色、时域结合的多光谱混白光WDM-VLC系统

崔璐，唐义，朱庆炜，黄河清，张学彬

(北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京100081)

色、时域结合的多光谱混白光WDM-VLC系统

崔璐，唐义，朱庆炜，黄河清，张学彬

(北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京100081)

由于少有多基色的白光LED，传统波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)可见光通信(Visible Light Communication，VLC)系统仅拥有R、G、B三个通道。针对VLC中WDM技术的应用受到白光LED器件限制的问题，本文提出了一种多光谱混光通信方法。该方法根据LED光源颜色特性、多脉冲位置调制特点和混光方式，设计出针对各通道LED光源的多脉冲位置调光调制方案，将色域和时域统一，在多通道通信的同时实现白光输出。本文利用4种单色LED设计出多光谱混光通信验证系统。实验结果表明，系统在4路并行通信的同时，输出白光色温5 500 K，色差小于人眼分辨范围(CIE1976色坐标体系Δu＇v＇小于0.005)，多光谱混光通信是可行的。关键词：光通信；可见光通信；多光谱混白光；波分复用技术；多脉冲位置调制

0 引言

可见光通信具有可靠性高、保密性好、无电磁辐射、无需频谱认证、光网络易于搭建等优点[1-3]。LED作为下一代“绿色照明”光源，其高效、低成本、相对较高的调制速率的优点非常适合可见光系统光源[4-6]。

市场上白光LED可分荧光型LED和RGB型LED，其中RGB-LED为可见光通信(Visible Light

Communication，VLC)波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术提供了可能性，VLC系统也逐渐由单通道系统向多通道系统转变[7-11]。2009年，德国科学家J.Vuˇcic´，C.Kottke等人利用荧光型LED实现了200+Mb/s单路可见光通信系统[7]；2012年，意大利科学家A.M.Khalid和G.Cossu等人利用荧光型LED结合DMT调制技术实现1 Gb/s单路可见光通信系统；同年，G.Cossu，A.M.Khalid等人用RGB型LED和WDM技术实现了3.4 Gb/s三通道可见光通信系统[11]；2014年，复旦大学利用荧光型LED和RGB-LED结合WDM和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术实现了单路上行(225 Mb/s)，三路下行(575 Mb/s)可见光通信系统[10]。然而，受到RGB-LED限制，目前大多数WDM-VLC系统仅拥有3通道。由于市场上少有多基色白光LED，WDM技术在可见光通信中的应用受到限制。

本文提出了一种基于多光谱混白光的WDM可见光通信方案，相对于传统可见光通信系统，该方案增加了混光机制，将色域和时域结合在一起。混光过程涉及光源特性、调制方式和混光系统，可利用多种单色LED实现白光输出的多通道可见光通信，释放了可见光波段的光谱利用潜力。系统针对每一通道的光源特性设计MPPM调光调制方式，将亮度控制与通信相结合。最后给出4色LED混光通信的演示验证。

1 基于多光谱混白光通信原理和方法

图1为基于多光谱混白光的WDM可见光通信原理框图。N路信号经过LED驱动电路将信号转化为合适的电流信号驱动N种单色LED。混光系统将各单色光均匀混合成白光实现白光输出。在接收端，利用滤光片将各路信号分离后由光电探测器接收，实现多路通信。

图1 基于多光谱混光的WDM白光通信原理框图Fig.1Schematics of WDM white light communication based on multispectral mixed light

1.1 LED混光

根据CIE1931XYZ颜色体系，对于三刺激值为(Xi，Yi，Zi)的LED，归一化后得到色坐标为[12]

假设预混合的目标光颜色色坐标为(xw，yw)，各颜色分量所占比重可由混光公式得：

其中：ki为混光系数，

1.2 调光调制方式设计

多光谱混光系统为强度调制/直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection,IM/DD)系统，其调制方式的设计必须在通信的同时兼顾调光功能。一般可用于调光系统的调制方式有变开关键控(Variable On-Off Keying，VOOK)、变脉冲位置调制(Variable Pulse Position Modulation，VPPM)、多脉冲位置调制(Multi-Pulse Position Modulation，MPPM)等，其中MPPM相对于其他两种调制方式在给定误码率和比特率条件下，功率需求最低，带宽利用率最高[13]。对于一帧有N时隙W(1≤W≤Wmax=N)脉冲的MPPM调制，其功率需求及带宽利用率分别为[14]

MPPM可以通过改变一帧中的光脉冲数目进行调光，定义MPPM调光系数为[13]

当W=Wmax=N时，γ=1，此时LED处于亮度最高状态。图2为改变调光系数时MPPM功率需求和带宽利用率的变化关系。从图2可以看出，当调光系数为0.5时，MPPM功率需求最低，带宽利用率最高。

图2 功率需求和带宽利用率随调光系数变化关系Fig.2Normalized power requirement and spectral efficiency versus dimming factor

为实现混白光输出，各路MPPM的调光系数γi需要和混光系数ki对应。假设各路的MPPM调制的一帧所分成的时隙数均为N，则各路MPPM调制的一帧所包含的光脉冲个数为

利用上式所求得光脉冲个数需要取整，因此混合光的颜色与目标光颜色存在一定色差。将各路实际调光系数带回式(2)可反推出混合光的色坐标。在CIE1976均匀色度空间中，色坐标及色差分别为[15]

根据文献[16]，各路MPPM误时隙率(Slot Error Rate,SER)可表示为

其中：St为接收信号功率；为高斯白噪声方差；b为判决门限，最佳判决门限为

1.3 混光方式

按照上述理论，各单色LED所发出的单色光需要均匀混合方可保证白光输出，实验时利用积分球实现。

2 验证系统及实验结果

2.1 多光谱混光通信系统

多光谱混光通信验证系统构图如图3，包含4路信道，所用光源为普通单色LED，中心波长分别为463 nm(蓝)，520 nm(绿)，595 nm(橙)，640 nm(红)。FPGA将接收到的4路并行二进制数据进行MPPM编码映射。LED驱动系统将FPGA输出的MPPM调制信号转化为适合LED的驱动电流信号。积分球将多种单色光均匀混合。雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)和滤光片将各路时域信号分开接收，分光光度计用于测试LED颜色特性和所混白光的颜色参数，示波器用于观察各路MPPM时域信号波形。

图3 多光谱混光通信系统结构示意图Fig.3The diagram of multispectral mixed light optical communication system

2.2 LED混光实验

2.2.1 LED颜色测试

颜色测试所用分光光度计为Photo Research公司生产的Pr715快速扫描分光光度计。首先测量不同驱动电流下各LED发光的三刺激值和色度坐标。测量在暗室操作，设为2°视场角。图4为各LED的Y值曲线，可以看出LED的亮度与驱动电流不满足线性关系，绿色LED亮度明显高于其他颜色LED。另外，由于随着驱动电流的变化，LED的中心波长有一定漂移导致色坐标变化，如图5所示。

图4 LED亮度随驱动电流变化关系Fig.4The relationship of LED brightness and forward current

图5 LED色坐标y随驱动电流漂移Fig.5The shift of chromaticity coordinate y versus forward current

2.2.2 LED混光计算

假设目标白光色温5 500 K，色坐标为(1/3,1/3)，由于不同电流下各LED亮度不同且色坐标有一定漂移，因此不同驱动电流下各LED光混光所需比例不同。根据图2仿真结果，当调光系数γ为0.5时，MPPM功率需求最低，带宽利用率最高，而调光系数与混光系数ki对应，因此所选驱动电流应尽量使得各LED光在混光时所需比例趋于0.5。表1为经过多次尝试选择出的一组驱动电流及在此电流下各LED三刺激值和色坐标。根据表1及式(2)可以计算出各路混光系数比为

表1 系统所用驱动电流及该驱动电流下各LED CIE1931XYZ三刺激值和色坐标Table 1The forward current used in system and the LEDs’CIE1931XYZ tristimulus values and chromaticity coordinate

2.2.3 色差计算及混光实验结果

根据得到的混光系数及式(6)～(8)，可以得到时隙数N与色差的关系。实验利用分光光度计对积分球混出的白光进行测试并计算色差。仿真及实验结果如图6所示，可以看出，随着N的增加，色差逐渐变小。

图6 时隙数N与色差关系Fig.6Slot times N versus chromatic aberration

图7 混光结果Fig.7Result of light mixture

取N=64时，理论色差为Δu'v'=0.001 2，小于人眼分辨范围(CIE1976色坐标体系根据式(5)、式(6)各路MPPM调制一帧包含脉冲个数和调光系数为，红：W=35，γ=0.546 9；橙：W=33，γ=0.5156；绿：W=31，γ=0.484 4；蓝：W=29，γ=0.453 1。实验测试LED混白光结果及色度学参数如图7所示，实验测试实际色差为Δu'v'=0.001 8。图7(a)Pr715探测的实际混光色品坐标，图7(b)积分球混光结果照片。

2.3 多光谱通信实验

MPPM调制系统的核心器件采用Xilinx公司的Spartan-6 LX45 FPGA，主要由串并转换模块、寄存器模块、MPPM编码模块、并串转换模块、时钟系统组成；解调系统由信号预处理电路、判决系统、同步系统组成，如图8所示。

图8 MPPM调制解调系统框图Fig.8Block diagram of MPPM modulation and demodulation

根据混光实验取N=64对4路信号分别设计MPPM映射。各路MPPM的时隙率为1 MHz，各路传输速率分别为：红：1.883 Mb/s；绿：1.883 Mb/s；蓝：1.895 Mb/s；橙：1.895 Mb/s；系统总速率为7.556 Mb/s。利用不同滤光片滤出各路光信号，用示波器(Agilent MSO7104A)观察解调出的MPPM波形，如图9所示。

图9 各路信号时域波形(a)红；(b)橙；(c)绿；(d)蓝Fig.9Wavelength of each channel(a)Red;(b)Orange;(c)Green;(d)Blue

图10 各信道误时隙率与信噪比关系Fig.10Time slot error rate of each channel versus SNR

3 结论

市场上RGB白光LED仅包含R、G、B色，因此一般波分复用可见光通信系统只有三通道。本文提出的多光谱混白光通信系统在保证白光照明的前提下，扩展了可见光系统的信道个数，释放了可见光波段的光谱利用潜力。MPPM巧妙的将调光和通信相结合，通过改变一帧所包含的光脉冲个数来控制各信道光亮度，实现各光谱分量按比例输出。实验利用4种单色LED验证了多光谱混光通信系统的性能。

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AMultispectral Mixed White Light WDM-VLC System Combining Color Domain with Time Domain

CUI Lu，TANG Yi，ZHU Qingwei，HUANG Heqing，ZHANG Xuebin
(Key Laboratory of Photo-electronic Imaging Technology and System,Ministry of Education, School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Since rare multi-primary white LED,traditional Wavelength Division Multiplexing(WDM)visible light communication(VLC)system only has R,G,B three channels.In view of the WDM technology restricted by white LED device in VLC,a method of multispectral mixed light optical communication is proposed.According to the color characteristic of LED light,feature of multi-pulse position modulation(MPPM)and the approach of mixing light,a MPPM dimming modulation is designed for each channel,which uniforms the color and time domain that can realize communication and white light output in the meantime.A multispectral mixed light optical communication system is built using four single-color LEDs.The experimental results show that a white color,5500K color temperature,is obtained when four channels parallel communication,and chromatic aberration is indecipherable for human eyes(CIE 1976 Δu＇v＇＜0.005).Multispectral mixed light optical communication is feasible.

optical communications;visible light communication;multispectral mixed white light;wavelength division multiplexing(WDM)technology;multi-pulse position modulation(MPPM)

TN929.1

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.07.013

1003-501X(2016)07-0079-06

2015-07-13；

2015-11-26

国家973计划(2013CB329202)；国家自然科学基金(61571067)；工业技术基础项目(J312012B002)资助

崔璐(1991-)，男(汉族)，河北石家庄人。硕士研究生，主要从事无线光通信方面的研究。E-mail：cuiladgxx@126.com。

唐义(1977-)，男(汉族)，吉林白山人。博士，主要研究方向是紫外成像光谱技术、紫外光通信技术、紫外光学薄膜。

E-mail:tangyi4510@bit.edu.cn。