基于LED照明的模块化可见光通信系统设计

谭兴华 ，柴广跃，田劲东，刘梦姣，李洪磊，陈雄斌

(1. 教育部光电器件与系统重点实验室，深圳大学，广东 深圳 518060；2. 集成光电子学国家重点实验室，中国科学院半导体研究所，北京 100083)

引言

目前，半导体照明技术已在众多领域普及应用，同时衍生出许多新兴技术。基于LED成本低、功耗小、寿命长和易于调制的特点，发展出的可见光通信技术[1]，可通过在照明设施上添加数据传输的辅助功能，构建室内可见光无线通信网络，最终实现照明与通信功能一体化。2000年，日本庆应义塾大学提出了可用于家庭网络的白光LED可见光通信。2003年10月，日本成立了可见光通信协会(VLCC)，并已完成可见光通信系统规范(VLCC-STD-001)和低速通信可见光ID应用规范(VLCC-STD-003)的制定[2]。近年来我国在可见光通信技术上也取得了重大突破，实时通信速率提高至50Gbps。相比较Wi-Fi等传统的射频无线通信技术，可见光通信具有以下优势：无电磁辐射、无需频谱资源认证、信息安全性高，并且可以基于原有的照明系统搭建，可操作性高。

1 系统方案概述

本文基于LED照明的可见光通信系统采用全双工设计，下行通道采用瓦级大功率LED白光作为照明通信光源，上行通道采用850 nm红外激光二极管(Laser Diode，LD)作为通信光源。利用LED的快速切换、易于调制的特点，将电信号经过LED器件调制，发出人眼无法察觉到的高速调制光载波信号并在空间中自由传输，最后经过光电二极管(Photon Diode，PD)完成光电转换，再经主放、判决再生实现信息的传递。本文基于LED照明的可见光通信系统框架结构如图1所示，这种基于照明的VLC通信方案特别适合于诸如照明条件要求严苛、人流密度大、通信热点数量需求多的诸如图书馆、对电磁干扰严格要求的诸如飞机、加油站、核电站等场所。

图1 基于LED照明的可见光通信系统框架结构图Fig.1 The structure of VLC system based on LED lighting

白光LED光源通常采用两种技术途径形成，第一种是利用蓝光芯片外涂覆黄色荧光粉合成形成白光；第二种是多种单色LED混光形成白光光源。通过采用多芯片LED单色光波分复用可以获得更高的传输速率，但是其系统更为复杂、功耗高、成本高，与作为通信网络末梢的定位不符，仅适用于一些特定场合。由于本文所述通信系统仅需要兼容百兆/千兆以太网，故选择更为简洁的第一方案即可获得满意的信息传输效果，本文所采用的是商用大功率瓦级荧光粉型白光LED。但是，选用第一方案必须克服荧光粉拖尾、强照明白光干扰等难题。

上行链路采用的是中心波长850 nm 的红外激光二极管。850 nm波长处于人眼不可见的波长范围，由于输出功率较小、位于较高位置的上行方向，故对人眼的损伤处于可控状态。在双向可见光通信系统中，采用红外光既实现了数据传输的功能又不影响整体照明效果，可使照明与通信相辅相成。

发送端采用差分非饱和开关恒流驱动电路驱动W级白光LED及850 nm红外LD，接收端使用硅基PIN型光电二极管及跨阻抗低噪声放大器接收发送端输出的调制光信号，实现了VLC系统的电—光(E-O)，光—电(O-E)转换。

2 关键技术研究

2.1 关键技术路线选择

无线通信中的调制方式有很多，其中常见的有开关键控(OOK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用(OFDM)等技术[3]。调制方式的选择与系统功能实现是密切相关的，选用简单易实现的调制方式不增加硬件负担，使系统功耗降低同时减少散热的问题。本设计选用最简单的直接调制方式(OOK)，系统直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出的光信号随电信号变化而实现调制。该调制方式设计简单且实现成本较低，适用于模块化可见光通信系统。

本文采用的是蓝光LED激发黄色荧光粉型白光光源，由于荧光粉型白光LED的黄色荧光粉的响应速率较慢，使得LED调制带宽很低，一般仅为3～5 MHz[4]。若要使本文可见光通信系统实现百兆/千兆兼容的高速以太网数据传输，则必须对LED的调制带宽进行改善提升，使之达到约70 Mb/s。提高LED调制带宽的方法有许多，如在发送端使用预加重技术及或在接收端采用后均衡技术等[5]。通过预加重技术可以在发送端对输入信号高频分量进行补偿，发送端预加重电路原理如图2所示，通过调节晶体管发射极的电阻与电容即可提升LED的有效带宽。

图2 发送端预加重电路Fig.2 Pre-emphasis circuit in transmitter side

实验测得本文选用的荧光粉型白光LED的光谱曲线如图3所示，波长范围处于380～780 nm之间。由于白光的宽光谱特性，因此对光电探测器PD的光谱响应范围以及峰值响应波长具有较高要求[6]，本文选用硅基PIN型光电二极管作为光电探测器，其光谱响应范围处于340～1 040 nm之间，峰值响应波长是760 nm。本设计为了降低强白光的干扰及提高响应速率在接收端设置了蓝光滤光片。此外，在接收端采用了后均衡技术，电路原理如图4所示，通过调节R1、C3及R2、C4即可提升接收电路的有效带宽。

图3 白光LED相对光谱Fig.3 White LED relative spectrum

图4 接收端后均衡电路原理图Fig.4 Post-equalization circuit in receiver side

2.2 模块化设计

基于照明的可见光通信系统首先应保证灯具照明功能的实现，即照明光源应满足相关的国家标准及照明现场的光色要求，其次才为兼容通信功能的实现。可见光通信技术发展到今天，市场上也还未见到与可见光通信技术配套的商业化照明产品。本文设计了模块化的可见光通信系统组件，并且可以将通信单元模块内嵌于吸顶灯、筒灯、射灯等各类灯具，使普通照明灯具也能够具备可见光通信功能。按照技术路线进行硬件电路设计，将可见光通信系统发送端、接收端组件模块化、小型化。如图5所示即双向可见光通信系统模块化组件，其中包括上、下行发送端，以及上、下行接收端[7]。

图5 双向可见光通信系统模块化组件Fig.5 Two-way VLC system modular component

3 实验搭建及分析

3.1 实验平台搭建

在实验室环境下搭建系统平台，基于LED照明灯具的可见光通信系统链路如图6所示。首先照明要求需达到室内照明标准，本设计采用LED照明灯具作为照明主灯，VLC系统W级白光作为照明辅灯，同时为室内提供照明光源；其次进行LED照明灯具与VLC系统的融合。由于VLC系统通信单元的模块化设计，可将通信单元嵌入LED照明灯具内部，使照明灯具与VLC系统融为一体，并通过内置的RJ45网口可连接以太网。上行链路中将红外LD及光电探测器进行便携设计并设置透镜，使之可以方便灵活的与下行链路进行光路对准，减少杂散光的干扰。

图6 基于LED照明灯具的可见光通信系统链路Fig.6 Link of VLC system based on lighting fixture

3.2 实验结果分析

通过基于LED照明灯具的可见光通信系统平台搭建，进行了VLC系统测试。实验通过照明灯具中VLC系统RJ45网口连接外部以太网，进行视频的传输下载，并通过一款实时网速监控软件观察实时传输速率，传输速率可达70 Mbits/s，传输一部大小为1.2G的视频仅需2 min，实验测试符合IEEE 802.3U标准。根据不同功能区间的照度要求，一般书房照明照度为100 lx，阅读时所需的照明照度为600 lx，对室内照明照度进行测试，经测试系统平台满足正常阅读照度要求。

系统发送及接收端都采用差分信号进行传输，差分信号的传输可提高信号精度同时减少共有的误差干扰。发送单元实现电信号转换为光信号(E/O)，接收单元将光信号还原为电信号(O/E)[8]，通过光信号实现数据传输。实验测试链路如图7中(a)、(b)所示。发送端输入的差分信号以及接收端检测的差分信号分别如图7中(c)、(d)所示，观察对比发送接收端的输入输出波形，发现通过接收单元还原的电信号波形稳定且噪声小。发送接收端眼图测试如图7中(e)、(f)所示，接收端输出差分信号上升时间较长，下降沿变化速率较快，数据的抖动变化大，但仍可以满足短距离的传输需求，主要原因是接收通道的频率响应偏低而引起的，可以通过提升接收单元的高频特性进行改善。

图7 实验测试分析Fig.7 Experimental test analysis

4 结论

本设计可实现的照明与通信指标如下：光通量大于2 000 lm，色温可选；通信速率兼容百兆千兆以太网，同时接口兼容RJ45网口；通信传输距离大于3 m。将可见光通信系统组件模块化、小型化，使通信单元内嵌于现有灯具，实现了照明与通信技术的融合，同时加快了LED照明灯具产业的发展[9]。

[1] 程宇. 白光LED无线通信的研究进展[J]. 照明工程学报，2016，27(3)：107-113.

[2] 陈泉润，张涛，郑伟波,等. 基于白光LED可见光通信的研究现状及应用场场景[J]. 半导体光电，2016，(4)：455-460.

[3] BURCHARDT H， SERAFIMOVSKI N， TSONEV D，et al. VLC：Beyond point-to-point communications [J]. Communications Magazine IEEE，2014，52(7)：98-105.

[4] HUANG B， TANG D， CHEN H，et al. 200 Mb/s visible optical wireless transmission based on NRZ-OOK modulation of phosphorescent white LED and a pre-emphasis circuit [J]. Chinese Optics Letters，2014，12(10)：16-19.

[5] LI H， ZHANG Y， CHEN X，et al. 682 Mbit/s phosphorescent white LED visible light communications utilizing analog equalized 16QAM-OFDM modulation without blue filter [J]. Optics Communications，2015，354：107-111.

[6] HUANG X， WANG Z， SHI J，et al. 1.6Gbit/s phosphorescent white LED based VLC transmission using a cascaded pre-equalization circuit and a differential outputs PIN receiver [J]. Optics Express，2015，23(17)：22034-42.

[7] MINH HL， 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.

[8] LI H， CHEN X， GUO J，et al. A 550Mbit/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light LED for practical high-speed low-complexity application [J]. Optics Express，2014,22(22)：27203.

[9] 牛衍方，孙德栋. 可见光通信在智能照明中的室内定位[J]. 照明工程学报，2016，27(6)：104-107.