; 赵浩剀; 李凤
4.基于用户QoE的室内可见光通信系统接入策略 [J], 李永慧;鲍煦;李鹃;夏景;宋铁成
5.基于改进粒子群算法的室内可见光通信系统灯源布局 [J], 周旭;张业荣
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LED照明通信系统的设计与实现
LED照明通信系统的设计与实现崔远慧;包伟;牟俊;王智森【摘要】设计了一款用于室内点对点单向无线传输的光通信系统.该系统采用白光LED作为传输载体,STM32作为主控单元,开关键控驱动作为基本调制方式,在满足室内照明的前提下,设计了发射与接收装置电路、LED调制发射电路、接收解调电路、信号放大电路、电源模块电路.制作的样机系统最终实现了对26个字母连续每隔1s传输1000次,传输记录140cm、误码率为零的测试.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2016(040)002【总页数】4页(P33-36)【关键词】可见光通信;开关键控调制;LED;STM32【作者】崔远慧;包伟;牟俊;王智森【作者单位】大连工业大学集成测控技术研究所,辽宁大连116034;大连工业大学集成测控技术研究所,辽宁大连116034;大连工业大学集成测控技术研究所,辽宁大连116034;大连工业大学集成测控技术研究所,辽宁大连116034【正文语种】中文【中图分类】F276.3LED具有可频繁开关、连续调光及光电响应速度快等特点,人们在利用LED作为照明光源的同时,将信号调制到LED上进行无线传输的可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术已经成为研究的热点之一[1-3]。
1998年,香港大学的G.Pang首次提出采用LED交通指示灯作为通信光源,为车辆传输语音信号[4],之后,各国的研究人员相继对白光LED作为通信载体进行细致的研究[5,6]。
2000年,Y.Tanaka,S采用LED台灯作为通信光源,对白光LED作为可见光通信光源进行了初步实验研究[7]。
2009年,H.Elgala,R.Mesleh等人研究了短距离室内可见光通信的信噪比和信道编码的误码率性能[8,9]。
国内在可见光通信领域的研究起步相对较晚,从2006年起,国内的暨南大学等高校的科研人员开始了对LED作为照明和通信光源的可行性研究[10,12]。
基于LED可见光通信系统设计与实现
基于LED可见光通信系统设计与实现为演示可见光通信原理,设计了一款简易的基于LED的可见光通信系统,系统能够将输入的音频信号调制为可见光进行无线传输;接收端将光信号转换为携带信息的电信号,电信号再经滤波、解调、放大,最终还原出输入的音频信号。
标签:LED;无线通信;调制解调Abstract:In order to demonstrate the principle of visible light communication,a simple LED visible optical communication system is designed,which can modulate the input audio signal into visible light for wireless transmission. The receiving end converts the optical signal into an electrical signal carrying information,and the electrical signal is filtered,demodulated and amplified,and finally the input audio signal is restored.Keywords:LED;wireless communication;modulation and demodulation1 研究背景及意义目前比较成熟的可见光通信技术是光保真技术[1],英文名LightFidelity(简称LIFI),是一种利用可见光进行数据传输的技术。
这项技术利用LED灯泡快速闪烁来传输数据,由于闪烁速度足够快,所以人的肉眼几乎感知不到灯泡的亮灭[2]。
相对于当前使用的WIFI通信技术[3],LIFI通信技术具有以下几个方面的优点:频谱宽度方面,无线电波频谱很紧密,而可见光的频谱宽度约为400THZ,比无线电波多1000多倍;效率方面,无线电波基站的效率只有5%,大多数能量只是消耗在基站的冷却上,而LiFi的数据可以并行传输,提供照明的同时进行高速的数据传输,安全性方面,无线电波很容易被截取,而可见光不能穿墙,甚至不能穿过窗帘,所以LIFI提供了网络的隐私安全,方便等优点[4]。
可见光通信技术(VLC)的原理和应用
可见光通信技术(VLC)的原理和应用1. 简介可见光通信技术(Visible Light Communication,简称VLC)是一种无线通信技术,利用可见光波段传输数据。
与传统的射频通信技术相比,VLC具有更高的带宽和更低的功耗。
本文将介绍VLC的原理以及其在不同领域的应用。
2. 原理VLC利用LED等光源作为发送端和接收端的组件。
在发射端,将数字信号传输到LED,并将其转换为光信号。
在接收端,使用光敏电池或光敏二极管接收光信号,并将其转换为电信号,再进行解码。
VLC的原理可分为以下几个部分:2.1 调制VLC通常使用OFDM(正交频分复用)技术进行调制,将数据信号分成多个子载波进行传输,以提高传输效率和抗干扰能力。
2.2 编码和解码在发送端,使用多种编码技术对数据进行编码,以提高数据传输的可靠性和纠错能力。
在接收端,使用相应的解码算法进行解码,以还原原始数据。
2.3 光通信传输发送端通过LED将光信号传输到接收端。
由于光的传播速度较快,VLC可以实现高速率的数据传输。
2.4 光电信号转换接收端使用光敏电池或光敏二极管将光信号转换为电信号。
然后,通过相应的电子电路进行信号放大和解码。
3. 应用3.1 室内定位VLC可以用于提供室内定位服务。
通过在室内空间中部署VLC发射器,并在移动设备中安装相应的接收器,可以实现对移动设备的精确定位。
这对于室内导航和定位服务非常有用。
3.2 照明系统VLC可以与照明系统相结合,实现室内照明和数据传输的双重功能。
LED灯可以同时作为光源和通信设备,将数据传输到接收设备,并提供照明。
3.3 车联网VLC可以应用于车联网领域,用于车辆之间的通信和车辆与基础设施之间的通信。
通过在车辆和道路上部署VLC设备,可以实现车辆之间的高速数据传输和实时通信。
3.4 室外通信VLC不仅可以应用于室内环境,也可以用于室外通信。
在室外环境中,VLC可以为城市提供高速、安全的通信网络,并可以用于无线电和移动通信基站之间的连接。
可见光通信系统关键技术研究与应用实现
可见光通信系统关键技术研究与应用实现随着信息技术的迅速发展,人们对于高速、安全、可靠的无线通信系统的需求日益增加。
而传统的无线通信技术,如Wi-Fi和蓝牙,因为频谱资源有限以及信号干扰等问题,逐渐难以满足这一需求。
与此同时,可见光通信技术以其独特的优势逐渐引起人们的关注。
可见光通信(Visible Light Communication, VLC)是一种基于可见光通信原理的无线通信技术,利用可见光的传输媒介,实现数据传输和通信。
与传统的无线通信技术相比,可见光通信具有以下几个突出的特点。
首先,可见光通信系统是一种新兴的绿色通信技术,主要利用LED (Light-Emitting Diode)作为光源,LED具有小巧、耐用、低功耗等优势,比较节能。
相对于传统的无线通信技术所使用的射频信号,可见光通信可以在不增加电磁辐射干扰的前提下实现无线传输。
其次,可见光通信潜在的频谱资源非常丰富,可见光频谱范围宽,不受频谱的限制。
此外,与其他无线通信技术相比,可见光通信频谱资源也相对较为稳定,不易受到干扰。
再次,可见光通信系统具有较高的安全性。
可见光通信的传输介质即空气,在可接收范围内的传输数据不会渗透到隔壁空间,有效防止了信息的泄露,增强了通信的安全性。
在可见光通信系统中,有几个关键技术对其性能和可靠性起着重要的作用。
首先是调制技术。
调制是指将数字信号转化为可见光通信所需的光强调制信号。
常见的调制技术有两种:直接调制和间接调制。
直接调制是通过控制LED的电流,使其在开启和关闭之间进行切换,实现信息的传输。
间接调制是利用一些特殊的技术,如OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)来实现调制过程。
适合的调制技术可以提高系统的传输速率和稳定性。
其次是接收技术。
接收技术是指接收端如何准确地解析接收到的光强调制信号,并还原成数字信号。
常见的接收技术有两种:直接检测和相干检测。
基于FPGA的OOK可见光通信系统设计与实现
2 O OK调 制 模 块 的 V e r i l o g设计
2 . 1 O OK调 制 原理
OOK是 二 进 制 振 幅键 控 ( 2 A S K) 的 一 个 特 例 。振 幅键 控 是 利 用 载 波 的 幅 度 变 化 来 传 递 数 字 信 息 ,其 频 率 和 初 始 相 位 保 持
语 言 完 成 OOK调 制 解 调 的 设 计 。
不 变 。对 于 二 进 制 振 幅 监 控 , 当发 送 码 元 1时 , 取 载 波 振 幅 A1 , 当发 送 码 元 0时 取 振 幅 A 2 , 根 据 载 波 的 振 幅 不 同来 区分 码 元 信
息, 可用式( 1 ) 表示 :
示。 系统设计中采用的 F P G A开发板为 X i l i n x公 司 S p a  ̄ a n t 6系
OOK 即 将 二 进 制 振 幅 键 控 中 一 个 振 幅 取 0 ,另 一 个 非 O 。 O0K 调 制后 波 形 示 意 图如 图 2所 示 , 载 波在 基 带 信 号 的 控 制 下
V e r i l o g HD L l a n g u a g e a r e ma d e . F u r t h e r mo r e . c o n n e c t e d wi t h t h e d r i v e c i r c u i t p a t r , t h e r e c e i v e c i r c u i t p a t r . t h e v i s i b l e l i g h t
关键词 : O OK , V e r i l o g H D L语 言 , F P GA , 可 见 光 通信
VLC系统在室内视频传输中的应用
VLC系统在室内视频传输中的应用白云鹏;徐成波【摘要】In order to realize a rapid and safe access mode between equipments, the Ethernet video transmission and indoor visi-ble light communication principle are combined to achieve a one-way visible light video transmission system. This paper puts for-ward a method using 4B5B, NRZI and UDP protocol, then uses the CDR (Clock and Data Recovery) chip to recovery synchronous clock and data. Finally, it designs a transmitting circuit and receiving circuit, and tests the performance of CDR and overall system. The results demonstrate that the system based on 4B5B can realize video transmission at 1M distance.%为了实现设备之间快速、安全的通信接入,将以太网视频传输与室内可见光通信原理相结合,实现了单向可见光视频传输系统。
提出了对视频数据进行4B5B和NRZI编码,利用UDP协议进行传输,并由CDR (Clock and Data Recovery)芯片恢复同步时钟数据。
最终,设计了发送电路和接收电路,并对时钟恢复和系统整体性能进行了测试。
测试结果表明,基于4B5B 编码的可见光视频传输系统可以实现1M距离以内的以太网视频传输。
