基于軟件無線電的可見光通信系統設計

可見光通信（VLC）指的是以LED照明功能為基礎的無線通信技術，利用光源能夠發送可見光，并且無法通過肉眼觀察，還能夠傳輸信息。和傳統射頻無線通信技術對比，可見光通信的主要優勢為不會出現電磁輻射和電磁干擾、傳輸速率高等，擁有良好的發展前景。電力通信（PLC）能夠在一條線纜中實現對電能和通信信號的傳輸，從而降低通信基礎設施的建設成本。PLC結合VLC具有良好的優勢，能夠彌補傳統有線網絡的不足。本文克服了傳統系統融合的缺點，提出了將軟件無線電作為基礎的可見光通信系統，并且對系統進行實現和測試。

一、可見光通信系統的網絡架構

傳統可見光通信協同工作架構中的PLC信號要通過解調碼之后和LED燈進行連接，之后對LED燈進行重新編碼。此網絡架構會存在一些問題，具體如下： ① 相鄰LED燈光的照射區域重疊，會導致出現干擾； ②低速上行鏈路通過射頻和紅外技術設計，無法滿足高速下行鏈路的需求； ③ LED燈的覆蓋區小，因為不同覆蓋區域的移動導致接收信號不穩定。為了使此問題得到解決，本文設計基于VLC-PLC的帶寬接人網絡，在同個電力線路連接不同的LED燈，并且連接PLC調制解調器和電力線，實現信息的交換。對終端用戶傳輸獨立信號，利用手持終端能夠實現用戶對信號的接收。LED燈光檢測器接收上行信號，然后對信號解調，傳輸到PLC骨干網中。此方案能夠避免傳統網絡工作過程中的協同問題，還不需要改造現有照明網絡，降低了成本，并且使通信網絡的覆蓋面更廣、更均勻[2]。

二、系統的硬件設計

本文使用低成本軟件無線電設備USRPN210對波形進行處理，通過多個子板和FPGA模板創建高速信號處理模塊，從而實現信號調制解調。

（一）LED高速調制驅動電路

LED的離散性比較大，并且缺乏穩定電學參數溫度特性。驅動電流和LED發光亮度相關，如果改變LED兩端的電壓，也會改變驅動電流，降低發光質量。通過調制帶寬對LED調制能力能量。在沒有改變調制度時，會使低頻參數頻率得到降低，從而和相應頻率對應。圖1所示為高速調制驅動電路。VLC系統大部分都是光纖調制/直接檢測系統，能夠對噪聲和電磁的干擾進行抑制，或者傳輸數字視頻信號源碼。利用晶體管對發射機耦合式開關進行設計，提高LED驅動電流的穩定性。輸入端過激勵指的是電路超越原本設定的線性范圍，假如不飽和就會使其開關速率得到提高。LED數字調制驅動系統能夠對二進制數字信號進行傳輸，并且只需要提供小電流[3]。

（二）前置放大器電路

由于信號在檢測、傳輸過程中會受到多種因素干擾，因此，光探測器無法接收全部微弱信號。雖然能夠利用屏蔽技術降低電磁干擾，但是會在檢測中產生信號。所以，只能利用電路設計降低干擾，但無法完全消除。要想增益得到提高，可以通過設置放大器實現。如果將微弱信號放大，那么噪聲也會提高。所以，要對弱信號接收，避免噪聲，利用前置放大器抑制電磁干擾。在可見光通信系統設計過程中，信號背景噪聲比較強。所以，要設計低噪聲前置放大器。會對PD的靈敏度造成影響，在設計過程中要充分考慮噪聲和頻帶兩個因素，選擇合適的放大器電路。接收放大器電路信息后，可以利用等效輸入阻抗或者分布電容對頻帶進行設計。

（三）光電檢測器選擇

將光電探測器設置到光接收機前端。為了避免噪聲問題，可以在PD前端設置可見光濾波器，選擇PD的重點為：要求PD光譜范圍寬，可在可見光波長范圍內工作；要求提高光轉換成電的效率；要求PD具有良好的線性度和響應速度。

光電二極管響應速度指的是光轉換的速度，通過響應時間表示。影響響應速度的因素包括二極管極內阻、光載流子渡越范圍、二極管電容等。使光電檢測器有效面積提高，從而接收信號光。APD和PIN光電檢測器被廣泛應用到LED可見光通信中。在選擇過程中，要充分考慮價格、噪聲、帶寬和靈敏度的影響。PIN光電檢測器的響應速度快、光電轉換精度比較好，在工作時的偏壓功率比較小。但是，APD光電檢測器具有較高的靈敏度。APD檢測器的噪聲比較低，要求使噪聲降低。

針對系統光強度、信道距離短、干擾小等特點，本文使用PIN光電檢測器。LED發送可見光光源，本文使用硅光電探測器設計[5]。

三、系統的接收端設計

（一）透傳解幀的設計

接收端能夠利用GPIO接收對電路輸出數據的驅動。此數據利用CDR模塊恢復比特流，之后通過同步頭捕獲、解碼、串并轉換，從而能夠恢復以太網MAC幀。

圖2為狀態機的狀態跳轉流程，通過狀態機對透傳節幀操作進行控制，在可見光物理層中傳輸FIFO緩存數據，設備復位或者上電，要通過FIFO對數據進行提取，并且對數據是否為 0xA5關鍵字進行檢測。如果是，就會跳轉到P_START狀態，對數據是否為 0x33 狀態節能效果進行檢測。假如是，就實現MAC幀數據的輸出。假如不是，就跳轉到P_ODLE，對關鍵字進行檢測。在對0xA5進行檢測后，就會跳轉到P_ESCAP狀態中，之后對數據進行檢測。

（二）通道合并模塊

通道合并模塊能夠對多通道可見光鏈路數據進行接收，匯聚到同個數據流中，方便以太網MAC模塊的連接。通過此模塊能夠對可見光通道數據進行緩存，利用合并狀態選擇通路的數據輸出。在選擇通道輸出的過程中，要求輸出通道幀后才能夠判斷下個幀輸出的數據[。

（三）接收端驅動電路

根據光電器件設計設備接收端，從而補償衰減信號。以電容與電阻放大電路信號，使低頻幅度改變后，輸入阻抗也會提高。電容能夠使高頻增益幅度得到改變，對曲線低頻增益進行控制，從而實現高頻補償，提高波形的完整性。高頻的頻響并不會改變提高補償后的帶寬。

（四）上行鏈路設計

利用移動終端LED顯示器設計上行電路發送端。在對圖像進行傳輸的過程中，LED閃爍多次，也就是此閃爍頻率比手機屏幕成幀速率高。在高頻閃爍中調制信息，不會對圖像造成影響。在圖像顯示過程中無法使用強烈光纖，所以對上行鏈路通信速率造成限制。但是，對本文數據通信類型，上行鏈路能夠對小數據量內容、信息進行傳輸，屏幕光亮度的可見光通信速率能夠使上行速率需求得到滿足。

（五）下行鏈路設計

使用照明LED燈設計下行鏈路，對電信號進行調制和編碼，使LED驅動，發送光信號。下行鏈路接收端使用PIN廣電二極管，將光強信號轉變為電流信號。PIN廣電二極管具有良好的線性度，并且成本低、接收面積比較大。之后通過跨阻放大器放大電壓信號，使電壓數字信號進行接收和處理。為了降低傳輸畸變發生率，要求使用高速比較器處理信號，生成復雜二進制數字信號，通過數字信號處理芯片實現解碼，以此完成下行鏈路的接收工作。

四、通信系統的同步和解調

通過接收端光電二極管的光電轉換，利用硬件濾波、放大等步驟得出電信號實現同步解調。對比發射端調制信號，如果沒有失真的情況，就能夠進行之后的處理。

因為在通信時會改變信號頻率，所以要使用位同步實現解調工作。本文使用數字鎖相環實現位同步，由脈沖加減電路、除N計數器、鑒相器構成。鑒相器在環路失鎖的時候，實現輸人輸出信號相位差異的對比，分析K變?？赡嬗嫈灯骺刂菩盘?。以計數的方向對計數值進行調整，假如為0，要求輸出借位脈沖信號；如果不為0，要求加計數。根據進位脈沖信號使加減電路得到實現，調整輸出信號頻率之后調整以上過程，輸入輸出的信號頻率是一樣的。

利用插入法或直接法能夠同步幀，利用16-PPM規律設計系統。通過此方法表示特殊位對幀，對接收端特殊位置讀取時，能夠得到后面的位數狀態。設計系統16位幀，計算判決時鐘。對真實數據進行傳輸的過程中，通過0幀數據實現幀同步。

解調就是調制的逆過程。如果同步成功，表示解調正常。本文使用寄存器和16進制計數器，在對串行數據一位位數進行接收時，通過計數器進行計數，利用寄存器輸出計數器等信息。假如為時隙位置，要求實現寄存器的輸出，還原時隙信號所對應的二進制數。通過Verilog語言實現以上原理，部分源代碼為：

五、系統的性能測試

利用USRP和LFRX子板設計發射器和接收器，從而對系統進行測試。在測試過程中，設置采樣率為 $2.5＼mathrm{Ms}/＼$ s，根據Gig-E端口在USRP傳輸數據，利用視頻流媒體的方式傳輸數據，具體過程為：

通過發送端PC，利用UDP協議使視頻流在物理層中下沉，利用GNURadio包編碼的功能編碼，然后接收視頻流數據，通過正交頻分復用調制對符號進行編碼，設置子板處載頻為 2.5MHz 。在調制基帶信號之后，可以通過模擬調制方式驅動LED模和發送端，基帶信號調制結果詳見圖3。

PD檢測器通過接收端進行信號接收，然后在LFRX子板下變頻。其所接收的頻域和視域信號在接收機中實現解調，然后在應用層對媒體流進行接收，利用端口解碼視頻后播放。對視頻樣本進行壓縮編碼，利用主機傳輸到客戶端中。

在進行傳輸時，利用FFplay對解碼視頻流進行播放，表示視頻流的播放比較流暢，并且沒有延遲。但是，在播放過程中會丟失像素點，主要是因為UDP協議的效率比較高。假如傳輸網絡出現波動，就會出現丟包。

六、結束語

本文所設計的可見光通信系統，能夠利用GNURadio設計調試格式，之后調制基帶信號。利用測試結果可以看出，通過系統對相關視頻進行實時傳輸，表示可見光通信傳輸可靠。另外，在復雜電磁環境中，通過此技術能夠提高數據傳輸的效果，并且促進可見光通信技術后續的發展。

作者單位：張玲中國人民解放軍32620部隊

參考文獻

[1]盧霆威，王澤平，劉夢，等.基于可見光通信技術的全雙工以太網通信系統設計[J].電子學報，2022，50（01）：45-53.

[2]楊彥兵，胡超，魯邦彥，等.基于可見光和射頻融合的通信定位一體化系統[].通信學報，2023，44（12）：146-157.

[3]車越嶺，李梁柱，曾志豪，等.基于大規模天線的無線供能通信原型系統設計和實現[J].電子學報，2023，51（12）：3397-3409.

[4]孫欣欣，王延軍.基于可見光通信技術的以太網通信系統設計[J]信息記錄材料，2022，23（10）：170-172.

[5]劉杰徽，甘若宏，甘智宇，等.基于FPGA的多通道可見光通信系統的設計與實現[].電子技術應用，2023，49（03）：147-152.

[6]楊君豪，楚鷹軍，曹駿，等.基于軟件無線電的雙向時間同步系統設計與實現[].四川大學學報（自然科學版），2023，60（01）：68-74.

[7]王昊，趙黎，張峰，等.基于0GSM-MIMO的可見光通信與定位系統設計[J].激光雜志，2023，44（02）：123-128.

[8]趙晟.基于XMPP協議的即時通信系統設計和實現[].信息記錄材料，2023，24（10）：160-162.