王新宇,曲洪良,安子民,許凌云,胡廣超

（南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 211100）

可見光通信是利用可見光作為載體的一種新興的通信方式?？梢姽馔ㄐ挪恍枰l譜資源許可，無(wú)需占用日益緊張的無(wú)線電頻譜資源[1]。LED 是非常優(yōu)秀的可見光光源，其作為室內(nèi)照明的光源，具有亮度高、能耗低的特點(diǎn)，因而得到快速的發(fā)展[2]。

在常見的可見光通信實(shí)驗(yàn)中，往往直接對(duì)傳感器獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸，這種通信方式難以應(yīng)用在現(xiàn)代數(shù)字通訊中。同時(shí)模擬信號(hào)易受外界環(huán)境干擾，造成信號(hào)失真，并且由于模擬信號(hào)難以加密，采用明文傳輸易被竊聽。該文通過(guò)探究數(shù)字調(diào)制解調(diào)在可見光通信中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于FPGA 的2ASK 調(diào)制解調(diào)器，用于數(shù)字信號(hào)的可見光通信。其使用串口TTL 電平作為基帶信號(hào)，同時(shí)，在接收端能夠?qū)⒐庑盘?hào)解調(diào)為標(biāo)準(zhǔn)的TTL 電平信號(hào)，完成了信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。解決了模擬通信方式易受干擾的明文傳輸?shù)膯?wèn)題。

1 通信系統(tǒng)原理

2ASK 調(diào)制屬于振幅鍵控二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式中的一種，利用載波振幅變化的方式來(lái)表示數(shù)字信號(hào)“0”和“1”，同時(shí)載波的頻率和相位不發(fā)生改變[3]。OOK（On Off Keying）調(diào)制則是2ASK 調(diào)制的一種特殊方式。在OOK 調(diào)制中，“0”載波的幅度為0，而“1”載波的幅度非零。系統(tǒng)將接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后通過(guò)可見光進(jìn)行發(fā)送。在裝置的接收端，則通過(guò)雪崩二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)解調(diào)后恢復(fù)含有信息的數(shù)字信號(hào)。裝置的流程圖如圖1 所示。通過(guò)在FPGA 中構(gòu)建軟核，例如該文采用賽靈思公司生產(chǎn)的FPGA 芯片，便可以在系統(tǒng)中構(gòu)建MicroBlaze 軟核，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)[4]。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.1 發(fā)送端設(shè)計(jì)原理

發(fā)送端在的核心在于FPGA 的設(shè)計(jì)。在FPGA采集到數(shù)字信號(hào)后，需要經(jīng)過(guò)調(diào)制，在2ASK 調(diào)制中，數(shù)字信號(hào)有“0”和“1”兩種，與此相對(duì)應(yīng)的則是承載數(shù)字信號(hào)的載波信號(hào)幅度需要有兩個(gè)電平狀態(tài)。鍵控信號(hào)的表達(dá)式為：

該文設(shè)計(jì)的通信裝置基于賽靈思公司生產(chǎn)的Spartan6 芯片。FPGA 的程序流程如圖2 所示。

圖2 FPGA程序流程圖

基帶信號(hào)是來(lái)自外部設(shè)備發(fā)送的TTL 電平。對(duì)于數(shù)字電平，理論上其頻率的變化范圍是無(wú)限大的，因而在實(shí)際工程實(shí)踐中，為了提高頻帶的利用率，往往會(huì)采取措施限制信號(hào)的帶寬，例如使用帶通濾波器、成型濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。在文中的設(shè)計(jì)中，省略了這一操作。Xilinx 公司在其編程軟件中提供了直接數(shù)字頻率合成（DDS Compiler,DDS）IP 核資源，用戶可以使用這一資源生成DDS[5]。該文設(shè)計(jì)的模塊中使用這一IP 生成載波信號(hào)。2ASK 信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種，一種是模擬相乘法，而另一種則是鍵控法，該文采用模擬相乘法，調(diào)用FPGA 中的乘法器實(shí)現(xiàn)了2ASK 信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)將基帶信號(hào)同載波信號(hào)相乘，得到了所需的2ASK 調(diào)制信號(hào)。FPGA 中的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，需要通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化將其轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并發(fā)送到LED 驅(qū)動(dòng)電路。LED 驅(qū)動(dòng)電路則負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的模擬型號(hào)經(jīng)過(guò)放大后通過(guò)LED 轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。

1.2 接收端設(shè)計(jì)原理

接收端首先需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)有PIN 光電二極管和雪崩二極管兩種。雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode,APD）是利用雪崩擊穿特性制成的二極管，由于雪崩增益區(qū)的影響，會(huì)對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的電流產(chǎn)生放大作用，靈敏度較高，接收質(zhì)量好[6-9]。但APD相較于PIN 光電二極管工作偏置電壓高，對(duì)有用信號(hào)放大的同時(shí)，器件和環(huán)境產(chǎn)生的噪聲也被放大，在次級(jí)需要更好的濾波裝置。對(duì)比之下，本裝置可見光接收部分采用雪崩二極管作為光-電傳感器，用于感知可見光信號(hào)的變化。采集到的信號(hào)經(jīng)濾波放大之后便可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)交由FPGA 處理。FPGA 的解調(diào)流程如圖3 所示，其步驟可總結(jié)如下。

圖3 FPGA解調(diào)流程圖

對(duì)2ASK 的解調(diào)方式一般有兩種，一是采用同步檢測(cè)法，二是采用包絡(luò)檢波法。同步檢測(cè)法需要在接收端提取出同原信號(hào)頻率、相位均相同的信號(hào)，提取出來(lái)信號(hào)的好壞將直接影響到對(duì)采集的2ASK 信號(hào)的解調(diào)。包絡(luò)檢波法通常應(yīng)用在信噪比較大的情況下，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在本次實(shí)驗(yàn)中，選取包絡(luò)檢波法作為信號(hào)解調(diào)的方式。在模擬電路中，可以采用電容電阻配合的方式來(lái)組成包絡(luò)檢波器[10-11]。在本次設(shè)計(jì)的裝置中使用FPGA 作為解調(diào)器，使用FIR(Finite Impulse Response)低通濾波器過(guò)濾載波信號(hào)，得到基帶信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)[12]。對(duì)基帶信號(hào)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行判決比較可以將基帶信號(hào)還原出來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，可以將包絡(luò)信號(hào)的直流分量作為2ASK 信號(hào)的判決門限，可以通過(guò)對(duì)包絡(luò)信號(hào)做平滑濾波獲得直流分量。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)送端電路設(shè)計(jì)

發(fā)送端包含DAC 和可見光發(fā)送部分。DAC 選用亞諾德（ADI）公司生產(chǎn)的AD9708 芯片，該芯片擁有最大125 MSPS 轉(zhuǎn)換速率。在設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，頻率為50 MHz。系統(tǒng)產(chǎn)生的載波頻率為3 MHz。DAC 電路如圖4 所示。

圖4 DAC電路

LED 發(fā)送電路采用了TI 公司的OPA690 作為前端信號(hào)放大。OPA690 是一款有效增益帶寬超過(guò)150 MHz 的電壓反饋型運(yùn)算放大器。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并加載偏置電壓后發(fā)送到LED 轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。LED驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路

2.2 接收端電路設(shè)計(jì)

接收端包括雪崩二極管驅(qū)動(dòng)電路和AD 轉(zhuǎn)換電路。

文中選用了FIRST SENSOR公司生產(chǎn)的AD500-8雪崩光電二極管。AD500-8 在低偏置下有較高的增益，同時(shí)，截止頻率高達(dá)1 GHz。采用APD 傳感器時(shí)，需要為APD 提供偏置電壓。TPS55340 是一款集成式5 A、40 V 電源開關(guān)的單片非同步開關(guān)穩(wěn)壓器。通過(guò)配置TPS55340 反饋端的電阻可以調(diào)整輸出電壓，電壓調(diào)整公式為：

該芯片為APD 提供100 V 的低噪聲偏置電壓。原理圖如圖6 所示。

圖6 偏置電壓電路

APD 工作時(shí)產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，需要使用放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理放大，得到可供ADC 采集的電壓信號(hào)。設(shè)計(jì)使用TI 公司生產(chǎn)的OPA657 作為跨阻放大器對(duì)APD 信號(hào)進(jìn)行放大。該運(yùn)算放大器具有1.6 GHz 增益帶寬積、低噪聲的特性，非常適合應(yīng)用在可見光通訊系統(tǒng)中。電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 APD接收放大電路

ADC 選用ADI 生產(chǎn)的AD9280 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片擁有8 位數(shù)據(jù)總線，32 MSPS 轉(zhuǎn)換速率，可在ADC 時(shí)鐘的下降沿采集數(shù)據(jù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了使得采樣不失真，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬型號(hào)中最高頻率的兩倍[13-14]，即：

載波頻率為3 MHz，那么ADC 的采樣頻率應(yīng)在6 MHz 以上，在該次設(shè)計(jì)中采樣頻率設(shè)計(jì)為25 MHz，能夠比較完整的恢復(fù)模擬信號(hào)。使用AD9280 芯片能夠很好地滿足設(shè)計(jì)需求[15]。電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 ADC設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由上文設(shè)計(jì)了可見光2ASK 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置載波頻率為3 MHz，分別使用波特率為9 600、115 200、256 000 對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)FPGA 自帶的邏輯分析儀抓取芯片內(nèi)部的信號(hào)，并通過(guò)Matlab 繪制成圖。

可見光傳輸受到距離的影響，物體表面接受到的光照度與距離的平方成反比[16]。不改變信號(hào)放大倍數(shù)，對(duì)發(fā)射端施加100 kHz 的正弦波，表1 反應(yīng)了在不同距離條件下，接收端得到的該信號(hào)的峰峰值（Vpp）大小。

表1 在不同距離的條件下，接收端獲得的信號(hào)峰峰值

圖9 接收端信號(hào)峰峰值與距離的關(guān)系

由圖9 可以看出，隨著距離的增加，接收端獲得的信號(hào)的峰峰值急劇下降，最終信號(hào)的幅值趨近于零，這表明，隨著距離的增長(zhǎng)，可見光通信的質(zhì)量會(huì)下降。

圖10 分別為在波特率為256 000 的情況下，通過(guò)FPGA 調(diào)制后的2ASK 調(diào)制信號(hào)和通過(guò)ADC 獲取的光信號(hào)。由圖9 可知，F(xiàn)PGA 內(nèi)部程序成功地對(duì)信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制。通過(guò)觀察信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)通過(guò)可見光傳輸獲得的波形完整，沒(méi)有明顯的失真。

圖10 DAC與ADC數(shù)據(jù)

圖11 分別為FIR 低通濾波器和平滑濾波實(shí)測(cè)圖。通過(guò)觀察圖像，可以發(fā)現(xiàn)FIR 低通濾波器能夠獲得調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)線，平滑濾波器工作正常。但是在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)判決過(guò)程中輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生多次跳變，與設(shè)計(jì)原理不符。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的檢查分析，發(fā)現(xiàn)包絡(luò)信號(hào)的低位會(huì)發(fā)生跳變，信號(hào)判決工作失常。受制于FPGA 的性能，不能通過(guò)設(shè)計(jì)更高階數(shù)的FIR 低通濾波器來(lái)獲得最優(yōu)的包絡(luò)信號(hào)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)象產(chǎn)生原因的分析，采用遲滯比較器代替原公式中的過(guò)零比較方式。遲滯比較器可以很好地抑制信號(hào)低位波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)判決的干擾[17]。

圖11 FIR低通濾波器數(shù)據(jù)與平滑濾波器數(shù)據(jù)

圖12 為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的對(duì)比，由圖可知，2ASK 信號(hào)被系統(tǒng)還原成原基帶信號(hào)。由于FIR低通濾波器的特性，輸出信號(hào)要滯后于輸入信號(hào)。

圖12 輸入/輸出信號(hào)

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，使得可見光能夠以2ASK 編碼的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸，相較于模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)傳輸帶來(lái)的干擾更小，同時(shí)使用數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)，能夠很方便地對(duì)報(bào)文進(jìn)行加密，提高了通訊的安全性。