基于多灯驱动的LED可见光通信系统设计

刘梦姣,柴广跃,王科航，杨梦龙

(1.深圳大学 光电工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳技术大学新能源与新材料学院，广东 深圳 518000)

引言

基于LED的可见光通信技术(visible light communication,VLC )[1]，不仅可以兼顾照明与通信的双重功能，还具有无电磁辐射、无须频谱资源认证、保密性强等优势。2000年，日本学者通过仿真探讨了可见光通信技术的可行性[2]；2006年，德国布莱梅国际大学将正交频分复用技术应用于可见光通信系统，并成功通过实验验证[3]；之后，英国学者研发了新型LED以提高可见光通信的通信速率，系统非实时速率可达10 Gb/s[4]；2010年后，复旦大学、暨南大学等研究机构对VLC技术展开研究，2017年复旦大学利用RGBY-LED，实现了非实时速率为8 Gb/s的信息传输[5]，2018年复旦大学利用5色硅基LED灯，采用离散多音(DMT)调制并使用预/后均衡技术实现了1 m传输距离的10.72 Gb/s的可见光传输，为目前最高速的可见光通信系统[6]。目前对可见光通信系统的实时测试系统的研究较少，2010年西门子等研究机构利用荧光粉型LED,实现系统带宽40 MHz,通信速率达到230 Mb/s，但通信距离只有0.27 m；2014年日本Kinki University实现带宽180 MHz,通信速率达到630 Mb/s,但是通信距离只有0.15 m。

本文对基于多灯驱动的LED可见光通信系统的原理和系统架构进行了介绍，然后对其关键技术原理进行分析，最后实验证明系统的可行性。

1 系统总体设计

基于多灯驱动的LED可见光通信系统采用全双工设计，下行链路采用普通商用1 W LED作为照明与通信光源，上行链路采用650 nm红光激光二极管(LD)作为通信光源，因为日常网络环境下，网络端—用户端相较于用户端—网络端有更高的传输量需求，所以依据白光的高带宽特性将白光链路作为系统的下行链路，即网络端—用户端；同时激光准直性高且实践方法成熟，为了便于点对点系统的调试，以及降低系统设计复杂度，将激光链路作为上行链路。利用LED的高速频闪特性，将以太网信号经过LED的高速调制以可见光的形态在自由空间传播；经过PD的接收解调以及后续电路的放大、再生等处理恢复出原始信号；上行链路将终端设备发出的电信号经过LD调制，以激光传输，并被PD接收解调恢复出电信号。上下行链路分别通过百兆电口模块接入以太网，可同时满足四个终端设备的上网需求。

本文采用点对点的通信系统，在较远通信距离的条件下，对系统的准直性要求高，若采用单光源驱动的VLC系统，接收端的接收范围非常受限，不利用实际场所的应用。多灯的可见光通信系统采用12串2并LED阵列作为通信光源，经差分恒流驱动，每只LED都可以与接收端构成通信链路，如此便有效扩大了接收范围。此外，合理设计光学结构扩大单个LED的光照范围，可提高系统的稳定性和可操作性。图1为全双工VLC系统结构框图。

图1 全双工VLC系统框图Fig.1 Full duplex system block diagram

2 关键技术分析

2.1 调制方法

无线通信领域的调制方式有很多，常见的有开光键控(OOK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用(OFDM)等技术[1]。调制方式的选择直接决定了系统实现的难易程度，选择简单易实现的调制方式可以降低硬件复杂度、灵活性高、系统功耗低、散热问题较易解决。

本文选用直接调制方式OOK，发送端采用差分非饱和开关恒流驱动电路驱动LED，以有效信号1，0的幅值变化控制LED光强的变化，达到调制的目的，实现电信号—光信号(E—O)的转换；接收端采用硅基PIN型光电二极管接收调制光信号，并通过跨阻抗低噪声放大器和主放大器恢复信号的幅值，完成光信号—电信号(O—E)的转换。图2为OOK信号调制原理图。

图2 基于OOK调制的E—O转换Fig.2 E—O conversion based on OOK modulation

2.2 带宽拓展

本文采用的LED是蓝光LED芯片激发黄色荧光粉合成白光，由于黄色荧光粉的的响应速率低，使得此类型LED调制带宽较低，一般在3～5 MHz。为了实现可见光通信的百兆/千兆高速以太网数据传输，对系统的调制带宽进行了改善和提升，主要方法是在发射端设计有预加重电路，在接收端设计有后均衡电路来扩展高频带宽，带宽拓展后系统带宽提升至82 MHz。

预加重的设计思路就是在传输线的始端增强信号的高频成分，以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减，图3为发射端预加重电路原理图。

图3 发射端预加重电路Fig.3 Pre-emphasis circuit in transmitter side

假设交流电压放大可以描述为(角频率为ω)

(1)

第一级放大器的响应幅度是

(2)

(3)

在发射端为扩大通信带宽，需要补偿高频信号，因此R5要远远小于R4，则：

(4)

通过式(2)、式(4)，可以计算出第一级放大器的幅度响应大小，第二级放大器预加重处理与第一级放大器的相同。设置第二级放大器是因为预加重电路可以补偿两个不同的高频点，更容易控制信号幅度范围，同时第二级放大器也可使预加重电路信号输出的相位与输入信号的相位相同，但需要设定每个晶体管的适当静态工作点。在实验中，首先测试-3 dB的频点没有预加重补偿时的LED响应，其次通过式(4)估计R4和C2的值，然后设置R5的值以及每个晶体管的静态工作点。通过优化参数，不断提高预加重的性能。

接收端采用有源后均衡放大器提升系统带宽，见图4。

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

有源后均衡器的频率响应可以表示为

(5)

均衡器响应的幅度是

(6)

(7)

在理想情况下，可以通过式(7)在已知R1和-3 dB频点的情况下计算出C3，然而在实验中，尝试估计C3的合理值，并通过多次实验找到最佳值，因为如果C3的值过大，则会因为补偿较大影响放大器的稳定频率。本次设计中为达到理想效果并考虑放大器稳定性，最终选择C3和C4的值为22 pF，通过发送端预加重以及接收端后均衡技术，VLC系统-3 dB带宽从3 MHz提升至82 MHz。

2.3 差分驱动

为了扩大光源覆盖面积，将24只LED灯作为通信光源，每一只LED都可以与接收端组成通信链路。差分信号经预加重电路扩频，再由多个并联射级跟随电路合并一路，提高有效电流，加载到12串两并LED上，实现多灯的驱动，图5和图6分别为驱动电路结构示意图和单个射极跟随器电路的原理图。

图5 差分驱动结构示意图Fig.5 Differential drive schematic

图6 单个射极跟随电路Fig.6 Single emitter follower circuit

2.4 以太网融合

可见光通信系统的网络融合方案包括与以太网融合、与光纤融合、与电力线载波融合等方式。将系统分为照明端和用户端，照明端包括白光发射部分和激光接收部分，用户端包括白光接收部分和激光发射部分。分别在两端设计以太网融合模块。

在照明端，通过成熟的百兆电口模块，具有两端口交换核心和两个PHY，能够支持10/100BASE-T和100BASE-Fx，符合 IEEE802.3 以太网规范，完成可见光与以太网的交换控制。在用户端采用五端口以太网交换芯片RTL8305SC设计，此芯片5个端口全部支持10/100M-UTP和100M-FX，在设计中一个端口对白光接收链路的数据进行处理，另外四个端口可将用户端请求等信号处理、传输，由激光调制发出。图7是电口模块原理框图和实物照片。图8为光电媒体转换电路实物图。图9为用户端以太网融合模块。

图7 电口模块原理框图和实物照片Fig.7 Block diagram and physical photo of the electrical port module

图8 光电媒体转换电路实物图Fig.8 Photoelectric conversion circuit physical map

图9 用户端以太网融合模块Fig.9 Client Ethernet Convergence Module

3 实验平台搭建与结果分析

3.1 吞吐量性能测试和上网测试

本设计采用12串2并的多灯系统，为提高光效，发射端合理设计光学结构，接收端采用菲涅尔透镜；为降低外界杂散光的干扰以及提高响应速率，接收端使用蓝色滤光片。图10为实验平台,通信距离为0.6 m。

图10 实验平台Fig.10 Experiment platform

依据RFC2544网络互联设备基准测试方法，对本系统的丢包率指标进行测试。仪器使用思博伦SmartBits600网络分析仪，分别测试下行白光链路和上行激光链路，结果表明，在测试速率100 Mb/s,白光链路的吞吐量最大可达到100%，激光链路的吞吐量达到100%，实验结果见图11，白光链路吞吐量指(01,01,02——01,01,01)，激光链路吞吐量指(01,01,01——01,01,02)。

图11 白光链路吞吐量(01,01,02——01,01,01)，激光链路吞吐量(01,01,01——01,01,02)Fig.11 White light link throughput test(01,01,02——01,01,01)，Laser link throughput (01,01,01——01,01,02)

本设计的最终目标是用户终端可以通过可见光通信系统接入以太网，进行网页浏览、视频播放和下载等操作，满足日常的上网需求。图12是用户上网测试平台，通信距离为1.5 m。用户端连接电脑，实验中在电脑上打开网页和视频，检测网页打开速度和视频播放流畅度，同时采用NetPer在线软件测试实时上网速度，由图13可看出上网速率在8 Mbit/s左右，这个速率受限于网络环境和电脑本身网卡速率，实验过程视频播放不卡顿，满足日常上网需求。图13是NetPer网速测试软件测试图。

3.2 误码率测试

测试平台如图10所示，测试仪器为安捷伦81250误码测试仪，误码仪输出百兆速率信号到白光链路，经过传输，信号返回误码仪，对比两种数据计算误码率。测试时长为7 h 45 min，数据速率100 Mbit/s，结果显示平均误码率约为1.114×10-7,系统的误码率低，通信性能优异。图14为误码率测试结果。

图12 上网测试平台Fig.12 Internet test platform

图13 NetPerSec软件测试Fig.13 NetPerSec software test

图14 误码率测试结果Fig.14 BER test results

3.3 通信覆盖范围测试

若采用单灯设计，在通信距离提高到1 m甚至更高时，光功率衰减严重，同时，经过菲涅尔透镜后的汇聚光束覆盖范围很小，肉眼来看几乎是一个光点的大小，若稍微移动PD，通信链路便中断，系统的稳定性很差。对多灯可见光通信系统进行通信覆盖范围测试，测试平台如图12所示。测试结果如下(PD覆盖面积约为0.25 cm2)：

1)通信距离为0.6～1.5 m时，通信覆盖范围基本不变，聚焦后的光斑面积为1.77 cm2，远大于PD覆盖面积，此时的系统通信质量好，稳定性高，抗干扰能力强。

2)通信距离1.5～3 m时，通信覆盖面积逐渐减小至一个光点，此时系统可通信但稳定性较差。

4 结论

本设计采用12串2并的LED光源，系统带宽约82 MHz，兼容百兆以太网，兼容RJ45网口，同时可满足四个终端设备接入网络；在0.6 m的通信距离下，系统吞吐量为100%，说明传输过程未丢包，同时平均误码率约为1.114×10-7，误码率低；当通信距离拉长到1.5 m时，软件检测速度仍然可以满足日常的上网需求；在0.6～1.5 m的通信距离下，通信覆盖面积远大于PD覆盖面积，说明系统稳定性和可靠性强。