自由空間可見光通信教學(xué)實驗平臺建設(shè)

呂 暉，馬曉紅，麻毓哲，趙華鳳

自由空間可見光通信教學(xué)實驗平臺建設(shè)

呂 暉，馬曉紅，麻毓哲，趙華鳳

（清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084）

基于當前自由空間可見光通信應(yīng)用研究熱點，開發(fā)了一套結(jié)構(gòu)開放的實驗教學(xué)平臺。該平臺實現(xiàn)了模擬語音信號實時無失真?zhèn)鬏敗⒛M視頻信號實時傳輸及數(shù)字信號傳輸。平臺的開放性使學(xué)生能夠在可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制方式、鏈路模型、通信性能、應(yīng)用場景等方面進行研究和創(chuàng)新性開發(fā)，從而為綜合型、研究型、探索型多層次教學(xué)提供有力支撐。

可見光通信；LED實驗教學(xué)；開放性

自由空間的可見光通信（visible light communication，VLC）是當前通信和光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，更是短距離無線接入的發(fā)展趨勢。與目前廣泛應(yīng)用的無線保真(Wi-Fi)、藍牙、近場通信（NFC）等傳統(tǒng)射頻技術(shù)相比，可見光通信有如下優(yōu)勢：（1）泛在性。其所使用的LED光源已廣泛應(yīng)用于各種生活場景，無須另外安裝通信基礎(chǔ)設(shè)施，更易實現(xiàn)任何時候、任何地點的通信。（2）無頻譜使用限制。VLC所用的可見光波段無須使用許可申請。（3）抗電磁干擾：光波的傳輸不會對其他電子設(shè)備造成電磁干擾，可用于醫(yī)院、飛機、加油站和礦井等特殊場景[1]。（4）安全保密性。可見光在傳輸過程中衰減快，不能穿透墻壁等固體，很難被截獲，適用于保密通信[1]。目前這方面的研究主要集中于單向高速可見光通信，近年來有大量的相關(guān)文獻報道[2-8]。

基于LED照明光源的光通信技術(shù)是從通信和光電兩個專業(yè)交叉點發(fā)展起來的一項前沿新技術(shù)，具有很強的創(chuàng)新性，應(yīng)用潛力深厚（如室內(nèi)定位、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋瑧?yīng)用場景廣闊（如博物館、地下礦井、大型商場等），將對人類未來的生活和生產(chǎn)模式產(chǎn)生重大積極影響。筆者將這項技術(shù)引入實驗教學(xué)，建成一套具有開放性的自由空間可見光通信教學(xué)實驗平臺。

1 原理介紹

自由空間光通信的基本模型如圖1所示[9]，數(shù)字調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)部分與射頻通信類似，不同的是射頻通信使用天線收發(fā)信號，可見光通信使用LED發(fā)射信號。可見光通信一般采用強度調(diào)制和直接檢測方式（IM/DD）[1]，即LED發(fā)射光功率隨傳輸信號變化，接收端使用光電探測器件，如光電二極管（PD）、雪崩二極管（APD）等檢測信號，接收強弱變化的光強并轉(zhuǎn)化成電流信號。

圖1 可見光通信系統(tǒng)模型

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自由空間可見光通信技術(shù)是一種以可見光為載體、在空氣中直接傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑浠驹硎抢霉獾拿靼祦砭幋a信息光源。為了讓學(xué)生更好地掌握可見光通信系統(tǒng)的工作原理和各項工作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計搭建了一個結(jié)構(gòu)完全分立的可見光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 可見光通信實驗平臺原理圖

2.1 光源

系統(tǒng)光源采用日常照明用的白光LED，其相較于傳統(tǒng)照明光源除了光效高、耗能低、壽命長、價格低廉等優(yōu)勢外，還具有無可比擬的調(diào)制帶寬，即具有良好的光通信能力[10-12]。這是可見光通信技術(shù)得以迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)。

要正確高效地利用LED，必須先掌握它的工作特性。為此，首先對所購普通家庭照明用白光LED光源進行與系統(tǒng)工作相關(guān)的性能測試。

2.1.1 光譜特性

發(fā)光光譜是指光強隨波長變化的分布曲線，LED的發(fā)射光譜由半導(dǎo)體材料種類及發(fā)光中心結(jié)構(gòu)決定。實驗用白光LED為藍光芯片加黃綠光熒光粉，使用350 mA的恒定電流驅(qū)動。

2.1.2 伏安特性測試

由于LED內(nèi)阻較小，采取電流表外接法測量LED的伏安特性曲線，即用2個萬用表同時測量LED兩端電壓和流經(jīng)電流，得到曲線如圖3所示。

2.1.3 光功率特性

LED的光功率-電流曲線（P-I曲線）可用來描述LED的調(diào)制能力。測試時光源距離光功率計約13 cm，光路中間不插入透鏡，實驗過程中保持光源和光功率計的相對位置不變，測得P-I曲線如圖4所示。利用P-I曲線可以為光源選取合適的直流工作點，進而使調(diào)制深度最大。

圖3 實驗用LED光源的伏安特性曲線

圖4 實驗用LED光源的P-I曲線

設(shè)I0為偏置電流，ΔI為峰值電流與偏置電流的差，則LED的調(diào)制深度m定義為ΔI/I0。光調(diào)制度越高，接收端就越容易進行解調(diào)。為保證相同的傳輸效果下接收端所需的光功率最小，需選取合適的直流 偏置工作點，以保證光調(diào)制度最高。但是如果只追求高調(diào)制度則會導(dǎo)致調(diào)制帶寬的降低，因此二者需要平衡。實驗中LED光源的直流工作點最終選在300 mA 左右。

2.1.4 頻率響應(yīng)

實驗所用LED光源為藍光芯片加熒光粉結(jié)構(gòu)，而熒光粉的響應(yīng)速度較慢，限制了LED的調(diào)制帶寬。從LED燈的頻響曲線圖5可以看到，高頻信號明顯衰減。但由于濾光片對光的衰減較大，本文后續(xù)實驗中并沒有采取這一方案。

圖5 實驗用白光LED頻響曲線

2.2 驅(qū)動電路

實驗平臺采用模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制2種方式進行信號傳輸。模擬調(diào)制的LED驅(qū)動電路按照負載連接方式分為并聯(lián)、串聯(lián)和串并混聯(lián)型，或按照驅(qū)動方式則分為電壓驅(qū)動型和電流驅(qū)動型。

由于LED是一種重摻雜的PN結(jié)二極管，當電壓超過一定閾值時，才有較大電流通過，但是隨著通過電流的增大，其電阻變小，所以LED的驅(qū)動電路需要維持穩(wěn)定的驅(qū)動電流來保證LED的直流工作點。本文采用的驅(qū)動電路如圖6，其發(fā)射端的電路由交流放大電路（放大器芯片OPA2614）和直流偏置電路組成，由交直流兩部分電路并聯(lián)驅(qū)動LED。

數(shù)字傳輸?shù)尿?qū)動采用OOK調(diào)制，LED的OOK調(diào)制主要利用人眼無法辨別的LED高速點滅，在不影響正常照明的同時傳輸數(shù)字信號。OOK形式的驅(qū)動電路采取三極管開關(guān)電路，當輸入電壓超過三極管啟動電壓時進入導(dǎo)通區(qū)，輸出12 V驅(qū)動電壓加在LED兩端，LED點亮；當輸入電壓低于三極管啟動電壓時進入截止區(qū)，輸出電壓為0，LED熄滅。系統(tǒng)所用OOK調(diào)制驅(qū)動電路的頻響曲線如圖7所示。

圖6 LED模擬調(diào)制方式的LED驅(qū)動電路

圖7 OOK調(diào)制驅(qū)動電路的頻響曲線

2.3 光探測器

光電探測器是一種利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，在可見光波段比較常見的是InGaN探測器和硅基PIN光電探測器。光探測器的靈敏度、響應(yīng)速度和附加噪聲都是在進行系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的參數(shù)。平臺最終采用了美國Thorlab公司生產(chǎn)的PDA36A-EC硅基光電探測器，該探測器帶有增益可調(diào)的前置放大電路，其核心是一個反向偏壓的PIN光電二極管，后端配合一個增益可調(diào)的跨阻放大器。放大電路使用互阻抗放大器形式，增益和帶寬將會相互影響，不能同時保證，其相互關(guān)系如表1所示。

表1 PDA36A-EC增益帶寬表

3 系統(tǒng)實驗

3.1 模擬信號傳輸

3.1.1 模擬語音信號傳輸

項目實驗采用未加數(shù)字化的純模擬音頻信號作為系統(tǒng)輸入，得到的輸入輸出波形見圖8（下方為輸出波形，上方為輸入波形），傳輸效果良好。將輸出接入音響，在人耳可辨別范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)高保真。

圖8 LED強度調(diào)制下音頻傳輸?shù)妮斎胼敵鲂盘柌ㄐ?/p>

3.1.2 模擬視頻信號傳輸

由于模擬的視頻信號頻譜非常寬，而項目傳輸系統(tǒng)的帶寬有限，這既有發(fā)射端熒光粉型LED自身頻率響應(yīng)限制因素，又有接收端跨阻放大器的帶寬限制因素。因此，傳輸中視頻信號的高頻信息會丟失，這可由輸入輸出波形對比看出（見圖9，下方為輸出波形，上方為輸入波形）。

實時傳輸?shù)膱D像效果如圖10所示。由于彩色信息處于傳輸波形的高頻段，所以不能被接收端有效接收，從而變成了灰白圖像，但是基本的亮度深淺和部分細節(jié)得以保留，使在人眼可辨別的范圍內(nèi)，能夠分辨實時傳輸?shù)囊曨l圖像。

圖9 視頻傳輸輸入輸出信號對比

圖10 模擬視頻信號傳輸系統(tǒng)和圖像顯示效果

3.2 數(shù)字化圖像信號傳輸

系統(tǒng)采用串口輸出的攝像頭信號作為系統(tǒng)的輸入，攝像頭的圖像傳感器為CMOS型，規(guī)格為1/4 inch。它對每幀圖像使用JPEG壓縮編碼后進行傳輸，通信方式為RS232。系統(tǒng)所用單片機為Arduino UNO R3，傳輸?shù)囊曨l信號分辨率為320×240，采用JPEG壓縮格式，串口碼率為38 400，解碼后可以恢復(fù)傳輸圖像。數(shù)字化視頻信號傳輸系統(tǒng)框圖見圖11。

圖11 數(shù)字化視頻信號傳輸系統(tǒng)框圖

4 實驗教學(xué)應(yīng)用

眾多研究成果顯示，當前的教學(xué)模式必須進行由以教師“教”為中心向以學(xué)生“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)變，尤其對于實驗教學(xué)，開設(shè)可以激發(fā)學(xué)生分析、綜合、判斷、應(yīng)用等高階認知能力的挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)內(nèi)容，對于教學(xué)質(zhì)量的提升至關(guān)重要。

為了踐行這一教學(xué)理念，以應(yīng)用前沿研究為技術(shù)背景，開發(fā)了由獨立器件有機組合而成的綜合性實驗平臺。學(xué)生利用該平臺可以從基礎(chǔ)的LED光源、光探測器等光電器件特性研究入手，到光通信鏈路的分析和設(shè)計，再到通信性能探索及應(yīng)用場景和交叉應(yīng)用創(chuàng)新，進行由淺入深、由分立到綜合的多層次研究性 學(xué)習(xí)。

基于該平臺開設(shè)的開放型實驗“自由空間可見光通信實驗”，已在我校2016、2017年秋季學(xué)期的電子系限選課“光電子技術(shù)實驗”和2017年春季學(xué)期的全校任選課“激光與光電子技術(shù)實驗”上開設(shè)。

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Construction of laboratory teaching platform for visible light communication in free space

Lü Hui, MA Xiaohong, MA Yuzhe, ZHAO Huafeng

(Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China)

Based on the current research hotspot of visible light communication in free space, an open experimental teaching platform is developed. This platform realizes the real-time undistorted transmission of analog speech signal, real-time transmission of analog video signal and digital signal transmission. The openness of the platform enables students to carry out research and innovative development in the aspects of modulation mode, link model, communication performance and application scenario of visible light communication system so as to provide strong support for comprehensive, research-oriented and exploratory multi-level teaching.

visible light communication; LED experimental teaching; openness

G642.423

A

1002-4956(2019)11-0177-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.043

2019-03-08

清華大學(xué)實驗室創(chuàng)新基金（02305）

呂暉（1983—），女，天津，工學(xué)碩士，工程師，主要從事光電實驗教學(xué)及教學(xué)研究工作。E-mail: lvhui@tsinghua.edu.cn