基于白光LED 的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)

楊立偉，李 琳，賈 潤(rùn)，巫 華，張秋蓮

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED 具有替代較低、替換長(zhǎng)、尺寸相對(duì)較小、響應(yīng)靈敏度高等許多優(yōu)點(diǎn)。利用這些特性，在使用LED 進(jìn)行照明的同時(shí)，可以將調(diào)制后的信號(hào)送到LED 可見(jiàn)光中進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)率更高、安全性更高的可見(jiàn)光通信。

可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication/VLC）作為一種傳輸數(shù)據(jù)信息技術(shù)，利用高速互聯(lián)網(wǎng)電線設(shè)備連接到照明系統(tǒng)設(shè)備，可以通過(guò)插入電源插頭使用。利用這種技術(shù)，系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光所到達(dá)的所有空間范圍，不需要電線連接就可以進(jìn)行高速傳輸，因而有著良好的應(yīng)用前景。

本文探討的可見(jiàn)光通信（VLC）是基于白光LED 實(shí)現(xiàn)的。它的通信速度可以達(dá)到每秒幾百兆。在全世界推崇綠色能源的巨大壓力下，綠色照明技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫。VLC 可以滿足照明需要和通信需要，這將是無(wú)線光通信領(lǐng)域一個(gè)全新的突破點(diǎn)，它適用于很多領(lǐng)域，比如智能家居碼。

1 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

LED 可見(jiàn)光通信有室內(nèi)通信和室外通信兩大類。本文的陳述基于我們團(tuán)隊(duì)對(duì)室內(nèi)VLC 技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。我們的實(shí)驗(yàn)將VLC 系統(tǒng)分為三個(gè)部分：發(fā)射、傳輸和接收。發(fā)射部分包括：信號(hào)輸入和編碼、調(diào)制電路，可見(jiàn)光發(fā)射系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路。接收部分由以下幾個(gè)模塊組成，它們分別是：光接收系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸出電路。

1.1 光信號(hào)接收技術(shù)

隨著距離的增加，接收部分收到的信號(hào)較弱，這往往導(dǎo)致接收機(jī)的信噪比小于 1。為了使接收到的信號(hào)更好地滿足需求，我們需要選擇一種靈敏度好、響應(yīng)速度較快、噪聲小的光電探測(cè)器。此外，為了在一定程度上抑制背景中雜散光的干擾，我們可以選用相對(duì)高效的光濾波器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行前端處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效降噪。

1.2 調(diào)制、編碼以及解調(diào)技術(shù)

在現(xiàn)階段的研究中， LED 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)多采用基于亮度調(diào)制（ IM）的DD 系統(tǒng)，編碼方法多為二進(jìn)制開(kāi)鑰控制（ OOK）編碼。但實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)際開(kāi)發(fā)的VLC 系統(tǒng)中， Manchester 編碼的性能要比 OOK 編碼更優(yōu)良。二進(jìn)制編碼的重要信息，主要通過(guò)光學(xué)鏈路來(lái)進(jìn)行傳輸，對(duì)于比特流的傳輸，可以使用組 1的形式發(fā)送。為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，我們可以選擇另外的編碼方式，如脈沖位置調(diào)制（PPM）等。與此同時(shí)，在進(jìn)行時(shí)鐘同步解碼時(shí)，對(duì)脈沖位置調(diào)制的要求也相對(duì)越來(lái)越高，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)又是另一個(gè)難題。

1.3 信道復(fù)用技術(shù)

為了使一個(gè)高速信道能夠同時(shí)用于多個(gè)終端，有必要采用信道多路復(fù)用技術(shù)。 OTDMA、 OCDMA 和OWDMA 等是光通信領(lǐng)域的主要形式。它們的保密性很好，抗干擾能力也非常強(qiáng)。在 LED 可見(jiàn)光通信領(lǐng)域主要使用 OCDMA 系統(tǒng)。這些信道復(fù)用技術(shù)為我們的研究提供了很大的方便。

1.4 信道調(diào)制與編碼技術(shù)

在早期的可見(jiàn)光通信研究中采用的脈沖調(diào)制（PPM）、二進(jìn)制相移鍵控（ BPSK）、開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）等調(diào)制方式無(wú)法對(duì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的碼間干擾進(jìn)行有效控制，這不僅阻礙了數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)倪M(jìn)程，并且限制了系統(tǒng)性能提升。 OFDM 技術(shù)能有效地克服 ISI 干擾。通過(guò)分析 OFDM 調(diào)制的基本原理，我們清楚地認(rèn)識(shí)到將OFDM 調(diào)制引入 VLC 是很有必要的?？梢?jiàn)光信道傳輸碼元信息時(shí)，產(chǎn)生的錯(cuò)誤既不是隨機(jī)獨(dú)立錯(cuò)誤，也不是單突發(fā)錯(cuò)誤，而是兩種錯(cuò)誤都有的混合錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)降低系統(tǒng)的性能。將信道編碼技術(shù)用于可見(jiàn)光通信可以有效改正碼元錯(cuò)誤，改善系統(tǒng)性能。 RS 糾錯(cuò)碼加固定交織的信道編碼技術(shù)是通信系統(tǒng)中一種比較常見(jiàn)的技術(shù)。交織寬度是在信道處于最“壞”情況下時(shí)設(shè)計(jì)的最大值，我們常常根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)改變交織寬度的自適應(yīng)交織方案[1]。

2 基于OptiSystem 的VCL 仿真系統(tǒng)的搭建

2.1 系統(tǒng)原理與組成

在發(fā)送端， VLC 發(fā)射機(jī)將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制和預(yù)均衡，并通過(guò)光學(xué)天線傳輸?shù)浇邮斩?。在接收端，可?jiàn)光接收機(jī)通過(guò)解碼、解調(diào)和后均衡，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，然后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，最終引出原信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率和安全性更高的可見(jiàn)光通信[3]。系統(tǒng)原理框框圖如圖 1所示。

圖1 基于OptiSystem的VCL仿真系統(tǒng)原理框框圖

發(fā)射端先產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，使用 QAM 序列發(fā)生器進(jìn)行 QAM 調(diào)制，然后經(jīng)過(guò) OFDM 調(diào)制，得到映射的星座點(diǎn)，再將其送入 IFFT 模塊進(jìn)行頻 -時(shí)域的變換，然后把高斯白噪聲加入到信道中。接著通過(guò)信道把信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩?，并在接收端?jīng)過(guò)去除循環(huán)前綴、變換 FFT、交換位數(shù)據(jù)位置等變換，最后進(jìn)行 QPSK 解調(diào)，以得到原始的位流數(shù)據(jù)[2]。

2.2 發(fā)射端設(shè)計(jì)

2.2.1 發(fā)射端總述

發(fā)射端先產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，接著使用 QAM 序列發(fā)生器進(jìn)行 QAM 調(diào)制，然后經(jīng)過(guò) OFDM 調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)的并行傳輸，再通過(guò)正交調(diào)制器實(shí)現(xiàn)正交模擬幅度調(diào)制，最后由 LED 實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，進(jìn)入傳輸信道?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)原理圖

2.2.2 QAM 序列發(fā)生器

QAM 序列發(fā)生器將位序列分為兩個(gè)并行子序列，在構(gòu)建此調(diào)制器時(shí)，每個(gè)子序列都可以通過(guò)串并轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)正交載波中傳輸。當(dāng)傳輸信息時(shí)，我們可以根據(jù)源符號(hào)來(lái)改變信號(hào)的幅度。對(duì)于每個(gè)輸出端口，振幅采用振幅集合中的值之一： a1=（2i-1-M），i=1， 2，...， M。其中，M 是可能的二進(jìn)制數(shù)字序列的數(shù)量，根據(jù)公式 M=2h /2計(jì)算，式中的h 是每個(gè)符號(hào)的位數(shù)；等效 QA M 集由M的平方給出。這意味著：若 h=2，M=2，那么我們有一個(gè) 4-QAM；若h=4，M=4，則我們有一個(gè) 16-QAM；若h=6，M=8，那么我們有 64-QAM；若h=8，M=16，那么我們有 256-QAM。

2.2.3 OFDM 調(diào)制器

OFDM 調(diào)制器包含了前向糾錯(cuò)編碼、交織、數(shù)字調(diào)制、導(dǎo)頻插入、串并變換、 IFFT、并串變換、插入循環(huán)前綴、加窗、數(shù)模變換等一系列模塊[3]。輸入的高速數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由它轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，再輸送到每個(gè)子信道上。信號(hào)經(jīng) OFDM 調(diào)制后，子信號(hào)相互之間的干擾將會(huì)大幅減少，信道均衡也會(huì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單易行[4]。

2.3 接收端設(shè)計(jì)

接收端先通過(guò) PIN 二極管接收 FSO 信道傳輸來(lái)的光信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在電放大器的作用下，信號(hào)放大了 10 dB。接著通過(guò)低通高斯濾波器濾除了一些噪聲的信號(hào)并進(jìn)行正交解調(diào)，再進(jìn)行 OFDM 解調(diào)，最后通過(guò) QAM 序列解碼器進(jìn)行解碼。

OFDM 解調(diào)器：它包含循環(huán)前綴，字符串和變換FFT 變換，信道估計(jì)和均衡，符號(hào)同步模塊，如接收信號(hào)由符號(hào)同步， OFDM 符號(hào)的起始點(diǎn)，去循環(huán)前綴后，通過(guò) FFT 變換后的時(shí)間符號(hào)數(shù)據(jù)，再通過(guò)這個(gè)過(guò)程和字符串轉(zhuǎn)換，解調(diào)基本完成。

2.4 仿真結(jié)果

在通信系統(tǒng)的研究中，經(jīng)常用示波器觀察接收信號(hào)的波形情況這種方法來(lái)分析噪聲和碼間串?dāng)_等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，這種方法稱為眼圖分析法[5]。在沒(méi)有噪聲和碼間干擾時(shí)，波形無(wú)失真；當(dāng)有碼間干擾時(shí)，波形會(huì)產(chǎn)生失真，眼圖的跡象就不時(shí)特別清晰了。接收波形不受串?dāng)_而抽樣再生的時(shí)間是由眼圖張開(kāi)寬度決定的，因而眼睛張開(kāi)最大的時(shí)刻即為最佳抽樣時(shí)刻[6]。由圖 3可知，信號(hào)中依帶有一定的噪聲，但是在可接受的影響范圍內(nèi)。信號(hào)波形的頂部紋波會(huì)使幅值有所抖動(dòng)，對(duì)信號(hào)的恢復(fù)產(chǎn)生一些影響。但總體來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在一定的誤差范圍之內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信，且操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于白光 LED 的VLC 系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)。同時(shí)分析了該技術(shù)的研究背景和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于白光 LED 的VLC 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò) OptiSystem 軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，此通信系統(tǒng)可以在 1 m 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)文件的端到端傳輸，且設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)易懂、便于操作、易于實(shí)現(xiàn)，為我們?nèi)蘸筮M(jìn)一步研究更高效的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。