LED室内可见光语音通信系统设计及实现

江晓明，朱孝勇，刘 涛，朱 娜，刘嘉蓓

（江苏大学计算机科学与通信工程学院，镇江212013）

LED室内可见光语音通信系统设计及实现

江晓明，朱孝勇，刘 涛，朱 娜，刘嘉蓓

（江苏大学计算机科学与通信工程学院，镇江212013）

LED灯作为主要的新型照明工具，因其较高的灵敏度，可用于光通信系统中。为了研究与验证LED室内可见光语音通信系统的接收性能与传输距离，参照红外通信的信道模型，融入反射光的影响因素，在使用室内标准照明的光发射功率下，采用多径叠加网格算法，计算桌面各接收点接收信号功率等参量的分布，并设计与实现了LED可见光语音单向通信系统的收发电路。结果表明，当LED灯的发射功率大于2W、信号物理层通信速率不高于1Mbit／s的情况下，系统能够满足信号接收功率与接收信噪比的实际通信要求，并能够实现10m距离内的信号无失真解码与清晰收听。这一结果对LED可见光通信系统进一步的研究与应用有一定的价值。

光通信；照明；信道模型；接收功率；解码

引 言

随着高亮度发光二极管（light emitting diode，LED）光效的不断提高，其应用已从显示领域扩展到照明与灯光美化领域。与传统照明器件相比，LED具有电压低、功耗小、寿命长与小型化等优点。该照明光源，特别是白光LED灯，已被视作当代节能环保型照明产品［1-2］。LED的另一个突出优点是响应灵敏度高、调制性能好、发射功率大，目前已逐步替代传统光源，作为高速率数据光纤通信系统的光源得到了普遍的应用。所以，利用LED的发光特性，可以将数据调制到自由空间的可见光上进行传输，形成LED可见光无线通信（visible light communication，VLC）系统［3］。与传统红外通信相比，室内VLC通信系统具有对人眼无伤害、无电磁干扰、无需申请频谱、不会出现数据泄漏等优点。因此，使用LED的VLC通信系统技术有着广阔的应用前景，近年来得到了国内外广泛的关注与研究。

日本KEIO大学的NAKAGAWA等学者提出了利用LED灯进行信息传输的室内VLC通信系统，并在信道设计和调制方式等方面做了大量工作［4］。国内暨南大学CHEN教授等人对LED发光特性和室内通信链路进行了仿真［5］，西安理工大学KE教授等人对不同无线光信号的调制方法与接收性能进行了分析［6］。作者参考上述文献中的研究方法和结论，借助BARRY等人的室内红外通信信道模型［7］，采用可见光发射常用的强度调制／直接检测（intensity modulation／direct detection，IM／DD）信号调制方法，在典型LED灯室内布局与常用LED光发射功率的情况下，采用多径叠加网格算法，建立仿真模型与计算程序，计算桌面上各点的水平照明度与接收信号功率等参量指标的分布。为了通过实验来验证计算结果的可靠性与该通信系统的可行性，采用ADUC7020型数模转换的ARM可编程芯片及配套的外围印制电路板（printed circuit board，PCB），设计及实现了包含收发两端器件的VLC语音单向通信系统。该系统能实现在一定功率要求和较短传输距离的情况下，语音数字信号的无中继接收、放大滤波及清晰收听。

1 室内VLC通信系统的照明与功率要求

1.1 典型房间模型和LED照明度分布

照明度表示物体表面的亮度，水平照明度可表示为［8］：

式中，I（0）为LED中心光照强度，Φ为光发光角度，Ψ为光入射角度，Dd为LED与光接收机（photo detector，PD）表面的距离。假设LED符合朗伯辐射规则，m为朗伯辐射系数，它与LED的半功率半角Φ1／2的关系可表示为m＝－ln2／ln（cosΦ1／2）。根据ISO定义的照明度要求，办公室房间的光照强度适合在300lx～1500lx之间。

在空间尺寸为5.0m×5.0m×3.0m的典型室内房间模型中，LED灯安装在离地面2.5m处，桌面高度为0.85m，房间顶部装有4个LED灯，每个灯有100（10×10）个LED灯珠芯片。灯珠芯片之间的距离为5cm，发光半角为60°，中心发光强度为0.73cd，单个灯珠光发射功率为20mW，每个LED灯的总发光功率共计2W。通过MATLAB仿真工具进行3维建模仿真，可以获得桌面的水平照明度分布图，如图1所示。可以看出，灯垂直位置下的照明度最高，房间桌面各点照明度在307lx～1286lx之间，符合ISO规定的照明标准。

Fig.1 Illumination distribution

1.2 直射光与一次反射光的接收功率

［7］中的光直射信道数学模型，在朗伯照射标准下，信道的增益为：

式中，A为光PD接收器的收光面积，Ts（Ψ）为光滤波器增益，g（Ψ）为PD接收机增益，Ψc为PD最大可接收视角。接收的直射光功率Pr与LED灯发射功率Pt的关系为：

在上述典型房间中，设接收机视角为最大视角60°，PD的收光面积为1.0cm2，光滤波器增益为1.0，PD的光电转换率增益为1.5A／W，并利用PD接收效率最灵敏的白光波长进行传输，可仿真计算出室内桌面直射光接收功率的分布情况，见图2a。

Fig.2 a—receiving power distribution of the direct light b—receiving power distribution with the reflected light

再考虑典型室内墙面引起的反射，光接收功率由直射H（0）与反射Href（0）的增益决定［9］。

反射一次的增益表达式为：

式中，D1为LED与反射点距离，D2为反射点与PD接收机距离，ρ为反射系数，d Awalls为反射区域面积，α为光源和反射点夹角，β为光源与PD接收机夹角，Ψ为反射光入射角，其它参量与直射相同。同样可以计算出包含一次反射光信号的接收功率分布，如图2b所示。

通过图2a的计算结果可以得到，在典型室内环境中，桌面各点接收到的直射光功率范围为－4.3dBm～2.5dBm，并且直射单一路径接收信号不存在码间干扰（inter symbol interference，ISI）的影响，可由PD接收机作为确认信号来接收。由图2b的结果可知，包含一次反射的光接收总功率比直射信号的接收功率高0.5dBm左右，并且，虽然接收总功率有所增加，但是由于数字无线通信中反射的多径效应，会导致真实信号接收的码间干扰ISI［10］，并且在同一物理信道和系统相同调制方式下，光发送端信号传输速率越高，多径效应引起的ISI对实际信号接收的影响就越大。

1.3 不同信号传输速率的光信号接收质量

基于第1.2节中的功率分布计算与反射引起的ISI影响，设发送的数字信号使用常见的非归零开关键控（on-off keying，OOK）信号，调制方式为白光载波IM／DD的波长调制法，可以采用多径叠加的网格算法，仿真计算出数字信号在不同传输速率下包含一次反射的接收信号信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）值。

接收信号的表达式为：

式中，γ为PD接收器的功率增益，X（t）为非归零OOK光脉冲发送信号，h（t）为信道冲击响应，Pn（t）为包含了与信号发送周期T相关的ISI、散弹噪声及热噪声等多种噪声功率之和［11］。接收信号SNR中，信号功率表示为：

式中，T为码元周期。ISI的噪声功率Pn，ISI表达式为：

接收信号SNR中噪声功率之和Pn（t）可表示为：

参考文献［5］和参考文献［11］中的典型室内模型系统散弹噪声σshot与热噪声σthermal公式、参量与仿真结果，可以得到PD接收机的平均散弹噪声与平均热噪声之和为较小值3.82×10－5dBm；设PD接收器的功率增益γ＝1，可在信号物理层速率为1Mbit／s与10Mbit／s，即单信号码元周期为10－6s与10－7s时，分别仿真计算出PD接收机带ISI干扰的光接收SNR值桌面分布，如图3a与图3b所示。并且，同样可以计算出在信号速率不断增加的情况下，灯正下方、房间四角及房间中心SNR值的变化曲线，如图4所示。

Fig.4 SNR points curves under the lights in the room-center and in the corners

分析接收信号功率与各类干扰噪声功率，对常规语音数字解码器中信号接收质量的影响。在接收信号SNR值大于13dB时，系统能够获得误码值小于10－4的数字解码效果与清晰音质试听［12］。由图3a与图3b可见，当信号发送速率小于1Mbit／s，即单个码元周期大于10－6s时，系统桌面接收点的SNR值均可达到14.9dB以上；而在10Mbit／s信号发送速率下，由于码间干扰ISI值的影响加剧，SNR值介于4.8dB到19.3dB之间，大部分接收点不满足语音信号接收的SNR质量要求。同样，由图4中的3种室内接收点连续变化曲线亦可发现，在LED室内可见光短距离通信系统中，使用同样的信道模型与光信号发送功率，虽然接收信号的通信质量随着信号发送速率增加呈现不断下降的趋势，但是通过接收信号的SNR值可以看出，系统能够支持短距离中低速（信号发送小于1Mbit／s）语音信号的传输与接收。

2 语音通信收发机电路的设计与测试

2.1 LED与PD光收发器件电路设计思路

发送端首先对语音源通过自动增益控制（automatic gain control，AGC）电路放大与整流，通过核心处理芯片进行曼彻斯特编码，并且满足语音信号编码速率小于或远小于1Mbit／s，使得模拟语音信号转变成数字基带信号［13］；然后使用NPN三极管控制电路，利用LED发光器的调制灵敏度直接进行光波强度调制，达到既能够发光又能够实现数字信号发射的目的。

接收端采用增益系数较高的PD光电二极管接收光波信号，并在接收系统电路的控制和解码作用下，进行与发送端相反的信号处理。设计的系统电路原理图，如图5所示。

Fig.5 Theoretical diagram of voice transceiver device circuits

2.2 电路设计的重点

收发器件电路中的核心芯片均采用ADI公司的ARM芯片ADUC7020，配以外围工作电路与供电模块，电路均采用3.3V供电［14］。其中，发送端由语音终端设备的耳机孔发出音频信号，经过外围电路整流放大，输出至ADUC7020芯片的模拟信号输入引脚，经过模数转换与曼彻斯特数字编码等信号处理后，输出数字基带信号；接着连接到NPN型三极管电路B极上，用以控制LED光信号发射器的信号发射。接收端的光信号接收与检测由光接收器与光敏三极管构成，将光电转换后的电信号发送到放大均衡芯片中，并将放大整流后的数字信号连接到ADUC7020芯片的数字信号引脚，通过解码与译码，输出相应的模拟语音信号；该信号再经过外围电路的滤波放大，实现模拟音频的播放。

2.3 发送与检测的软件程序流程

基于核心芯片的良好的程序开发与编译功能，该LED语音可见光收发系统的嵌入式软件程序，都能在该芯片中设计编译完成。在发送端，主要完成的是语音信号输入的检测判别、基于曼彻斯特的模数转换、以及驱动LED灯发射信号等工作。在接收端，主要完成的是判别光电转换后的电流中有无数字信号、进行单向通信的建立与释放、以及对数字信号进行解码译码等工作。发送与接收两端的嵌入式软件程序流程图，分别如图6a与图6b所示。

2.4 电路中信号接收的效果

Fig.6 a—program chart of modulation and transmission b—program chart of receiver and demodulation

通过对上述LED与PD收发器件的多次实验检测，在无遮挡的典型室内环境下（见第1.1节），LED的信号发射功率为2W，并且满足PD接收机的接收角度，接收机能够确保在10m范围内的正常信号接收与耳机清晰收听。图7为在收发两端相隔10m距离时，用数字示波器检测并截留产生的收发两端语音数字信号波形。

在实验检测中，还通过数字误码仪测量了收发两端的数字误比特率（bit error rate，BER）值，获得了10m范围内满足误比特率小于10－4的测量结果。但是，在光发送功率和PD接收面积不变的情况下，随着收发两端距离的不断增加，信号接收效果将不断下降，当收发两端传输距离从10m逐渐增加到20m时，实测误比特率急剧恶化，信号逐渐无法正常接收与恢复。

Fig.7 a—voice digital signal waveform of transmission b—voice digital signal waveform of receiver

3 结 论

系统采用可见光发射常用的IM／DD信号调制方法，在典型LED灯布局和LED光发射功率恒定的情况下，采用多径叠加网格算法，建立仿真模型与计算程序，获得桌面上各点的水平照明度、接收信号功率及信号SNR等参量指标的分布。计算结果表明，当信号发送速率小于1Mbit／s，系统桌面接收点的SNR值均可达到14.9dB以上，所以系统能够支持短距离中低速语音信号的传输与接收。并且，使用ADUC7020型可核心编程芯片及配套的外围PCB电路，设计及实现了室内VLC语音单向通信的收发系统，实验测量可得到，在LED发射功率为2W，并且收发传输距离小于10m范围的情况下，该LED可见光收发器件能够实现中低速率语音数字信号的无中继接收与清晰收听。

参考文献

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Design and implementation of LED indoor visible light voice communication system

JIANG Xiaoming，ZHU Xiaoyong，LIU Tao，ZHU Na，LIU Jiapei
（School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

As amain illumination tool，light emitting diode（LED）light can be utilized in optical communication system because of the high sensitivity.In order to study and verify the receiving performance and the transmission distance of a LED indoor visible light voice communication system，referring to the channel model of an infrared communication and the effect of the reflected lights，the signal power of the receiving point on the desktop was calculated according to indoor illumination standard by multipath overlay grid algorithm and the sending and receiving circuits of LED visible light voice single-direction communication system was designed and realized.The results show that when the emissive power of LED light is above2W and the communication rate in the signal physical layer is less than 1Mbit／s，the system is suitable for the actual requirements of the

power and the received signal-noise-rate and can achieve the no-distortion decoding and clear listening in 10m limit.This result is helpful for the research and application of LED visible-light communication systems.

optical communication；illumination；channel model；received power；decoding

—SNR distribution of the received signal in 1Mbit／s b—SNR distribution of the received signal in 10Mbit／s

TN929.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.018

1001-3806（2014）06-0807-06

江苏省自然科学基金资助项目（BK2011475）；江苏省科技技术创新基金资助项目（BC2012208）

江晓明（1977-），男，讲师，硕士，主要研究方向为智能光网络与电子线路设计。

E-mail：jxm772400＠163.com

2013-12-11；

2014-02-25