可见光通信中曼彻斯特编码抗频闪研究

刘正翔

（福州职业技术学院 智能工程系，福州 350108）

LED可见光通信系统（VLC）利用LED器件对亮灭状态能高速响应的特点，将LED点亮状态用“1”表示，将LED熄灭状态用“0”表示，通过快速切换亮灭进行信息传递。由于LED闪烁频率大于100 Hz以上时，人眼的感光细胞就难以分辨，并认为是持续常亮状态，因此，LED在用于传递信息的同时，亦不影响照明功能，且该技术具有传输数据速率高、不受电磁波干扰、频谱无需授权、保密性好等优势，目前，已成为无线通信领域的一个研究热点，得到飞速发展［1-6］。但该技术在全球引起众多关注的同时，也给予研究者巨大的挑战，其中之一即为可见光通信频闪效应带来的影响不容忽视。IEEE对LED等照明设备频闪有专门的评价，并在IEEE Std 1789-2015标准中规定了照明设备的频闪风险等级［7-8］。文献［9］指出照明设备的频闪控制不当会使人出现不适并造成错觉，甚至引发头痛、癫痫等症状。文献［10］对于有效改善频闪效应，提出一种基于8B/10B的信道编码解决方案，但由于8B/10B信道采用既定的查表方式，若可见光通信过程传输大量相同的码元段，则编码输出也相同，亦可能出现频闪。文献［11］提出一种基于4B/6B的信道编码方案，也采用查表方式，将从0000-1111的16种4B数据转为固定的6B数据，思路与文献［10］类似，因此也存在频闪可能性。为了改善可见光通信的频闪效应，文献［12］提出一种频域信号处理方法来削弱LED的闪烁，通过傅里叶变换提取3～70 Hz的低频分量，并逆向恢复，但该方法也因此增加了微控制器的代码复杂度。

一、可见光通信的频闪现象

LED可见光频闪现象（LED灯出现闪烁并被人感知到）产生的原因是发光二极管的PN结存在动态电阻和结电容。当LED端电压输入的高电位或低电位时间不均匀时，内部等效电容充电或放电的时间发生改变，即LED端电压上升/下降时间发生改变。也即LED驱动板的码元序列均匀传输“0”和“1”电平时，LED端电压上升/下降的频率维持恒定，当该频率大于100 Hz以上时，人眼识别不出其闪烁状态，也对人体没有影响；若传输码元序列不均匀，出现连续多个的“0”或“1”，必然使得LED端电压出现持续的高或低电平状态，LED在此刻明显出现亮暗交替，即出现了LED频闪现象。

二、曼彻斯特编码抗频闪原理

由于出现频闪的原因在于发射码元序列出现多个连续的“0”或“1”，若将它们按一定规则，编码成均匀出现的“0”或“1”序列，即可消除频闪效应。曼彻斯特编码完美地“拆散”连续的“0”“1”序列，它将每个二进制码元用电平跳变的方式来表示，即将数据位“0”编码为电平从高到低的跳变：“高—低电平”；将数据位“1”编码为电平从低到高的跳变：“低—高电平”。如图1所示，把4个连续的“0000”编码成“10101010”。

图1 曼彻斯特抗频闪编码

曼彻斯特编码虽然设计简单，且有效解决频闪问题，但它将1个bit变成2个bit，也即要传输的码元序列由原来的N个变成2*N个，传输效率大大降低，仅为编码前的50%。

三、本文编码的改进思路

在LED可见光通信系统中，理论上同样的数据码元传输序列，传输速率越高，产生频闪现象的概率越低，一般通信系统的传输速率大于500 bps。本文为验证编码改进方案能否有效改善频闪效应，假定该系统码元传输速率仅约为500 bps，则该系统只要出现连续“0”或“1”的码元个数大于4，就可能导致LED闪烁频率在100 Hz左右，从而被人眼识别到频闪。

现将LED要发送的码元序列按字节存储（软件设计以字节为单位发送），当要传输的下一个字节8bit中，若出现连续“0”或“1”的bit个数大于4，则将该字节进行曼彻斯特编码后再发送，其他情况均不做曼彻斯特编码，如图2所示。以传输100个字节数据为例（软件设计以字节为单位），若出现4个以上连续的“0”或“1”的字节数为5，则改进的曼彻斯特编码抗频闪方案一共传输的字节数为105个，传输效率约为95.24%，较曼彻斯特编码的50%，大大提高了传输效率。

图2 抗频闪编码改进流程图

四、抗频闪改进编码测试

（一）实验装置搭建

为验证本文改进方案对抗频闪效应的改善是否有效，搭建可见光通信中的LED发射测试平台，如图3所示。

图3 可见光抗频闪测试实验装置图

图3为LED可见光抗频闪测试装置图，图中上方为普中STC89C52系列单片机开发板，晶振频率12 MHz，最小识别时间1 us，完全满足本实验发射频率要求。该单片机软件对数据进行编码，输出码元序列传输至LED发射模块。图中下方为LED可见光发射模块，其接收CPU传输来的码元序列，通过LED发射出去。该模块灯珠采用5 mm高亮LED，型号为NSPB500AS；驱动LED的三极管则采用高频功率管，其型号为MRF284，开关速度最高达到2 GHz，满足本实验发射频率要求。图中对LED灯珠外加聚光透镜，以获得更好的聚光效果。

（二）实验数据与分析

为测试方案的有效性，实验降低传输速率，先用STC89C52系列单片机产生速率为500 bps、宽度2 ms的循环码元序列（固定5个字节，其中有1个字节连“0”个数超过4），这意味着未编码前LED发射频率可能小于100 Hz。根据IEEE Std 1789-2015标准，存在小于100 Hz的信号会引起高风险频闪现象，也即可能产生频闪效应，使人眼感觉不适。

实际上，因本实验装置在编码前循环发送的码元序列存在4个以上连“0”或连“1”情况，肉眼即可辨别其存在明显频闪现象。为记录编码前后频闪现象的差异，本实地场景测试使用4K高速摄像机，以每秒超过300帧的速率进行高速摄影，对编码前后的LED频闪情况分别进行录制，将其视频文件截取约550帧数据进行分析，并将图像序列导入Matlab处理。Matlab读取MP4格式视频文件并计算帧的总数，将每个视频帧转为灰度图像，进而逐帧计算平均灰度值，取相同坐标点灰度值进行对比，即将编码前后的闪频与否情况，转化为灰度值的对比。

出现频闪现象的LED视频必然出现图像画面的快速亮暗交替，导致视频帧转为灰度图像后，其灰度值出现快速波动变化，而频闪改善后的视频灰度值则相对稳定。

如图4所示，由于编码前的序列存在频闪现象，其灰度值的峰—峰值呈现“毛刺”频繁出现，且灰度值在55至70之间上下波动剧烈。而编码方式改进后的序列中，对应的视频帧灰度值均化程度大大优于编码前的灰度值曲线，且灰度值大部分稳定在60至65的范围内，也不再出现大范围“毛刺”现象。由此得出，本系统的改进编码对抗频闪起到较好的抑制作用。

图4 编码前后视频灰度对比

为更好地测试改进编码效果，调整光照强度并编程将数据传输速率设置为1 Kbps，分别录制编码前后的视频并导入Matlab分析。如图5所示，测得编码前图像帧的灰度值依旧在22至27之间波动，但波动较为平稳。虽然肉眼无法察觉闪烁，但摄像头依旧可检测出其闪烁传输状态。而该速率下的编码改进效果较为明显，编码后的灰度值几乎稳定在25～27。由此得出，编码后的LED可见光在该速率下传输信息非常稳定，不会造成LED端电压异常波动。

图5 编码前后录制视频的灰度对比

进一步测试表明，当LED可见光通信传输速率从1 Kbps向2 Kbps增加过程中，图像帧灰度值在25至27范围的2个灰度值间波动，变到2 Kbps速率下时，几乎成为一条稳定直线。只有当约第80帧时出现轻微波动，如图6所示。由此可见，LED可见光通信中，以字节为单位的发射序列下，当传输速率超过2 Kbps后，使用本编码改进方法即便打开高速摄像机观察，也几乎可以忽略频闪现象，不会对人体造成不适。

图6 传输速率大于1 Kbps的灰度对比

五、结束语

本文通过分析现有的基于曼彻斯特编码的抗频闪编码方法，搭建LED可见光通信发射平台验证本文编码改进方案的可行性。通过高速摄像机录制编码前后的视频，导入Matlab进行分析图像帧的灰度值。实验表明，当传输速率在500 bps时，编码前的灰度值在55～70间呈现“毛刺”状剧烈波动，即由频闪导致；而编码后视频帧灰度值均化程度大大优于编码前的灰度值曲线，该值稳定在60～65，由此频闪现象得到改善。而该方法中，将传输速率增加至2 Kbps后，灰度值波动十分稳定，即便在高速摄像机下观察，也不会出现LED频闪现象，由此验证了本文编码改进的有效性。