王恩浩+孫濟(jì)生

摘 要：在未來無線通信的發(fā)展過程中，可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）將起到越來越重要的作用。當(dāng)前的可見光通信技術(shù)已取得了諸多進(jìn)展，但仍存在許多局限，如傳輸距離固定，LED燈易閃變等。針對(duì)以上問題，本文提出了一種可自適應(yīng)距離的，無閃變的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)測試。對(duì)可見光通信技術(shù)的推廣與進(jìn)一步發(fā)展具有參考意義。

關(guān)鍵詞：可見光通信；濾波器；LED驅(qū)動(dòng)；自適應(yīng)調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.138

1 研究背景

在過去的二三十年時(shí)間里，無線通信技術(shù)取得了長足的發(fā)展，無線通信已經(jīng)像水和電一樣成為一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施。而無線通信將來的主要挑戰(zhàn)將是滿足正在指數(shù)增長的系統(tǒng)容量的需求。當(dāng)前越發(fā)嚴(yán)重的頻譜重用現(xiàn)象嚴(yán)重限制了系統(tǒng)容量的增長，傳統(tǒng)的用于提高系統(tǒng)容量的方法將不再適用。因此，使用可見光頻段，不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)射頻干擾的可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）將是解決系統(tǒng)容量矛盾的一劑良方，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

可見光通信技術(shù)（VLC）是指以可見光波段的光作為傳輸信息的載體，無需傳統(tǒng)的光纖等有線傳輸通路，直接以空氣為介質(zhì)，直接在空氣中傳輸光信號(hào)的通信方式。VLC利用LED燈作為發(fā)射端，使用頻率范圍在4.0*1014～7.9*1014 Hz的可見光，以LED燈的亮滅和亮度變化來傳輸信息，例如LED燈亮表示1，滅表示0，通過快速的亮滅來傳輸一長串的0和1的序列。由于采用可見光作為傳輸載體，VLC技術(shù)不會(huì)對(duì)射頻信號(hào)產(chǎn)生干擾，可以廣泛應(yīng)用于對(duì)電磁場敏感的場所。并且，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，人眼不會(huì)注意到LED燈的高速閃滅，因此VLC技術(shù)可以同時(shí)滿足通信和照明兩種功能。

當(dāng)前VLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果，驅(qū)動(dòng)，調(diào)制，解碼方式日趨成熟，系統(tǒng)速率不斷刷新，解放軍信息工程大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了傳輸速率高達(dá)50Gbps的可見光通信演示系統(tǒng)[1]。但是，當(dāng)前的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造過程中仍存在著許多局限性，如為了保證接收信號(hào)的亮度穩(wěn)定，發(fā)射端和接收端需要保持恒定的傳輸距離；當(dāng)前常見的VLC通信系統(tǒng)的發(fā)射端驅(qū)動(dòng)電路會(huì)使LED燈產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)信號(hào)傳輸和照明效果產(chǎn)生不利影響[2]。本文針對(duì)以上問題對(duì)傳統(tǒng)的VLC系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了一種自適應(yīng)傳輸距離的無閃變現(xiàn)象的可見光通信系統(tǒng)，并且具有良好的可擴(kuò)展性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可見光通信發(fā)射端設(shè)計(jì)中非常常用的一種方法是使用恒定的直流偏置電流加上傳輸信號(hào)電流。這種類型的系統(tǒng)是通過把恒定的直流偏置電流加到驅(qū)動(dòng)電路上來實(shí)現(xiàn)的，即保持LED燈為恒亮狀態(tài)。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后疊加到直流偏置電流上來作為傳輸信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED燈，因此LED燈的亮度調(diào)節(jié)變化是與傳輸信號(hào)的強(qiáng)度變化實(shí)時(shí)同步的。但是，由于驅(qū)動(dòng)電流隨傳輸信號(hào)改變，LED燈的調(diào)光強(qiáng)度是實(shí)時(shí)改變的，這造成了如果有較長時(shí)間的‘0或‘1，LED燈很容易進(jìn)入閃變模式，這會(huì)對(duì)VLC系統(tǒng)的信號(hào)傳輸和照明效果產(chǎn)生不良影響[3]。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提出了一種無閃變的可見光通信發(fā)射端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。使用了游程長度受限碼（RLL）和恒流源驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)LED燈的驅(qū)動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)照明強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)包括恒流源驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字RLL編碼模塊，如圖1所示，恒流源電路在恒流源參數(shù)選擇裝置控制下，進(jìn)行恒流參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，RLL編碼電路在所述RLL編碼方式選擇裝置的控制下，進(jìn)行編碼模式的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

恒流源電路為受控的LED燈提供恒定的電流源，數(shù)字RLL編碼模塊通過不停的切換模式編碼調(diào)制的信號(hào)，在一個(gè)控制周期內(nèi)周期性地向恒流源驅(qū)動(dòng)電路提供‘開/關(guān)的控制邏輯。當(dāng)RLL編碼電路發(fā)來的控制信號(hào)是‘開 控制邏輯狀態(tài)時(shí)，LED燈被所述電流源點(diǎn)亮；當(dāng)所述RLL編碼電路發(fā)來的控制信號(hào)是‘關(guān) 控制邏輯狀態(tài)時(shí)，LED燈處于熄滅狀態(tài)。因?yàn)镽LL編碼的信號(hào)在同一個(gè)控制周期中總是有特定的工作周期比例，因此LED燈在同一個(gè)控制周期中也總有固定的‘開‘關(guān)比例。并且在‘開狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)電流是恒定的，這也保證了LED燈的亮度值是恒定的，并且可以根據(jù)人工設(shè)定的‘開‘關(guān)來調(diào)節(jié)LED燈的照明亮度。

2.2 接收端判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前常見的VLC系統(tǒng)中，接收端常用的判別方法為固定閾值法，接收端的光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再對(duì)生成的電信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判定，信號(hào)強(qiáng)度大于閾值的被判定為‘1，信號(hào)強(qiáng)度小于閾值的被判定為‘0，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)的光信號(hào)，即發(fā)射端LED燈亮滅的判別[4]。此種方式需提前設(shè)定閾值，因此發(fā)射端和接收端之間的距離必須恒定，否則會(huì)增大誤碼率，并且由于固定閾值，對(duì)外部光照干擾的變化抵抗力較差，當(dāng)外部光噪聲強(qiáng)度出現(xiàn)大幅變化時(shí)，易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

為解決這一問題，本文提出了一種可調(diào)節(jié)閾值的接收端判別系統(tǒng)。通過設(shè)置可調(diào)節(jié)的判定閾值，來判定接收到的光信號(hào)為‘0或‘1。因此可以自由調(diào)節(jié)發(fā)射端和接收端之間的距離，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。并且，通過可調(diào)節(jié)的判定閾值，使系統(tǒng)的魯棒性更強(qiáng)，提高了抗干擾能力，使VLC系統(tǒng)可以在外部光噪音變化的復(fù)雜環(huán)境下工作。判定閾值調(diào)節(jié)可以分為手動(dòng)調(diào)節(jié)和自適應(yīng)調(diào)節(jié)兩種。

2.2.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)

在閾值判定電壓電路中加入可調(diào)分壓電阻，使使用者可以根據(jù)當(dāng)前狀況手動(dòng)調(diào)節(jié)判定閾值電壓，并根據(jù)LED燈以固定速率亮滅時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行校正，如圖2所示，使VLC系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的傳輸距離和不同的外部光照污染情況。此種設(shè)計(jì)的方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單可行成本較低，但不能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且發(fā)射端與接收端必須保持相對(duì)靜止。

2.2.2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)

在自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式中，系統(tǒng)引入了抽樣電路來自動(dòng)調(diào)節(jié)合適的電壓判定閾值以適應(yīng)不同的傳輸距離和外部光照狀況。如每秒抽樣1000個(gè)時(shí)間點(diǎn)，存儲(chǔ)這1000個(gè)時(shí)間點(diǎn)所接收到的光信號(hào)所轉(zhuǎn)化成的電壓值，求所有樣本數(shù)據(jù)的平均值，作為該時(shí)刻的參考閾值電壓。由于采用實(shí)時(shí)抽樣，所以該方法可以自適應(yīng)發(fā)射端與接收端傳輸距離的變化，并且可以在發(fā)射端與接收端相對(duì)移動(dòng)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)信息的正常傳輸。另外，由于抽樣系統(tǒng)采樣時(shí)已經(jīng)將環(huán)境光照計(jì)算在內(nèi)，因此經(jīng)過加權(quán)平均的閾值判定電壓已經(jīng)剔除了環(huán)境光噪聲的影響，使VLC系統(tǒng)對(duì)外部光照環(huán)境變化有更強(qiáng)的抗干擾性能。

3 系統(tǒng)擴(kuò)展與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

3.1.1 可擴(kuò)展雙工

本系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為對(duì)稱模塊，如圖4所示。每塊基本模塊上都集成了VLC接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)，使用兩個(gè)基本模塊即可構(gòu)成一套完整的上行與下行的雙工系統(tǒng)，便于開展VLC相關(guān)的各項(xiàng)測試與科研工作。

3.1.2 可擴(kuò)展MIMO

多個(gè)對(duì)稱模塊之間既可以進(jìn)行單對(duì)單的通信測試與實(shí)驗(yàn)，又可以使用多套基本模塊搭建多收多發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行MIMO VLC 的相關(guān)測試。

3.1.3 可擴(kuò)展RGB可見光通信

本系統(tǒng)為每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED燈珠，可以一對(duì)一驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的熒光粉白光LED，也可以使用三套基本模塊，分別驅(qū)動(dòng)紅光，綠光，藍(lán)光LED，構(gòu)成RGB LED燈組，進(jìn)行RGB LED相關(guān)的測試。

3.1.4 可擴(kuò)展多種接口

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)串口接口與可擴(kuò)展的網(wǎng)口模塊，可以與PC， FPGA 及信號(hào)發(fā)生器，示波器等進(jìn)行連接，控制系統(tǒng)的輸入并監(jiān)控輸出狀況，適用于多種條件下的測試與研究。

3.2 系統(tǒng)測試與實(shí)現(xiàn)

對(duì)本VLC演示系統(tǒng)的自適應(yīng)傳輸距離性能進(jìn)行測試，用信號(hào)發(fā)生器向LED驅(qū)動(dòng)端輸入5 MHz的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，使LED燈以5 MHz的固定頻率亮滅。保持接收端在距離LED發(fā)射端直線10-100 cm的范圍內(nèi)低速運(yùn)動(dòng)，將經(jīng)過閾值判定電壓判決之后的信號(hào)輸出到示波器上，如圖5所示。經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以較好地自適應(yīng)VLC系統(tǒng)傳輸距離的變化，并在接收端低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下接收可見光信號(hào)。

4 結(jié)論

本文提出了一種可自適應(yīng)傳輸距離變化的，無閃變的可見光通信系統(tǒng)。解決了常見的可見光通信系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)傳輸距離的問題，克服了傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)易產(chǎn)生的閃變現(xiàn)象，有效提高了照明質(zhì)量，對(duì)VLC系統(tǒng)的推廣及相關(guān)研究工作有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Burchardt，H.Serafimovski，N.Tsonev，D.Videv，S.Haas，H.， "VLC：Beyond point-to-point communication，"in Communications Magazine，IEEE，vol.52，no.7，pp.98-105，July，2014.

[2]《Principles of LED Light Communications Towards Networked Li-Fi SVILEN DIMITROV》，German Aerospace Center （DLR）， Oberpfaffenhofen HARALD HAAS，University of Edinburgh，2015.

[3]解光勇.光電探測器噪聲特性分析[J].信息技術(shù)，2008（11）.

[4]遲楠.LED可見光通信關(guān)鍵器件與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2015.