基于FPGA的室内LED可见光数据收发系统

王 昌，江晓明

(1. 江苏联盟信息工程有限公司 总经理室，江苏 镇江 212000；2. 江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013)

基于FPGA的室内LED可见光数据收发系统

王 昌1，江晓明2

(1. 江苏联盟信息工程有限公司 总经理室，江苏 镇江 212000；2. 江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013)

为了解决现有通信方式频谱资源紧张、电磁污染等问题，频谱宽、绿色节能、移动性强的可见光通信(VLC)技术应运而生。设计一套LED可见光点对点数据收发系统，由于数据传输对硬件要求比较高，此设计使用了现场可编程门阵列(FPGA)作为硬件平台，提高运算速率；在光检测器(PD)前使用光集中器以使足够的光被光检测器接收，同时在接收端前端获得理想的照度；在接收端前端使用蓝光滤光片滤除响应慢的黄光分量及其他波段的干扰光。经测试，系统在保证文件正确传输的前提下，可以实现高达2.43 Mbps的数据传输速率。由系统验证可知，传输速率的提升会使系统误码性能下降，而照度的提高会使系统误码性能提高。

可见光通信；蓝光滤光片；现场可编程门阵列

LED自20世纪60年代诞生以来，飞速发展，光色从单到多、亮度从低到高、寿命从短到长、市场从无到有。白光LED现已广泛应用于显示、照明、通信等领域。与其他光源相比，白光LED具有更高的调制带宽。白光LED可以将照明与传输相结合的特点促进了可见光通信(VLC)的发展。日本庆应大学中川实验室首先使用LED可见光通信进行数据传输[1]；Toshihiko Komine和Masak Nakagawa在文献[2]中首先介绍了基于白光LED的VLC系统的基本模型，为可见光通信后续的研究奠定了重要基础。

1 室内高速率可见光通信：可能性与挑战性

1.1实现室内高速率可见光通信的可能性

1.1.1 白光LED光源

用于普通照明的白光LED主要有RGB-LED和PC-LED两种类型。RGB-LED包含分开的R，G，B发射器的装置。PC-LED使用蓝色发射器与黄色荧光粉组合的装置。后者是照明的首选方案，因为与三发射器器件相比，其复杂度较低。但该器件的调制带宽只有几兆赫兹[3]35-42。其带宽受限主要是黄光分量响应较慢[4]。要解决这个问题，可以在光电转换装置前放置一个蓝光滤光片，蓝光滤光片在蓝光波段的透过率非常高，可达95%，在其他可见光和近红外波段的平均透过率小于1%，可以将其他干扰光全部滤除，以实现蓝光波段的带通滤波，从大量的噪声中滤出有用的蓝光信号，实现通信与照明一体化。

1.1.2 高速VLC链接

在窄的调制带宽上获得高的数据传输速率是非常具有挑战性的。改善调制带宽的方法很多，比如在接收机处使用蓝色滤光片滤除慢响应的黄色分量；在LED驱动模块[5]进行预均衡，在接收机进行后均衡，或者是这些技术的组合。在有限带宽上实现高速数据传输的另一种方法是采用更复杂的调制方式，如多进制调制。文献[6]介绍了在蓝色信道带宽上的数据传输速率达231Mbit/s。这种方法结合正交幅度调制(QAM)和离散多音频调制(DMT)。表1给出了针对白色和蓝色通道结合NRZ-OOK和DMT-QAM调制方案的不同VLC系统的数据传输速率。蓝色通道与均衡技术或复杂的调制方案相结合可以实现更高的数据传输速率。与复杂的调制方案相比，OOK-NRZ在均衡信道上的传输更简单，因为前者在发送端和接收端都需要精度更高的信号处理。在这两种情况下，传输速率大为提高。但同时应保证较高的信噪比。因此，使用VLC实现高速率的传输非常具有挑战性。

表1 高速VLC系统的传输性能

1.1.3 正交频分复用OFDM

OFDM是数字多载波调制方法的频分复用(FDM)方案。大量紧密间隔的正交子载波信号在几个并行数据流或信道上携带数据。每个子载波以低码元速率用常规的调制方案(如正交幅度调制或相移键控)进行调制，保持与相同带宽中的常规单载波调制方案差不多的总数据传输速率。

OFDM优于单载波调制方案的主要特点是无需复杂的均衡器处理各种干扰。OFDM使用许多缓慢调制的窄带信号，而不是一个快速调制的宽带信号。低符号速率使得符号间的保护间隔可以实现，进而消除可见光通信中的码间干扰(ISI)，且能利用回波和时间扩展实现多样性增益，改善信噪比。

通过OFDM可以设计单频可见光通信网络，若干相邻的发射机以相同的频率同时发射相同的信号，来自多个远程发射机的信号可以很好地组合起来，而不是相互干扰。OFDM技术收发端系统框架图见图1，图2。

图1 OFDM系统发射端

图2 OFDM系统接收端

1.1.4 多输入多输出技术(MIMO)

在可见光MIMO系统中使用多个发射器(LED)和接收器(光检测器)来提高通信性能[7-8]。MIMO可以在不增加额外功率或带宽的情况下扩大链路范围，获得更高的数据吞吐量、链路可靠性，提高频谱利用率，在无线通信领域中能发挥非常大的作用。图3显示了一个典型的VLC-MIMO系统。4个LED阵列用于房间照明并同时传输4个独立的数据流。接收器阵列由4个光电探测器元件与非成像集中器组成。图4描绘了MIMO模型的原理。串行输入数据流交错传输，用于调制单个LED阵列(发射机)。每个LED阵列发出的光被所有的光检测器接收，各个光检测器的构造不同，优势不同。从4个信道接收的信号通过一个矩阵H进行信号处理，以此恢复发送端发送的数据流。

图3 VLC-MIMO系统

图4 VLC-MIMO模型原理

1.2可见光通信的挑战性

目前缓解白光LED低调制带宽的最简单方法是使用蓝色滤光片滤出干扰光部分。然而，使用该方法，光谱其他部分的能量会被阻挡，产生能量损失。要提高数据传输速率，可采用均衡和复杂调制等方法。

OFDM可以改善码间串扰、提高频带利用率，但是OFDM系统中，高峰均比(PAPR)仍然是一个难题。OFDM信号包络波动范围广，经过线性范围窄的LED会产生严重的非线性失真。文献[9]针对CO-OFDM系统提出了一种指数压缩扩展方法，兼顾有效降低PAPR和系统的误码性能。MIMO系统很有可能并行发送数据，并持续更新信道矩阵以在接收端分离数据来提供高达千兆的数据传输容量。然而，在信道矩阵不是满秩或不合适(由于发射机/接收机的位置对称性)的情况下，来自不同信源的数据不能被正确分离，从而产生误码。由文献[10]的分析可知，采用多项式矩阵的奇异值分解法可以改善信道矩阵，提高误码性能。

2 LED可见光数据收发系统的实现

2.1系统的硬件设计

系统的实验装置如图5，图6所示，包括发送端和接收端。在发送端，数字信号进入FPGA进行信号处理，经放大模块放大后由驱动电路驱动LED发出相应的光信号。在接收端，通过集中器和滤光片的光信号进入光电转换器转换为电信号，经FPGA进行与发送端相反的信号处理，数据得以恢复。

图5 实验系统方框图

图6 FPGA信号处理流程

主控芯片使用的是Xilinx公司的FPGA芯片，放大器为两级AB类放大器。放大器的输出通过偏置T来驱动LED模块。使用的白光LED为PC-LED。LED灯的辐射角较宽，PD探测器的尺寸较小，在PD前使用菲涅尔透镜集中器来增加到达PD表面的光信号强度，同时使用蓝光滤光片滤出响应缓慢的黄光部分及其他干扰光。与集中器组合的硅二极管可获得约70°的宽视野和约100mm2的有效面积。

调制带宽代表了LED的调制能力，直接关系系统数据传输速率。加入蓝光滤光片后，PC-LED的调制带宽从3MHz提高到15MHz，可以有效提高系统的数据传输速率。实验测得的蓝光成分的频率响应特性可用一阶指数函数

H(ω)=e-ω/ωb

(1)

表示。式(1)中，ωb为匹配系数，ωb=2∏×15.5×106rads/s。

2.2系统的编程设计

FPGA中编写的程序主要作用是：通过MII进行数据交互，控制LED驱动电路，从PD电路中恢复数据。FPGA内部要对数据信号进行编解码、串并转换、数据接收发送过程中的状态转换控制等。

在发送端，FPGA中编写的程序通过MII接口接收数据，进行并串转换和曼彻斯特编码，编码后的数字信号放大后控制LED驱动电路使LED发出光信号。在接收端，光信号经光电转换电路变成相应的电信号，电信号进入FPGA后，首先，经过时钟和数据恢复，然后，进行解码和串并转换，数字信号恢复。收发数据过程中，需要检测数据流中特定的起始标志、结束标志等控制信息，以保证发送和接收的数据是完整的。

FPGA中完成的数字信号处理采用曼彻斯特编码方式，发送“0”时，电平从低到高跳变，发送“1”时，电平从高到低跳变。用曼彻斯特编码的优点是每位编码中有一位跳变，不存在直流分量，具有自同步能力和良好的抗干扰性能；用于信息传输的光信号平均光功率恒定，有利于抑制LED发光亮度的抖动，保护人眼。

3 系统实验结果及分析

经过实际测试，设计的室内可见光通信系统，传输一个17.9M的PDF文件时，保证文件正确传输的情况下，最快时间为59s，测得系统传输速率为(17.9×8/59)Mb/s，即2.43Mb/s。

在0.2m的相对较短的信道上测试了不同传输速率的误码性能，照度保持在600lux。实验结果表明，在相同距离、相同光照的情况下，随着传输速率的提高，误码率升高，误码性能下降。此外，测试了系统性能与照度的关系。实验结果表明，在相同距离、相同传输速率的情况下，随着照度的增加，误码率减小，误码性能提高。

4 结束语

本文分析了实现室内高速率可见光通信的可能性与挑战性；设计了一套室内LED可见光数据收发系统，通过使用蓝光滤光片拓展LED的调制带宽，提高系统的数据传输速率，该系统文件传输速率可达2.43Mb/s；测试了系统误码率与传输速率、照度的关系，传输速率的升高会使误码率下降；照度的升高会使误码率提高。

[1] TANAKA Y, HARUYAMA S, NAKAGAWA M. Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links[J]. Indoor and Mobile Radio Communications,2000(2):1325-1329 .

[2] KOMINE T, NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics,2004,50(1):100-107.

[3] AHRENS A, LOCHMANN S. Polynomial matrix algorithms for broadband optical MIMO systems[M]//ARNON S,BARRY J,KARAGIANNIDIS G, et al. Advances in wireless optical communications. Cambridge:Cambridge University Press,2012.

[4] MINH H L, O'BRIEN D, FAULKNER G, et al. High-speed visible light communications using multiple-resonant equalization[J].IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(14):1243-1245.

[5] MINH H L, O'BRIEN D, FAULKNER G, et al. 100-Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J].IEEE Photonics Technology Letters,2009,21(15):1063-1065.

[6] VUCIC J, KOTTKE C, NERRETER S, et al. White light wireless transmission at 200+ Mb/s net data rate by use of discrete-multitone modulation[J].IEEE Photonics Technology Letters,2009,21(20):1511-1513.

[7] JIANG X M, ZHU X Y, LIU T, et al. Design and implementation of LED indoor visible light voice communication system[J].Laser Technology,2014,38(6):807-812.

[8] YANG M J, LI C Q, LU Y, et al. Design and performance study on novel optical orthogonal codes in OCDMA systems[J].Laser Technology,2015,39(4):576-580.

[9] NUWANPRIYA A, HO S W, CHEN C S. Indoor MIMO visible light communications: novel angle diversity receivers for mobile users[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2015,33(9):1780-1792.

[10] CHEN H Y, LIU W, LI L.Effect of relative phase noise on performance of coherent optical communication systems[J].Laser Technology,2016,40(1):94-98.

〔责任编辑： 卢 蕊〕

AnindoorLEDvisiblelightdatatransmittingsystembasedonFPGA

WANG Chang1, JIANG Xiaoming2

(1. General Manager Office,Jiangsu Union Information Engineering Co.,Ltd； Zhenjiang 212013， China; 2. School of Computer Science and Telecommunication Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China)

In order to solve the problem of spectrum resource scarcity, electromagnetic pollution and other problems in the existing communication methods, the spectrum-wide, green energy-saving and mobile-strong visible light communication (VLC) technology came into being. This paper designed an indoor LED visible light data receiving and transmitting system. As the data transmission in the hardware requirements were relatively high, this design used a Field-Programmable Gate Array (FPGA) as the hardware platform to improve the operation rate; We used a light concentrator in front of the photodetector (PD) so that sufficient light could be

by the photodetector and the desired illuminance could be obtained at the front end of the receiver. In front of the receiver, a blue filter was used to filter out the yellow component which responsed slowly and the interference light on other bands. By testing, we found that the system achieved up to 2.43Mbps data transmission rate under the guarantee that the files transferred correctly. Finally, through the verification of the system, it was concluded that the increase of the transmission rate would degrade the system BER performance, and the increase of the illuminace would improve the system BER performance.

visible light communication; blue-filter; field-programmable gatearray

TN911.72

B

1008-8148(2017)04-0050-04

2017-06-27

国家自然科学基金项目(61573171)

王 昌(1962—)，男，江苏东台人，高级工程师，主要从事电子技术应用、光通信及光信息技术、智能化交通及通讯研究； 江晓明(1977—)，男，江苏启东人，副教授，硕士生导师，主要从事智能光网络与电子线路设计研究。