图像传感器视域下的可见光通信技术分析

赵美胜

（北京中兴物业管理有限公司，北京 100053）

0 引 言

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）具有极高的可靠性和保密性，可以抵御电磁干扰，而且不需要频谱认证。白光发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）的带宽相对有限，将会对传输速率造成直接影响，而VLC技术即便在此条件下依然可以利用空间复用达到高速通信的目的。

图像传感器负责光信号向电信号的转换，也是数字摄像头的重要组成部分，尤其在数字电视和可视通信市场应用广泛。将光电探测器、集成电路加以整合，对比光敏二极管和三极管，发现图像传感器在光面形成光像的作用下可以划分为若干个小单元处理、转化光信号。在图像传感器基础上应用VLC技术，选择互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）卷帘快门图像传感器或者高速全局快门等作为关键的接收设备，凭借图像传感器系统的优势可以增强抗干扰性与可靠性，并达到多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的目的。为此，本文围绕图像传感器基础上的VLC技术展开讨论，探讨VLC系统的设计。

1 可见光通信系统

VLC技术原理如图1所示，以固态照明为驱动力，这种固态照明的发光材料选择固态半导体芯片，可以将电能转换为光能光源。以白炽灯为代表的人造光源作为传统技术手段，与之对比发现LED亮度更高，而且使用寿命也更长，进一步优化了调制带宽、传输速率、数据安全性，降低了能源消耗[1,2]。凭借上述优势，白光LED在照明、数据通信领域成为最优选择，在室内、室外均可兼容可见光源[3]。

图1 VLC技术原理

光通信领域常见的探测方法有两种，分别是强度调制直接检测（Intensity Modulation Direct Detection，IM-DD）和相干探测。其中，相干探测方法需要用到信号光和相干光，将其在探测器中混合形成拍频信号，测量光波频率，获取幅值相位数据。IM-DD在应用中的操作比较简单，在VLC系统中也相对常用。VLC系统包括发射、传输信道、接收这3个部分，原始二进制数据提前进行预处理，外加编码调制具有LED的驱动作用，使LED在控制下能够发出强度不同的VLC信号[4]。光信号携带了信息后，在自由空间内传播，主要使用光学透镜在接收部分上聚焦，利用光电转换元件转换接收的光信号，获得电信号后解码解调制，经过还原便可获得二进制数据。原始二进制数据的预处理应用预均衡技术，增设直流偏置电压等，可以补偿元件参数导致的信道失真，并且有效提高系统带宽和传输速率。

2 构建可见光信道模型

在图像传感器基础上设计VLC系统，系统调试与应用需要深入掌握信道特性[5]。通信信道的表征为信道脉冲响应，以此了解信道失真带来的影响。因为光通信信道功率存在损耗，导致损耗的原因包括路径损耗、多径衰落，所以高速链路的设计必须综合分析通信距离极限值、室内墙壁与天花板等物体表面光的反射情况等影响因素。室外光通信链路方面，建议采取物理配置法，如直接视距传播、非直接视距传播、非视距散射以及跟踪定位。

VLC系统利用直接强度检测，有利于节约成本、降低复杂性。可见光光源驱动电流，采用调制信号进行控制，并以此改变光照强度，接收部分则是以波长积分为依据形成光电流。在直接强度调制的光学通信系统基础上构建的等价基带模型为：

式中：R为探测器灵敏度；h(t)为基带信道脉冲响应；n(t)为与信号无实际关联的散粒噪声；x(t)为功率。

3 可见光通信系统设计

3.1 设计原理

系统设计时选择高速相机，考虑到应用需求与性能，可以挑选Photron Fastcam Mini-AX 200。此型号相机在运行状态下的下帧速率是6 400 FPS，分辨率为1 024×1 024，帧速率按照系统的基本要求最高可调整为900 000 FPS，相应的分辨率为128×16。此外，相机可以同时连接千兆网线和PC，而且搭配分析软件，提供时钟信号、调整触发模式，所以VLC测验环节也获得了诸多便利条件，不需要再额外时钟提取电路，系统结构如图2所示。

图2 系统结构

利用2×2 LED矩阵，分析软件内可以实时显示单信道帧数据。观察数据发现LED占据部分像素，为了使信道传输数据为“1”或“0”，需要计算目标区域中心像素的平均值，并按照已知阈值做出判断。4个信道采取相同的处理方法，便可达到MIMO通信的效果。操作过程中利用二进制通断键控（On-Off Keying，OOK）调制技术，该技术本身具有简洁性，而且在IM-DD光通信系统中比较常见。“1”表示光学脉冲占据全部及部分位持续时间，“0”表示使用位持续时间范围内无脉冲，具体模式则分为归零（Return to Zero，RZ）、不归零（Not-Return to Zero，NRZ）两种。NRZ使用脉冲持续时间和位持续时间相等的方式代表“1”，RZ范围内的脉冲只是占据部分位持续时间。如果OOK-NRZ、占空比是0.5，那么OOK-RZ单一映射平均功率，计算后可得到OOKNRZ包络表达式为：

式中：Pr为平均功率；Tb为位持续时间。

3.2 设计方案

根据上述系统设计的原理，将LED当作光源发射VLC信号，同时利用图像传感器进行接收，可以获得图像帧信息，处理信息后获得原始数据。对比后发现发射端应用LED矩阵，而不是单一的白光LED，将通信道数量加以扩充，每秒支持传输信息容量也随之增加。此次设计采用全局快门相机，这也表示传输速率的直接决定性因素是相机本身的帧速率，因此建议应用高速相机，并且搭配LED矩阵完成MIMO通信，同时还可以为系统传输速率提供保障。

3.3 设计成果与分析

分析VLC系统的设计方案，需要通过2条评价标准，分别是能量效率、带宽效率。如果考虑到对眼睛、皮肤的保护，那么必须要控制无线光发射平均功率。虽然理论层面的光载波被认为具备无限带宽，但是在实践中依然有诸多因素都会限制无线VLC系统带宽，如接收区域的面积、电容等。利用多径传播、非定向视距无线传输（Line of Sight，LOS）传播这两种方法可以降低带宽，调制环节必须重点分析带宽效率这一因素。

如果散射噪声位系统的关键噪声源为信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），且其与光探测器表面积为正比例关系，那么单一元件接收面积比较大，但探测面积大的情况下寄生电容也会随之增加，反而会限制系统带宽。选择调制方法时，应该重点分析带宽效率。OOK-RZ的带宽应在OOK-NRZ的2倍以上，实际上在直流条件下双方都具有离散性，权重是Pr2。OOK-RZ在f=Rb位置显示的脉冲用在恢复接收器时钟信号这一环节；OOK-NRZ位于比特率整数倍位置产生频谱零点，此时应用非线性信号方可恢复时钟信号。当OOK-NRZ、OOK-RZ位于直流分量、低频分量两个位置时，功率相对理想，代表高通滤波器无法起到规避附近光源、人造光源影响的效果，由于上限截止频率会产生线性漂移。已经确定平均发射光功率的情况下，OOK-RZ平均功率也会超过OOK-NRZ的2倍，经过计算可以得到OOK-NRZ能量效率和带宽效率。

OOK-RZ无法实现接收部分的采样时钟恢复，主要是因为传输时产生了长周期低电平信号，这就需要使用OOK-RZ展开比特填充，减少带宽效率。为此，建议在发射端应用预均衡技术，接收端则运用蓝光过滤技术，安装高速相机作为接收装置，OOK-NRZ安装于发射端，即便是调制带宽受限，也依然可以获得理想的效果。

4 结 论

VLC技术与图像传感器结合应用，对于VLC系统的设计具有明显优势。VLC系统不仅具有较强的抗干扰性与可靠性，而且还可以实现多输入多输出。今后，VLC技术在实际应用中应该更加关注系统设计的创新，通过与图像传感器的结合进一步加强VLC技术的稳定性、保密性与抗干扰性，拓宽VLC技术的应用范围，为工业设计及其他行业提供先进的技术支持。