基于LED照明的模塊化可見光通信系統設計

譚興華 ，柴廣躍，田勁東，劉夢姣，李洪磊，陳雄斌

(1. 教育部光電器件與系統重點實驗室，深圳大學，廣東 深圳 518060；2. 集成光電子學國家重點實驗室，中國科學院半導體研究所，北京 100083)

引言

目前，半導體照明技術已在眾多領域普及應用，同時衍生出許多新興技術。基于LED成本低、功耗小、壽命長和易于調制的特點，發展出的可見光通信技術[1]，可通過在照明設施上添加數據傳輸的輔助功能，構建室內可見光無線通信網絡，最終實現照明與通信功能一體化。2000年，日本慶應義塾大學提出了可用于家庭網絡的白光LED可見光通信。2003年10月，日本成立了可見光通信協會(VLCC)，并已完成可見光通信系統規范(VLCC-STD-001)和低速通信可見光ID應用規范(VLCC-STD-003)的制定[2]。近年來我國在可見光通信技術上也取得了重大突破，實時通信速率提高至50Gbps。相比較Wi-Fi等傳統的射頻無線通信技術，可見光通信具有以下優勢：無電磁輻射、無需頻譜資源認證、信息安全性高，并且可以基于原有的照明系統搭建，可操作性高。

1 系統方案概述

本文基于LED照明的可見光通信系統采用全雙工設計，下行通道采用瓦級大功率LED白光作為照明通信光源，上行通道采用850 nm紅外激光二極管(Laser Diode，LD)作為通信光源。利用LED的快速切換、易于調制的特點，將電信號經過LED器件調制，發出人眼無法察覺到的高速調制光載波信號并在空間中自由傳輸，最后經過光電二極管(Photon Diode，PD)完成光電轉換，再經主放、判決再生實現信息的傳遞。本文基于LED照明的可見光通信系統框架結構如圖1所示，這種基于照明的VLC通信方案特別適合于諸如照明條件要求嚴苛、人流密度大、通信熱點數量需求多的諸如圖書館、對電磁干擾嚴格要求的諸如飛機、加油站、核電站等場所。

圖1 基于LED照明的可見光通信系統框架結構圖Fig.1 The structure of VLC system based on LED lighting

白光LED光源通常采用兩種技術途徑形成，第一種是利用藍光芯片外涂覆黃色熒光粉合成形成白光；第二種是多種單色LED混光形成白光光源。通過采用多芯片LED單色光波分復用可以獲得更高的傳輸速率，但是其系統更為復雜、功耗高、成本高，與作為通信網絡末梢的定位不符，僅適用于一些特定場合。由于本文所述通信系統僅需要兼容百兆/千兆以太網，故選擇更為簡潔的第一方案即可獲得滿意的信息傳輸效果，本文所采用的是商用大功率瓦級熒光粉型白光LED。但是，選用第一方案必須克服熒光粉拖尾、強照明白光干擾等難題。

上行鏈路采用的是中心波長850 nm 的紅外激光二極管。850 nm波長處于人眼不可見的波長范圍，由于輸出功率較小、位于較高位置的上行方向，故對人眼的損傷處于可控狀態。在雙向可見光通信系統中，采用紅外光既實現了數據傳輸的功能又不影響整體照明效果，可使照明與通信相輔相成。

發送端采用差分非飽和開關恒流驅動電路驅動W級白光LED及850 nm紅外LD，接收端使用硅基PIN型光電二極管及跨阻抗低噪聲放大器接收發送端輸出的調制光信號，實現了VLC系統的電—光(E-O)，光—電(O-E)轉換。

2 關鍵技術研究

2.1 關鍵技術路線選擇

無線通信中的調制方式有很多，其中常見的有開關鍵控(OOK)、正交幅度調制(QAM)、正交頻分復用(OFDM)等技術[3]。調制方式的選擇與系統功能實現是密切相關的，選用簡單易實現的調制方式不增加硬件負擔，使系統功耗降低同時減少散熱的問題。本設計選用最簡單的直接調制方式(OOK)，系統直接調制是用電信號直接調制半導體激光器或發光二極管的驅動電流，使輸出的光信號隨電信號變化而實現調制。該調制方式設計簡單且實現成本較低，適用于模塊化可見光通信系統。

本文采用的是藍光LED激發黃色熒光粉型白光光源，由于熒光粉型白光LED的黃色熒光粉的響應速率較慢，使得LED調制帶寬很低，一般僅為3～5 MHz[4]。若要使本文可見光通信系統實現百兆/千兆兼容的高速以太網數據傳輸，則必須對LED的調制帶寬進行改善提升，使之達到約70 Mb/s。提高LED調制帶寬的方法有許多，如在發送端使用預加重技術及或在接收端采用后均衡技術等[5]。通過預加重技術可以在發送端對輸入信號高頻分量進行補償，發送端預加重電路原理如圖2所示，通過調節晶體管發射極的電阻與電容即可提升LED的有效帶寬。

圖2 發送端預加重電路Fig.2 Pre-emphasis circuit in transmitter side

實驗測得本文選用的熒光粉型白光LED的光譜曲線如圖3所示，波長范圍處于380～780 nm之間。由于白光的寬光譜特性，因此對光電探測器PD的光譜響應范圍以及峰值響應波長具有較高要求[6]，本文選用硅基PIN型光電二極管作為光電探測器，其光譜響應范圍處于340～1 040 nm之間，峰值響應波長是760 nm。本設計為了降低強白光的干擾及提高響應速率在接收端設置了藍光濾光片。此外，在接收端采用了后均衡技術，電路原理如圖4所示，通過調節R1、C3及R2、C4即可提升接收電路的有效帶寬。

圖3 白光LED相對光譜Fig.3 White LED relative spectrum

圖4 接收端后均衡電路原理圖Fig.4 Post-equalization circuit in receiver side

2.2 模塊化設計

基于照明的可見光通信系統首先應保證燈具照明功能的實現，即照明光源應滿足相關的國家標準及照明現場的光色要求，其次才為兼容通信功能的實現。可見光通信技術發展到今天，市場上也還未見到與可見光通信技術配套的商業化照明產品。本文設計了模塊化的可見光通信系統組件，并且可以將通信單元模塊內嵌于吸頂燈、筒燈、射燈等各類燈具，使普通照明燈具也能夠具備可見光通信功能。按照技術路線進行硬件電路設計，將可見光通信系統發送端、接收端組件模塊化、小型化。如圖5所示即雙向可見光通信系統模塊化組件，其中包括上、下行發送端，以及上、下行接收端[7]。

圖5 雙向可見光通信系統模塊化組件Fig.5 Two-way VLC system modular component

3 實驗搭建及分析

3.1 實驗平臺搭建

在實驗室環境下搭建系統平臺，基于LED照明燈具的可見光通信系統鏈路如圖6所示。首先照明要求需達到室內照明標準，本設計采用LED照明燈具作為照明主燈，VLC系統W級白光作為照明輔燈，同時為室內提供照明光源；其次進行LED照明燈具與VLC系統的融合。由于VLC系統通信單元的模塊化設計，可將通信單元嵌入LED照明燈具內部，使照明燈具與VLC系統融為一體，并通過內置的RJ45網口可連接以太網。上行鏈路中將紅外LD及光電探測器進行便攜設計并設置透鏡，使之可以方便靈活的與下行鏈路進行光路對準，減少雜散光的干擾。

圖6 基于LED照明燈具的可見光通信系統鏈路Fig.6 Link of VLC system based on lighting fixture

3.2 實驗結果分析

通過基于LED照明燈具的可見光通信系統平臺搭建，進行了VLC系統測試。實驗通過照明燈具中VLC系統RJ45網口連接外部以太網，進行視頻的傳輸下載，并通過一款實時網速監控軟件觀察實時傳輸速率，傳輸速率可達70 Mbits/s，傳輸一部大小為1.2G的視頻僅需2 min，實驗測試符合IEEE 802.3U標準。根據不同功能區間的照度要求，一般書房照明照度為100 lx，閱讀時所需的照明照度為600 lx，對室內照明照度進行測試，經測試系統平臺滿足正常閱讀照度要求。

系統發送及接收端都采用差分信號進行傳輸，差分信號的傳輸可提高信號精度同時減少共有的誤差干擾。發送單元實現電信號轉換為光信號(E/O)，接收單元將光信號還原為電信號(O/E)[8]，通過光信號實現數據傳輸。實驗測試鏈路如圖7中(a)、(b)所示。發送端輸入的差分信號以及接收端檢測的差分信號分別如圖7中(c)、(d)所示，觀察對比發送接收端的輸入輸出波形，發現通過接收單元還原的電信號波形穩定且噪聲小。發送接收端眼圖測試如圖7中(e)、(f)所示，接收端輸出差分信號上升時間較長，下降沿變化速率較快，數據的抖動變化大，但仍可以滿足短距離的傳輸需求，主要原因是接收通道的頻率響應偏低而引起的，可以通過提升接收單元的高頻特性進行改善。

圖7 實驗測試分析Fig.7 Experimental test analysis

4 結論

本設計可實現的照明與通信指標如下：光通量大于2 000 lm，色溫可選；通信速率兼容百兆千兆以太網，同時接口兼容RJ45網口；通信傳輸距離大于3 m。將可見光通信系統組件模塊化、小型化，使通信單元內嵌于現有燈具，實現了照明與通信技術的融合，同時加快了LED照明燈具產業的發展[9]。

[1] 程宇. 白光LED無線通信的研究進展[J]. 照明工程學報，2016，27(3)：107-113.

[2] 陳泉潤，張濤，鄭偉波,等. 基于白光LED可見光通信的研究現狀及應用場場景[J]. 半導體光電，2016，(4)：455-460.

[3] BURCHARDT H， SERAFIMOVSKI N， TSONEV D，et al. VLC：Beyond point-to-point communications [J]. Communications Magazine IEEE，2014，52(7)：98-105.

[4] HUANG B， TANG D， CHEN H，et al. 200 Mb/s visible optical wireless transmission based on NRZ-OOK modulation of phosphorescent white LED and a pre-emphasis circuit [J]. Chinese Optics Letters，2014，12(10)：16-19.

[5] LI H， ZHANG Y， CHEN X，et al. 682 Mbit/s phosphorescent white LED visible light communications utilizing analog equalized 16QAM-OFDM modulation without blue filter [J]. Optics Communications，2015，354：107-111.

[6] HUANG X， WANG Z， SHI J，et al. 1.6Gbit/s phosphorescent white LED based VLC transmission using a cascaded pre-equalization circuit and a differential outputs PIN receiver [J]. Optics Express，2015，23(17)：22034-42.

[7] MINH HL， O’BRIEN D， FAULKNER G，et al. 100 Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED [J]. IEEE Photonics Technology Letters，2009,21(15)：1063-1065.

[8] LI H， CHEN X， GUO J，et al. A 550Mbit/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light LED for practical high-speed low-complexity application [J]. Optics Express，2014,22(22)：27203.

[9] 牛衍方，孫德棟. 可見光通信在智能照明中的室內定位[J]. 照明工程學報，2016，27(6)：104-107.