基于多燈驅動的LED可見光通信系統(tǒng)設計

劉夢姣,柴廣躍,王科航，楊夢龍

(1.深圳大學 光電工程學院，廣東 深圳 518060；2.深圳技術大學新能源與新材料學院，廣東 深圳 518000)

引言

基于LED的可見光通信技術(visible light communication,VLC )[1]，不僅可以兼顧照明與通信的雙重功能，還具有無電磁輻射、無須頻譜資源認證、保密性強等優(yōu)勢。2000年，日本學者通過仿真探討了可見光通信技術的可行性[2]；2006年，德國布萊梅國際大學將正交頻分復用技術應用于可見光通信系統(tǒng)，并成功通過實驗驗證[3]；之后，英國學者研發(fā)了新型LED以提高可見光通信的通信速率，系統(tǒng)非實時速率可達10 Gb/s[4]；2010年后，復旦大學、暨南大學等研究機構對VLC技術展開研究，2017年復旦大學利用RGBY-LED，實現(xiàn)了非實時速率為8 Gb/s的信息傳輸[5]，2018年復旦大學利用5色硅基LED燈，采用離散多音(DMT)調制并使用預/后均衡技術實現(xiàn)了1 m傳輸距離的10.72 Gb/s的可見光傳輸，為目前最高速的可見光通信系統(tǒng)[6]。目前對可見光通信系統(tǒng)的實時測試系統(tǒng)的研究較少，2010年西門子等研究機構利用熒光粉型LED,實現(xiàn)系統(tǒng)帶寬40 MHz,通信速率達到230 Mb/s，但通信距離只有0.27 m；2014年日本Kinki University實現(xiàn)帶寬180 MHz,通信速率達到630 Mb/s,但是通信距離只有0.15 m。

本文對基于多燈驅動的LED可見光通信系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)架構進行了介紹，然后對其關鍵技術原理進行分析，最后實驗證明系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)總體設計

基于多燈驅動的LED可見光通信系統(tǒng)采用全雙工設計，下行鏈路采用普通商用1 W LED作為照明與通信光源，上行鏈路采用650 nm紅光激光二極管(LD)作為通信光源，因為日常網(wǎng)絡環(huán)境下，網(wǎng)絡端—用戶端相較于用戶端—網(wǎng)絡端有更高的傳輸量需求，所以依據(jù)白光的高帶寬特性將白光鏈路作為系統(tǒng)的下行鏈路，即網(wǎng)絡端—用戶端；同時激光準直性高且實踐方法成熟，為了便于點對點系統(tǒng)的調試，以及降低系統(tǒng)設計復雜度，將激光鏈路作為上行鏈路。利用LED的高速頻閃特性，將以太網(wǎng)信號經(jīng)過LED的高速調制以可見光的形態(tài)在自由空間傳播；經(jīng)過PD的接收解調以及后續(xù)電路的放大、再生等處理恢復出原始信號；上行鏈路將終端設備發(fā)出的電信號經(jīng)過LD調制，以激光傳輸，并被PD接收解調恢復出電信號。上下行鏈路分別通過百兆電口模塊接入以太網(wǎng)，可同時滿足四個終端設備的上網(wǎng)需求。

本文采用點對點的通信系統(tǒng)，在較遠通信距離的條件下，對系統(tǒng)的準直性要求高，若采用單光源驅動的VLC系統(tǒng)，接收端的接收范圍非常受限，不利用實際場所的應用。多燈的可見光通信系統(tǒng)采用12串2并LED陣列作為通信光源，經(jīng)差分恒流驅動，每只LED都可以與接收端構成通信鏈路，如此便有效擴大了接收范圍。此外，合理設計光學結構擴大單個LED的光照范圍，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。圖1為全雙工VLC系統(tǒng)結構框圖。

圖1 全雙工VLC系統(tǒng)框圖Fig.1 Full duplex system block diagram

2 關鍵技術分析

2.1 調制方法

無線通信領域的調制方式有很多，常見的有開光鍵控(OOK)、正交幅度調制(QAM)、正交頻分復用(OFDM)等技術[1]。調制方式的選擇直接決定了系統(tǒng)實現(xiàn)的難易程度，選擇簡單易實現(xiàn)的調制方式可以降低硬件復雜度、靈活性高、系統(tǒng)功耗低、散熱問題較易解決。

本文選用直接調制方式OOK，發(fā)送端采用差分非飽和開關恒流驅動電路驅動LED，以有效信號1，0的幅值變化控制LED光強的變化，達到調制的目的，實現(xiàn)電信號—光信號(E—O)的轉換；接收端采用硅基PIN型光電二極管接收調制光信號，并通過跨阻抗低噪聲放大器和主放大器恢復信號的幅值，完成光信號—電信號(O—E)的轉換。圖2為OOK信號調制原理圖。

圖2 基于OOK調制的E—O轉換Fig.2 E—O conversion based on OOK modulation

2.2 帶寬拓展

本文采用的LED是藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉合成白光，由于黃色熒光粉的的響應速率低，使得此類型LED調制帶寬較低，一般在3～5 MHz。為了實現(xiàn)可見光通信的百兆/千兆高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，對系統(tǒng)的調制帶寬進行了改善和提升，主要方法是在發(fā)射端設計有預加重電路，在接收端設計有后均衡電路來擴展高頻帶寬，帶寬拓展后系統(tǒng)帶寬提升至82 MHz。

預加重的設計思路就是在傳輸線的始端增強信號的高頻成分，以補償高頻分量在傳輸過程中的過大衰減，圖3為發(fā)射端預加重電路原理圖。

圖3 發(fā)射端預加重電路Fig.3 Pre-emphasis circuit in transmitter side

假設交流電壓放大可以描述為(角頻率為ω)

(1)

第一級放大器的響應幅度是

(2)

(3)

在發(fā)射端為擴大通信帶寬，需要補償高頻信號，因此R5要遠遠小于R4，則：

(4)

通過式(2)、式(4)，可以計算出第一級放大器的幅度響應大小，第二級放大器預加重處理與第一級放大器的相同。設置第二級放大器是因為預加重電路可以補償兩個不同的高頻點，更容易控制信號幅度范圍，同時第二級放大器也可使預加重電路信號輸出的相位與輸入信號的相位相同，但需要設定每個晶體管的適當靜態(tài)工作點。在實驗中，首先測試-3 dB的頻點沒有預加重補償時的LED響應，其次通過式(4)估計R4和C2的值，然后設置R5的值以及每個晶體管的靜態(tài)工作點。通過優(yōu)化參數(shù)，不斷提高預加重的性能。

接收端采用有源后均衡放大器提升系統(tǒng)帶寬，見圖4。

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

有源后均衡器的頻率響應可以表示為

(5)

均衡器響應的幅度是

(6)

(7)

在理想情況下，可以通過式(7)在已知R1和-3 dB頻點的情況下計算出C3，然而在實驗中，嘗試估計C3的合理值，并通過多次實驗找到最佳值，因為如果C3的值過大，則會因為補償較大影響放大器的穩(wěn)定頻率。本次設計中為達到理想效果并考慮放大器穩(wěn)定性，最終選擇C3和C4的值為22 pF，通過發(fā)送端預加重以及接收端后均衡技術，VLC系統(tǒng)-3 dB帶寬從3 MHz提升至82 MHz。

2.3 差分驅動

為了擴大光源覆蓋面積，將24只LED燈作為通信光源，每一只LED都可以與接收端組成通信鏈路。差分信號經(jīng)預加重電路擴頻，再由多個并聯(lián)射級跟隨電路合并一路，提高有效電流，加載到12串兩并LED上，實現(xiàn)多燈的驅動，圖5和圖6分別為驅動電路結構示意圖和單個射極跟隨器電路的原理圖。

圖5 差分驅動結構示意圖Fig.5 Differential drive schematic

圖6 單個射極跟隨電路Fig.6 Single emitter follower circuit

2.4 以太網(wǎng)融合

可見光通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡融合方案包括與以太網(wǎng)融合、與光纖融合、與電力線載波融合等方式。將系統(tǒng)分為照明端和用戶端，照明端包括白光發(fā)射部分和激光接收部分，用戶端包括白光接收部分和激光發(fā)射部分。分別在兩端設計以太網(wǎng)融合模塊。

在照明端，通過成熟的百兆電口模塊，具有兩端口交換核心和兩個PHY，能夠支持10/100BASE-T和100BASE-Fx，符合 IEEE802.3 以太網(wǎng)規(guī)范，完成可見光與以太網(wǎng)的交換控制。在用戶端采用五端口以太網(wǎng)交換芯片RTL8305SC設計，此芯片5個端口全部支持10/100M-UTP和100M-FX，在設計中一個端口對白光接收鏈路的數(shù)據(jù)進行處理，另外四個端口可將用戶端請求等信號處理、傳輸，由激光調制發(fā)出。圖7是電口模塊原理框圖和實物照片。圖8為光電媒體轉換電路實物圖。圖9為用戶端以太網(wǎng)融合模塊。

圖7 電口模塊原理框圖和實物照片F(xiàn)ig.7 Block diagram and physical photo of the electrical port module

圖8 光電媒體轉換電路實物圖Fig.8 Photoelectric conversion circuit physical map

圖9 用戶端以太網(wǎng)融合模塊Fig.9 Client Ethernet Convergence Module

3 實驗平臺搭建與結果分析

3.1 吞吐量性能測試和上網(wǎng)測試

本設計采用12串2并的多燈系統(tǒng)，為提高光效，發(fā)射端合理設計光學結構，接收端采用菲涅爾透鏡；為降低外界雜散光的干擾以及提高響應速率，接收端使用藍色濾光片。圖10為實驗平臺,通信距離為0.6 m。

圖10 實驗平臺Fig.10 Experiment platform

依據(jù)RFC2544網(wǎng)絡互聯(lián)設備基準測試方法，對本系統(tǒng)的丟包率指標進行測試。儀器使用思博倫SmartBits600網(wǎng)絡分析儀，分別測試下行白光鏈路和上行激光鏈路，結果表明，在測試速率100 Mb/s,白光鏈路的吞吐量最大可達到100%，激光鏈路的吞吐量達到100%，實驗結果見圖11，白光鏈路吞吐量指(01,01,02——01,01,01)，激光鏈路吞吐量指(01,01,01——01,01,02)。

圖11 白光鏈路吞吐量(01,01,02——01,01,01)，激光鏈路吞吐量(01,01,01——01,01,02)Fig.11 White light link throughput test(01,01,02——01,01,01)，Laser link throughput (01,01,01——01,01,02)

本設計的最終目標是用戶終端可以通過可見光通信系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，進行網(wǎng)頁瀏覽、視頻播放和下載等操作，滿足日常的上網(wǎng)需求。圖12是用戶上網(wǎng)測試平臺，通信距離為1.5 m。用戶端連接電腦，實驗中在電腦上打開網(wǎng)頁和視頻，檢測網(wǎng)頁打開速度和視頻播放流暢度，同時采用NetPer在線軟件測試實時上網(wǎng)速度，由圖13可看出上網(wǎng)速率在8 Mbit/s左右，這個速率受限于網(wǎng)絡環(huán)境和電腦本身網(wǎng)卡速率，實驗過程視頻播放不卡頓，滿足日常上網(wǎng)需求。圖13是NetPer網(wǎng)速測試軟件測試圖。

3.2 誤碼率測試

測試平臺如圖10所示，測試儀器為安捷倫81250誤碼測試儀，誤碼儀輸出百兆速率信號到白光鏈路，經(jīng)過傳輸，信號返回誤碼儀，對比兩種數(shù)據(jù)計算誤碼率。測試時長為7 h 45 min，數(shù)據(jù)速率100 Mbit/s，結果顯示平均誤碼率約為1.114×10-7,系統(tǒng)的誤碼率低，通信性能優(yōu)異。圖14為誤碼率測試結果。

圖12 上網(wǎng)測試平臺Fig.12 Internet test platform

圖13 NetPerSec軟件測試Fig.13 NetPerSec software test

圖14 誤碼率測試結果Fig.14 BER test results

3.3 通信覆蓋范圍測試

若采用單燈設計，在通信距離提高到1 m甚至更高時，光功率衰減嚴重，同時，經(jīng)過菲涅爾透鏡后的匯聚光束覆蓋范圍很小，肉眼來看幾乎是一個光點的大小，若稍微移動PD，通信鏈路便中斷，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差。對多燈可見光通信系統(tǒng)進行通信覆蓋范圍測試，測試平臺如圖12所示。測試結果如下(PD覆蓋面積約為0.25 cm2)：

1)通信距離為0.6～1.5 m時，通信覆蓋范圍基本不變，聚焦后的光斑面積為1.77 cm2，遠大于PD覆蓋面積，此時的系統(tǒng)通信質量好，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強。

2)通信距離1.5～3 m時，通信覆蓋面積逐漸減小至一個光點，此時系統(tǒng)可通信但穩(wěn)定性較差。

4 結論

本設計采用12串2并的LED光源，系統(tǒng)帶寬約82 MHz，兼容百兆以太網(wǎng)，兼容RJ45網(wǎng)口，同時可滿足四個終端設備接入網(wǎng)絡；在0.6 m的通信距離下，系統(tǒng)吞吐量為100%，說明傳輸過程未丟包，同時平均誤碼率約為1.114×10-7，誤碼率低；當通信距離拉長到1.5 m時，軟件檢測速度仍然可以滿足日常的上網(wǎng)需求；在0.6～1.5 m的通信距離下，通信覆蓋面積遠大于PD覆蓋面積，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性強。