基于LED可见光通信的实时全双工上网系统

翟亚雪，唐先锋，万 东,2，张晓光

（1.北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876；2.北京信息职业技术学院，北京100018）

基于LED可见光通信的实时全双工上网系统

翟亚雪1，唐先锋1，万 东1,2，张晓光1

（1.北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876；2.北京信息职业技术学院，北京100018）

从室内可见光通信（Visible Lighe Communi cation,VLC）技术着手，提出了一种点对点式的室内实时全双工可见光通信上网系统，介绍了该系统的总体设计方案。搭建了一套完整的基于LED可见光通信的实时全双工上网系统，并对提出的设计方案进行了测试验证。

可见光通信；实时；全双工上网

0 引言

发光二极管（LED）不仅具有成本低、功耗小、寿命长和绿色环保的优点，而且还具有良好的调制性能与较高的响应灵敏度，可在实现照明的同时进行信号传输。室内可见光通信 （Visible Lighe Communication, VLC）技术是基于LED技术发展起来的，近年来，我国对可见光通信的研究取得了突破性进展[1，2]，可见光通信系统单向传输速率达3.7Gb/s，实时系统上网速率高达150Mb/s[3]。虽然可见光通信速率有所提升，但是其通信系统均为单工离线系统，不能实时传输数据，无法实现数据上传。为解决此问题，本文提出一种新的LED驱动电路与接收端信号预处理电路，并搭建一套完整的基于LED可见光通信的实时全双工上网系统。

1 实时全双工上网系统架构设计

本文设计了一套点对点式的基于LED可见光通信的实时全双工上网系统，设计框图如图1所示。系统中两支路的信号处理流程相同，方向相反，我们以上侧支路为例说明信号的处理流程。RJ45接口模块将以太网的信号转换成速率为10Mb/s或100Mb/s的数据帧，数据帧经RJ45嵌入式网络驱动模块后，被转换为4Mb/s的标准TTL信号。LED驱动模块对标准TTL信号进行线性变换，得到的驱动信号的高低电平变换均在LED正常工作范围内。将LED驱动模块输出的驱动信号加载到LED上，LED将驱动信号高低电平的变化转换成光强度的变化。光电探测器将通过空间传输的光信号转换为电信号。接收信号处理模块将衰减和失真的预处理信号恢复为标准TTL信号，USB嵌入式网络驱动模块将标准TTL信号还原为数据帧送到PC机，至此完成了系统上侧支路的信号处理。从信号处理流程可以看出,本系统能实现信号的透明传输。

图1 基于LED可见光通信的实时全双工上网系统框图

2 系统模块的详细设计与实现

2.1 RJ45/USB嵌入式网络驱动模块

RJ45/USB嵌入式网络驱动模块主要负责TTL串口到TCP/IP网络和TCP/IP网络到TTL串口数据的透明传输，它可以使设备立即具备联入TCP/IP网络的功能，具体的数据传输流程如图2所示。该模块采用CP2103芯片构建RJ45/USB接口转UART接口电路，当实现TTL串口转TCP/IP网络功能时，数据帧先经过UART接口进入64kB RAM和256kB Flash，再由32bit嵌入式微处理器（ARM7）转换为标准TTL信号；当实现TCP/IP网络转TTL串口功能时，标准TTL信号依次进入ARM处理器和随机存取存储器（RAM）后，由UART接口输出数据帧。

图2 RJ45/USB嵌入式网络驱动模块的数据处理流程

2.2 LED驱动模块

LED驱动模块主要负责将RJ45嵌入式网络驱动模块输出的标准TTL信号 （0～3.3V矩形方波信号）转换为驱动信号（2.5～3.5V矩形方波信号），从而使LED在实现照明的同时，可通过人眼无法识别的强度变化来传递信息。LED驱动模块包括低通滤波器、反相衰减器和反相加法器3部分,其原理图如图3所示。

低通滤波器主要负责滤除系统中的高频噪声，其截止频率fc可以表示为：

图3 LED驱动模块原理图

反相衰减器和反相加法器主要负责对0～3.3V的标准TTL信号进行衰减和叠加直流分量，得到2.5～3.5V的驱动信号，使LED在保证照明的基础上，可以通过强度变化来传递信息。衰减倍数Au1和叠加的直流分量V+可以表示为：

其中，RA2up和RA2all分别表示RA2接入电路的上半部分阻值和接入电路的最大阻值。

本系统采用Texas Instruments生产的OPA657U运算放大器，该放大器具有带宽增益积较大（其带宽增益积为1600MHz）和噪声、温漂低的特点。运算放大器的频率特性覆盖了系统的信号空间通信速率（4Mb/s），符合系统要求。

LED驱动模块测试结果图如图4所示，可以看出该模块能完成将0～3.3V标准TTL信号转换为2.5～3.5V驱动信号的电路设计目标。

图4 LED驱动模块测试结果图

2.3 LED和光电探测器的选择

由于蓝光LED的调制带宽比较宽，在用白光LED作光源的可见光通信中，接收端一般加一个蓝光滤波器取出其中的蓝光信号。我们为减少成本，降低实验复杂度，直接采用蓝光LED做光源模拟实际的白光通信，选择的LED为Thorlab公司的LED465E蓝光二极管，其中心波长为465nm，最大辐射功率为200mW，辐射角（半角）为8°。

本系统采用Thorlab公司的宽带放大硅基光电探测器PDA10A。它可探测200～1100nm波段的光信号，覆盖了可见光范围，可探测的信号频率范围是0～150MHz，输出端接50Ω的负载电阻，最高输出电压可达5V。该探测器在可见光波段的响应好，适合用作可见光通信的接收机。

2.4 接收信号处理模块

接收信号处理模块主要负责对空间传输后衰减和失真的信号进行放大和整形，从而转换为标准TTL信号，模块原理图如图5所示。

图5 接收信号处理模块原理图

接收信号处理模块包括反相放大器和反相比较器两部分，其中反相放大器将光电探测器输出的微弱电压信号进行适当放大，放大倍数Au2为：

从式（4）可以看出，通过改变滑动变阻器RA4的阻值，可以改变电路的放大倍数。

反相比较器完成的任务是消除信号可能存在的变形，得到所需的标准矩形方波信号,滑动变阻器RA5用于设定整形处理的比较电平VD，其计算公式为：

其中，RA5up和RA5all分别表示RA5接入电路的上半部分阻值和接入电路的最大阻值。

接收信号处理模块测试结果图如图6所示，可以看出该模块完成了将微弱的变形信号转换为标准矩形方波信号的电路设计目标。

图6 接收信号处理模块输入、输出测试结果图

3 系统测试

本文按照设计方案搭建了一套完整的基于LED可见光通信的实时全双工上网系统，其传输距离为3m。TCP/IP网络数据帧经RJ45/USB嵌入式网络驱动模块发出，示波器测试得到数据速率为4Mb/s，波形图如图7（a）所示。光电探测器输出的待处理信号经接收信号处理模块后，波形图如图7（b）所示。从两路信号的波形图可以看出上网系统传输信号存在一定延迟，但不存在误码。这表明本系统不仅能完成设计目标，而且能实现顺畅稳定的上网功能。

图7 系统测试结果图

4 结束语

本文提出并搭建了一套点对点式的室内实时全双工可见光通信上网系统，并对其进行了实验测试。测试结果表明，当传输距离为3m时，本系统不仅能保证LED的照明效果，而且上网速率达到4Mb/s，通过示波器观察到信号无误码，本地PC端网络视频播放流畅。本系统的不足之处在于：采用LED作为通信光源时，由于LED调制带宽较低，使得整个系统的通信速率受到限制，今后的研究应着重解决此问题。

[1]TANAKA Y,HARUYAM S,NAKAGAWA M.Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links PIMRC 2000[C]// 11th IEEE International Symposium On Personal,Indoor And Mobile Radio Communications，London,18-21 Sep,2000.London：IEEE,2010.

[2]傅倩,陈长缨,洪岳,等.改善室内可见光通信系统性能的关键技术[J].自动化与信息工程,2010,31(2)：4-7.

[3]骆宏图,陈长缨,傅倩,等.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.

Real-time full duplex online system based on visible light communication using the LED

ZHAI Ya-xue1,TANG Xian-feng1,WAN Dong1,2,ZHANG Xiao-guang1
(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China; 2.Beijing Information Technology College,Beijing 100018,China)

Based on the indoor visible light communication(VLC)technology,the paper configuration a new design scheme of point-to-point real-time full duplex indoor visible light communication system and introduces the general design method.It sets up a complete set of real-time full duplex online system based on visible light communication using the LED,and carries out the experiment to verify the proposed design scheme.

visible lighe communication(VLC),real-time,duplex online

TN91

A

1002-5561（2016）04-0038-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.013

2015-12-01。

中央高校基本科研业务费北邮青年科研创新计划专项项目（2014RC1201）资助；北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室自主课题资助；国家自然基金（61205065）资助。

翟亚雪（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向为无线光通信与光电子器件。