基于LED照明的模塊化可見光通信系統(tǒng)設(shè)計

譚興華 ，柴廣躍，田勁東，劉夢姣，李洪磊，陳雄斌

(1. 教育部光電器件與系統(tǒng)重點實驗室，深圳大學，廣東 深圳 518060；2. 集成光電子學國家重點實驗室，中國科學院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

引言

目前，半導(dǎo)體照明技術(shù)已在眾多領(lǐng)域普及應(yīng)用，同時衍生出許多新興技術(shù)。基于LED成本低、功耗小、壽命長和易于調(diào)制的特點，發(fā)展出的可見光通信技術(shù)[1]，可通過在照明設(shè)施上添加數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮o助功能，構(gòu)建室內(nèi)可見光無線通信網(wǎng)絡(luò)，最終實現(xiàn)照明與通信功能一體化。2000年，日本慶應(yīng)義塾大學提出了可用于家庭網(wǎng)絡(luò)的白光LED可見光通信。2003年10月，日本成立了可見光通信協(xié)會(VLCC)，并已完成可見光通信系統(tǒng)規(guī)范(VLCC-STD-001)和低速通信可見光ID應(yīng)用規(guī)范(VLCC-STD-003)的制定[2]。近年來我國在可見光通信技術(shù)上也取得了重大突破，實時通信速率提高至50Gbps。相比較Wi-Fi等傳統(tǒng)的射頻無線通信技術(shù)，可見光通信具有以下優(yōu)勢：無電磁輻射、無需頻譜資源認證、信息安全性高，并且可以基于原有的照明系統(tǒng)搭建，可操作性高。

1 系統(tǒng)方案概述

本文基于LED照明的可見光通信系統(tǒng)采用全雙工設(shè)計，下行通道采用瓦級大功率LED白光作為照明通信光源，上行通道采用850 nm紅外激光二極管(Laser Diode，LD)作為通信光源。利用LED的快速切換、易于調(diào)制的特點，將電信號經(jīng)過LED器件調(diào)制，發(fā)出人眼無法察覺到的高速調(diào)制光載波信號并在空間中自由傳輸，最后經(jīng)過光電二極管(Photon Diode，PD)完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)主放、判決再生實現(xiàn)信息的傳遞。本文基于LED照明的可見光通信系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種基于照明的VLC通信方案特別適合于諸如照明條件要求嚴苛、人流密度大、通信熱點數(shù)量需求多的諸如圖書館、對電磁干擾嚴格要求的諸如飛機、加油站、核電站等場所。

圖1 基于LED照明的可見光通信系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of VLC system based on LED lighting

白光LED光源通常采用兩種技術(shù)途徑形成，第一種是利用藍光芯片外涂覆黃色熒光粉合成形成白光；第二種是多種單色LED混光形成白光光源。通過采用多芯片LED單色光波分復(fù)用可以獲得更高的傳輸速率，但是其系統(tǒng)更為復(fù)雜、功耗高、成本高，與作為通信網(wǎng)絡(luò)末梢的定位不符，僅適用于一些特定場合。由于本文所述通信系統(tǒng)僅需要兼容百兆/千兆以太網(wǎng)，故選擇更為簡潔的第一方案即可獲得滿意的信息傳輸效果，本文所采用的是商用大功率瓦級熒光粉型白光LED。但是，選用第一方案必須克服熒光粉拖尾、強照明白光干擾等難題。

上行鏈路采用的是中心波長850 nm 的紅外激光二極管。850 nm波長處于人眼不可見的波長范圍，由于輸出功率較小、位于較高位置的上行方向，故對人眼的損傷處于可控狀態(tài)。在雙向可見光通信系統(tǒng)中，采用紅外光既實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苡植挥绊懻w照明效果，可使照明與通信相輔相成。

發(fā)送端采用差分非飽和開關(guān)恒流驅(qū)動電路驅(qū)動W級白光LED及850 nm紅外LD，接收端使用硅基PIN型光電二極管及跨阻抗低噪聲放大器接收發(fā)送端輸出的調(diào)制光信號，實現(xiàn)了VLC系統(tǒng)的電—光(E-O)，光—電(O-E)轉(zhuǎn)換。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 關(guān)鍵技術(shù)路線選擇

無線通信中的調(diào)制方式有很多，其中常見的有開關(guān)鍵控(OOK)、正交幅度調(diào)制(QAM)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等技術(shù)[3]。調(diào)制方式的選擇與系統(tǒng)功能實現(xiàn)是密切相關(guān)的，選用簡單易實現(xiàn)的調(diào)制方式不增加硬件負擔，使系統(tǒng)功耗降低同時減少散熱的問題。本設(shè)計選用最簡單的直接調(diào)制方式(OOK)，系統(tǒng)直接調(diào)制是用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出的光信號隨電信號變化而實現(xiàn)調(diào)制。該調(diào)制方式設(shè)計簡單且實現(xiàn)成本較低，適用于模塊化可見光通信系統(tǒng)。

本文采用的是藍光LED激發(fā)黃色熒光粉型白光光源，由于熒光粉型白光LED的黃色熒光粉的響應(yīng)速率較慢，使得LED調(diào)制帶寬很低，一般僅為3～5 MHz[4]。若要使本文可見光通信系統(tǒng)實現(xiàn)百兆/千兆兼容的高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，則必須對LED的調(diào)制帶寬進行改善提升，使之達到約70 Mb/s。提高LED調(diào)制帶寬的方法有許多，如在發(fā)送端使用預(yù)加重技術(shù)及或在接收端采用后均衡技術(shù)等[5]。通過預(yù)加重技術(shù)可以在發(fā)送端對輸入信號高頻分量進行補償，發(fā)送端預(yù)加重電路原理如圖2所示，通過調(diào)節(jié)晶體管發(fā)射極的電阻與電容即可提升LED的有效帶寬。

圖2 發(fā)送端預(yù)加重電路Fig.2 Pre-emphasis circuit in transmitter side

實驗測得本文選用的熒光粉型白光LED的光譜曲線如圖3所示，波長范圍處于380～780 nm之間。由于白光的寬光譜特性，因此對光電探測器PD的光譜響應(yīng)范圍以及峰值響應(yīng)波長具有較高要求[6]，本文選用硅基PIN型光電二極管作為光電探測器，其光譜響應(yīng)范圍處于340～1 040 nm之間，峰值響應(yīng)波長是760 nm。本設(shè)計為了降低強白光的干擾及提高響應(yīng)速率在接收端設(shè)置了藍光濾光片。此外，在接收端采用了后均衡技術(shù)，電路原理如圖4所示，通過調(diào)節(jié)R1、C3及R2、C4即可提升接收電路的有效帶寬。

圖3 白光LED相對光譜Fig.3 White LED relative spectrum

圖4 接收端后均衡電路原理圖Fig.4 Post-equalization circuit in receiver side

2.2 模塊化設(shè)計

基于照明的可見光通信系統(tǒng)首先應(yīng)保證燈具照明功能的實現(xiàn)，即照明光源應(yīng)滿足相關(guān)的國家標準及照明現(xiàn)場的光色要求，其次才為兼容通信功能的實現(xiàn)。可見光通信技術(shù)發(fā)展到今天，市場上也還未見到與可見光通信技術(shù)配套的商業(yè)化照明產(chǎn)品。本文設(shè)計了模塊化的可見光通信系統(tǒng)組件，并且可以將通信單元模塊內(nèi)嵌于吸頂燈、筒燈、射燈等各類燈具，使普通照明燈具也能夠具備可見光通信功能。按照技術(shù)路線進行硬件電路設(shè)計，將可見光通信系統(tǒng)發(fā)送端、接收端組件模塊化、小型化。如圖5所示即雙向可見光通信系統(tǒng)模塊化組件，其中包括上、下行發(fā)送端，以及上、下行接收端[7]。

圖5 雙向可見光通信系統(tǒng)模塊化組件Fig.5 Two-way VLC system modular component

3 實驗搭建及分析

3.1 實驗平臺搭建

在實驗室環(huán)境下搭建系統(tǒng)平臺，基于LED照明燈具的可見光通信系統(tǒng)鏈路如圖6所示。首先照明要求需達到室內(nèi)照明標準，本設(shè)計采用LED照明燈具作為照明主燈，VLC系統(tǒng)W級白光作為照明輔燈，同時為室內(nèi)提供照明光源；其次進行LED照明燈具與VLC系統(tǒng)的融合。由于VLC系統(tǒng)通信單元的模塊化設(shè)計，可將通信單元嵌入LED照明燈具內(nèi)部，使照明燈具與VLC系統(tǒng)融為一體，并通過內(nèi)置的RJ45網(wǎng)口可連接以太網(wǎng)。上行鏈路中將紅外LD及光電探測器進行便攜設(shè)計并設(shè)置透鏡，使之可以方便靈活的與下行鏈路進行光路對準，減少雜散光的干擾。

圖6 基于LED照明燈具的可見光通信系統(tǒng)鏈路Fig.6 Link of VLC system based on lighting fixture

3.2 實驗結(jié)果分析

通過基于LED照明燈具的可見光通信系統(tǒng)平臺搭建，進行了VLC系統(tǒng)測試。實驗通過照明燈具中VLC系統(tǒng)RJ45網(wǎng)口連接外部以太網(wǎng)，進行視頻的傳輸下載，并通過一款實時網(wǎng)速監(jiān)控軟件觀察實時傳輸速率，傳輸速率可達70 Mbits/s，傳輸一部大小為1.2G的視頻僅需2 min，實驗測試符合IEEE 802.3U標準。根據(jù)不同功能區(qū)間的照度要求，一般書房照明照度為100 lx，閱讀時所需的照明照度為600 lx，對室內(nèi)照明照度進行測試，經(jīng)測試系統(tǒng)平臺滿足正常閱讀照度要求。

系統(tǒng)發(fā)送及接收端都采用差分信號進行傳輸，差分信號的傳輸可提高信號精度同時減少共有的誤差干擾。發(fā)送單元實現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)換為光信號(E/O)，接收單元將光信號還原為電信號(O/E)[8]，通過光信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實驗測試鏈路如圖7中(a)、(b)所示。發(fā)送端輸入的差分信號以及接收端檢測的差分信號分別如圖7中(c)、(d)所示，觀察對比發(fā)送接收端的輸入輸出波形，發(fā)現(xiàn)通過接收單元還原的電信號波形穩(wěn)定且噪聲小。發(fā)送接收端眼圖測試如圖7中(e)、(f)所示，接收端輸出差分信號上升時間較長，下降沿變化速率較快，數(shù)據(jù)的抖動變化大，但仍可以滿足短距離的傳輸需求，主要原因是接收通道的頻率響應(yīng)偏低而引起的，可以通過提升接收單元的高頻特性進行改善。

圖7 實驗測試分析Fig.7 Experimental test analysis

4 結(jié)論

本設(shè)計可實現(xiàn)的照明與通信指標如下：光通量大于2 000 lm，色溫可選；通信速率兼容百兆千兆以太網(wǎng)，同時接口兼容RJ45網(wǎng)口；通信傳輸距離大于3 m。將可見光通信系統(tǒng)組件模塊化、小型化，使通信單元內(nèi)嵌于現(xiàn)有燈具，實現(xiàn)了照明與通信技術(shù)的融合，同時加快了LED照明燈具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9]。

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