V L C系統在室內視頻傳輸中的應用

白云鵬 徐成波

（北方工業大學信息工程學院，北京 100144）

1. 引言

可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC），集成了照明技術和可見光通信技術，在物聯網技術中也有廣闊的應用前景。隨著“智能時代”的到來，迫切需要快速、安全、綠色的網絡接入方式，VLC逐漸成為國內外研究的熱點[1]。按其工作模式可分為：單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種模式。其中，單工通信多用于單向廣播，例如，美術館、博物館、超市、展會講解等室內信息廣播系統。它通過合理設置光源的位置，觀眾能夠在同一個展廳不同位置通過頭戴式接收端，接收聲音、圖像及視頻信息，在不同展臺前可以聽到不同的講解內容，互不干擾[2]。在照明的同時，又實現了點對點單向通信的目的。本文基于單工通信模式對可見光視頻傳輸系統進行了分析與實現，當接收端進入發送端LED光所覆蓋的區域時，即可接受信息，實現了“即入即連接”，同時，不會影響其它區域的通信。

2. 室內點對點VLC系統組成

單工通信是實現全雙工通信的基礎，它用于兩個配備有可見光通信接收和發送終端的用戶設備之間進行信息單向傳輸。本文發送端PC通過10M以太網將視頻信息傳給FPGA，在FPGA內部進行相應的編碼后，送入LED驅動電路進行調制，調制后的信號通過白光LED以光信號發射出去；接收端由PIN光電二極管將探測的光信號轉化為電信號，接收端根據檢測到的電信號進行時鐘提取和數據恢復，利用FPGA進行解碼，并通過以太網口將恢復出的視頻數據傳輸給接收端PC，實現了視頻數據的單向傳輸。

系統的發送端光源為白色LED燈，燈管響應時間低于100ns，有效通信波段主要為藍光，并在發送端LED前端增加了反射聚光透鏡，以增加通信距離[2]。接收端的光電探測器選用濱松的PHOTO DIODE。接收端探測器的光通量將影響通信距離和誤碼率，因此，在接收端相應增加了藍色濾光片，并在濾光片前端安裝有聚光透鏡，以提高接收端的性能。系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成

3. 數據發送端設計

在發送端，PC機將視頻文件轉換為串流并按照UDP協議方式從網口輸出，編碼電路由FPGA芯片完成。由于10M以太網視頻數據中，相鄰包之間有可能出現長連0碼或1碼，這將導致后級LED驅動電路的電平漂移，同時不利于接收端提取時鐘。因此，可采用4B5B編碼以豐富數據中的時鐘信息。

3.1 數據編碼電路設計

4B5B編碼是在百兆位快速以太網的光纖分布式數據接口（FDDI，Fiber Distributed Data Interface）中采用的信息編碼方案。這種編碼的特點是將欲發送的數據流每4bit作為一個組，然后按照4B5B編碼規則將其轉換成相應5bit碼，并且由NRZI方式傳輸。用5位數字表示4位數字，故編碼效率為4/5=80%。在傳輸中，其波形的頻譜很小，信號的直流(DC)分量變化小于額定中心點的10%，能夠保持線路的交流(AC)平衡，采用4B5B編碼雖然增加了額外的帶寬，但使得系統在同步方面更加容易，能夠在很大程度上降低線路傳輸中的調制速率，從而可以降低系統對發光LED光源頻響特性和傳輸線路的要求。

時鐘模塊為編碼電路提供2.5MHz及12.5MHz時鐘，其中PLL時鐘分頻產生12.5MHz，光路上信號傳輸的峰值速率可達12.5Mbit/s。網口驅動模塊用來復位和初始化FPGA板的網卡，使FPGA和PC通過以太網RJ45接口相連，其中PC網口設為10Mbps全雙工模式。FIFO模塊將數據分為4bit一組，并使數據與FPGA內2.5MHz時鐘同步。4B5B編碼模塊將FIFO輸出的數據進行編碼，同時為每幀的信號加入幀尾，以便接收端進行幀同步。并串變換模塊將并行數據變為串行數據。NRZI傳輸變換模塊采用NRZI傳輸方式，邏輯電平逢0跳變，逢1不變，其目的是為了產生更多的0，1跳變，以利于接收端CDR對時鐘的提取。編碼模塊結構圖如圖2所示。

圖2 編碼模塊結構

通過以太網RJ45口輸出的數據會自動被網口電路加入64位前導碼。前導碼由7個字節的0x55和1個字節的0xD5組成，編碼中加入的幀尾信號為7個字節的0x5A以及一個字節的0xA5。編碼模塊的FPGA實現細節如圖3所示。

圖3 編碼模塊的FPGA實現

3.2 LED驅動電路設計

LED驅動電路的功能是將FPGA編碼后的數據進行放大，將放大后的信號通過MOS管調制到白色LED發光管上，如圖4所示。驅動電路選用高速低噪聲放大器和快速MOS管[3]，并配合相應的濾波電容，改善了電路的頻響特性。電路采用兩級放大，提高了電路的帶負載能力。MOS管在快速導通和關閉瞬間，容易引起LED中電流的大小和相位的突變，因此，在驅動電路中增加了補償電感[3]，來穩定LED上的調制信號。

圖4 LED驅動電路設計

4. 數據接收端設計

數據接收端將接收到的信號進行放大、濾波等處理。因為數據流在光鏈路中傳輸時為串行數據，并沒有單獨傳輸時鐘信號，因此，需要從數據流中提取同步時鐘，并用這個時鐘對該數據信號重新采樣，恢復出具有規范波形的原數據信號，因此CDR的基本目的是判別所讀的數據的最佳時鐘相位并進行采樣[4]。經過時鐘同步后的數據由FPGA進行解碼處理，進而恢復出原始視頻數據。

4.1 接收端數據放大電路設計

接收端通過光電探測器PHOTO DIODE將光信號轉換為微弱電流信號[5]，并由與之相匹配的跨阻放大器將電流信號轉換為電壓信號。跨阻放大器的噪聲低、帶寬較大，靈敏度高，適合于高速光通信中，但其增益有限，因此在跨阻放大后需要二次放大和濾波，提高數據的穩定性。跨阻放大器和第二級放大電路如圖5所示。

圖5 接收端數據放大電路

4.2 時鐘數據恢復與解碼

本系統中采用ADI公司生產的一款時鐘和數據恢復芯片ADN2814，輸入信號速率從10Mb/s至675Mb/s連續可用，無需外部控制便能恢復任意接收到的數據類型[6]。CDR首先根據接收到的差分信號鎖定相位，然后根據所恢復的時鐘進行數據位對齊和字對齊，從而，將數據中包含的時鐘信息和數據提取出來。碼反變換模塊是進行NRZI的反變換。幀同步模塊通過檢查數據中的前導碼和幀尾，以達到數據幀同步，實現斷點續傳的功能。解碼模塊將進行4B5B解碼，以還原原始數據幀，如圖6所示。以太網驅動模塊可將幀同步和位同步后的數據恢復為原始傳輸的視頻MAC幀，并轉換為原始視頻畫面，通過以太網口傳輸到接收端的PC。解碼模塊的FPGA實現細節如圖7所示。

圖6 系統接收端數據處理框圖

圖7 解碼模塊的FPGA實現

5. 系統測試

5.1 時鐘數據恢復CDR電路測試

發送端驅動電路加載12MHz方波信號，并將發光LED對準接收端光電探測器。通過光電轉換后，測試CDR輸出的時鐘信號和數據如圖8，9所示。其中，波形1為所恢復的數據，波形2為相應的時鐘信號。

圖8 時鐘恢復電路測試實物

圖9 CDR輸出時鐘數據波形

當發送端加載視頻信號時，由CDR芯片恢復出的同步時鐘和數據與原始數據的對比如圖10所示，其中，V1為所恢復的時鐘，V2為恢復的數據信號，V3為原始數據。

圖10 CDR恢復的數據與原始數據對比波形

5.2 系統整機測試

發送端PC機利用VLC軟件播放視頻，將視頻轉換為網絡串流，通過網口輸出。接收端PC同樣利用VLC軟件播放接收到的視頻數據。將探測器對準發送端，接收端可以接收到發送端發送的高清視頻，接收端視頻有1秒左右的延時，遮住發送端或接收端，接收端的視頻暫停，拿去遮擋物后，視頻可以繼續傳輸，視頻最高的傳輸速率可達10Mbit/s。由于進行了4B5B編碼，光路上最高速率可達12.5Mbit/s，效果如圖11所示。

圖11 利用可見光通信系統傳輸視頻信號

6. 結束語

利用FPGA對以太網視頻數據的4B5B編碼與解碼，并聯合NRZI進行傳輸，有利于可見光通信過程中同步時鐘的提取。通過時鐘數據恢復芯片CDR提取時鐘和數據，結合LED驅動放大電路，實現了室內10M以太網視頻單向傳輸，使得設備之間的通信被鎖定在規定區域內，通信接入方式更靈活、安全，為實現全雙工可見光通信打下了基礎。

[1]劉宏展，呂曉旭等.白光LED照明的可見光通信的現狀及發展[J].無線光通信.2009，(7)：52-56.

[2]曹捷.可見光通信系統的光源特性與調制技術研究[D].南京：南京郵電大學，2012.

[3]徐丹彤.基于白光LED的可見光通信系統中光接收發射器的研究與設計[D].南京：南京郵電大學，2012.

[4]尹晶，曾烈光.一種快速同步的時鐘數據恢復電路的設計實現[J].光通信技術 IST IC PK U ，2007，31，(1).

[5]臧景峰，樸燕，宋正勛等.基于白光LED照明光源的室內VLC系統[J].發光學報，2009，(6)：877-881.

[6]AnalogDevices，Inc．．ADN2814DataSheet[DB/OL]．http：//www.analog． com/zh/broadband- products/clock- and- data- recoveryretiming/adn2814/products/product．html．