一種LED色彩和亮度可控的可見光通信技術

劉 藝，李 欽，李新華

（安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036）

1 引言

隨著越來越多的LED燈被安裝在商店和辦公室中，人們對基于可見光的無線通信的興趣也在不斷增加.在21世紀初，基于LED可見光通信 (VLC)的第一個MAC協議和PHY協議被批準[1]通過.LED燈的優點之一是可以通過控制輸入電流，輕松地改變自身的顏色和亮度.人們引入了多種調制方式來提高可見光LED燈[2-6]的數據傳輸速率.有趣的是，大多數關于VLC的研究都喜愛使用白色LED燈[2-5]，可能是因為白色是最普通的一種顏色.隨著情感照明的飛速興起，研究人員發現不同顏色的VLC可具有不同的應用.情感照明是一種能根據各種周圍環境因素改變顏色的照明方案，如情緒，音樂，食物，溫度，節能，或生態效益.調光控制是情緒照明的另一個重要組成部分.文[7]提出了一種單色的VLC方案，但沒有對顏色的控制.文[8][9]中也提出了幾種調光方案.在本文中，我們提出了一種在數據傳輸過程中同時控制顏色和亮度的方法.我們使用脈寬調制(PWM)控制LED燈的顏色，用可變脈沖位置調制(VPPM)控制數據傳輸時LED燈的亮度.我們改進了傳統的PWM方案，以適應數據傳輸的需要.通過將PWM和VPPM以適當的方式合并，提出了一種能通過調節顏色和亮度來實現數據傳輸的方案[10].通過觀測該方案的二進制輸出波波形，可發現能夠簡單實現.同時制作了一個測試平臺，并對其傳輸性能進行了分析.

2 系統原理

該系統使用紅色、綠色和藍色(RGB)三種LED用于顏色合成.根據CIE 1931色度圖，這三種顏色可以組合成任何顏色.人眼所感知的顏色是由每種LED燈顏色的亮度比決定，而這種亮度比可以由每個LED的開/關周期來控制.因此，如圖1所示，PWM信號可以在一個時間序列中同時顯示不同亮度的RGB來生成任意顏色.為了避免人眼察覺到LED燈閃爍，PWM周期TW應當小于10ms.當RGB的顯示時間比為1:1:1時，會組合成白色，而為1：0.6：0時會變成橙色.如圖1(A)所示，PWM給每種顏色提供了一個固定的時間序列，由于每個時間序列內的實際脈沖寬度(PW)是可變的，因此可通過改變每種顏色LED燈的實際脈沖寬度來控制燈的亮度和顏色.但由于連續PWM信號之間時間空隙的存在，這種排列的RGB并不適合連續傳輸數據.假定每種顏色的脈沖排列如圖1(B)所示，那么數據將會持續傳輸，因為每個LED燈之間都是連續的，沒有任何空位.采用PWM方法能實現的隨顏色的控制，但不能單獨控制亮度，因為亮度是由每個脈沖的振幅決定的，所以需要添加額外的電子電路來實現，如串并聯轉換器和數模轉換器.綜上所述，我們將VPPM與PWM結合起來，可同時控制LED燈的顏色和亮度.VPPM的脈沖位置隨輸入數據的變化而變化，PW隨亮度的變化而變化，如圖2所示.

圖1 使用PWM編碼對LED進行顏色控制

圖2 使用VPPM編碼方案的LED亮度控制

由于LED的平均轉換時間不隨輸入數據類型(“0”或“1”)而改變，因此在VPPM編碼中沒有發現燈閃爍和顏色變化問題.圖3顯示了PWM和VPPM的混合輸出信號，其中PWM中的顏色比例決定了可見的顏色，而VPPM的PW控制著LED的亮度：

圖3 混合PWM和VPPM控制顏色和亮度

pW(t)表示PWM信號，pV(t)表示VPPM信號.

∏表示矩形函數，TW表示PWM的周期，tRGB是RGB在PWM窗口內的位置，而WRGB是RGB的PW.

數據mj取0或1，Tb為位周期，Vj為VPPM信號的PW.曼徹斯特編碼和2-PPM可以很容易地恢復接收器時鐘，因為無論是什么數據類型，信號變化只發生在每個比特的中心.但是，VPPM編碼卻很難進行時鐘恢復，因為VPPM編碼的信號轉換并不發生在每個比特的中心，而是隨著亮度的變化而變化.為了在這種情況下恢復時鐘，在(4)和(5)中提出了兩個算法.在程序開始時，測量脈沖寬度ΔL和持續時間ΔH，以確定最佳決策時間，該時間位于信號較窄部分的中心，如圖4所示.

圖4 從VPPM解碼信號恢復的時鐘和數據

因此，可根據LED燈的亮度和數據值對恢復過程進行分類.根據亮度是大于還是小于50%，采用(4)和(5)計算決策時間.上升時間tr(n)是由VPPM信號在先前的判決時間td(n)之后的轉換得到的.

圖4顯示了不同亮度的時鐘和數據恢復的例子，圖4(A)和 4(B)的分別顯示亮度為 70%(ΔH≥ΔL)和 30%(ΔH＜ΔL).圖4中的決策信號提供了接收到的VPPM編碼信號的數據決策時間.

3 實驗結果

采用圖5所示的實驗裝置，對提出的VLC方案進行了測試.該實驗是在一個廣闊的開放區域進行的，LED燈和光電二極管(PD)都是垂直放置的.信息數據按順序進行VPPM編碼和PWM編碼，然后提供給一個LED驅動電路.在驅動電路中的三個晶體管中(每種顏色的LED為一個驅動)，只有一個晶體管在任何特定時間工作，這是由PWM脈沖決定的.使用由36個LED模塊(F 50360)組成的LED燈，每個模塊包括單獨的0.5W RGB LED芯片.LED燈的光通量為105 lm，視角為120°.對每個驅動電路的電流電平進行調整，使其能夠補償帶有顏色的PD的響應度的差異.在PD(FDS 100)處接收發射的LED光，其光譜響應為350nm～1100nm，有效面積為13.0mm2×13.0mm2.最后，VPPM解碼器恢復數據.PWM編碼是不需要恢復的，因為它只用于選擇LED顏色.所有三種顏色的光都由一個PD接收.由FPGA器件實現編碼，解碼功能.

圖5 方案的初步設置

圖6 30%亮度的實驗結果

根據VLC標準中的PHY I型，實驗采用200 kbps的數據速率傳輸兩個語音信道和文本消息.在傳輸中使用一個周期為28-1的偽隨機數(PN)來測量在接收機處的比特誤碼率(BER).在接收端產生相同的PN序列，然后與發送的數據進行比較，測量誤碼率.369個LED模塊分為6個平行組，每組由6個LED串聯而成；所有36個LED都由一個功率場效應晶體管(IRF530A)驅動.圖6顯示了30%亮度的編碼信號.傳輸數據、PWM/VPPM編碼數據、判決時鐘和恢復數據按順序顯示[11].如圖6所示，無論亮度如何，發送的數據都會被恢復.

圖7顯示了傳輸的性能.圖7(A)對應使用不同顏色的傳輸的器.在本實驗中，亮度固定在50%.在290厘米處紅色或藍色的誤碼率與在270厘米處的綠色相同，顏色的傳輸也是成功的.混合顏色的是因為不同的顏色具有不同的PD響應.當RGB LED的PWs幾乎相等時，混合顏色為白色.圖7(b)顯示出了由RGBLED的PWM實現的白光的BER，但是亮度不同.在本實驗中，當亮度為50%時效果最好，如圖7(A)所示，當達到70%亮度時候，傳輸顯示出更糟糕的情況.當誤碼率為1.0E-6時，可能的傳輸距離比亮度為50%的傳輸距離短60cm，這是由于VPPM中“0”信號的PW過窄所致.最壞的情況是用30%的LED亮度觀測，這是由于VPPM中“1”信號的PW過窄和低輸出功率造成的.

圖7 不同顏色和亮度的信噪比

結果表明，脈沖對稱性和強度都影響誤碼率.因為每個比特在特定時間都有一個數據決策，如果有一個對稱的脈沖，如50%的亮度，那么將使傳輸過程更加穩定.低亮度意味著比特周期內的具有低電平，從而導致更低的信噪比.數據速率的增加會導致VPPM信號的性能下降，因為比特周期的電平較低會導致較低的信噪比.雖然在調光控制期間傳輸沒有斷開，但是性能上的變化是可以看到的.通過在接收機上采用合適的濾波器，可以降低不同亮度的性能差距，這是一個有待進一步研究的課題.

4 結論

利用PWM編碼和VPPM編碼，成功地實現了控制LED顏色和亮度的可見光無線光通信.在顏色和亮度的連續變化上實現了無縫傳輸.由于接收光功率和脈沖形狀的變化，對傳輸性能的變化進行了監測.這種差異可通過調光來調整數據速率彌補.隨著情感照明的廣泛應用，該方案是LED光傳輸數據的重要候選方案.