一種自適應傳輸距離的無閃變可見光通信系統

王恩浩+孫濟生

摘 要：在未來無線通信的發展過程中，可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC）將起到越來越重要的作用。當前的可見光通信技術已取得了諸多進展，但仍存在許多局限，如傳輸距離固定，LED燈易閃變等。針對以上問題，本文提出了一種可自適應距離的，無閃變的可見光通信系統設計，并進行了相關測試。對可見光通信技術的推廣與進一步發展具有參考意義。

關鍵詞：可見光通信；濾波器；LED驅動；自適應調節

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.138

1 研究背景

在過去的二三十年時間里，無線通信技術取得了長足的發展，無線通信已經像水和電一樣成為一項基礎設施。而無線通信將來的主要挑戰將是滿足正在指數增長的系統容量的需求。當前越發嚴重的頻譜重用現象嚴重限制了系統容量的增長，傳統的用于提高系統容量的方法將不再適用。因此，使用可見光頻段，不會產生傳統射頻干擾的可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC）將是解決系統容量矛盾的一劑良方，具有重要的應用價值。

可見光通信技術（VLC）是指以可見光波段的光作為傳輸信息的載體，無需傳統的光纖等有線傳輸通路，直接以空氣為介質，直接在空氣中傳輸光信號的通信方式。VLC利用LED燈作為發射端，使用頻率范圍在4.0*1014～7.9*1014 Hz的可見光，以LED燈的亮滅和亮度變化來傳輸信息，例如LED燈亮表示1，滅表示0，通過快速的亮滅來傳輸一長串的0和1的序列。由于采用可見光作為傳輸載體，VLC技術不會對射頻信號產生干擾，可以廣泛應用于對電磁場敏感的場所。并且，由于人眼的視覺暫留現象，人眼不會注意到LED燈的高速閃滅，因此VLC技術可以同時滿足通信和照明兩種功能。

當前VLC系統的設計已經取得了相當多的成果，驅動，調制，解碼方式日趨成熟，系統速率不斷刷新，解放軍信息工程大學已經實現了傳輸速率高達50Gbps的可見光通信演示系統[1]。但是，當前的VLC系統設計制造過程中仍存在著許多局限性，如為了保證接收信號的亮度穩定，發射端和接收端需要保持恒定的傳輸距離；當前常見的VLC通信系統的發射端驅動電路會使LED燈產生閃爍現象，進而對信號傳輸和照明效果產生不利影響[2]。本文針對以上問題對傳統的VLC系統進行了改進，設計出了一種自適應傳輸距離的無閃變現象的可見光通信系統，并且具有良好的可擴展性。

2 系統設計

2.1 發射端驅動系統設計

可見光通信發射端設計中非常常用的一種方法是使用恒定的直流偏置電流加上傳輸信號電流。這種類型的系統是通過把恒定的直流偏置電流加到驅動電路上來實現的，即保持LED燈為恒亮狀態。通過數模轉換電路將數字信號轉換為模擬信號，然后疊加到直流偏置電流上來作為傳輸信號驅動LED燈，因此LED燈的亮度調節變化是與傳輸信號的強度變化實時同步的。但是，由于驅動電流隨傳輸信號改變，LED燈的調光強度是實時改變的，這造成了如果有較長時間的‘0或‘1，LED燈很容易進入閃變模式，這會對VLC系統的信號傳輸和照明效果產生不良影響[3]。

針對現有技術的不足，本文提出了一種無閃變的可見光通信發射端驅動系統。使用了游程長度受限碼（RLL）和恒流源驅動電路來實現LED燈的驅動，并且可以實現照明強度的實時調節。本系統包括恒流源驅動電路和數字RLL編碼模塊，如圖1所示，恒流源電路在恒流源參數選擇裝置控制下，進行恒流參數的實時調節，RLL編碼電路在所述RLL編碼方式選擇裝置的控制下，進行編碼模式的實時調節。

恒流源電路為受控的LED燈提供恒定的電流源，數字RLL編碼模塊通過不停的切換模式編碼調制的信號，在一個控制周期內周期性地向恒流源驅動電路提供‘開/關的控制邏輯。當RLL編碼電路發來的控制信號是‘開 控制邏輯狀態時，LED燈被所述電流源點亮；當所述RLL編碼電路發來的控制信號是‘關 控制邏輯狀態時，LED燈處于熄滅狀態。因為RLL編碼的信號在同一個控制周期中總是有特定的工作周期比例，因此LED燈在同一個控制周期中也總有固定的‘開‘關比例。并且在‘開狀態下的驅動電流是恒定的，這也保證了LED燈的亮度值是恒定的，并且可以根據人工設定的‘開‘關來調節LED燈的照明亮度。

2.2 接收端判別系統設計

當前常見的VLC系統中，接收端常用的判別方法為固定閾值法，接收端的光電二極管將接收到的光信號轉化為電信號，再對生成的電信號強度進行判定，信號強度大于閾值的被判定為‘1，信號強度小于閾值的被判定為‘0，以此實現對對應的光信號，即發射端LED燈亮滅的判別[4]。此種方式需提前設定閾值，因此發射端和接收端之間的距離必須恒定，否則會增大誤碼率，并且由于固定閾值，對外部光照干擾的變化抵抗力較差，當外部光噪聲強度出現大幅變化時，易出現誤判現象。

為解決這一問題，本文提出了一種可調節閾值的接收端判別系統。通過設置可調節的判定閾值，來判定接收到的光信號為‘0或‘1。因此可以自由調節發射端和接收端之間的距離，并實現自適應調節。并且，通過可調節的判定閾值，使系統的魯棒性更強，提高了抗干擾能力，使VLC系統可以在外部光噪音變化的復雜環境下工作。判定閾值調節可以分為手動調節和自適應調節兩種。

2.2.1 手動調節

在閾值判定電壓電路中加入可調分壓電阻，使使用者可以根據當前狀況手動調節判定閾值電壓，并根據LED燈以固定速率亮滅時的狀態進行校正，如圖2所示，使VLC系統可以適應不同的傳輸距離和不同的外部光照污染情況。此種設計的方法的優點是簡單可行成本較低，但不能進行自適應調節，且發射端與接收端必須保持相對靜止。

2.2.2 自適應調節

在自適應調節方式中，系統引入了抽樣電路來自動調節合適的電壓判定閾值以適應不同的傳輸距離和外部光照狀況。如每秒抽樣1000個時間點，存儲這1000個時間點所接收到的光信號所轉化成的電壓值，求所有樣本數據的平均值，作為該時刻的參考閾值電壓。由于采用實時抽樣，所以該方法可以自適應發射端與接收端傳輸距離的變化，并且可以在發射端與接收端相對移動的狀態下實現信息的正常傳輸。另外，由于抽樣系統采樣時已經將環境光照計算在內，因此經過加權平均的閾值判定電壓已經剔除了環境光噪聲的影響，使VLC系統對外部光照環境變化有更強的抗干擾性能。

3 系統擴展與實現

3.1 系統擴展性設計

3.1.1 可擴展雙工

本系統被設計為對稱模塊，如圖4所示。每塊基本模塊上都集成了VLC接收系統和發射系統，使用兩個基本模塊即可構成一套完整的上行與下行的雙工系統，便于開展VLC相關的各項測試與科研工作。

3.1.2 可擴展MIMO

多個對稱模塊之間既可以進行單對單的通信測試與實驗，又可以使用多套基本模塊搭建多收多發系統，進行MIMO VLC 的相關測試。

3.1.3 可擴展RGB可見光通信

本系統為每個LED驅動模塊驅動單個LED燈珠，可以一對一驅動傳統的熒光粉白光LED，也可以使用三套基本模塊，分別驅動紅光，綠光，藍光LED，構成RGB LED燈組，進行RGB LED相關的測試。

3.1.4 可擴展多種接口

本系統設計了標準串口接口與可擴展的網口模塊，可以與PC， FPGA 及信號發生器，示波器等進行連接，控制系統的輸入并監控輸出狀況，適用于多種條件下的測試與研究。

3.2 系統測試與實現

對本VLC演示系統的自適應傳輸距離性能進行測試，用信號發生器向LED驅動端輸入5 MHz的標準方波信號，使LED燈以5 MHz的固定頻率亮滅。保持接收端在距離LED發射端直線10-100 cm的范圍內低速運動，將經過閾值判定電壓判決之后的信號輸出到示波器上，如圖5所示。經實測驗證，本系統可以較好地自適應VLC系統傳輸距離的變化，并在接收端低速運動狀態下接收可見光信號。

4 結論

本文提出了一種可自適應傳輸距離變化的，無閃變的可見光通信系統。解決了常見的可見光通信系統無法調節傳輸距離的問題，克服了傳統LED驅動系統易產生的閃變現象，有效提高了照明質量，對VLC系統的推廣及相關研究工作有重要參考意義。

參考文獻：

[1]Burchardt，H.Serafimovski，N.Tsonev，D.Videv，S.Haas，H.， "VLC：Beyond point-to-point communication，"in Communications Magazine，IEEE，vol.52，no.7，pp.98-105，July，2014.

[2]《Principles of LED Light Communications Towards Networked Li-Fi SVILEN DIMITROV》，German Aerospace Center （DLR）， Oberpfaffenhofen HARALD HAAS，University of Edinburgh，2015.

[3]解光勇.光電探測器噪聲特性分析[J].信息技術，2008（11）.

[4]遲楠.LED可見光通信關鍵器件與應用[M].人民郵電出版社，2015.