基于LED的室内光无线通信系统研究与硬件设计

宋哲 周雷 吕振彬 袁卫文

【摘要】 提出了一种基于可见光通信技术的室内无线通信系统，并建立了通信系统信道的线性模型。在此基础之上，给出了该通信系统发射机和接收机的硬件电路设计方案，采用3B4B和5B6B编解码及OOK调制方式，搭建了以FPGA为核心的数字信号处理系统。最后，通过系统实验平台，实现了高清视频的传输，验证了该通信系统的可行性。

【关键词】 可见光通信 信道建模 硬件设计

近年来，随着无线通信技术的高速发展，射频频谱资源越来越紧张，利用现有射频频谱资源进行高速无线通信的实现成本已经越来越高[1]。可见光通信（Visible Light Communication， VLC）具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射、保密性好和节约能源等优点，能够同时实现照明和通信的双重功能，只要灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰的图像和视频资料，没有通信盲区，方便快捷[2-4]。本文研究了一种基于VLC的室内无线通信系统，建立了系统的信道模型，并给出了具体的硬件设计方案。

一、室内光无线通信信道建模

由LED和光敏二极管的组成结构可知，对通信系统来说，其主要表现为低通特性，而且基本不随时间而改变。另外，在散热较好的条件下，频响变化极其缓慢，信道基本可认为是线性时不变信道。对于线性时不变信道，获得其时域冲激响应，即可建立完整的信道模型。

一般情况下，定义复PN序列，使其满足，这里a为PN序列的幅度。但实际情况中，一般定义PN序列为实值，即，满足

（1）

其中，当j<1时，，当j>n时，。为了简便，将式（1）中约等号替换为等号。文献[5]表明，对于长PN序列，这种近似带来的误差可以忽略。将此PN序列输入信道中，所得的输出信号为

（2）

其中，为信道在时刻m（在离散系统中表示第m个采样点）的第k个抽头系数，表示均值为0，功率谱密度为的高斯噪声。由于信道是时不变信道，所以可以将简写为。然后，将接受信号与发送的对应PN序列做相关操作，可得

（3）

其中，表示相关值。将式（2）代入式（3）可得

（4）

由此可得

（5）

其中，

（6）

表示测量误差。这样即可测量得到信道的所有抽头系数。

二、室内光无线通信系统的硬件设计

室内光无线通信系统由发射机和接收机两部分构成。发射机主要实现上层数据报的分解、重打包、数据的模拟化和对外发送等功能；接收机主要实现模拟信号的接收、数字化、解包和向上层传递接收到的数据报等功能。发射机和接收机的结构框图如图1所示。

2.1 发射机设计

在室内光无线通信系统中，发射机的模拟电路主要实现两个性能指标：高功率输出和较宽的基带通频带。采用两级功率放大器驱动LED发光电路，原理图如图2所示。其中，使用小功率三极管MRF587和中功率三极管BLW32设计实现负反馈结构甲类功率放大器。为了驱动LED发光，还需要为LED提供直流偏置电流。驱动LED发光的直流偏置电流一般为恒定直流，使用芯片LM3404设计实现了恒流源，为LED提供稳定的直流电流，使LED发光更加稳定，同时可以延长LED使用寿命。

2.2 接收机设计

接收机模电路如图3所示，主要包括跨阻放大器和高增益放大器两部分。

跨阻放大器的作用是将光电转换二极管输出的感光电流转换为方便处理的电压信号。为了不影响整个系统的频率响应，跨阻放大器一般选用高增益带宽积的放大器实现。本文选用美国TI公司的OPA657型FET输入运算放大器实现前端跨阻放大器。

信号通过跨阻放大器转换为电压信号之后，即需要使用高增益放大器进一步放大接收信号。一般来说，单个运放无法直接将信号放大到理想的幅度。所以，使用两级运放级联的方法对输入信号进行放大。为了使得信号获得尽量高的增益，选用TI公司的低噪声、极高增益带宽积运算放大器OPA847作为高增益放大器。其增益带宽积达到3.9GHz，输入电压噪声只有。

三、系统验证平台设计

在视频演示平台中，使用150Mbps的速率、基带采用3B4B和5B6B编码、前端LED发射模块采用两级功率放大器驱动、模拟接收端采用PIN管做光电转换、采用跨阻放大器和高增益放大器对信号进行处理，数字接收端采用PN序列进行帧同步的方法，实现了高清视频流媒体的传输与播放系统。在流媒体播放系统中，均使用UDP作为传输层信息承载协议。在高清视频传输的演示中，发射与接收之间的距离约为2米，高清视频可以在光链路中清晰地同步传输与播放，验证了室内光无线通信系统的可用性。

四、结束语

本文研究了一种基于可见光LED的室内无线通信系统，推导了系统信道的模型，对系统的硬件电路进行了设计，并利用FPGA对基带信号进行了处理。实验测试结果表明，该系统的传输速率可达150Mbps，在2m距离内可实现高清视频的传输。

参 考 文 献

[1] Tanaka Y， Haruyama S， Nakagawa M. Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links[C]. Personal， Indoor and Mobile Radio Communications， 11th IEEE International Symposium. 2000， 2：1325-1329.

[2] 骆宏图，陈长缨，傅倩. 白光LED室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011，35（2）：56-59.

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[4] Jae Hyuck Choi， Sung Wan Koo， Jin Young Kim. Influence of Optical Path Difference on Visible Light Communication Systems[J]. IEEE 9th International Symposium on Communications and Information Technology（ISCIT）， 2009：1247-1251.

[5] Gallager R， Zheng L. Channel measurement and Rake receivers[J]. Introduction to Digital Communication， 2002（6）：450.