一种自适应传输距离的无闪变可见光通信系统

王恩浩+孙济生

摘 要：在未来无线通信的发展过程中，可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）将起到越来越重要的作用。当前的可见光通信技术已取得了诸多进展，但仍存在许多局限，如传输距离固定，LED灯易闪变等。针对以上问题，本文提出了一种可自适应距离的，无闪变的可见光通信系统设计，并进行了相关测试。对可见光通信技术的推广与进一步发展具有参考意义。

关键词：可见光通信；滤波器；LED驱动；自适应调节

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.138

1 研究背景

在过去的二三十年时间里，无线通信技术取得了长足的发展，无线通信已经像水和电一样成为一项基础设施。而无线通信将来的主要挑战将是满足正在指数增长的系统容量的需求。当前越发严重的频谱重用现象严重限制了系统容量的增长，传统的用于提高系统容量的方法将不再适用。因此，使用可见光频段，不会产生传统射频干扰的可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）将是解决系统容量矛盾的一剂良方，具有重要的应用价值。

可见光通信技术（VLC）是指以可见光波段的光作为传输信息的载体，无需传统的光纤等有线传输通路，直接以空气为介质，直接在空气中传输光信号的通信方式。VLC利用LED灯作为发射端，使用频率范围在4.0*1014～7.9*1014 Hz的可见光，以LED灯的亮灭和亮度变化来传输信息，例如LED灯亮表示1，灭表示0，通过快速的亮灭来传输一长串的0和1的序列。由于采用可见光作为传输载体，VLC技术不会对射频信号产生干扰，可以广泛应用于对电磁场敏感的场所。并且，由于人眼的视觉暂留现象，人眼不会注意到LED燈的高速闪灭，因此VLC技术可以同时满足通信和照明两种功能。

当前VLC系统的设计已经取得了相当多的成果，驱动，调制，解码方式日趋成熟，系统速率不断刷新，解放军信息工程大学已经实现了传输速率高达50Gbps的可见光通信演示系统[1]。但是，当前的VLC系统设计制造过程中仍存在着许多局限性，如为了保证接收信号的亮度稳定，发射端和接收端需要保持恒定的传输距离；当前常见的VLC通信系统的发射端驱动电路会使LED灯产生闪烁现象，进而对信号传输和照明效果产生不利影响[2]。本文针对以上问题对传统的VLC系统进行了改进，设计出了一种自适应传输距离的无闪变现象的可见光通信系统，并且具有良好的可扩展性。

2 系统设计

2.1 发射端驱动系统设计

可见光通信发射端设计中非常常用的一种方法是使用恒定的直流偏置电流加上传输信号电流。这种类型的系统是通过把恒定的直流偏置电流加到驱动电路上来实现的，即保持LED灯为恒亮状态。通过数模转换电路将数字信号转换为模拟信号，然后叠加到直流偏置电流上来作为传输信号驱动LED灯，因此LED灯的亮度调节变化是与传输信号的强度变化实时同步的。但是，由于驱动电流随传输信号改变，LED灯的调光强度是实时改变的，这造成了如果有较长时间的‘0或‘1，LED灯很容易进入闪变模式，这会对VLC系统的信号传输和照明效果产生不良影响[3]。

针对现有技术的不足，本文提出了一种无闪变的可见光通信发射端驱动系统。使用了游程长度受限码（RLL）和恒流源驱动电路来实现LED灯的驱动，并且可以实现照明强度的实时调节。本系统包括恒流源驱动电路和数字RLL编码模块，如图1所示，恒流源电路在恒流源参数选择装置控制下，进行恒流参数的实时调节，RLL编码电路在所述RLL编码方式选择装置的控制下，进行编码模式的实时调节。

恒流源电路为受控的LED灯提供恒定的电流源，数字RLL编码模块通过不停的切换模式编码调制的信号，在一个控制周期内周期性地向恒流源驱动电路提供‘开/关的控制逻辑。当RLL编码电路发来的控制信号是‘开 控制逻辑状态时，LED灯被所述电流源点亮；当所述RLL编码电路发来的控制信号是‘关 控制逻辑状态时，LED灯处于熄灭状态。因为RLL编码的信号在同一个控制周期中总是有特定的工作周期比例，因此LED灯在同一个控制周期中也总有固定的‘开‘关比例。并且在‘开状态下的驱动电流是恒定的，这也保证了LED灯的亮度值是恒定的，并且可以根据人工设定的‘开‘关来调节LED灯的照明亮度。

2.2 接收端判别系统设计

当前常见的VLC系统中，接收端常用的判别方法为固定阈值法，接收端的光电二极管将接收到的光信号转化为电信号，再对生成的电信号强度进行判定，信号强度大于阈值的被判定为‘1，信号强度小于阈值的被判定为‘0，以此实现对对应的光信号，即发射端LED灯亮灭的判别[4]。此种方式需提前设定阈值，因此发射端和接收端之间的距离必须恒定，否则会增大误码率，并且由于固定阈值，对外部光照干扰的变化抵抗力较差，当外部光噪声强度出现大幅变化时，易出现误判现象。

为解决这一问题，本文提出了一种可调节阈值的接收端判别系统。通过设置可调节的判定阈值，来判定接收到的光信号为‘0或‘1。因此可以自由调节发射端和接收端之间的距离，并实现自适应调节。并且，通过可调节的判定阈值，使系统的鲁棒性更强，提高了抗干扰能力，使VLC系统可以在外部光噪音变化的复杂环境下工作。判定阈值调节可以分为手动调节和自适应调节两种。

2.2.1 手动调节

在阈值判定电压电路中加入可调分压电阻，使使用者可以根据当前状况手动调节判定阈值电压，并根据LED灯以固定速率亮灭时的状态进行校正，如图2所示，使VLC系统可以适应不同的传输距离和不同的外部光照污染情况。此种设计的方法的优点是简单可行成本较低，但不能进行自适应调节，且发射端与接收端必须保持相对静止。

2.2.2 自适应调节

在自适应调节方式中，系统引入了抽样电路来自动调节合适的电压判定阈值以适应不同的传输距离和外部光照状况。如每秒抽样1000个时间点，存储这1000个时间点所接收到的光信号所转化成的电压值，求所有样本数据的平均值，作为该时刻的参考阈值电压。由于采用实时抽样，所以该方法可以自适应发射端与接收端传输距离的变化，并且可以在发射端与接收端相对移动的状态下实现信息的正常传输。另外，由于抽样系统采样时已经将环境光照计算在内，因此经过加权平均的阈值判定电压已经剔除了环境光噪声的影响，使VLC系统对外部光照环境变化有更强的抗干扰性能。

3 系统扩展与实现

3.1 系统扩展性设计

3.1.1 可扩展双工

本系统被设计为对称模块，如图4所示。每块基本模块上都集成了VLC接收系统和发射系统，使用两个基本模块即可构成一套完整的上行与下行的双工系统，便于开展VLC相关的各项测试与科研工作。

3.1.2 可扩展MIMO

多个对称模块之间既可以进行单对单的通信测试与实验，又可以使用多套基本模块搭建多收多发系统，进行MIMO VLC 的相关测试。

3.1.3 可扩展RGB可见光通信

本系统为每个LED驱动模块驱动单个LED灯珠，可以一对一驱动传统的荧光粉白光LED，也可以使用三套基本模块，分别驱动红光，绿光，蓝光LED，构成RGB LED灯组，进行RGB LED相关的测试。

3.1.4 可扩展多种接口

本系统设计了标准串口接口与可扩展的网口模块，可以与PC， FPGA 及信号发生器，示波器等进行连接，控制系统的输入并监控输出状况，适用于多种条件下的测试与研究。

3.2 系统测试与实现

对本VLC演示系统的自适应传输距离性能进行测试，用信号发生器向LED驱动端输入5 MHz的标准方波信号，使LED灯以5 MHz的固定频率亮灭。保持接收端在距离LED发射端直线10-100 cm的范围内低速运动，将经过阈值判定电压判决之后的信号输出到示波器上，如图5所示。经实测验证，本系统可以较好地自适应VLC系统传输距离的变化，并在接收端低速运动状态下接收可见光信号。

4 结论

本文提出了一种可自适应传输距离变化的，无闪变的可见光通信系统。解决了常见的可见光通信系统无法调节传输距离的问题，克服了传统LED驱动系统易产生的闪变现象，有效提高了照明质量，对VLC系统的推广及相关研究工作有重要参考意义。

参考文献：

[1]Burchardt，H.Serafimovski，N.Tsonev，D.Videv，S.Haas，H.， "VLC：Beyond point-to-point communication，"in Communications Magazine，IEEE，vol.52，no.7，pp.98-105，July，2014.

[2]《Principles of LED Light Communications Towards Networked Li-Fi SVILEN DIMITROV》，German Aerospace Center （DLR）， Oberpfaffenhofen HARALD HAAS，University of Edinburgh，2015.

[3]解光勇.光電探测器噪声特性分析[J].信息技术，2008（11）.

[4]迟楠.LED可见光通信关键器件与应用[M].人民邮电出版社，2015.