Het project LYME onderzoekt de technische uitdaging om videodata draadloos over te brengen via licht. Na experimenten met digitale data en audio-omzetting, die te traag bleken voor real-time weergave, is gekozen voor analoge composite video (RCA). Door de helderheid van een laserstraal direct te moduleren op basis van de videosignaal-golf, kan beelden met 50–60 frames per seconde worden verzonden.
Technische uitvoering:
- Zender: Een Raspberry Pi genereert het signaal, dat via een circuit met condensatoren en een 2N2222 transistor wordt omgezet in variabele laserintensiteit.
- Ontvanger: Een BPW34 fotodiode vangt het licht op, waarna een LM318N op-amp (transimpedantie-versterker) het signaal herstelt voor weergave op een laptop via een USB-capturekaart.
- Optimalisatie: Om beeldvervormingen zoals 'smearing' en 'tearing' tegen te gaan, is er een 75 ohm weerstand toegevoegd en is de signaalsterkte via een potentiometer gefinetuned.
LYME: Analoge RCA-video verzenden via een zichtbare laserstraal
Het resultaat is een op maat gemaakt analoog circuit dat wordt aangesloten op een standaard RCA-videokabel om de laser aan te sturen. Het systeem neemt de real-time videofeed en zendt deze via zichtbaar licht over een afstand, om zo te bewijzen dat dit technisch haalbaar is.
De weg naar de oplossing
Voordat het systeem succesvol werkte, zijn er verschillende doodlopende wegen bewandeld:
- Digitale data: Eerst werd geprobeerd de video te verzenden als pure digitale data (enen en nullen). Een enkel zwart-wit frame van 640×480 pixels is ongeveer 300 kB. Een eenvoudige zelfbouw laserverbinding kan ongeveer 1 Mbit per seconde schakelen, wat neerkomt op minder dan één frame per twee seconden. Om vloeiende video te krijgen, zou de resolutie verlaagd moeten worden naar 32×32 pixels, wat onbruikbaar is.
- Audio-omzetting: Daarna werd geprobeerd om stilstaande beelden om te zetten in geluid en deze te verzenden. Dit werkte wel, maar één afbeelding kostte tussen de 8 seconden en 2 minuten, waardoor real-time weergave onmogelijk was.
- Analoge video: De uiteindelijke oplossing was het terugvallen op oude analoge tv-video (composite video, de gele RCA-kabel). Het volledige beeld — inclusief helderheid, kleur en timingsignalen — is al verpakt in één draad als een enkele golf met een breedte van ongeveer 5 MHz. In plaats van de laser aan en uit te schakelen voor elke bit, wordt de laser feller of dimmer om deze golf te volgen. Dit is voldoende voor vloeiende beelden van 50–60 frames per seconde.
Hoe het signaal wordt overgebracht
Het proces verloopt via de volgende stappen:
- Een camera is aangesloten op een Raspberry Pi. De tv-uitgang van de Pi zet het beeld om in een composite videogolf en stuurt dit uit via de gele RCA-connector (tijdens vroege tests werd hiervoor een ESP32 gebruikt die een testpatroon genereerde).
- Deze golf gaat naar het zendercircuit, dat de helderheid van de laser aanstuurt.
- De laser straalt over een afstand naar een fotodiode aan de andere zijde.
- Het ontvangercircuit zet het licht weer om in de videogolf.
- Dit signaal gaat naar een USB-capturekaart, zodat het beeld op een laptop bekeken kan worden.
De zender
Een laser kan niet direct op de video-uitgang worden aangesloten. Het videosignaal is slechts ongeveer 1 volt en kan weinig stroom leveren, terwijl de laser enkele volts nodig heeft om aan te gaan en ongeveer 20–30 mA om te functioneren. Het circuit vervult daarom twee functies:
- Een 10k potentiometer stelt een constante spanning in die de laser op een gemiddelde helderheid houdt. Dit is het basisniveau waarop het beeld wordt meegegeven.
- Het videosignaal wordt hierop toegevoegd via twee parallelle condensatoren: een grote van 47µF voor de langzame delen en een kleine van 100nF voor de snelle delen.
- Een 2N2222 transistor (bedraad als emitter-volger) neemt dit kleine gemengde signaal over en levert voldoende stroom om de laser aan te sturen zonder de Raspberry Pi te overbelasten.
De ontvanger
Aan de ontvangende zijde was een component nodig die snel genoeg is om een 5 MHz-signaal te volgen. Een zonnepaneel is hiervoor te traag; daarom is gekozen voor een BPW34 fotodiode, die in reverse bias wordt gebruikt om de snelheid verder te verhogen. Omdat de fotodiode slechts een zeer kleine stroom produceert, wordt deze met een op-amp (operationele versterker), bedraad als transimpedantie-versterker, omgezet in een bruikbare spanning.
Er is gekozen voor een LM318N op-amp vanwege de snelheid; normale audio-op-amps zijn te traag en zouden het beeld vervormen. De belangrijkste onderdelen zitten in de feedback: een weerstand van 2,2k bepaalt de grootte van de output, en een kleine condensator van 8,2pF voorkomt dat de versterker gaat "ringen" (oscilleren). Het geheel werkt op twee 9V-batterijen, zodat het signaal zowel boven als onder nul kan schommelen.
Optimalisatie voor de capturekaart
Bij directe aansluiting op een televisie zag het beeld er goed uit, maar bij gebruik van een goedkope EasyCap USB-capturekaart ontstonden problemen: het beeld schoof zijwaarts weg (smearing) en vertoonde diagonale scheuren (tearing). Dit is met twee aanpassingen opgelost:
- Tegen smearing: De vervorming werd veroorzaakt door reflecties die terugkaatsten in de kabel. Door een weerstand van 75 ohm in serie te plaatsen bij de output, werden deze reflecties geabsorbeerd en werden de randen van het beeld weer scherp.
- Tegen tearing: De scheuren ontstonden omdat het signaal te sterk was voor de sync-detector van de capturekaart. Dit is opgelost door de potentiometer van de zender langzaam naar beneden te draaien totdat het beeld stabiel vaststond.
LYME: Analoge RCA-video verzenden via een zichtbare laserstraal
Het resultaat is een op maat gemaakt analoog circuit dat wordt aangesloten op een standaard RCA-videokabel om de laser aan te sturen. Het systeem neemt de real-time videofeed en zendt deze via zichtbaar licht over een afstand, om zo te bewijzen dat dit technisch haalbaar is.
De weg naar de oplossing
Voordat het systeem succesvol werkte, zijn er verschillende doodlopende wegen bewandeld:
- Digitale data: Eerst werd geprobeerd de video te verzenden als pure digitale data (enen en nullen). Een enkel zwart-wit frame van 640×480 pixels is ongeveer 300 kB. Een eenvoudige zelfbouw laserverbinding kan ongeveer 1 Mbit per seconde schakelen, wat neerkomt op minder dan één frame per twee seconden. Om vloeiende video te krijgen, zou de resolutie verlaagd moeten worden naar 32×32 pixels, wat onbruikbaar is.
- Audio-omzetting: Daarna werd geprobeerd om stilstaande beelden om te zetten in geluid en deze te verzenden. Dit werkte wel, maar één afbeelding kostte tussen de 8 seconden en 2 minuten, waardoor real-time weergave onmogelijk was.
- Analoge video: De uiteindelijke oplossing was het terugvallen op oude analoge tv-video (composite video, de gele RCA-kabel). Het volledige beeld — inclusief helderheid, kleur en timingsignalen — is al verpakt in één draad als een enkele golf met een breedte van ongeveer 5 MHz. In plaats van de laser aan en uit te schakelen voor elke bit, wordt de laser feller of dimmer om deze golf te volgen. Dit is voldoende voor vloeiende beelden van 50–60 frames per seconde.
Hoe het signaal wordt overgebracht
Het proces verloopt via de volgende stappen:
- Een camera is aangesloten op een Raspberry Pi. De tv-uitgang van de Pi zet het beeld om in een composite videogolf en stuurt dit uit via de gele RCA-connector (tijdens vroege tests werd hiervoor een ESP32 gebruikt die een testpatroon genereerde).
- Deze golf gaat naar het zendercircuit, dat de helderheid van de laser aanstuurt.
- De laser straalt over een afstand naar een fotodiode aan de andere zijde.
- Het ontvangercircuit zet het licht weer om in de videogolf.
- Dit signaal gaat naar een USB-capturekaart, zodat het beeld op een laptop bekeken kan worden.
De zender
Een laser kan niet direct op de video-uitgang worden aangesloten. Het videosignaal is slechts ongeveer 1 volt en kan weinig stroom leveren, terwijl de laser enkele volts nodig heeft om aan te gaan en ongeveer 20–30 mA om te functioneren. Het circuit vervult daarom twee functies:
- Een 10k potentiometer stelt een constante spanning in die de laser op een gemiddelde helderheid houdt. Dit is het basisniveau waarop het beeld wordt meegegeven.
- Het videosignaal wordt hierop toegevoegd via twee parallelle condensatoren: een grote van 47µF voor de langzame delen en een kleine van 100nF voor de snelle delen.
- Een 2N2222 transistor (bedraad als emitter-volger) neemt dit kleine gemengde signaal over en levert voldoende stroom om de laser aan te sturen zonder de Raspberry Pi te overbelasten.
De ontvanger
Aan de ontvangende zijde was een component nodig die snel genoeg is om een 5 MHz-signaal te volgen. Een zonnepaneel is hiervoor te traag; daarom is gekozen voor een BPW34 fotodiode, die in reverse bias wordt gebruikt om de snelheid verder te verhogen. Omdat de fotodiode slechts een zeer kleine stroom produceert, wordt deze met een op-amp (operationele versterker), bedraad als transimpedantie-versterker, omgezet in een bruikbare spanning.
Er is gekozen voor een LM318N op-amp vanwege de snelheid; normale audio-op-amps zijn te traag en zouden het beeld vervormen. De belangrijkste onderdelen zitten in de feedback: een weerstand van 2,2k bepaalt de grootte van de output, en een kleine condensator van 8,2pF voorkomt dat de versterker gaat "ringen" (oscilleren). Het geheel werkt op twee 9V-batterijen, zodat het signaal zowel boven als onder nul kan schommelen.
Optimalisatie voor de capturekaart
Bij directe aansluiting op een televisie zag het beeld er goed uit, maar bij gebruik van een goedkope EasyCap USB-capturekaart ontstonden problemen: het beeld schoof zijwaarts weg (smearing) en vertoonde diagonale scheuren (tearing). Dit is met twee aanpassingen opgelost:
- Tegen smearing: De vervorming werd veroorzaakt door reflecties die terugkaatsten in de kabel. Door een weerstand van 75 ohm in serie te plaatsen bij de output, werden deze reflecties geabsorbeerd en werden de randen van het beeld weer scherp.
- Tegen tearing: De scheuren ontstonden omdat het signaal te sterk was voor de sync-detector van de capturekaart. Dit is opgelost door de potentiometer van de zender langzaam naar beneden te draaien totdat het beeld stabiel vaststond.
Groetjes,