圖像傳感器視域下的可見光通信技術分析

趙美勝

（北京中興物業(yè)管理有限公司，北京 100053）

0 引 言

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）具有極高的可靠性和保密性，可以抵御電磁干擾，而且不需要頻譜認證。白光發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）的帶寬相對有限，將會對傳輸速率造成直接影響，而VLC技術即便在此條件下依然可以利用空間復用達到高速通信的目的。

圖像傳感器負責光信號向電信號的轉換，也是數(shù)字攝像頭的重要組成部分，尤其在數(shù)字電視和可視通信市場應用廣泛。將光電探測器、集成電路加以整合，對比光敏二極管和三極管，發(fā)現(xiàn)圖像傳感器在光面形成光像的作用下可以劃分為若干個小單元處理、轉化光信號。在圖像傳感器基礎上應用VLC技術，選擇互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）卷簾快門圖像傳感器或者高速全局快門等作為關鍵的接收設備，憑借圖像傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢可以增強抗干擾性與可靠性，并達到多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的目的。為此，本文圍繞圖像傳感器基礎上的VLC技術展開討論，探討VLC系統(tǒng)的設計。

1 可見光通信系統(tǒng)

VLC技術原理如圖1所示，以固態(tài)照明為驅動力，這種固態(tài)照明的發(fā)光材料選擇固態(tài)半導體芯片，可以將電能轉換為光能光源。以白熾燈為代表的人造光源作為傳統(tǒng)技術手段，與之對比發(fā)現(xiàn)LED亮度更高，而且使用壽命也更長，進一步優(yōu)化了調(diào)制帶寬、傳輸速率、數(shù)據(jù)安全性，降低了能源消耗[1,2]。憑借上述優(yōu)勢，白光LED在照明、數(shù)據(jù)通信領域成為最優(yōu)選擇，在室內(nèi)、室外均可兼容可見光源[3]。

圖1 VLC技術原理

光通信領域常見的探測方法有兩種，分別是強度調(diào)制直接檢測（Intensity Modulation Direct Detection，IM-DD）和相干探測。其中，相干探測方法需要用到信號光和相干光，將其在探測器中混合形成拍頻信號，測量光波頻率，獲取幅值相位數(shù)據(jù)。IM-DD在應用中的操作比較簡單，在VLC系統(tǒng)中也相對常用。VLC系統(tǒng)包括發(fā)射、傳輸信道、接收這3個部分，原始二進制數(shù)據(jù)提前進行預處理，外加編碼調(diào)制具有LED的驅動作用，使LED在控制下能夠發(fā)出強度不同的VLC信號[4]。光信號攜帶了信息后，在自由空間內(nèi)傳播，主要使用光學透鏡在接收部分上聚焦，利用光電轉換元件轉換接收的光信號，獲得電信號后解碼解調(diào)制，經(jīng)過還原便可獲得二進制數(shù)據(jù)。原始二進制數(shù)據(jù)的預處理應用預均衡技術，增設直流偏置電壓等，可以補償元件參數(shù)導致的信道失真，并且有效提高系統(tǒng)帶寬和傳輸速率。

2 構建可見光信道模型

在圖像傳感器基礎上設計VLC系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)試與應用需要深入掌握信道特性[5]。通信信道的表征為信道脈沖響應，以此了解信道失真帶來的影響。因為光通信信道功率存在損耗，導致?lián)p耗的原因包括路徑損耗、多徑衰落，所以高速鏈路的設計必須綜合分析通信距離極限值、室內(nèi)墻壁與天花板等物體表面光的反射情況等影響因素。室外光通信鏈路方面，建議采取物理配置法，如直接視距傳播、非直接視距傳播、非視距散射以及跟蹤定位。

VLC系統(tǒng)利用直接強度檢測，有利于節(jié)約成本、降低復雜性。可見光光源驅動電流，采用調(diào)制信號進行控制，并以此改變光照強度，接收部分則是以波長積分為依據(jù)形成光電流。在直接強度調(diào)制的光學通信系統(tǒng)基礎上構建的等價基帶模型為：

式中：R為探測器靈敏度；h(t)為基帶信道脈沖響應；n(t)為與信號無實際關聯(lián)的散粒噪聲；x(t)為功率。

3 可見光通信系統(tǒng)設計

3.1 設計原理

系統(tǒng)設計時選擇高速相機，考慮到應用需求與性能，可以挑選Photron Fastcam Mini-AX 200。此型號相機在運行狀態(tài)下的下幀速率是6 400 FPS，分辨率為1 024×1 024，幀速率按照系統(tǒng)的基本要求最高可調(diào)整為900 000 FPS，相應的分辨率為128×16。此外，相機可以同時連接千兆網(wǎng)線和PC，而且搭配分析軟件，提供時鐘信號、調(diào)整觸發(fā)模式，所以VLC測驗環(huán)節(jié)也獲得了諸多便利條件，不需要再額外時鐘提取電路，系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構

利用2×2 LED矩陣，分析軟件內(nèi)可以實時顯示單信道幀數(shù)據(jù)。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)LED占據(jù)部分像素，為了使信道傳輸數(shù)據(jù)為“1”或“0”，需要計算目標區(qū)域中心像素的平均值，并按照已知閾值做出判斷。4個信道采取相同的處理方法，便可達到MIMO通信的效果。操作過程中利用二進制通斷鍵控（On-Off Keying，OOK）調(diào)制技術，該技術本身具有簡潔性，而且在IM-DD光通信系統(tǒng)中比較常見。“1”表示光學脈沖占據(jù)全部及部分位持續(xù)時間，“0”表示使用位持續(xù)時間范圍內(nèi)無脈沖，具體模式則分為歸零（Return to Zero，RZ）、不歸零（Not-Return to Zero，NRZ）兩種。NRZ使用脈沖持續(xù)時間和位持續(xù)時間相等的方式代表“1”，RZ范圍內(nèi)的脈沖只是占據(jù)部分位持續(xù)時間。如果OOK-NRZ、占空比是0.5，那么OOK-RZ單一映射平均功率，計算后可得到OOKNRZ包絡表達式為：

式中：Pr為平均功率；Tb為位持續(xù)時間。

3.2 設計方案

根據(jù)上述系統(tǒng)設計的原理，將LED當作光源發(fā)射VLC信號，同時利用圖像傳感器進行接收，可以獲得圖像幀信息，處理信息后獲得原始數(shù)據(jù)。對比后發(fā)現(xiàn)發(fā)射端應用LED矩陣，而不是單一的白光LED，將通信道數(shù)量加以擴充，每秒支持傳輸信息容量也隨之增加。此次設計采用全局快門相機，這也表示傳輸速率的直接決定性因素是相機本身的幀速率，因此建議應用高速相機，并且搭配LED矩陣完成MIMO通信，同時還可以為系統(tǒng)傳輸速率提供保障。

3.3 設計成果與分析

分析VLC系統(tǒng)的設計方案，需要通過2條評價標準，分別是能量效率、帶寬效率。如果考慮到對眼睛、皮膚的保護，那么必須要控制無線光發(fā)射平均功率。雖然理論層面的光載波被認為具備無限帶寬，但是在實踐中依然有諸多因素都會限制無線VLC系統(tǒng)帶寬，如接收區(qū)域的面積、電容等。利用多徑傳播、非定向視距無線傳輸（Line of Sight，LOS）傳播這兩種方法可以降低帶寬，調(diào)制環(huán)節(jié)必須重點分析帶寬效率這一因素。

如果散射噪聲位系統(tǒng)的關鍵噪聲源為信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），且其與光探測器表面積為正比例關系，那么單一元件接收面積比較大，但探測面積大的情況下寄生電容也會隨之增加，反而會限制系統(tǒng)帶寬。選擇調(diào)制方法時，應該重點分析帶寬效率。OOK-RZ的帶寬應在OOK-NRZ的2倍以上，實際上在直流條件下雙方都具有離散性，權重是Pr2。OOK-RZ在f=Rb位置顯示的脈沖用在恢復接收器時鐘信號這一環(huán)節(jié)；OOK-NRZ位于比特率整數(shù)倍位置產(chǎn)生頻譜零點，此時應用非線性信號方可恢復時鐘信號。當OOK-NRZ、OOK-RZ位于直流分量、低頻分量兩個位置時，功率相對理想，代表高通濾波器無法起到規(guī)避附近光源、人造光源影響的效果，由于上限截止頻率會產(chǎn)生線性漂移。已經(jīng)確定平均發(fā)射光功率的情況下，OOK-RZ平均功率也會超過OOK-NRZ的2倍，經(jīng)過計算可以得到OOK-NRZ能量效率和帶寬效率。

OOK-RZ無法實現(xiàn)接收部分的采樣時鐘恢復，主要是因為傳輸時產(chǎn)生了長周期低電平信號，這就需要使用OOK-RZ展開比特填充，減少帶寬效率。為此，建議在發(fā)射端應用預均衡技術，接收端則運用藍光過濾技術，安裝高速相機作為接收裝置，OOK-NRZ安裝于發(fā)射端，即便是調(diào)制帶寬受限，也依然可以獲得理想的效果。

4 結 論

VLC技術與圖像傳感器結合應用，對于VLC系統(tǒng)的設計具有明顯優(yōu)勢。VLC系統(tǒng)不僅具有較強的抗干擾性與可靠性，而且還可以實現(xiàn)多輸入多輸出。今后，VLC技術在實際應用中應該更加關注系統(tǒng)設計的創(chuàng)新，通過與圖像傳感器的結合進一步加強VLC技術的穩(wěn)定性、保密性與抗干擾性，拓寬VLC技術的應用范圍，為工業(yè)設計及其他行業(yè)提供先進的技術支持。