白光LED無(wú)線光通信系統(tǒng)研究

黎之恒+趙升

摘要：可見(jiàn)光通信技術(shù)是基于白光LED照明光源的無(wú)線光通信技術(shù)，在電磁干擾場(chǎng)合可代替射頻通信，應(yīng)用前景很廣闊。目前白光LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，已被用作通信光源實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信。本文主要研究的是白光LED加載數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)編碼發(fā)送，經(jīng)過(guò)空氣中長(zhǎng)距離傳輸，接收信號(hào)通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換、電壓放大、比較整形、解碼還原發(fā)送信號(hào)的技術(shù)，并在此技術(shù)之上加載語(yǔ)音信號(hào)傳輸，展現(xiàn)了本文所介紹的白光通信系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：白光LED，光通信，無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信，語(yǔ)音信號(hào)傳輸。

中圖分類號(hào)： TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

1 引言

可見(jiàn)光通信技術(shù)（VLC，Visible Light Communication）的研究與發(fā)展與射頻無(wú)線通信相比，具有無(wú)需頻帶申請(qǐng)、造價(jià)低，小尺寸，高增益接收等眾多優(yōu)點(diǎn)?？梢?jiàn)光通信技術(shù)最早由日本科研人員提出并展開研究，而我國(guó)也早在2008年由暨南大學(xué)教授陳長(zhǎng)纓研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)白光LED可見(jiàn)光通信樣機(jī)。但目前光通信系統(tǒng)大多仍在實(shí)驗(yàn)階段，且LED白光燈響應(yīng)頻率低、傳輸距離有限、光的散射等因素都是影響LED光通信發(fā)展的巨大問(wèn)題。

2 光通信相關(guān)技術(shù)研究

本系統(tǒng)以FPGA為核心，通過(guò)PIN光電二極管獲取白光LED的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換，電壓放大，電壓比較，將發(fā)送端傳播的信號(hào)完整的還原。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為以下模塊：信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊（analog to digital）、編碼模塊（coding block）、白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊（white LED drive block）、白光LED的接收模塊（optical receive block）、解碼模塊（decoder block）、DA轉(zhuǎn)換模塊（digital to analog block）、濾波模塊（filter block）、語(yǔ)音模塊（voice block）。下面對(duì)白光通信系統(tǒng)各模塊進(jìn)行逐一論證分析。

2.1白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊論證與選擇

DD311芯片是單通道輸出的LED橫流驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部建有電流鏡與電流開關(guān)組件，它是專門為驅(qū)動(dòng)大功率LED而設(shè)計(jì)的芯片。DD311可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A的滲入電流，并可通過(guò)調(diào)整參考輸入（IREF）電流來(lái)任意設(shè)定輸出電流的大小。輸出電流約為100倍的輸入電流，輸入電流可由調(diào)整外掛電阻或偏壓電壓來(lái)設(shè)定。微調(diào)或使能偏壓電壓可校正LED的亮度，芯片的輸出端可以承受高達(dá)33V的電壓，可以支持多個(gè)大功率的LED串接使用。內(nèi)建輸出使能端，可輕易的實(shí)現(xiàn)大功率LED的高灰階應(yīng)用 。

2.2白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊論證與選擇

SFH206光敏二極管（light sensitive diodes）的接收面積比較大，可以大幅度提高信號(hào)靈敏度和傳輸距離，價(jià)格也比較便宜。

2.3比較器的選擇論證與選擇

LM311是高靈敏性的電壓比較器，能工作在5.0到30伏單位電源或正負(fù)15伏分離電源上，它的輸出可以驅(qū)動(dòng)以地為參考或以正電壓為參考、或以負(fù)電壓電源為參考驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。可以驅(qū)動(dòng)各種邏輯。在電流達(dá)到50毫安時(shí)，此輸出還可以把電壓切換到50伏。并且此電壓比較器適用于高速比較電路，較LM393等常用芯片比較速度快的多，適合于本設(shè)計(jì)中高速信號(hào)的比較。

2.4編碼方式的論證與選擇

編碼方面選用4B5B編碼，4B5B編碼是一種冗余編碼體系，用5比特（bit）的編碼來(lái)編碼4比特的輸入數(shù)據(jù)。這種編碼方式要求每個(gè)5比特碼組中不含多余3個(gè)“0”， 或 者不會(huì)少于2個(gè)“1”。將5比特碼組轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的波形采用了NRZI，及不歸零制，且在每個(gè)“1”的持續(xù)時(shí)間的開始處都有電平跳變。該編碼方法已經(jīng)廣泛用于100Mbps以太網(wǎng)和FDDI環(huán)形網(wǎng)。這種編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每4bit作為一個(gè)組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相位5bit碼。5bit碼總共有32種組合，但只采用其中的對(duì)應(yīng)4bit碼的16種，其他的16種或者未用，或者用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束，光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。

2.5緩存方式的論證與選擇

雙口RAM緩存。雙口RAM是常用的多端口儲(chǔ)存器，是可以允許多CPU同時(shí)訪問(wèn)的儲(chǔ)存器，可以大大提高通信效率，并沒(méi)有對(duì)CPU過(guò)多的要求，特別適合各種異種CPU之間異步高速系統(tǒng)中。雙口的RAM是最常見(jiàn)的共享式多端口存儲(chǔ)器，它最大的特點(diǎn)就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。一個(gè)存儲(chǔ)器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，可允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步的訪問(wèn)儲(chǔ)存單元。數(shù)據(jù)共享后，必須存在訪問(wèn)仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對(duì)同一地址單元訪問(wèn)的時(shí)序控制；存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)塊的訪問(wèn)權(quán)限分配；信息交換邏輯（例如中斷信號(hào)）等。

2.6 濾波器的選擇與論證

數(shù)字濾波（digital filter）穩(wěn)定，可靠性高，并不存從在阻抗匹配（impedance matching）、特性波動(dòng)、非一致性等問(wèn)題，最重要的是數(shù)字濾波器可以輕松實(shí)現(xiàn)高階濾波器（higher order filters）設(shè)計(jì)，衰減系數(shù)大。此方案中采用基于窗函數(shù)（window function）的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，濾波效果明顯。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1 總體框圖設(shè)計(jì)

3.2白光LED電路

白光驅(qū)動(dòng)DD311是專門驅(qū)動(dòng)LED燈的芯片，是單通道的LED橫流驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A的滲入電流

3.3參數(shù)計(jì)算及原理論述

白光LED的接收電路，由三個(gè)運(yùn)放組成，第一個(gè)為電流-電壓轉(zhuǎn)換器，第二個(gè)為電壓放大器，第三個(gè)為電壓比較器。在高增益的情況下，給電流-電壓轉(zhuǎn)換器增加電壓增益會(huì)增大帶寬。由于有了這部分的增益，轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的阻抗就會(huì)減少，而此時(shí)相應(yīng)的總跨阻抗不會(huì)減少。這樣隨著阻抗的減少，寄生電容旁路造成的帶寬限制會(huì)相應(yīng)的增加。然而電流-電壓轉(zhuǎn)換器與電壓增益之間的結(jié)合降低了噪音性能，產(chǎn)生了一個(gè)帶寬和噪音之間平衡的問(wèn)題。明智的設(shè)計(jì)可以令帶寬的增加程度大于噪音的降低程度，經(jīng)分析之后有兩種方案可以解決此問(wèn)題，一個(gè)是簡(jiǎn)單的在電流-電壓轉(zhuǎn)換器后面增加一個(gè)電壓放大器，另一個(gè)就是給電流-電壓轉(zhuǎn)換器自身增加電壓增益，在這里我們采用的是第一個(gè)方案，因?yàn)樗梢蕴岣吒嗟膸挕Ｔ趫D2中，位于電流-電壓轉(zhuǎn)換器后面的放大器是提供電壓增益，并產(chǎn)生一個(gè)總的輸入到輸出的互阻。值很大時(shí)，這個(gè)阻抗的降低會(huì)減小電阻對(duì)寄生旁路的敏感度，同時(shí)也會(huì)使帶寬以因子提高。然而由于增加的放大器的帶寬有限，造成了帶寬可以提高的上限，但在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，帶寬足夠，所以就不再考慮增加帶寬的更優(yōu)化的電路。第三個(gè)運(yùn)放是比較器。它將一個(gè)模擬電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。由于接受到的信號(hào)有些變形和失真，因此對(duì)信號(hào)應(yīng)該再次進(jìn)行判決和處理，將信號(hào)還原。通過(guò)幅度檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的判決再生，把輸出的信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，在輸出端以數(shù)字信號(hào)“0”或“1”表示比較結(jié)果，從而將PIN輸出的信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)。

4 總結(jié)

可見(jiàn)光通信因其保密性好，無(wú)需頻帶申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)，已成為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，各國(guó)都對(duì)其不斷經(jīng)行研究分析，隨著研究分析的深入，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]胡國(guó)永，陳長(zhǎng)纓，陳振強(qiáng).白光LED照明光源用作室內(nèi)無(wú)線通信研究[J].光通信技術(shù)，2006， 30（7）：46-48

[2]于志剛，陳長(zhǎng)纓，趙俊.白光LED照明通信系統(tǒng)中的分集接收技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2008，32（9）：52-54

[3]傅倩，陳長(zhǎng)纓，洪岳，等.改善室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)化與信息t程，2010，（2）：4—7.endprint

摘要：可見(jiàn)光通信技術(shù)是基于白光LED照明光源的無(wú)線光通信技術(shù)，在電磁干擾場(chǎng)合可代替射頻通信，應(yīng)用前景很廣闊。目前白光LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，已被用作通信光源實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信。本文主要研究的是白光LED加載數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)編碼發(fā)送，經(jīng)過(guò)空氣中長(zhǎng)距離傳輸，接收信號(hào)通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換、電壓放大、比較整形、解碼還原發(fā)送信號(hào)的技術(shù)，并在此技術(shù)之上加載語(yǔ)音信號(hào)傳輸，展現(xiàn)了本文所介紹的白光通信系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：白光LED，光通信，無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信，語(yǔ)音信號(hào)傳輸。

中圖分類號(hào)： TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

1 引言

可見(jiàn)光通信技術(shù)（VLC，Visible Light Communication）的研究與發(fā)展與射頻無(wú)線通信相比，具有無(wú)需頻帶申請(qǐng)、造價(jià)低，小尺寸，高增益接收等眾多優(yōu)點(diǎn)?？梢?jiàn)光通信技術(shù)最早由日本科研人員提出并展開研究，而我國(guó)也早在2008年由暨南大學(xué)教授陳長(zhǎng)纓研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)白光LED可見(jiàn)光通信樣機(jī)。但目前光通信系統(tǒng)大多仍在實(shí)驗(yàn)階段，且LED白光燈響應(yīng)頻率低、傳輸距離有限、光的散射等因素都是影響LED光通信發(fā)展的巨大問(wèn)題。

2 光通信相關(guān)技術(shù)研究

本系統(tǒng)以FPGA為核心，通過(guò)PIN光電二極管獲取白光LED的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換，電壓放大，電壓比較，將發(fā)送端傳播的信號(hào)完整的還原。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為以下模塊：信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊（analog to digital）、編碼模塊（coding block）、白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊（white LED drive block）、白光LED的接收模塊（optical receive block）、解碼模塊（decoder block）、DA轉(zhuǎn)換模塊（digital to analog block）、濾波模塊（filter block）、語(yǔ)音模塊（voice block）。下面對(duì)白光通信系統(tǒng)各模塊進(jìn)行逐一論證分析。

2.1白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊論證與選擇

DD311芯片是單通道輸出的LED橫流驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部建有電流鏡與電流開關(guān)組件，它是專門為驅(qū)動(dòng)大功率LED而設(shè)計(jì)的芯片。DD311可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A的滲入電流，并可通過(guò)調(diào)整參考輸入（IREF）電流來(lái)任意設(shè)定輸出電流的大小。輸出電流約為100倍的輸入電流，輸入電流可由調(diào)整外掛電阻或偏壓電壓來(lái)設(shè)定。微調(diào)或使能偏壓電壓可校正LED的亮度，芯片的輸出端可以承受高達(dá)33V的電壓，可以支持多個(gè)大功率的LED串接使用。內(nèi)建輸出使能端，可輕易的實(shí)現(xiàn)大功率LED的高灰階應(yīng)用 。

2.2白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊論證與選擇

SFH206光敏二極管（light sensitive diodes）的接收面積比較大，可以大幅度提高信號(hào)靈敏度和傳輸距離，價(jià)格也比較便宜。

2.3比較器的選擇論證與選擇

LM311是高靈敏性的電壓比較器，能工作在5.0到30伏單位電源或正負(fù)15伏分離電源上，它的輸出可以驅(qū)動(dòng)以地為參考或以正電壓為參考、或以負(fù)電壓電源為參考驅(qū)動(dòng)的負(fù)載?？梢则?qū)動(dòng)各種邏輯。在電流達(dá)到50毫安時(shí)，此輸出還可以把電壓切換到50伏。并且此電壓比較器適用于高速比較電路，較LM393等常用芯片比較速度快的多，適合于本設(shè)計(jì)中高速信號(hào)的比較。

2.4編碼方式的論證與選擇

編碼方面選用4B5B編碼，4B5B編碼是一種冗余編碼體系，用5比特（bit）的編碼來(lái)編碼4比特的輸入數(shù)據(jù)。這種編碼方式要求每個(gè)5比特碼組中不含多余3個(gè)“0”， 或 者不會(huì)少于2個(gè)“1”。將5比特碼組轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的波形采用了NRZI，及不歸零制，且在每個(gè)“1”的持續(xù)時(shí)間的開始處都有電平跳變。該編碼方法已經(jīng)廣泛用于100Mbps以太網(wǎng)和FDDI環(huán)形網(wǎng)。這種編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每4bit作為一個(gè)組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相位5bit碼。5bit碼總共有32種組合，但只采用其中的對(duì)應(yīng)4bit碼的16種，其他的16種或者未用，或者用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束，光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。

2.5緩存方式的論證與選擇

雙口RAM緩存。雙口RAM是常用的多端口儲(chǔ)存器，是可以允許多CPU同時(shí)訪問(wèn)的儲(chǔ)存器，可以大大提高通信效率，并沒(méi)有對(duì)CPU過(guò)多的要求，特別適合各種異種CPU之間異步高速系統(tǒng)中。雙口的RAM是最常見(jiàn)的共享式多端口存儲(chǔ)器，它最大的特點(diǎn)就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。一個(gè)存儲(chǔ)器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，可允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步的訪問(wèn)儲(chǔ)存單元。數(shù)據(jù)共享后，必須存在訪問(wèn)仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對(duì)同一地址單元訪問(wèn)的時(shí)序控制；存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)塊的訪問(wèn)權(quán)限分配；信息交換邏輯（例如中斷信號(hào)）等。

2.6 濾波器的選擇與論證

數(shù)字濾波（digital filter）穩(wěn)定，可靠性高，并不存從在阻抗匹配（impedance matching）、特性波動(dòng)、非一致性等問(wèn)題，最重要的是數(shù)字濾波器可以輕松實(shí)現(xiàn)高階濾波器（higher order filters）設(shè)計(jì)，衰減系數(shù)大。此方案中采用基于窗函數(shù)（window function）的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，濾波效果明顯。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1 總體框圖設(shè)計(jì)

3.2白光LED電路

白光驅(qū)動(dòng)DD311是專門驅(qū)動(dòng)LED燈的芯片，是單通道的LED橫流驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A的滲入電流

3.3參數(shù)計(jì)算及原理論述

白光LED的接收電路，由三個(gè)運(yùn)放組成，第一個(gè)為電流-電壓轉(zhuǎn)換器，第二個(gè)為電壓放大器，第三個(gè)為電壓比較器。在高增益的情況下，給電流-電壓轉(zhuǎn)換器增加電壓增益會(huì)增大帶寬。由于有了這部分的增益，轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的阻抗就會(huì)減少，而此時(shí)相應(yīng)的總跨阻抗不會(huì)減少。這樣隨著阻抗的減少，寄生電容旁路造成的帶寬限制會(huì)相應(yīng)的增加。然而電流-電壓轉(zhuǎn)換器與電壓增益之間的結(jié)合降低了噪音性能，產(chǎn)生了一個(gè)帶寬和噪音之間平衡的問(wèn)題。明智的設(shè)計(jì)可以令帶寬的增加程度大于噪音的降低程度，經(jīng)分析之后有兩種方案可以解決此問(wèn)題，一個(gè)是簡(jiǎn)單的在電流-電壓轉(zhuǎn)換器后面增加一個(gè)電壓放大器，另一個(gè)就是給電流-電壓轉(zhuǎn)換器自身增加電壓增益，在這里我們采用的是第一個(gè)方案，因?yàn)樗梢蕴岣吒嗟膸?。在圖2中，位于電流-電壓轉(zhuǎn)換器后面的放大器是提供電壓增益，并產(chǎn)生一個(gè)總的輸入到輸出的互阻。值很大時(shí)，這個(gè)阻抗的降低會(huì)減小電阻對(duì)寄生旁路的敏感度，同時(shí)也會(huì)使帶寬以因子提高。然而由于增加的放大器的帶寬有限，造成了帶寬可以提高的上限，但在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，帶寬足夠，所以就不再考慮增加帶寬的更優(yōu)化的電路。第三個(gè)運(yùn)放是比較器。它將一個(gè)模擬電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。由于接受到的信號(hào)有些變形和失真，因此對(duì)信號(hào)應(yīng)該再次進(jìn)行判決和處理，將信號(hào)還原。通過(guò)幅度檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的判決再生，把輸出的信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，在輸出端以數(shù)字信號(hào)“0”或“1”表示比較結(jié)果，從而將PIN輸出的信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)。

4 總結(jié)

可見(jiàn)光通信因其保密性好，無(wú)需頻帶申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)，已成為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，各國(guó)都對(duì)其不斷經(jīng)行研究分析，隨著研究分析的深入，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]胡國(guó)永，陳長(zhǎng)纓，陳振強(qiáng).白光LED照明光源用作室內(nèi)無(wú)線通信研究[J].光通信技術(shù)，2006， 30（7）：46-48

[2]于志剛，陳長(zhǎng)纓，趙俊.白光LED照明通信系統(tǒng)中的分集接收技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2008，32（9）：52-54

[3]傅倩，陳長(zhǎng)纓，洪岳，等.改善室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)化與信息t程，2010，（2）：4—7.endprint

摘要：可見(jiàn)光通信技術(shù)是基于白光LED照明光源的無(wú)線光通信技術(shù)，在電磁干擾場(chǎng)合可代替射頻通信，應(yīng)用前景很廣闊。目前白光LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，已被用作通信光源實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信。本文主要研究的是白光LED加載數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)編碼發(fā)送，經(jīng)過(guò)空氣中長(zhǎng)距離傳輸，接收信號(hào)通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換、電壓放大、比較整形、解碼還原發(fā)送信號(hào)的技術(shù)，并在此技術(shù)之上加載語(yǔ)音信號(hào)傳輸，展現(xiàn)了本文所介紹的白光通信系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：白光LED，光通信，無(wú)線高速數(shù)據(jù)通信，語(yǔ)音信號(hào)傳輸。

中圖分類號(hào)： TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

1 引言

可見(jiàn)光通信技術(shù)（VLC，Visible Light Communication）的研究與發(fā)展與射頻無(wú)線通信相比，具有無(wú)需頻帶申請(qǐng)、造價(jià)低，小尺寸，高增益接收等眾多優(yōu)點(diǎn)?？梢?jiàn)光通信技術(shù)最早由日本科研人員提出并展開研究，而我國(guó)也早在2008年由暨南大學(xué)教授陳長(zhǎng)纓研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)白光LED可見(jiàn)光通信樣機(jī)。但目前光通信系統(tǒng)大多仍在實(shí)驗(yàn)階段，且LED白光燈響應(yīng)頻率低、傳輸距離有限、光的散射等因素都是影響LED光通信發(fā)展的巨大問(wèn)題。

2 光通信相關(guān)技術(shù)研究

本系統(tǒng)以FPGA為核心，通過(guò)PIN光電二極管獲取白光LED的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換，電壓放大，電壓比較，將發(fā)送端傳播的信號(hào)完整的還原。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為以下模塊：信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊（analog to digital）、編碼模塊（coding block）、白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊（white LED drive block）、白光LED的接收模塊（optical receive block）、解碼模塊（decoder block）、DA轉(zhuǎn)換模塊（digital to analog block）、濾波模塊（filter block）、語(yǔ)音模塊（voice block）。下面對(duì)白光通信系統(tǒng)各模塊進(jìn)行逐一論證分析。

2.1白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊論證與選擇

DD311芯片是單通道輸出的LED橫流驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部建有電流鏡與電流開關(guān)組件，它是專門為驅(qū)動(dòng)大功率LED而設(shè)計(jì)的芯片。DD311可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A的滲入電流，并可通過(guò)調(diào)整參考輸入（IREF）電流來(lái)任意設(shè)定輸出電流的大小。輸出電流約為100倍的輸入電流，輸入電流可由調(diào)整外掛電阻或偏壓電壓來(lái)設(shè)定。微調(diào)或使能偏壓電壓可校正LED的亮度，芯片的輸出端可以承受高達(dá)33V的電壓，可以支持多個(gè)大功率的LED串接使用。內(nèi)建輸出使能端，可輕易的實(shí)現(xiàn)大功率LED的高灰階應(yīng)用 。

2.2白光LED的驅(qū)動(dòng)模塊論證與選擇

SFH206光敏二極管（light sensitive diodes）的接收面積比較大，可以大幅度提高信號(hào)靈敏度和傳輸距離，價(jià)格也比較便宜。

2.3比較器的選擇論證與選擇

LM311是高靈敏性的電壓比較器，能工作在5.0到30伏單位電源或正負(fù)15伏分離電源上，它的輸出可以驅(qū)動(dòng)以地為參考或以正電壓為參考、或以負(fù)電壓電源為參考驅(qū)動(dòng)的負(fù)載?？梢则?qū)動(dòng)各種邏輯。在電流達(dá)到50毫安時(shí)，此輸出還可以把電壓切換到50伏。并且此電壓比較器適用于高速比較電路，較LM393等常用芯片比較速度快的多，適合于本設(shè)計(jì)中高速信號(hào)的比較。

2.4編碼方式的論證與選擇

編碼方面選用4B5B編碼，4B5B編碼是一種冗余編碼體系，用5比特（bit）的編碼來(lái)編碼4比特的輸入數(shù)據(jù)。這種編碼方式要求每個(gè)5比特碼組中不含多余3個(gè)“0”， 或 者不會(huì)少于2個(gè)“1”。將5比特碼組轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的波形采用了NRZI，及不歸零制，且在每個(gè)“1”的持續(xù)時(shí)間的開始處都有電平跳變。該編碼方法已經(jīng)廣泛用于100Mbps以太網(wǎng)和FDDI環(huán)形網(wǎng)。這種編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每4bit作為一個(gè)組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相位5bit碼。5bit碼總共有32種組合，但只采用其中的對(duì)應(yīng)4bit碼的16種，其他的16種或者未用，或者用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束，光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。

2.5緩存方式的論證與選擇

雙口RAM緩存。雙口RAM是常用的多端口儲(chǔ)存器，是可以允許多CPU同時(shí)訪問(wèn)的儲(chǔ)存器，可以大大提高通信效率，并沒(méi)有對(duì)CPU過(guò)多的要求，特別適合各種異種CPU之間異步高速系統(tǒng)中。雙口的RAM是最常見(jiàn)的共享式多端口存儲(chǔ)器，它最大的特點(diǎn)就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。一個(gè)存儲(chǔ)器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，可允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步的訪問(wèn)儲(chǔ)存單元。數(shù)據(jù)共享后，必須存在訪問(wèn)仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對(duì)同一地址單元訪問(wèn)的時(shí)序控制；存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)塊的訪問(wèn)權(quán)限分配；信息交換邏輯（例如中斷信號(hào)）等。

2.6 濾波器的選擇與論證

數(shù)字濾波（digital filter）穩(wěn)定，可靠性高，并不存從在阻抗匹配（impedance matching）、特性波動(dòng)、非一致性等問(wèn)題，最重要的是數(shù)字濾波器可以輕松實(shí)現(xiàn)高階濾波器（higher order filters）設(shè)計(jì)，衰減系數(shù)大。此方案中采用基于窗函數(shù)（window function）的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，濾波效果明顯。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1 總體框圖設(shè)計(jì)

3.2白光LED電路

白光驅(qū)動(dòng)DD311是專門驅(qū)動(dòng)LED燈的芯片，是單通道的LED橫流驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)1A的滲入電流

3.3參數(shù)計(jì)算及原理論述

白光LED的接收電路，由三個(gè)運(yùn)放組成，第一個(gè)為電流-電壓轉(zhuǎn)換器，第二個(gè)為電壓放大器，第三個(gè)為電壓比較器。在高增益的情況下，給電流-電壓轉(zhuǎn)換器增加電壓增益會(huì)增大帶寬。由于有了這部分的增益，轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的阻抗就會(huì)減少，而此時(shí)相應(yīng)的總跨阻抗不會(huì)減少。這樣隨著阻抗的減少，寄生電容旁路造成的帶寬限制會(huì)相應(yīng)的增加。然而電流-電壓轉(zhuǎn)換器與電壓增益之間的結(jié)合降低了噪音性能，產(chǎn)生了一個(gè)帶寬和噪音之間平衡的問(wèn)題。明智的設(shè)計(jì)可以令帶寬的增加程度大于噪音的降低程度，經(jīng)分析之后有兩種方案可以解決此問(wèn)題，一個(gè)是簡(jiǎn)單的在電流-電壓轉(zhuǎn)換器后面增加一個(gè)電壓放大器，另一個(gè)就是給電流-電壓轉(zhuǎn)換器自身增加電壓增益，在這里我們采用的是第一個(gè)方案，因?yàn)樗梢蕴岣吒嗟膸?。在圖2中，位于電流-電壓轉(zhuǎn)換器后面的放大器是提供電壓增益，并產(chǎn)生一個(gè)總的輸入到輸出的互阻。值很大時(shí)，這個(gè)阻抗的降低會(huì)減小電阻對(duì)寄生旁路的敏感度，同時(shí)也會(huì)使帶寬以因子提高。然而由于增加的放大器的帶寬有限，造成了帶寬可以提高的上限，但在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，帶寬足夠，所以就不再考慮增加帶寬的更優(yōu)化的電路。第三個(gè)運(yùn)放是比較器。它將一個(gè)模擬電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。由于接受到的信號(hào)有些變形和失真，因此對(duì)信號(hào)應(yīng)該再次進(jìn)行判決和處理，將信號(hào)還原。通過(guò)幅度檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的判決再生，把輸出的信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，在輸出端以數(shù)字信號(hào)“0”或“1”表示比較結(jié)果，從而將PIN輸出的信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)。

4 總結(jié)

可見(jiàn)光通信因其保密性好，無(wú)需頻帶申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)，已成為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，各國(guó)都對(duì)其不斷經(jīng)行研究分析，隨著研究分析的深入，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

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