彭驍

摘 要 文章目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)自由空間可見光通信，使用固定型號白光LED實(shí)現(xiàn)自由空間下（不借由光纖波導(dǎo)等）的信息傳輸（文本、聲音、視頻），發(fā)射機(jī)和接收機(jī)距離大于1m。誤碼率、傳輸速率、通信距離是最終的評分指標(biāo)。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(diào)制和減小干擾是重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 可見光通信 誤碼率 通信距離 接收電路 驅(qū)動電路

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)驗(yàn)原理及發(fā)展?fàn)顩r

可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication），其原理是將需要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到LED的驅(qū)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(yōu)點(diǎn)，同時(shí)順應(yīng)白光LED器件作為下一代綠色固體照明光源的發(fā)展趨勢，是一種高速靈活、綠色環(huán)保的新型通信技術(shù)，且因?yàn)橥ㄐ烹娐房梢院蚅ED燈具的驅(qū)動電路完美集成，在照明與通信、視覺信號與數(shù)據(jù)傳輸、顯示與數(shù)據(jù)通信、室內(nèi)定位等等領(lǐng)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(lǐng)域已經(jīng)投入了大量人力、物力以及財(cái)力。相比之下，中國的可見光通信研究起步晚，與國際的領(lǐng)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(tǒng)。

當(dāng)前的VLC技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵之處在于尋找高調(diào)制帶寬的LED光源、LED的大電流驅(qū)動和非線性效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)、光源的布局優(yōu)化、高靈敏度的廣角接收技術(shù)、消除碼間干擾的技術(shù)這五個方面。

2實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析，首先發(fā)送端PC上使用串口助手輸入可轉(zhuǎn)換為ASCII碼的字符組合，數(shù)據(jù)傳送至發(fā)送端單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)程序進(jìn)行直接調(diào)制（軟件調(diào)制簡單方便，但調(diào)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(jīng)過后繼處理電路，放大的電信號送入單片機(jī)中解碼，結(jié)果通過串口送至接收端PC，從而實(shí)現(xiàn)雙PC機(jī)的白光LED通信。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)主要分為：驅(qū)動電路和接收電路的設(shè)計(jì)及仿真、編碼方式、調(diào)試及優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1。

3編碼方式代碼實(shí)現(xiàn)

VLC中一個技術(shù)要點(diǎn)是編碼方式。查閱文獻(xiàn)資料，當(dāng)前主流調(diào)制方式有OOK（開關(guān)鍵控）編碼、PPM（脈沖位置調(diào)制）編碼、DPPM（差分脈沖調(diào)制）編碼、OFDM（正交頻分復(fù)用）編碼。比較每種編碼方式優(yōu)劣勢，OOK-NRZ系統(tǒng)中，碼元周期等于脈沖寬度，多徑效應(yīng)或者延時(shí)效應(yīng)的出現(xiàn)會導(dǎo)致那么不同路徑的信號就相互疊加，從而產(chǎn)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(qiáng)，因?yàn)樗墓饷}沖寬度比其它的調(diào)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?yàn)樗鼈儾挥孟馪PM那樣浪費(fèi)時(shí)間等待計(jì)滿一個確定的計(jì)數(shù)周期。OFDM系統(tǒng)由于調(diào)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(zhì)量，因此存在諸多優(yōu)點(diǎn)，比如減小無線信道碼間干擾、提高頻譜利用率、動態(tài)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(yán)格，極易被多普勒效應(yīng)或者頻率偏差等干擾，后者則是因?yàn)檩敵龆耸嵌鄠€子載波的疊加，瞬時(shí)功率必然會增加好幾倍，二者都是由于其調(diào)制原理必然帶來的。

經(jīng)過比較，最終決定使用PPM編碼方式進(jìn)行直接調(diào)制。PPM用斷續(xù)的周期性脈沖作為調(diào)制信號，調(diào)制信號受信源二進(jìn)制符號控制，脈沖時(shí)間位置隨之發(fā)生變化而傳遞信息。具體應(yīng)用方法為：一個二進(jìn)制的n位數(shù)據(jù)組映射為由2n個時(shí)隙組成的時(shí)間段上的某一個時(shí)隙處的單個脈沖信號。若以字節(jié)為數(shù)據(jù)發(fā)送單位，我們選用4位數(shù)據(jù)組映射為16個時(shí)隙，對于每一字節(jié)將對應(yīng)2個16-PPM信號，分別添加起始位和結(jié)束位作為標(biāo)識。這樣每一字節(jié)對應(yīng)32個時(shí)隙，其中2個時(shí)隙為調(diào)制脈沖，其位置由所發(fā)數(shù)據(jù)決定。

例如圖2，待發(fā)送數(shù)據(jù)為9CH，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，理論光強(qiáng)信號如圖中波形所示。對應(yīng)32個時(shí)隙中，2個時(shí)隙的調(diào)制脈沖設(shè)置為低電平脈沖，空閑時(shí)間LED處于常亮狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)LED亮滅時(shí)間比約為1-4/（（16+2+1）*2）=89.5%。由于PPM工作特點(diǎn)，LED的亮滅時(shí)間比與發(fā)送數(shù)據(jù)無關(guān)，恒為89.5%。因此，采用PPM調(diào)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(zhì)量。

4實(shí)際電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可以分為驅(qū)動發(fā)射電路和接收電路，在確定了最后的電路設(shè)計(jì)后，需要使用電路仿真軟件，如Protel。

4.1驅(qū)動發(fā)射電路

文獻(xiàn)和資料中主要使用的是以下三種驅(qū)動電路：

如圖3，原理圖A為共發(fā)射極驅(qū)動電路，通過白光LED的電流由VCC和R2決定，調(diào)節(jié)R2可使白光LED工作電流變化。B中的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)因高電流增益，降低了輸出阻抗。C中由一個GaAs場效應(yīng)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(lián)的RC并聯(lián)電路組成，為了實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制頻率的快速關(guān)閉，采用低阻抗驅(qū)動器提供快速的分級電壓源、充電空間電荷電容和擴(kuò)散電容。這種均衡電路驅(qū)動設(shè)計(jì)還可實(shí)現(xiàn)上沖和下沖的脈沖成形技術(shù)，并提高高頻成份的響應(yīng)。

4.2 接收電路

以APD探測器為例，接收電路的總體設(shè)計(jì)思路為包涵信息光線的經(jīng)過聚光器和光學(xué)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(tǒng)，之后APD上接收到的信號進(jìn)入放大電路，經(jīng)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(yīng)快，但需要上百伏的工作電壓，且性能和入射光功率有關(guān)，入射光功率大時(shí)，增益引起噪聲增大，電流失真。如果采用APD，設(shè)計(jì)重點(diǎn)將是消噪，必須選取價(jià)格較高的器件如超低噪聲前置放大器。PIN管響應(yīng)頻率高達(dá)10GHZ，響應(yīng)速度快，工作電壓低，其具有的光電轉(zhuǎn)換線性度、低工作電壓、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉、溫度起伏容納大等優(yōu)點(diǎn)，靈敏度上不如APD，但是可以通過優(yōu)化系統(tǒng)其他部分進(jìn)行彌補(bǔ)，因此在電路設(shè)計(jì)上采用PIN管作為主要的光探測器。

同時(shí)接收電路主體采用高速率分集接收結(jié)構(gòu)，采用多個探測器分別采樣，之后經(jīng)過比較判決器對接收的信息進(jìn)行選擇，控制不同探測器的選通，最終接收機(jī)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(yōu)化

實(shí)驗(yàn)過程中，基于仿真結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)測試文件進(jìn)行反復(fù)測試，測試過程中波特率設(shè)定為112000不變，主要控制發(fā)射驅(qū)動電路和接收電路的距離，檢測文件傳輸?shù)恼`碼率，并根據(jù)誤碼率對元件和電路進(jìn)行調(diào)整，最終發(fā)射、接收電路仿真圖如圖5、圖6。

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

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