韓思齊，侯春寧，賈俊連，遲 楠

(1.復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系,電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433；2.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海 201100)

引言

VLC使用發(fā)光二極管(LED)作為光源。LED 光源具有使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能和安全可靠等優(yōu)勢(shì)。特別是白光 LED，具有更高的調(diào)制帶寬，現(xiàn)在已經(jīng)被大量應(yīng)用于信號(hào)發(fā)射、照明、顯示等領(lǐng)域。VLC 是將 LED 照明和無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)的通信方式，可以作為現(xiàn)有的無(wú)線通信的有效補(bǔ)充，應(yīng)用于射頻敏感、智能家居、智能交通以及水下通信等領(lǐng)域[1-4]。遲楠等[5]提出的一些技術(shù)可以支持 VLC 在自由空間中實(shí)現(xiàn)超過(guò) 10Gbit/s 的傳輸。文獻(xiàn)[6]中提出了基于單封裝 RGBYC LED、采用硬件預(yù)均衡的10.72 Gbit/s VLC 系統(tǒng)。然而，隨著智能手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展，圖像傳感器的應(yīng)用越來(lái)越普及，相比較傳統(tǒng)的 VLC，直接用相機(jī)作為接收端更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的靈活性也得到提高，這一通信方式被稱為光學(xué)成像通信(OCC)。OCC 是一種與射頻技術(shù)等其他技術(shù)不同的新型廉價(jià)技術(shù)，它可以利用光學(xué)域中位于微波和 X 射線波長(zhǎng)之間高達(dá)10 000 nm 的光譜資源。OCC 技術(shù)通過(guò)使用圖像傳感器作為接收器，繼承使用 VLC 的相關(guān)技術(shù)，可以在不修改硬件的前提下實(shí)現(xiàn) OWC。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的發(fā)展使得相機(jī)的像素分辨率和快門速度逐年顯著提高，這為OCC 的發(fā)展創(chuàng)造了重要機(jī)遇。

1 OCC概述

OCC系統(tǒng)和VLC類似，包括獨(dú)立的發(fā)射器模塊和接收器模塊。OCC 是使用特殊接收器的VLC，也是VLC更加實(shí)用的版本。與基于光電二極管的VLC系統(tǒng)不同，OCC系統(tǒng)使用鏡頭組和彩色圖像傳感器陣列來(lái)捕獲一系列圖像幀中的入射光信號(hào)。同時(shí)，它需要更多的定向傳輸，這可以使用智能設(shè)備相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。由于具有這些獨(dú)特的特性，OCC能夠通過(guò)波長(zhǎng)分離和空間投影等方法將多路并行的光信號(hào)分開，各種功能都可以輕松地在智能設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

OCC和VLC的發(fā)射端基本相同，都是對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制后通過(guò) LED 發(fā)送，經(jīng)過(guò)自由空間中的光信道傳輸后到達(dá)接收端。但與VLC不同的是，OCC的接收端用相機(jī)作為接收器，相機(jī)中的圖像傳感器接收像素點(diǎn)后， 然后經(jīng)過(guò)像素掃模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和像素解復(fù)用后再解調(diào)解碼得到最終的數(shù)據(jù)。如表1所示，在干擾、頻帶寬度和數(shù)據(jù)速率等方面對(duì) OCC 和 VLC 兩種通信方式進(jìn)行了對(duì)比。

表1 VLC和OCC的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

OCC系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中也涉及到一些與VLC系統(tǒng)不同的地方，包括接收端圖像傳感器的選擇，調(diào)制、解調(diào)方式選擇以及同步技術(shù)等的選擇。由于采樣的隨機(jī)性，在信號(hào)發(fā)送的任何符號(hào)期間攝像機(jī)都有可能進(jìn)行采樣，任何時(shí)候都有可能丟失符號(hào)。此外，幀采樣的間隔是變化的，它取決于圖像傳感器和光學(xué)通道的性能。因此，在OCC中， 發(fā)射端和接受端的同步是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。由于OCC使用相機(jī)作為接收器，因此圖像傳感器的特性會(huì)影響通信過(guò)程的好壞。在像素曝光的基礎(chǔ)上，相機(jī)可以分為兩類，即全局快門類和滾動(dòng)快門類。全局快門類通常采用電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器，滾動(dòng)快門類的照相機(jī)通常采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。圖2分別畫出了 OCC 通信過(guò)程接收端全局快門模式相機(jī)和滾動(dòng)快門模式相機(jī)下圖像傳感器的工作過(guò)程。

圖2 全局快門(a)和滾動(dòng)快門(b)模式下圖像傳感器的工作過(guò)程Fig.2 The working process of global shutter(a) and rolling shutter(b)

在全局快門模式下，光電二極管同時(shí)收集所有的光，傳感器陣列中所有的像素同時(shí)開始和結(jié)束曝光。因此，圖像的所有像素同時(shí)從傳感器獲得信息，并且具有相同的持續(xù)時(shí)間。這種模式在移動(dòng)物體捕獲的曝光和獲得高質(zhì)量的多媒體文件方面具有優(yōu)勢(shì)，但在 OCC 系統(tǒng)中，從全局快門圖像傳感器的每次曝光中僅能捕獲一個(gè)光源狀態(tài)，也就意味著通信過(guò)程僅編碼一個(gè)信息比特，這限制了全局快門模式的數(shù)據(jù)傳輸速率。

在滾動(dòng)快門(又叫卷簾快門)模式下，光電二極管不同時(shí)收集所有的光，而是由 CMOS 圖像傳感器順序掃描像素，通過(guò)逐行或逐列掃描以及一次曝光一行或一列像素來(lái)生成圖像，傳感器陣列中每一行或每一列像素開始和結(jié)束曝光的時(shí)間都不同。在該模式下，從卷簾快門圖像傳感器中獲得的不同的像素線具有不同的光信號(hào)強(qiáng)度，也就意味著有多個(gè)比特的信息。雖然在目標(biāo)足夠大且光源變化的足夠快的情況下，會(huì)使捕獲的圖像中發(fā)生運(yùn)動(dòng)模糊，但曝光時(shí)間的延遲使得我們可以根據(jù)時(shí)間來(lái)記錄目標(biāo)的相對(duì)結(jié)構(gòu)，這樣在光學(xué)成像通信中，就可以將光源的多個(gè)切換狀態(tài)捕獲在圖像中，從而編碼多個(gè)信息比特。因此，相比較全局快門模式，卷簾快門具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

但是在多輸入多輸出(MIMO)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，全局快門模式的相機(jī)在實(shí)現(xiàn)和部署方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。在捕獲的一張圖像中，可以包含多個(gè)獨(dú)立的源，我們可以對(duì)從這些獨(dú)立的源中分離的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行調(diào)制。此外，全局快門中 CCD 傳感器在信號(hào)還是電子時(shí)就進(jìn)行累加，這種累加是不會(huì)引入噪聲的，而卷簾快門中的 CMOS 傳感器是在像素變成電壓信號(hào)后累加，會(huì)引入熱噪聲，因此 CCD 的噪聲性能要優(yōu)于 CMOS。在使用中，可以根據(jù)具體需求來(lái)選擇適合的圖像傳感器。

2 OCC 調(diào)制方式

與傳統(tǒng)的基于光電二極管(PD)的 VLC 系統(tǒng)相比，在 OCC 中采用相機(jī)作為接收器。相機(jī)中的圖像傳感器是采用的是光電二極管陣列，它收集光的形式與光電二極管類似，因此，VLC 的一些調(diào)制技術(shù)也適用于 OCC。但相機(jī)以圖片或者視頻幀的形式捕獲光信號(hào)，因此在傳統(tǒng)的調(diào)制方案上我們需要做一些調(diào)整會(huì)更加適合 OCC 系統(tǒng)。常見的調(diào)制方式有通斷鍵控調(diào)制(OOK)、頻移 OOK 調(diào)制和離散多音頻調(diào)制(DMT)等，在此基礎(chǔ)上，有閃爍可變脈沖位置調(diào)制(VPPM)、空間 2 相移鍵控(S2-PSK)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)等先進(jìn)的調(diào)制方式被提出。以下分析了 OCC 中使用的一些調(diào)制方式，并將其分為鍵控調(diào)制和顏色調(diào)制來(lái)討論。

1995 年開始，全國(guó)交通行業(yè)開始注重服務(wù)品質(zhì)。已經(jīng)到南航湖南分公司的程鳳萍告訴記者，當(dāng)時(shí)湖南分公司打造的芙蓉乘務(wù)示范組被評(píng)為“全國(guó)青年文明號(hào)”。

2.1 鍵控調(diào)制

數(shù)字調(diào)制中，主要有三種方式：相移鍵控調(diào)制(PSK)、幅移鍵控調(diào)制(ASK)和頻移鍵控調(diào)制(FSK)，在本文中我們將其統(tǒng)稱為鍵控調(diào)制。以下將主要討論OOK調(diào)制[8-14]、頻移 OOK 調(diào)制，欠采樣頻移 OOK 調(diào)制(UFSOOK) 和欠采樣相移 OOK 調(diào)制(UPSOOK)。

1)OOK 調(diào)制。通斷鍵控調(diào)制(OOK)是最基礎(chǔ)的調(diào)制方式，也是一種特殊的幅度鍵控調(diào)制，它通過(guò)單極性不歸零碼序列來(lái)將一個(gè)幅度取為 0，另一個(gè)幅度取為非 0 來(lái)控制正弦波的啟閉。為了保證人眼察覺不到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，LED 打開和關(guān)閉的速率應(yīng)當(dāng)大于人眼閃爍的最大頻率，通常為100 Hz[7]。因此，在基于 OOK 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)中，基帶信號(hào)的頻率通常應(yīng)當(dāng)高于 100 Hz，同時(shí)，為了滿足奈奎斯特采樣定理，不管是在全局快門模式下還是在卷簾快門模式下，相機(jī)幀采樣速率都應(yīng)當(dāng)高于200幀/s。

如圖3所示，為基于 OOK 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖，也是 OCC 系統(tǒng)常見的框圖。在發(fā)射端，與 VLC 類似，原始的二進(jìn)制比特流經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制后，驅(qū)動(dòng) LED，對(duì) LED 進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。而在接收端， OCC 系統(tǒng)使用圖像傳感器或者相機(jī)作為接收器，相機(jī)由成像鏡頭，圖像傳感器和讀出電路組成。成像鏡頭將光信號(hào)投射到包含多個(gè)光電探測(cè)器(PD)的圖像傳感器上，來(lái)檢測(cè)和處理入射光子。通過(guò)該處理的信號(hào)可以被視為圖像傳感器上的單個(gè)像素，每個(gè)激活的像素產(chǎn)生與撞擊在其上的光子數(shù)量成比例的電壓[8]。同時(shí)，每個(gè)像素連接到外部電路。最后，外部電路將像素電壓轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，完成一次光學(xué)成像通信過(guò)程。

圖3 基于 OOK 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖Fig.3 The OCC system based on OOK modulation

2)頻移 OOK 調(diào)制、UFSOOK 調(diào)制和 UPSOOK 調(diào)制。在 OOK 的基礎(chǔ)上，頻移 OOK 調(diào)制的概念被提出[15]，我們用“0”位和“1”位分別來(lái)表示頻率f1和頻率f2， 如圖4(a)所示。然而，OOK 調(diào)制和頻移 OOK 調(diào)制的缺點(diǎn)之一是閃爍問(wèn)題。在 OOK 調(diào)制中，相機(jī)幀采樣速率應(yīng)當(dāng)大于 200 幀/s，但對(duì)于大多數(shù)相機(jī)來(lái)說(shuō)，幀速率只有 30 幀/s，這就要求在 OOK 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)中，基帶信號(hào)的速率必須低于 15 bits/s，這是低于人眼閃爍速率的，也就意味著可以被人眼察覺到。為了避免閃爍，在相機(jī)幀速率較低的情況下，應(yīng)當(dāng)將基帶信號(hào)調(diào)制到較高的頻率，圖4(b)和(c)所示為在 OOK 基礎(chǔ)上兩種改進(jìn)的方案。

圖4 (a)頻移 OOK 調(diào)制；(b)UFSOOK 調(diào)制；(c)UPSOOK 調(diào)制Fig.4 (a) Frequency shift OOK modulation；(b) UFSOOK modulation；(c) UPSOOK modulation

在文獻(xiàn)[16]中提出了欠采樣頻移 OOK 調(diào)制(UFSOOK)，圖4(b)所示是由幀頭(FH)、9 個(gè)周期的比特 1 和 8 個(gè)周期的比特 0 組成的 UFSOOK 調(diào)制的示例。其中，F(xiàn)H 為了支持異步通信所設(shè)計(jì)的獨(dú)特的幀結(jié)構(gòu)[16]。在接收端，相機(jī)對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行采樣，燈可能處于穩(wěn)定狀態(tài)也就是“開”或“關(guān)”，也可能處在“開—關(guān)”或“關(guān)—開”的閃爍狀態(tài)。為了避免閃爍，空間(邏輯 1)和標(biāo)記(邏輯 0)的頻率均需高于 100 Hz，這里取相機(jī)幀速率為 30 幀/s， 空間頻率為 105 Hz，標(biāo)記頻率為 120 Hz。相機(jī)在采樣的位置捕獲連續(xù)幀，每個(gè) UFSOOK 符號(hào)以 30 Hz 的頻率采樣兩次。如圖4(b)所示，對(duì)于邏輯 1，兩次采樣值是不同的，對(duì)于邏輯 0，兩次采樣值是相同的。但在 UFSOOK 調(diào)制中， 需要通過(guò)比較兩個(gè)連續(xù)的視頻幀是否相同來(lái)確定一個(gè)比特，并不能有效地利用采樣值。為了提高幀采樣的速率，文獻(xiàn)[18]中給出了一種基于欠采樣鍵控技術(shù)的欠采樣相移開關(guān)鍵控(UPSOOK)的調(diào)制方案，如圖4(c)所示， 一個(gè)視頻幀樣本代表一個(gè)比特，邏輯 1 和邏輯 0 信號(hào)以相同的頻率和幅度傳輸，但具有相反的相位載波。當(dāng)捕獲到燈處于“開”、“關(guān)”或者“幀頭”的狀態(tài)時(shí)，視頻幀中的指示燈分別對(duì)應(yīng)“完全點(diǎn)亮”、“完全熄滅”和“部分點(diǎn)亮”的狀態(tài)。然而由于相機(jī)采樣的隨機(jī)性，發(fā)射端和接收端可能會(huì)出現(xiàn)相位誤差，如圖4(c)中的兩幅圖所示，同一個(gè)接收信號(hào)會(huì)有兩個(gè)不同的采樣值，不確定接收到的“開”或“關(guān)”是代表“1”還是“0”。為了預(yù)防這種不確定性，文獻(xiàn)[18]中給出了一種對(duì)幀的處理方法，將每個(gè)幀設(shè)計(jì)成由一個(gè)起始定界符和由q個(gè) UPSOOK 符號(hào)組成的有效載荷構(gòu)成，這里不贅述。

3)S2-PSK 調(diào)制。另一種常見的用于 OCC 的鍵控調(diào)制技術(shù)是欠采樣和無(wú)閃爍空間二進(jìn)制相移鍵控(S2-PSK)[22]，由于從屏幕發(fā)出的光不會(huì)像單個(gè) LED 燈那樣影響人眼，因此光學(xué)時(shí)鐘的速率可以低于相機(jī)速率(通常為 30 幀/s)，此外，空間欠采樣還可以解決時(shí)間欠采樣中廣泛存在的噪聲偏差問(wèn)題。圖5(a)所示為基于 S2-PSK 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖，在發(fā)射端二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過(guò)游程長(zhǎng)度壓縮限制編碼(RLL)后，進(jìn)行信道編碼，再通過(guò) S2-PSK 調(diào)制后驅(qū)動(dòng)兩個(gè) LED 光源， 經(jīng)過(guò)可見光傳輸后，接收端的相機(jī)接收發(fā)射端傳來(lái)的光信號(hào)，然后對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行 S2-PSK 解調(diào)，信道解碼和 RLL 解碼后得到最終的數(shù)據(jù)。圖4(b)所示為兩個(gè) LED 的波形圖，比特為“0”時(shí)兩個(gè)波形相位相同，為“1”時(shí)兩個(gè)波形相位相反。對(duì)應(yīng)地，接收端對(duì)接收?qǐng)D像序列中的 LED 進(jìn)行檢測(cè)，如圖4(c)所示，如果兩個(gè) LED 相位相同，則解碼輸出“0”，反之則輸出“1”。

圖5 (a)基于 S2-PSK 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖；(b)LED1 和 LED2 波形；(c)接收端檢測(cè)解調(diào)過(guò)程Fig.5 (a) The OCC system based on S2-PSK modulation；(b) waveform of LED1 and LED2;(c) the detection and demodulation at the receiving end

S2-PSK 解調(diào)過(guò)程如圖6所示，相機(jī)采樣過(guò)程中，如果兩個(gè) LED 的狀態(tài)相同(都處于“開”或“關(guān)”)，解調(diào)為“0”，狀態(tài)相反則解調(diào)為“1”，輸出的比特值由異或運(yùn)算得到?？梢钥吹?，輸出不受采樣時(shí)間隨機(jī)性和單一 LED 狀態(tài)的影響，這種解調(diào)方法很好地解決了發(fā)射端和接收端之間幀速率不匹配的問(wèn)題。

由于相機(jī)之間是相互分離的，S2-PSK可以完全解調(diào)出隨機(jī)采樣的圖像，從而可以應(yīng)用在可變幀率相機(jī)上。同時(shí)，在車載 OCC中，可以用無(wú)閃爍的2-PSK調(diào)制技術(shù)，能夠有效提升系統(tǒng)的傳輸速率[12]。

2.2 顏色調(diào)制

因?yàn)閿z像機(jī)的最終輸出是圖像而不是電壓，所以O(shè)CC 在調(diào)制方式上需要進(jìn)行一些調(diào)整。一些最近開發(fā)的圖像傳感器[20]能夠像光電二極管一樣解碼數(shù)據(jù)位，但是在大多數(shù)情況下，需要圖像處理技術(shù)，其中數(shù)據(jù)位通過(guò)像素亮度或色相值進(jìn)行解碼，這就用到了與顏色有關(guān)的調(diào)制方法，本文中稱其為顏色調(diào)制。以下主要對(duì)顏色調(diào)制中常用的顏色強(qiáng)度調(diào)制(CIM)[23-26]和色移鍵控調(diào)制(CSK)[27，28]兩種方法進(jìn)行分析。

1)CIM-MIMO 調(diào)制。白光LED大多由紅光、綠光和藍(lán)光(RGB)LED組成，同時(shí)智能設(shè)備內(nèi)置相機(jī)的圖像傳感器上也都具有 RGB 顏色濾波器陣列。因此，在 OCC 系統(tǒng)中使用 RGB LED 陣列和彩色相機(jī)提高系統(tǒng)的傳輸速率。此外，相機(jī)中的像素本質(zhì)上可以看作是高度定向的接收元素陣列，因此可以采用更多的 LED 來(lái)最大程度地利用相機(jī)的像素陣列，從而可以利用MIMO復(fù)用技術(shù)在成像時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量，繼而提高長(zhǎng)距離傳輸空間利用效率。結(jié)合以上兩種技術(shù)，在 OCC 中提出了 CIM-MIMO 調(diào)制方法[23]。圖7(a)所示為基于 CIM-MIMO 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后分別插入同步序列和訓(xùn)練序列，然后將這兩種序列通過(guò) CIM 調(diào)制到 LED 陣列上，被分集的 LED 陣列復(fù)用后傳到接收端，內(nèi)置相機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來(lái)控制圖像傳感器以連續(xù)方式捕獲圖像，像素映射后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和幀同步，最后再經(jīng)過(guò) CIM 解調(diào)出傳遞的數(shù)據(jù)。

圖7 (a)基于 CIM-MIMO 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖；(b)拜耳濾波器原理圖；(c)單色調(diào)制和彩色調(diào)制對(duì)比Fig.7 (a) The OCC system based on CIM-MIMO modulation； (b) the schematic diagram of Bayer filter； (c) comparison of mono-color modulation and color modulation

彩色相機(jī)的圖像傳感器中帶有顏色濾波器陣列，最常見的濾波器陣列為拜耳濾波器[29]，如圖7(b)所示，分別有 25%的紅色區(qū)域、50%的綠色區(qū)域和 25%的藍(lán)色區(qū)域，分別允許紅色、綠色和藍(lán)色的光通過(guò)。其中綠色區(qū)域是紅色或藍(lán)色區(qū)域的兩倍，這是因?yàn)橄啾扔诩t光和藍(lán)光，人眼對(duì)綠光更加敏感，綠色通道的噪聲更小，因此綠色像素多的圖像噪聲更小。相比較單色調(diào)制，彩色調(diào)制利用了圖像的像素亮度和色調(diào)值等與圖像處理技術(shù)相關(guān)的參數(shù)。如圖7(c)所示，其中數(shù)據(jù)位可以從接受發(fā)射信號(hào)的像素(x，y)的亮度或色調(diào)值中解碼。由于幀速率是連續(xù)脈沖速率的兩倍，兩個(gè)幀將表示相同的數(shù)據(jù)位。但由于 LED 開啟和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換，一幀可能表示 LED 的狀態(tài)不明(不完全開啟或完全關(guān)閉)，因此數(shù)據(jù)位可以由其他幀的像素亮度決定，這也提高了 OCC 系統(tǒng)的傳輸速率和準(zhǔn)確率。

2)CSK-CDMA調(diào)制。除了顏色強(qiáng)度調(diào)制(CIM)外，色移鍵控調(diào)制(CSK)也是一種常見的利用于紅綠藍(lán)(RGB)發(fā)光二極管(LED)的調(diào)制方法。一個(gè)RGB LED實(shí)際上包含三個(gè)相互獨(dú)立的發(fā)不同顏色光的LED，這三種顏色分別被看作一種單色，在信息傳遞過(guò)程中，一種單色對(duì)其他單色的解碼解調(diào)造成的干擾稱為單色干擾。CSK 可以更改每個(gè) LED 的發(fā)光強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行調(diào)制，從而可以通過(guò)提高每個(gè)符號(hào)的比特率來(lái)抵抗單色干擾，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的吞吐量[30]。而碼分多址(CDMA) 是一種使多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)[31]，結(jié)合這兩種技術(shù)，也是一種改進(jìn)的 OCC 系統(tǒng)調(diào)制方式。如圖8所示，對(duì) QAM 映射后的數(shù)據(jù)進(jìn)行 CDMA 編碼，產(chǎn)生兩路編碼后的信號(hào)，結(jié)合這兩路信號(hào)進(jìn)行 CSK 調(diào)制，接著驅(qū)動(dòng) RGB-LED 陣列傳輸，接收端有兩個(gè)相機(jī)接收CSK 信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行像素解復(fù)用、CSK 解調(diào)以及 CDMA 解碼后得到系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

圖8 基于 CSK-CDMA 調(diào)制的 OCC 系統(tǒng)框圖Fig.8 The OCC system based on CSK-CDMA modulation

由于在接收端對(duì) RGB 的處理是獨(dú)立的，此處以紅色為例進(jìn)行說(shuō)明，藍(lán)色和綠色也是一樣的過(guò)程。每種顏色的顏色深度由 8 位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，因此顏色幅值的范圍為0～255。在發(fā)射端，圖9(a)所示為 CSK-CDMA 的調(diào)制編碼過(guò)程。用戶 1 的顏色[R，G，B]為[40，40，0]，用戶 2 的顏色[R，G，B]為[80，0，40]。用戶 1 的紅色幅度值為 40，通過(guò)擴(kuò)展碼[1，-1，1，-1]擴(kuò)展后變?yōu)閇40，-40，40，-40]，同時(shí)用戶 2 的紅色幅度值被擴(kuò)展為[80,80,-80,-80]，可以看到，擴(kuò)展后的兩個(gè)碼彼此正交，將其疊加后增加 130 的偏移量，從而使得顏色幅值在 0～255 的范圍之內(nèi)。在接收端，圖9(b)所示為 CSK-CDMA 的解調(diào)解碼過(guò)程，接收到的信號(hào)包含兩個(gè)用戶的幅值信息，因此兩個(gè)用戶的相機(jī)都接收相同的信號(hào)，首先對(duì)接收的信號(hào)減去 130 的偏移量，然后將其乘以各自的擴(kuò)展碼后除以擴(kuò)展碼的長(zhǎng)度，兩個(gè)用戶分別得到各自的紅色幅度值，由此完成調(diào)制編碼和解調(diào)解碼的過(guò)程。

圖9 CSK-CDMA 調(diào)制解調(diào)過(guò)程Fig.9 The modulation and demodulation of CSK-CDMA

除了調(diào)制方式外，OCC系統(tǒng)性能的好壞還與發(fā)射器和接收器的類型有著密不可分的關(guān)系，由于OCC系統(tǒng)的接收器為相機(jī)的特殊性，可以實(shí)現(xiàn)很大范圍的信息傳輸速率。表2中，以調(diào)制方式為主，對(duì)部分文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)速率、傳輸距離、圖像傳感器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

表2 OCC 中的調(diào)制方式Table 2 The modulation of OCC

3 OCC的發(fā)展及局限性

光學(xué)成像通信(OCC)采用相機(jī)作為接收端的一部分，采用圖像傳感器巧妙地從多個(gè)光源接收調(diào)制數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)視線(LOS)鏈路和空間分離，使其可以應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合。OCC具有比VLC更加高的頻帶寬度，并且可以采用相機(jī)的變焦功能對(duì)其傳輸范圍進(jìn)行擴(kuò)展，在一定程度上優(yōu)于VLC。

然而，OCC系統(tǒng)也存在一定的局限性。OCC的主要挑戰(zhàn)之一是其對(duì)接收器(相機(jī))結(jié)構(gòu)的依賴性，由于市售的相機(jī)幀速率都較低，大約為30幀/s，這限制了OCC的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，接收信號(hào)的質(zhì)量和解碼速率都受相機(jī)的幀速和曝光時(shí)間的影響，這是OCC與其他技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的主要障礙。此外，環(huán)境光的干擾是OCC噪聲的主要來(lái)源之一，即為閃爍噪聲，它會(huì)修改接收像素的亮度，使其在解碼過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤并因此導(dǎo)致信息丟失，而現(xiàn)有的無(wú)閃爍調(diào)制技術(shù)又受到短距離照相機(jī)的限制。當(dāng)相機(jī)的視角不斷變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)透視失真，這是影響OCC性能的另一個(gè)問(wèn)題。

由于相機(jī)性能、照明條件、系統(tǒng)因素以及幀速率的多樣性和可變性，基于屏幕-相機(jī)鏈接的智能手機(jī)的可視通信很難達(dá)到完美的幀同步，特別是在單向OCC中，發(fā)射端和相機(jī)接收端的幀速率之比是不匹配的，除了改進(jìn)調(diào)制方法外，還需要在同步、編碼等技術(shù)上不斷研究。隨著智能設(shè)備相機(jī)幀速率的不斷提高，未來(lái)可以將OCC中的圖像傳感技術(shù)與VLC結(jié)合使用，仍然具有光明的發(fā)展前景。

4 總結(jié)

光學(xué)成像通信(OCC)技術(shù)是可見光通信(VLC)的擴(kuò)展，與基于光電二極管的VLC系統(tǒng)不同，OCC接收器是內(nèi)相機(jī)。本文對(duì)OCC進(jìn)行了概述，首先介紹了OCC的工作原理及其應(yīng)用場(chǎng)景，然后對(duì)其接收端特有的圖像傳感器進(jìn)行了分析，就分鍵控調(diào)制和顏色調(diào)制兩個(gè)方面介紹了一些應(yīng)用于OCC中的調(diào)制方式，其中鍵控調(diào)制包括OOK、頻移OOK、UFSOOK和UPSOOK，顏色調(diào)制包括CIM和CSK；還對(duì)OCC中的調(diào)制方案的速率以及傳輸距離等性能進(jìn)行了對(duì)比。最后，對(duì)OCC的發(fā)展和局限性進(jìn)行了展望。雖然OCC的數(shù)據(jù)傳輸速率還有待提高，但相比較VLC，OCC可以實(shí)現(xiàn)更高的定向信道，成本也更低，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和持續(xù)研究，OCC系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>