自由空间可见光通信研究

摘 要 文章目标为实现自由空间可见光通信，使用固定型号白光LED实现自由空间下（不借由光纤波导等）的信息传输（文本、声音、视频），发射机和接收机距离大于1m。误码率、传输速率、通信距离是最终的评分指标。误码率、最长通信距离两者和传输速率之间存在矛盾，在整个传输链路中确保信号能充分地快速的被调制和减小干扰是重点。

关键词 可见光通信 误码率 通信距离 接收电路 驱动电路

中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.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实验原理及发展状况

可见光通信技术（Visible Light Communication），其原理是将需要传输的信息调制到LED的驱动电流上，使LED以高频闪烁。人眼无法观察到这种高频闪烁，但其携带信息可被光电探测器检测。基于白光LED的VLC融合了光通信和无线通信二者优点，同时顺应白光LED器件作为下一代绿色固体照明光源的发展趋势，是一种高速灵活、绿色环保的新型通信技术，且因为通信电路可以和LED灯具的驱动电路完美集成，在照明与通信、视觉信号与数据传输、显示与数据通信、室内定位等等领域非常富有前景。因此日本、欧洲、美国等国家在可见光通信的领域已经投入了大量人力、物力以及财力。相比之下，中国的可见光通信研究起步晚，与国际的领先水平相比，仍落后很多，至今无成熟的商用化可见光通信系统。

当前的VLC技术发展关键之处在于寻找高调制带宽的LED光源、LED的大电流驱动和非线性效应补偿技术、光源的布局优化、高灵敏度的广角接收技术、消除码间干扰的技术这五个方面。

2实验方案

根据实验原理分析，首先发送端PC上使用串口助手输入可转换为ASCII码的字符组合，数据传送至发送端单片机，单片机内程序进行直接调制（软件调制简单方便，但调制速度低，直接制约通信速度）。接收端光电二极管检测出光信号，经过后继处理电路，放大的电信号送入纹机中解码，结果通过串口送至接收端PC，从而实现双PC机的白光LED通信。实验实现主要分为：驱动电路和接收电路的设计及仿真、编码方式、调试及优化。实验系统示意图如图1。

3编码方式代码实现

VLC中一个技术要点是编码方式。查阅文献资料，当前主流调制方式有OOK（开关键控）编码、PPM（脉冲位置调制）编码、DPPM（差分脉冲调制）编码、OFDM（正交频分复用）编码。比较每种编码方式优劣势，OOK-NRZ系统中，码元周期等于脉冲宽度，多径效应或者延时效应的出现会导致那么不同路径的信号就相互叠加，从而产生码间干扰，接收端误码率大大增加。OOK的抗码间干扰能力最强，因为它的光脉冲宽度比其它的调制方式都宽。PPM与OOK具有同样的传输容量，DPPM具有更高的传输容量，因为它们不用像PPM那样浪费时间等待计满一个确定的计数周期。OFDM系统由于调制中各个子载波之间相互正交，子信道的频谱重叠不会影响相互的传输质量，因此存在诸多优点，比如减小无线信道码间干扰、提高频谱利用率、动态选择频率，增加高信噪比信道利用率等等。但是也存在有一定的缺陷，一是易受频率偏差的影响，二是存在较高的峰均比。前者是由于OFDM对子载波的正交性要求严格，极易被多普勒效应或者频率偏差等干扰，后者则是因为输出端是多个子载波的叠加，瞬时功率必然会增加好几倍，二者都是由于其调制原理必然带来的。

经过比较，最终决定使用PPM编码方式进行直接调制。PPM用断续的周期性脉冲作为调制信号，调制信号受信源二进制符号控制，脉冲时间位置随之发生变化而传递信息。具体应用方法为：一个二进制的n位数据组映射为由2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处的单个脉冲信号。若以字节为数据发送单位，我们选用4位数据组映射为16个时隙，对于每一字节将对应2个16-PPM信号，分别添加起始位和结束位作为标识。这样每一字节对应32个时隙，其中2个时隙为调制脉冲，其位置由所发数据决定。

例如图2，待发送数据为9CH，低字节在前，高字节在后，理论光强信号如图中波形所示。对应32个时隙中，2个时隙的调制脉冲设置为低电平脉冲，空闲时间LED处于常亮状态，发送数据时LED亮灭时间比约为1-4/（（16+2+1）*2）=89.5%。由于PPM工作特点，LED的亮灭时间比与发送数据无关，恒为89.5%。因此，采用PPM调制使光照功率得到较好的保持，即人眼不会感受到明显的照明变化，保证照明质量。

4实际电路设计

电路设计根据实验原理可以分为驱动发射电路和接收电路，在确定了最后的电路设计后，需要使用电路仿真软件，如Protel。

4.1驱动发射电路

文献和资料中主要使用的是以下三种驱动电路：

如图3，原理图A为共发射极驱动电路，通过白光LED的电流由VCC和R2决定，调节R2可使白光LED工作电流变化。B中的达林顿结构因高电流增益，降低了输出阻抗。C中由一个GaAs场效应晶体管（FET）放大器和一个均衡电路组成。均衡电路由与白光LED串联的RC并联电路组成，为了实现高速调制频率的快速关闭，采用低阻抗驱动器提供快速的分级电压源、充电空间电荷电容和扩散电容。这种均衡电路驱动设计还可实现上冲和下冲的脉冲成形技术，并提高高频成份的响应。

4.2 接收电路

以APD探测器为例，接收电路的总体设计思路为包涵信息光线的经过聚光器和光学滤波器被APD接收，APD一方面连接高压电源，另一方面接入温控系统，之后APD上接收到的信号进入放大电路，经过滤波和电压放大之后接入PC端输出。其中探测器可以采用PIN管（主要）和APD管（次要）。图4为完整的仿真接收电路。

雪崩二极管（APD）灵敏度高，响应快，但需要上百伏的工作电压，且性能和入射光功率有关，入射光功率大时，增益引起噪声增大，电流失真。如果采用APD，设计重点将是消噪，必须选取价格较高的器件如超低噪声前置放大器。PIN管响应频率高达10GHZ，响应速度快，工作电压低，其具有的光电转换线性度、低工作电压、响应速度快、r格低廉、温度起伏容纳大等优点，灵敏度上不如APD，但是可以通过优化系统其他部分进行弥补，因此在电路设计上采用PIN管作为主要的光探测器。

同时接收电路主体采用高速率分集接收结构，采用多个探测器分别采样，之后经过比较判决器对接收的信息进行选择，控制不同探测器的选通，最终接收机上接收到的信息的误码率可以大大被减少。

5测试与性能优化

实验过程中，基于仿真结果用标准测试文件进行反复测试，测试过程中波特率设定为112000不变，主要控制发射驱动电路和接收电路的距离，检测文件传输的误码率，并根据误码率对元件和电路进行调整，最终发射、接收电路仿真图如图5、图6。

最终的测试结果显示，1.93m的传输距离下，文件大小1Kb、10Kb、50Kb、100Kb、200Kb，相应传输时间为0.8s、3.2s、17.3s、29.8s、62.1s，误码率均为0.00%。

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