基于LED的室內光無線通信系統研究與硬件設計

宋哲 周雷 呂振彬 袁衛文

【摘要】 提出了一種基于可見光通信技術的室內無線通信系統，并建立了通信系統信道的線性模型。在此基礎之上，給出了該通信系統發射機和接收機的硬件電路設計方案，采用3B4B和5B6B編解碼及OOK調制方式，搭建了以FPGA為核心的數字信號處理系統。最后，通過系統實驗平臺，實現了高清視頻的傳輸，驗證了該通信系統的可行性。

【關鍵詞】 可見光通信 信道建模 硬件設計

近年來，隨著無線通信技術的高速發展，射頻頻譜資源越來越緊張，利用現有射頻頻譜資源進行高速無線通信的實現成本已經越來越高[1]。可見光通信（Visible Light Communication， VLC）具有發射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾、無電磁輻射、保密性好和節約能源等優點，能夠同時實現照明和通信的雙重功能，只要燈光照到的地方，就可以長時間下載和上傳高清晰的圖像和視頻資料，沒有通信盲區，方便快捷[2-4]。本文研究了一種基于VLC的室內無線通信系統，建立了系統的信道模型，并給出了具體的硬件設計方案。

一、室內光無線通信信道建模

由LED和光敏二極管的組成結構可知，對通信系統來說，其主要表現為低通特性，而且基本不隨時間而改變。另外，在散熱較好的條件下，頻響變化極其緩慢，信道基本可認為是線性時不變信道。對于線性時不變信道，獲得其時域沖激響應，即可建立完整的信道模型。

一般情況下，定義復PN序列，使其滿足，這里a為PN序列的幅度。但實際情況中，一般定義PN序列為實值，即，滿足

（1）

其中，當j<1時，，當j>n時，。為了簡便，將式（1）中約等號替換為等號。文獻[5]表明，對于長PN序列，這種近似帶來的誤差可以忽略。將此PN序列輸入信道中，所得的輸出信號為

（2）

其中，為信道在時刻m（在離散系統中表示第m個采樣點）的第k個抽頭系數，表示均值為0，功率譜密度為的高斯噪聲。由于信道是時不變信道，所以可以將簡寫為。然后，將接受信號與發送的對應PN序列做相關操作，可得

（3）

其中，表示相關值。將式（2）代入式（3）可得

（4）

由此可得

（5）

其中，

（6）

表示測量誤差。這樣即可測量得到信道的所有抽頭系數。

二、室內光無線通信系統的硬件設計

室內光無線通信系統由發射機和接收機兩部分構成。發射機主要實現上層數據報的分解、重打包、數據的模擬化和對外發送等功能；接收機主要實現模擬信號的接收、數字化、解包和向上層傳遞接收到的數據報等功能。發射機和接收機的結構框圖如圖1所示。

2.1 發射機設計

在室內光無線通信系統中，發射機的模擬電路主要實現兩個性能指標：高功率輸出和較寬的基帶通頻帶。采用兩級功率放大器驅動LED發光電路，原理圖如圖2所示。其中，使用小功率三極管MRF587和中功率三極管BLW32設計實現負反饋結構甲類功率放大器。為了驅動LED發光，還需要為LED提供直流偏置電流。驅動LED發光的直流偏置電流一般為恒定直流，使用芯片LM3404設計實現了恒流源，為LED提供穩定的直流電流，使LED發光更加穩定，同時可以延長LED使用壽命。

2.2 接收機設計

接收機模電路如圖3所示，主要包括跨阻放大器和高增益放大器兩部分。

跨阻放大器的作用是將光電轉換二極管輸出的感光電流轉換為方便處理的電壓信號。為了不影響整個系統的頻率響應，跨阻放大器一般選用高增益帶寬積的放大器實現。本文選用美國TI公司的OPA657型FET輸入運算放大器實現前端跨阻放大器。

信號通過跨阻放大器轉換為電壓信號之后，即需要使用高增益放大器進一步放大接收信號。一般來說，單個運放無法直接將信號放大到理想的幅度。所以，使用兩級運放級聯的方法對輸入信號進行放大。為了使得信號獲得盡量高的增益，選用TI公司的低噪聲、極高增益帶寬積運算放大器OPA847作為高增益放大器。其增益帶寬積達到3.9GHz，輸入電壓噪聲只有。

三、系統驗證平臺設計

在視頻演示平臺中，使用150Mbps的速率、基帶采用3B4B和5B6B編碼、前端LED發射模塊采用兩級功率放大器驅動、模擬接收端采用PIN管做光電轉換、采用跨阻放大器和高增益放大器對信號進行處理，數字接收端采用PN序列進行幀同步的方法，實現了高清視頻流媒體的傳輸與播放系統。在流媒體播放系統中，均使用UDP作為傳輸層信息承載協議。在高清視頻傳輸的演示中，發射與接收之間的距離約為2米，高清視頻可以在光鏈路中清晰地同步傳輸與播放，驗證了室內光無線通信系統的可用性。

四、結束語

本文研究了一種基于可見光LED的室內無線通信系統，推導了系統信道的模型，對系統的硬件電路進行了設計，并利用FPGA對基帶信號進行了處理。實驗測試結果表明，該系統的傳輸速率可達150Mbps，在2m距離內可實現高清視頻的傳輸。

參 考 文 獻

[1] Tanaka Y， Haruyama S， Nakagawa M. Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links[C]. Personal， Indoor and Mobile Radio Communications， 11th IEEE International Symposium. 2000， 2：1325-1329.

[2] 駱宏圖，陳長纓，傅倩. 白光LED室內可見光通信的關鍵技術[J].光通信技術，2011，35（2）：56-59.

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[4] Jae Hyuck Choi， Sung Wan Koo， Jin Young Kim. Influence of Optical Path Difference on Visible Light Communication Systems[J]. IEEE 9th International Symposium on Communications and Information Technology（ISCIT）， 2009：1247-1251.

[5] Gallager R， Zheng L. Channel measurement and Rake receivers[J]. Introduction to Digital Communication， 2002（6）：450.