王 昌，江曉明

(1. 江蘇聯(lián)盟信息工程有限公司 總經(jīng)理室，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于FPGA的室內LED可見光數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)

王 昌1，江曉明2

(1. 江蘇聯(lián)盟信息工程有限公司 總經(jīng)理室，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了解決現(xiàn)有通信方式頻譜資源緊張、電磁污染等問題，頻譜寬、綠色節(jié)能、移動性強的可見光通信(VLC)技術應運而生。設計一套LED可見光點對點數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)傳輸對硬件要求比較高，此設計使用了現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為硬件平臺，提高運算速率；在光檢測器(PD)前使用光集中器以使足夠的光被光檢測器接收，同時在接收端前端獲得理想的照度；在接收端前端使用藍光濾光片濾除響應慢的黃光分量及其他波段的干擾光。經(jīng)測試，系統(tǒng)在保證文件正確傳輸?shù)那疤嵯拢梢詫崿F(xiàn)高達2.43 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。由系統(tǒng)驗證可知，傳輸速率的提升會使系統(tǒng)誤碼性能下降，而照度的提高會使系統(tǒng)誤碼性能提高。

可見光通信；藍光濾光片；現(xiàn)場可編程門陣列

LED自20世紀60年代誕生以來，飛速發(fā)展，光色從單到多、亮度從低到高、壽命從短到長、市場從無到有。白光LED現(xiàn)已廣泛應用于顯示、照明、通信等領域。與其他光源相比，白光LED具有更高的調制帶寬。白光LED可以將照明與傳輸相結合的特點促進了可見光通信(VLC)的發(fā)展。日本慶應大學中川實驗室首先使用LED可見光通信進行數(shù)據(jù)傳輸[1]；Toshihiko Komine和Masak Nakagawa在文獻[2]中首先介紹了基于白光LED的VLC系統(tǒng)的基本模型，為可見光通信后續(xù)的研究奠定了重要基礎。

1 室內高速率可見光通信：可能性與挑戰(zhàn)性

1.1實現(xiàn)室內高速率可見光通信的可能性

1.1.1 白光LED光源

用于普通照明的白光LED主要有RGB-LED和PC-LED兩種類型。RGB-LED包含分開的R，G，B發(fā)射器的裝置。PC-LED使用藍色發(fā)射器與黃色熒光粉組合的裝置。后者是照明的首選方案，因為與三發(fā)射器器件相比，其復雜度較低。但該器件的調制帶寬只有幾兆赫茲[3]35-42。其帶寬受限主要是黃光分量響應較慢[4]。要解決這個問題，可以在光電轉換裝置前放置一個藍光濾光片，藍光濾光片在藍光波段的透過率非常高，可達95%，在其他可見光和近紅外波段的平均透過率小于1%，可以將其他干擾光全部濾除，以實現(xiàn)藍光波段的帶通濾波，從大量的噪聲中濾出有用的藍光信號，實現(xiàn)通信與照明一體化。

1.1.2 高速VLC鏈接

在窄的調制帶寬上獲得高的數(shù)據(jù)傳輸速率是非常具有挑戰(zhàn)性的。改善調制帶寬的方法很多，比如在接收機處使用藍色濾光片濾除慢響應的黃色分量；在LED驅動模塊[5]進行預均衡，在接收機進行后均衡，或者是這些技術的組合。在有限帶寬上實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧硪环N方法是采用更復雜的調制方式，如多進制調制。文獻[6]介紹了在藍色信道帶寬上的數(shù)據(jù)傳輸速率達231Mbit/s。這種方法結合正交幅度調制(QAM)和離散多音頻調制(DMT)。表1給出了針對白色和藍色通道結合NRZ-OOK和DMT-QAM調制方案的不同VLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。藍色通道與均衡技術或復雜的調制方案相結合可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。與復雜的調制方案相比，OOK-NRZ在均衡信道上的傳輸更簡單，因為前者在發(fā)送端和接收端都需要精度更高的信號處理。在這兩種情況下，傳輸速率大為提高。但同時應保證較高的信噪比。因此，使用VLC實現(xiàn)高速率的傳輸非常具有挑戰(zhàn)性。

表1 高速VLC系統(tǒng)的傳輸性能

1.1.3 正交頻分復用OFDM

OFDM是數(shù)字多載波調制方法的頻分復用(FDM)方案。大量緊密間隔的正交子載波信號在幾個并行數(shù)據(jù)流或信道上攜帶數(shù)據(jù)。每個子載波以低碼元速率用常規(guī)的調制方案(如正交幅度調制或相移鍵控)進行調制，保持與相同帶寬中的常規(guī)單載波調制方案差不多的總數(shù)據(jù)傳輸速率。

OFDM優(yōu)于單載波調制方案的主要特點是無需復雜的均衡器處理各種干擾。OFDM使用許多緩慢調制的窄帶信號，而不是一個快速調制的寬帶信號。低符號速率使得符號間的保護間隔可以實現(xiàn)，進而消除可見光通信中的碼間干擾(ISI)，且能利用回波和時間擴展實現(xiàn)多樣性增益，改善信噪比。

通過OFDM可以設計單頻可見光通信網(wǎng)絡，若干相鄰的發(fā)射機以相同的頻率同時發(fā)射相同的信號，來自多個遠程發(fā)射機的信號可以很好地組合起來，而不是相互干擾。OFDM技術收發(fā)端系統(tǒng)框架圖見圖1，圖2。

圖1 OFDM系統(tǒng)發(fā)射端

圖2 OFDM系統(tǒng)接收端

1.1.4 多輸入多輸出技術(MIMO)

在可見光MIMO系統(tǒng)中使用多個發(fā)射器(LED)和接收器(光檢測器)來提高通信性能[7-8]。MIMO可以在不增加額外功率或帶寬的情況下擴大鏈路范圍，獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量、鏈路可靠性，提高頻譜利用率，在無線通信領域中能發(fā)揮非常大的作用。圖3顯示了一個典型的VLC-MIMO系統(tǒng)。4個LED陣列用于房間照明并同時傳輸4個獨立的數(shù)據(jù)流。接收器陣列由4個光電探測器元件與非成像集中器組成。圖4描繪了MIMO模型的原理。串行輸入數(shù)據(jù)流交錯傳輸，用于調制單個LED陣列(發(fā)射機)。每個LED陣列發(fā)出的光被所有的光檢測器接收，各個光檢測器的構造不同，優(yōu)勢不同。從4個信道接收的信號通過一個矩陣H進行信號處理，以此恢復發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)流。

圖3 VLC-MIMO系統(tǒng)

圖4 VLC-MIMO模型原理

1.2可見光通信的挑戰(zhàn)性

目前緩解白光LED低調制帶寬的最簡單方法是使用藍色濾光片濾出干擾光部分。然而，使用該方法，光譜其他部分的能量會被阻擋，產(chǎn)生能量損失。要提高數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用均衡和復雜調制等方法。

OFDM可以改善碼間串擾、提高頻帶利用率，但是OFDM系統(tǒng)中，高峰均比(PAPR)仍然是一個難題。OFDM信號包絡波動范圍廣，經(jīng)過線性范圍窄的LED會產(chǎn)生嚴重的非線性失真。文獻[9]針對CO-OFDM系統(tǒng)提出了一種指數(shù)壓縮擴展方法，兼顧有效降低PAPR和系統(tǒng)的誤碼性能。MIMO系統(tǒng)很有可能并行發(fā)送數(shù)據(jù)，并持續(xù)更新信道矩陣以在接收端分離數(shù)據(jù)來提供高達千兆的數(shù)據(jù)傳輸容量。然而，在信道矩陣不是滿秩或不合適(由于發(fā)射機/接收機的位置對稱性)的情況下，來自不同信源的數(shù)據(jù)不能被正確分離，從而產(chǎn)生誤碼。由文獻[10]的分析可知，采用多項式矩陣的奇異值分解法可以改善信道矩陣，提高誤碼性能。

2 LED可見光數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的實驗裝置如圖5，圖6所示，包括發(fā)送端和接收端。在發(fā)送端，數(shù)字信號進入FPGA進行信號處理，經(jīng)放大模塊放大后由驅動電路驅動LED發(fā)出相應的光信號。在接收端，通過集中器和濾光片的光信號進入光電轉換器轉換為電信號，經(jīng)FPGA進行與發(fā)送端相反的信號處理，數(shù)據(jù)得以恢復。

圖5 實驗系統(tǒng)方框圖

圖6 FPGA信號處理流程

主控芯片使用的是Xilinx公司的FPGA芯片，放大器為兩級AB類放大器。放大器的輸出通過偏置T來驅動LED模塊。使用的白光LED為PC-LED。LED燈的輻射角較寬，PD探測器的尺寸較小，在PD前使用菲涅爾透鏡集中器來增加到達PD表面的光信號強度，同時使用藍光濾光片濾出響應緩慢的黃光部分及其他干擾光。與集中器組合的硅二極管可獲得約70°的寬視野和約100mm2的有效面積。

調制帶寬代表了LED的調制能力，直接關系系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。加入藍光濾光片后，PC-LED的調制帶寬從3MHz提高到15MHz，可以有效提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。實驗測得的藍光成分的頻率響應特性可用一階指數(shù)函數(shù)

H(ω)=e-ω/ωb

(1)

表示。式(1)中，ωb為匹配系數(shù)，ωb=2∏×15.5×106rads/s。

2.2系統(tǒng)的編程設計

FPGA中編寫的程序主要作用是：通過MII進行數(shù)據(jù)交互，控制LED驅動電路，從PD電路中恢復數(shù)據(jù)。FPGA內部要對數(shù)據(jù)信號進行編解碼、串并轉換、數(shù)據(jù)接收發(fā)送過程中的狀態(tài)轉換控制等。

在發(fā)送端，F(xiàn)PGA中編寫的程序通過MII接口接收數(shù)據(jù)，進行并串轉換和曼徹斯特編碼，編碼后的數(shù)字信號放大后控制LED驅動電路使LED發(fā)出光信號。在接收端，光信號經(jīng)光電轉換電路變成相應的電信號，電信號進入FPGA后，首先，經(jīng)過時鐘和數(shù)據(jù)恢復，然后，進行解碼和串并轉換，數(shù)字信號恢復。收發(fā)數(shù)據(jù)過程中，需要檢測數(shù)據(jù)流中特定的起始標志、結束標志等控制信息，以保證發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是完整的。

FPGA中完成的數(shù)字信號處理采用曼徹斯特編碼方式，發(fā)送“0”時，電平從低到高跳變，發(fā)送“1”時，電平從高到低跳變。用曼徹斯特編碼的優(yōu)點是每位編碼中有一位跳變，不存在直流分量，具有自同步能力和良好的抗干擾性能；用于信息傳輸?shù)墓庑盘柶骄夤β屎愣?，有利于抑制LED發(fā)光亮度的抖動，保護人眼。

3 系統(tǒng)實驗結果及分析

經(jīng)過實際測試，設計的室內可見光通信系統(tǒng)，傳輸一個17.9M的PDF文件時，保證文件正確傳輸?shù)那闆r下，最快時間為59s，測得系統(tǒng)傳輸速率為(17.9×8/59)Mb/s，即2.43Mb/s。

在0.2m的相對較短的信道上測試了不同傳輸速率的誤碼性能，照度保持在600lux。實驗結果表明，在相同距離、相同光照的情況下，隨著傳輸速率的提高，誤碼率升高，誤碼性能下降。此外，測試了系統(tǒng)性能與照度的關系。實驗結果表明，在相同距離、相同傳輸速率的情況下，隨著照度的增加，誤碼率減小，誤碼性能提高。

4 結束語

本文分析了實現(xiàn)室內高速率可見光通信的可能性與挑戰(zhàn)性；設計了一套室內LED可見光數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，通過使用藍光濾光片拓展LED的調制帶寬，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，該系統(tǒng)文件傳輸速率可達2.43Mb/s；測試了系統(tǒng)誤碼率與傳輸速率、照度的關系，傳輸速率的升高會使誤碼率下降；照度的升高會使誤碼率提高。

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〔責任編輯： 盧 蕊〕

AnindoorLEDvisiblelightdatatransmittingsystembasedonFPGA

WANG Chang1, JIANG Xiaoming2

(1. General Manager Office,Jiangsu Union Information Engineering Co.,Ltd； Zhenjiang 212013， China; 2. School of Computer Science and Telecommunication Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China)

In order to solve the problem of spectrum resource scarcity, electromagnetic pollution and other problems in the existing communication methods, the spectrum-wide, green energy-saving and mobile-strong visible light communication (VLC) technology came into being. This paper designed an indoor LED visible light data receiving and transmitting system. As the data transmission in the hardware requirements were relatively high, this design used a Field-Programmable Gate Array (FPGA) as the hardware platform to improve the operation rate; We used a light concentrator in front of the photodetector (PD) so that sufficient light could be

by the photodetector and the desired illuminance could be obtained at the front end of the receiver. In front of the receiver, a blue filter was used to filter out the yellow component which responsed slowly and the interference light on other bands. By testing, we found that the system achieved up to 2.43Mbps data transmission rate under the guarantee that the files transferred correctly. Finally, through the verification of the system, it was concluded that the increase of the transmission rate would degrade the system BER performance, and the increase of the illuminace would improve the system BER performance.

visible light communication; blue-filter; field-programmable gatearray

TN911.72

B

1008-8148(2017)04-0050-04

2017-06-27

國家自然科學基金項目(61573171)

王 昌(1962—)，男，江蘇東臺人，高級工程師，主要從事電子技術應用、光通信及光信息技術、智能化交通及通訊研究； 江曉明(1977—)，男，江蘇啟東人，副教授，碩士生導師，主要從事智能光網(wǎng)絡與電子線路設計研究。