自由空間可見光通信研究

彭驍

摘 要 文章目標為實現自由空間可見光通信，使用固定型號白光LED實現自由空間下（不借由光纖波導等）的信息傳輸（文本、聲音、視頻），發射機和接收機距離大于1m。誤碼率、傳輸速率、通信距離是最終的評分指標。誤碼率、最長通信距離兩者和傳輸速率之間存在矛盾，在整個傳輸鏈路中確保信號能充分地快速的被調制和減小干擾是重點。

關鍵詞 可見光通信 誤碼率 通信距離 接收電路 驅動電路

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.11.024

Abstract This paper in order to achieve the goal of free space visible light communication， the use of fixed type white LED free space （not by optical fiber waveguide） information transmission （text， audio and video）， the transmitter and receiver distance is greater than 1m. Bit error rate， transmission rate and communication distance are the final scores. There is a contradiction between the bit error rate， the maximum communication distance and the transmission rate. In the whole transmission link， it is important to ensure that the signal can be modulated and reduced.

Keywords visible light communication； error rate； communication distance； receiving circuit； drive circuit

1實驗原理及發展狀況

可見光通信技術（Visible Light Communication），其原理是將需要傳輸的信息調制到LED的驅動電流上，使LED以高頻閃爍。人眼無法觀察到這種高頻閃爍，但其攜帶信息可被光電探測器檢測。基于白光LED的VLC融合了光通信和無線通信二者優點，同時順應白光LED器件作為下一代綠色固體照明光源的發展趨勢，是一種高速靈活、綠色環保的新型通信技術，且因為通信電路可以和LED燈具的驅動電路完美集成，在照明與通信、視覺信號與數據傳輸、顯示與數據通信、室內定位等等領域非常富有前景。因此日本、歐洲、美國等國家在可見光通信的領域已經投入了大量人力、物力以及財力。相比之下，中國的可見光通信研究起步晚，與國際的領先水平相比，仍落后很多，至今無成熟的商用化可見光通信系統。

當前的VLC技術發展關鍵之處在于尋找高調制帶寬的LED光源、LED的大電流驅動和非線性效應補償技術、光源的布局優化、高靈敏度的廣角接收技術、消除碼間干擾的技術這五個方面。

2實驗方案

根據實驗原理分析，首先發送端PC上使用串口助手輸入可轉換為ASCII碼的字符組合，數據傳送至發送端單片機，單片機內程序進行直接調制（軟件調制簡單方便，但調制速度低，直接制約通信速度）。接收端光電二極管檢測出光信號，經過后繼處理電路，放大的電信號送入單片機中解碼，結果通過串口送至接收端PC，從而實現雙PC機的白光LED通信。實驗實現主要分為：驅動電路和接收電路的設計及仿真、編碼方式、調試及優化。實驗系統示意圖如圖1。

3編碼方式代碼實現

VLC中一個技術要點是編碼方式。查閱文獻資料，當前主流調制方式有OOK（開關鍵控）編碼、PPM（脈沖位置調制）編碼、DPPM（差分脈沖調制）編碼、OFDM（正交頻分復用）編碼。比較每種編碼方式優劣勢，OOK-NRZ系統中，碼元周期等于脈沖寬度，多徑效應或者延時效應的出現會導致那么不同路徑的信號就相互疊加，從而產生碼間干擾，接收端誤碼率大大增加。OOK的抗碼間干擾能力最強，因為它的光脈沖寬度比其它的調制方式都寬。PPM與OOK具有同樣的傳輸容量，DPPM具有更高的傳輸容量，因為它們不用像PPM那樣浪費時間等待計滿一個確定的計數周期。OFDM系統由于調制中各個子載波之間相互正交，子信道的頻譜重疊不會影響相互的傳輸質量，因此存在諸多優點，比如減小無線信道碼間干擾、提高頻譜利用率、動態選擇頻率，增加高信噪比信道利用率等等。但是也存在有一定的缺陷，一是易受頻率偏差的影響，二是存在較高的峰均比。前者是由于OFDM對子載波的正交性要求嚴格，極易被多普勒效應或者頻率偏差等干擾，后者則是因為輸出端是多個子載波的疊加，瞬時功率必然會增加好幾倍，二者都是由于其調制原理必然帶來的。

經過比較，最終決定使用PPM編碼方式進行直接調制。PPM用斷續的周期性脈沖作為調制信號，調制信號受信源二進制符號控制，脈沖時間位置隨之發生變化而傳遞信息。具體應用方法為：一個二進制的n位數據組映射為由2n個時隙組成的時間段上的某一個時隙處的單個脈沖信號。若以字節為數據發送單位，我們選用4位數據組映射為16個時隙，對于每一字節將對應2個16-PPM信號，分別添加起始位和結束位作為標識。這樣每一字節對應32個時隙，其中2個時隙為調制脈沖，其位置由所發數據決定。

例如圖2，待發送數據為9CH，低字節在前，高字節在后，理論光強信號如圖中波形所示。對應32個時隙中，2個時隙的調制脈沖設置為低電平脈沖，空閑時間LED處于常亮狀態，發送數據時LED亮滅時間比約為1-4/（（16+2+1）*2）=89.5%。由于PPM工作特點，LED的亮滅時間比與發送數據無關，恒為89.5%。因此，采用PPM調制使光照功率得到較好的保持，即人眼不會感受到明顯的照明變化，保證照明質量。

4實際電路設計

電路設計根據實驗原理可以分為驅動發射電路和接收電路，在確定了最后的電路設計后，需要使用電路仿真軟件，如Protel。

4.1驅動發射電路

文獻和資料中主要使用的是以下三種驅動電路：

如圖3，原理圖A為共發射極驅動電路，通過白光LED的電流由VCC和R2決定，調節R2可使白光LED工作電流變化。B中的達林頓結構因高電流增益，降低了輸出阻抗。C中由一個GaAs場效應晶體管（FET）放大器和一個均衡電路組成。均衡電路由與白光LED串聯的RC并聯電路組成，為了實現高速調制頻率的快速關閉，采用低阻抗驅動器提供快速的分級電壓源、充電空間電荷電容和擴散電容。這種均衡電路驅動設計還可實現上沖和下沖的脈沖成形技術，并提高高頻成份的響應。

4.2 接收電路

以APD探測器為例，接收電路的總體設計思路為包涵信息光線的經過聚光器和光學濾波器被APD接收，APD一方面連接高壓電源，另一方面接入溫控系統，之后APD上接收到的信號進入放大電路，經過濾波和電壓放大之后接入PC端輸出。其中探測器可以采用PIN管（主要）和APD管（次要）。圖4為完整的仿真接收電路。

雪崩二極管（APD）靈敏度高，響應快，但需要上百伏的工作電壓，且性能和入射光功率有關，入射光功率大時，增益引起噪聲增大，電流失真。如果采用APD，設計重點將是消噪，必須選取價格較高的器件如超低噪聲前置放大器。PIN管響應頻率高達10GHZ，響應速度快，工作電壓低，其具有的光電轉換線性度、低工作電壓、響應速度快、價格低廉、溫度起伏容納大等優點，靈敏度上不如APD，但是可以通過優化系統其他部分進行彌補，因此在電路設計上采用PIN管作為主要的光探測器。

同時接收電路主體采用高速率分集接收結構，采用多個探測器分別采樣，之后經過比較判決器對接收的信息進行選擇，控制不同探測器的選通，最終接收機上接收到的信息的誤碼率可以大大被減少。

5測試與性能優化

實驗過程中，基于仿真結果用標準測試文件進行反復測試，測試過程中波特率設定為112000不變，主要控制發射驅動電路和接收電路的距離，檢測文件傳輸的誤碼率，并根據誤碼率對元件和電路進行調整，最終發射、接收電路仿真圖如圖5、圖6。

最終的測試結果顯示，1.93m的傳輸距離下，文件大小1Kb、10Kb、50Kb、100Kb、200Kb，相應傳輸時間為0.8s、3.2s、17.3s、29.8s、62.1s，誤碼率均為0.00%。

參考文獻

[1] 王平.OOK_OFDM雙重調制可見光通信系統的信道編碼技術研究.

[2] 郭倩，藍天，朱祺，倪國強.室內可見光通信APD探測電路的設計與實現.2015.2.

[3] 丁德強，柯熙政.可見光通信及其關鍵技術研究.

[4] 傅倩，陳長纓，洪岳，鄧韡.改善室內可見光通信系統性能的關鍵技術.自動化與信息工程，2012（2）.

[5] 任鳳娟，孫彥楷.白光LED可見光通信及其關鍵技術研究.產品與設計，2010（5）.

[6] 駱宏圖，陳長纓，傅倩，趙慧珊，莫晨曉.白光LED室內可見光通信的關鍵技術.光通信技術，2011（2）.

[7] 胡國永，陳長纓，陳振強.白光LED照明光源用作室內無線通信研究.光通信技術，2006（7）.

[8] 顧玉華.mBnB分組碼的編碼原理.光通信研究，1985（2）.

[9] 張瑩，陰亞芳，楊祎，黎聰.基于可見光通信的信道模型及編碼性能分析.光通信研究，2015（6）.