劉夢(mèng)姣,柴廣躍,王科航，楊夢(mèng)龍

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

引言

基于LED的可見(jiàn)光通信技術(shù)(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(wú)電磁輻射、無(wú)須頻譜資源認(rèn)證、保密性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。2000年，日本學(xué)者通過(guò)仿真探討了可見(jiàn)光通信技術(shù)的可行性[2]；2006年，德國(guó)布萊梅國(guó)際大學(xué)將正交頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，并成功通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3]；之后，英國(guó)學(xué)者研發(fā)了新型LED以提高可見(jiàn)光通信的通信速率，系統(tǒng)非實(shí)時(shí)速率可達(dá)10 Gb/s[4]；2010年后，復(fù)旦大學(xué)、暨南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)對(duì)VLC技術(shù)展開(kāi)研究，2017年復(fù)旦大學(xué)利用RGBY-LED，實(shí)現(xiàn)了非實(shí)時(shí)速率為8 Gb/s的信息傳輸[5]，2018年復(fù)旦大學(xué)利用5色硅基LED燈，采用離散多音(DMT)調(diào)制并使用預(yù)/后均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1 m傳輸距離的10.72 Gb/s的可見(jiàn)光傳輸，為目前最高速的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)[6]。目前對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的研究較少，2010年西門子等研究機(jī)構(gòu)利用熒光粉型LED,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶寬40 MHz,通信速率達(dá)到230 Mb/s，但通信距離只有0.27 m；2014年日本Kinki University實(shí)現(xiàn)帶寬180 MHz,通信速率達(dá)到630 Mb/s,但是通信距離只有0.15 m。

本文對(duì)基于多燈驅(qū)動(dòng)的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了介紹，然后對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)原理進(jìn)行分析，最后實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于多燈驅(qū)動(dòng)的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)采用全雙工設(shè)計(jì)，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?yàn)槿粘＞W(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)端—用戶端相較于用戶端—網(wǎng)絡(luò)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(luò)端—用戶端；同時(shí)激光準(zhǔn)直性高且實(shí)踐方法成熟，為了便于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的調(diào)試，以及降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)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(hào)經(jīng)過(guò)LED的高速調(diào)制以可見(jiàn)光的形態(tài)在自由空間傳播；經(jīng)過(guò)PD的接收解調(diào)以及后續(xù)電路的放大、再生等處理恢復(fù)出原始信號(hào)；上行鏈路將終端設(shè)備發(fā)出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)LD調(diào)制，以激光傳輸，并被PD接收解調(diào)恢復(fù)出電信號(hào)。上下行鏈路分別通過(guò)百兆電口模塊接入以太網(wǎng)，可同時(shí)滿足四個(gè)終端設(shè)備的上網(wǎng)需求。

本文采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信系統(tǒng)，在較遠(yuǎn)通信距離的條件下，對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)直性要求高，若采用單光源驅(qū)動(dòng)的VLC系統(tǒng)，接收端的接收范圍非常受限，不利用實(shí)際場(chǎng)所的應(yīng)用。多燈的可見(jiàn)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(qū)動(dòng)，每只LED都可以與接收端構(gòu)成通信鏈路，如此便有效擴(kuò)大了接收范圍。此外，合理設(shè)計(jì)光學(xué)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大單個(gè)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(jié)構(gòu)框圖。

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

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 調(diào)制方法

無(wú)線通信領(lǐng)域的調(diào)制方式有很多，常見(jiàn)的有開(kāi)光鍵控(OOK)、正交幅度調(diào)制(QAM)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等技術(shù)[1]。調(diào)制方式的選擇直接決定了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難易程度，選擇簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方式可以降低硬件復(fù)雜度、靈活性高、系統(tǒng)功耗低、散熱問(wèn)題較易解決。

本文選用直接調(diào)制方式OOK，發(fā)送端采用差分非飽和開(kāi)關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED，以有效信號(hào)1，0的幅值變化控制LED光強(qiáng)的變化，達(dá)到調(diào)制的目的，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)—光信號(hào)(E—O)的轉(zhuǎn)換；接收端采用硅基PIN型光電二極管接收調(diào)制光信號(hào)，并通過(guò)跨阻抗低噪聲放大器和主放大器恢復(fù)信號(hào)的幅值，完成光信號(hào)—電信號(hào)(O—E)的轉(zhuǎn)換。圖2為OOK信號(hào)調(diào)制原理圖。

圖2 基于OOK調(diào)制的E—O轉(zhuǎn)換Fig.2 E—O conversion based on OOK modulation

2.2 帶寬拓展

本文采用的LED是藍(lán)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(yīng)速率低，使得此類型LED調(diào)制帶寬較低，一般在3～5 MHz。為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信的百兆/千兆高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)制帶寬進(jìn)行了改善和提升，主要方法是在發(fā)射端設(shè)計(jì)有預(yù)加重電路，在接收端設(shè)計(jì)有后均衡電路來(lái)擴(kuò)展高頻帶寬，帶寬拓展后系統(tǒng)帶寬提升至82 MHz。

預(yù)加重的設(shè)計(jì)思路就是在傳輸線的始端增強(qiáng)信號(hào)的高頻成分，以補(bǔ)償高頻分量在傳輸過(guò)程中的過(guò)大衰減，圖3為發(fā)射端預(yù)加重電路原理圖。

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

假設(shè)交流電壓放大可以描述為(角頻率為ω)

(1)

第一級(jí)放大器的響應(yīng)幅度是

(2)

(3)

在發(fā)射端為擴(kuò)大通信帶寬，需要補(bǔ)償高頻信號(hào)，因此R5要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R4，則：

(4)

通過(guò)式(2)、式(4)，可以計(jì)算出第一級(jí)放大器的幅度響應(yīng)大小，第二級(jí)放大器預(yù)加重處理與第一級(jí)放大器的相同。設(shè)置第二級(jí)放大器是因?yàn)轭A(yù)加重電路可以補(bǔ)償兩個(gè)不同的高頻點(diǎn)，更容易控制信號(hào)幅度范圍，同時(shí)第二級(jí)放大器也可使預(yù)加重電路信號(hào)輸出的相位與輸入信號(hào)的相位相同，但需要設(shè)定每個(gè)晶體管的適當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，首先測(cè)試-3 dB的頻點(diǎn)沒(méi)有預(yù)加重補(bǔ)償時(shí)的LED響應(yīng)，其次通過(guò)式(4)估計(jì)R4和C2的值，然后設(shè)置R5的值以及每個(gè)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，不斷提高預(yù)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(jiàn)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(yīng)可以表示為

(5)

均衡器響應(yīng)的幅度是

(6)

(7)

在理想情況下，可以通過(guò)式(7)在已知R1和-3 dB頻點(diǎn)的情況下計(jì)算出C3，然而在實(shí)驗(yàn)中，嘗試估計(jì)C3的合理值，并通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)找到最佳值，因?yàn)槿绻鸆3的值過(guò)大，則會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償較大影響放大器的穩(wěn)定頻率。本次設(shè)計(jì)中為達(dá)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(guò)發(fā)送端預(yù)加重以及接收端后均衡技術(shù)，VLC系統(tǒng)-3 dB帶寬從3 MHz提升至82 MHz。

2.3 差分驅(qū)動(dòng)

為了擴(kuò)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(hào)經(jīng)預(yù)加重電路擴(kuò)頻，再由多個(gè)并聯(lián)射級(jí)跟隨電路合并一路，提高有效電流，加載到12串兩并LED上，實(shí)現(xiàn)多燈的驅(qū)動(dòng)，圖5和圖6分別為驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖和單個(gè)射極跟隨器電路的原理圖。

圖5 差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Differential drive schematic

圖6 單個(gè)射極跟隨電路Fig.6 Single emitter follower circuit

2.4 以太網(wǎng)融合

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)以太網(wǎng)融合模塊。

在照明端，通過(guò)成熟的百兆電口模塊，具有兩端口交換核心和兩個(gè)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(jiàn)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(shè)計(jì)，此芯片5個(gè)端口全部支持10/100M-UTP和100M-FX，在設(shè)計(jì)中一個(gè)端口對(duì)白光接收鏈路的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，另外四個(gè)端口可將用戶端請(qǐng)求等信號(hào)處理、傳輸，由激光調(diào)制發(fā)出。圖7是電口模塊原理框圖和實(shí)物照片。圖8為光電媒體轉(zhuǎn)換電路實(shí)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(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Block diagram and physical photo of the electrical port module

圖8 光電媒體轉(zhuǎn)換電路實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與結(jié)果分析

3.1 吞吐量性能測(cè)試和上網(wǎng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)采用12串2并的多燈系統(tǒng)，為提高光效，發(fā)射端合理設(shè)計(jì)光學(xué)結(jié)構(gòu)，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(yīng)速率，接收端使用藍(lán)色濾光片。圖10為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通信距離為0.6 m。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experiment platform

依據(jù)RFC2544網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基準(zhǔn)測(cè)試方法，對(duì)本系統(tǒng)的丟包率指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。儀器使用思博倫SmartBits600網(wǎng)絡(luò)分析儀，分別測(cè)試下行白光鏈路和上行激光鏈路，結(jié)果表明，在測(cè)試速率100 Mb/s,白光鏈路的吞吐量最大可達(dá)到100%，激光鏈路的吞吐量達(dá)到100%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是用戶終端可以通過(guò)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)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(cè)試平臺(tái)，通信距離為1.5 m。用戶端連接電腦，實(shí)驗(yàn)中在電腦上打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)和視頻，檢測(cè)網(wǎng)頁(yè)打開(kāi)速度和視頻播放流暢度，同時(shí)采用NetPer在線軟件測(cè)試實(shí)時(shí)上網(wǎng)速度，由圖13可看出上網(wǎng)速率在8 Mbit/s左右，這個(gè)速率受限于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和電腦本身網(wǎng)卡速率，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)試軟件測(cè)試圖。

3.2 誤碼率測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)如圖10所示，測(cè)試儀器為安捷倫81250誤碼測(cè)試儀，誤碼儀輸出百兆速率信號(hào)到白光鏈路，經(jīng)過(guò)傳輸，信號(hào)返回誤碼儀，對(duì)比兩種數(shù)據(jù)計(jì)算誤碼率。測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為7 h 45 min，數(shù)據(jù)速率100 Mbit/s，結(jié)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(cè)試結(jié)果。

圖12 上網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)Fig.12 Internet test platform

圖13 NetPerSec軟件測(cè)試Fig.13 NetPerSec software test

圖14 誤碼率測(cè)試結(jié)果Fig.14 BER test results

3.3 通信覆蓋范圍測(cè)試

若采用單燈設(shè)計(jì)，在通信距離提高到1 m甚至更高時(shí)，光功率衰減嚴(yán)重，同時(shí)，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡后的匯聚光束覆蓋范圍很小，肉眼來(lái)看幾乎是一個(gè)光點(diǎn)的大小，若稍微移動(dòng)PD，通信鏈路便中斷，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差。對(duì)多燈可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行通信覆蓋范圍測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)如圖12所示。測(cè)試結(jié)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(shí)，通信覆蓋范圍基本不變，聚焦后的光斑面積為1.77 cm2，遠(yuǎn)大于PD覆蓋面積，此時(shí)的系統(tǒng)通信質(zhì)量好，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)。

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

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)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(shí)可滿足四個(gè)終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)；在0.6 m的通信距離下，系統(tǒng)吞吐量為100%，說(shuō)明傳輸過(guò)程未丟包，同時(shí)平均誤碼率約為1.114×10-7，誤碼率低；當(dāng)通信距離拉長(zhǎng)到1.5 m時(shí)，軟件檢測(cè)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(yuǎn)大于PD覆蓋面積，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)。