基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)

翟亞雪，唐先鋒，萬 東,2，張曉光

（1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100018）

基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)

翟亞雪1，唐先鋒1，萬 東1,2，張曉光1

（1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100018）

從室內(nèi)可見光通信（Visible Lighe Communi cation,VLC）技術(shù)著手，提出了一種點對點式的室內(nèi)實時全雙工可見光通信上網(wǎng)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。搭建了一套完整的基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)，并對提出的設(shè)計方案進行了測試驗證。

可見光通信；實時；全雙工上網(wǎng)

0 引言

發(fā)光二極管（LED）不僅具有成本低、功耗小、壽命長和綠色環(huán)保的優(yōu)點，而且還具有良好的調(diào)制性能與較高的響應(yīng)靈敏度，可在實現(xiàn)照明的同時進行信號傳輸。室內(nèi)可見光通信 （Visible Lighe Communication, VLC）技術(shù)是基于LED技術(shù)發(fā)展起來的，近年來，我國對可見光通信的研究取得了突破性進展[1，2]，可見光通信系統(tǒng)單向傳輸速率達3.7Gb/s，實時系統(tǒng)上網(wǎng)速率高達150Mb/s[3]。雖然可見光通信速率有所提升，但是其通信系統(tǒng)均為單工離線系統(tǒng)，不能實時傳輸數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。為解決此問題，本文提出一種新的LED驅(qū)動電路與接收端信號預(yù)處理電路，并搭建一套完整的基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)。

1 實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計了一套點對點式的基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)中兩支路的信號處理流程相同，方向相反，我們以上側(cè)支路為例說明信號的處理流程。RJ45接口模塊將以太網(wǎng)的信號轉(zhuǎn)換成速率為10Mb/s或100Mb/s的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀經(jīng)RJ45嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊后，被轉(zhuǎn)換為4Mb/s的標準TTL信號。LED驅(qū)動模塊對標準TTL信號進行線性變換，得到的驅(qū)動信號的高低電平變換均在LED正常工作范圍內(nèi)。將LED驅(qū)動模塊輸出的驅(qū)動信號加載到LED上，LED將驅(qū)動信號高低電平的變化轉(zhuǎn)換成光強度的變化。光電探測器將通過空間傳輸?shù)墓庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號。接收信號處理模塊將衰減和失真的預(yù)處理信號恢復(fù)為標準TTL信號，USB嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊將標準TTL信號還原為數(shù)據(jù)幀送到PC機，至此完成了系統(tǒng)上側(cè)支路的信號處理。從信號處理流程可以看出,本系統(tǒng)能實現(xiàn)信號的透明傳輸。

圖1 基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)模塊的詳細設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 RJ45/USB嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊

RJ45/USB嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊主要負責(zé)TTL串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)到TTL串口數(shù)據(jù)的透明傳輸，它可以使設(shè)備立即具備聯(lián)入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的功能，具體的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。該模塊采用CP2103芯片構(gòu)建RJ45/USB接口轉(zhuǎn)UART接口電路，當(dāng)實現(xiàn)TTL串口轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能時，數(shù)據(jù)幀先經(jīng)過UART接口進入64kB RAM和256kB Flash，再由32bit嵌入式微處理器（ARM7）轉(zhuǎn)換為標準TTL信號；當(dāng)實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)TTL串口功能時，標準TTL信號依次進入ARM處理器和隨機存取存儲器（RAM）后，由UART接口輸出數(shù)據(jù)幀。

圖2 RJ45/USB嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊的數(shù)據(jù)處理流程

2.2 LED驅(qū)動模塊

LED驅(qū)動模塊主要負責(zé)將RJ45嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊輸出的標準TTL信號 （0～3.3V矩形方波信號）轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號（2.5～3.5V矩形方波信號），從而使LED在實現(xiàn)照明的同時，可通過人眼無法識別的強度變化來傳遞信息。LED驅(qū)動模塊包括低通濾波器、反相衰減器和反相加法器3部分,其原理圖如圖3所示。

低通濾波器主要負責(zé)濾除系統(tǒng)中的高頻噪聲，其截止頻率fc可以表示為：

圖3 LED驅(qū)動模塊原理圖

反相衰減器和反相加法器主要負責(zé)對0～3.3V的標準TTL信號進行衰減和疊加直流分量，得到2.5～3.5V的驅(qū)動信號，使LED在保證照明的基礎(chǔ)上，可以通過強度變化來傳遞信息。衰減倍數(shù)Au1和疊加的直流分量V+可以表示為：

其中，RA2up和RA2all分別表示RA2接入電路的上半部分阻值和接入電路的最大阻值。

本系統(tǒng)采用Texas Instruments生產(chǎn)的OPA657U運算放大器，該放大器具有帶寬增益積較大（其帶寬增益積為1600MHz）和噪聲、溫漂低的特點。運算放大器的頻率特性覆蓋了系統(tǒng)的信號空間通信速率（4Mb/s），符合系統(tǒng)要求。

LED驅(qū)動模塊測試結(jié)果圖如圖4所示，可以看出該模塊能完成將0～3.3V標準TTL信號轉(zhuǎn)換為2.5～3.5V驅(qū)動信號的電路設(shè)計目標。

圖4 LED驅(qū)動模塊測試結(jié)果圖

2.3 LED和光電探測器的選擇

由于藍光LED的調(diào)制帶寬比較寬，在用白光LED作光源的可見光通信中，接收端一般加一個藍光濾波器取出其中的藍光信號。我們?yōu)闇p少成本，降低實驗復(fù)雜度，直接采用藍光LED做光源模擬實際的白光通信，選擇的LED為Thorlab公司的LED465E藍光二極管，其中心波長為465nm，最大輻射功率為200mW，輻射角（半角）為8°。

本系統(tǒng)采用Thorlab公司的寬帶放大硅基光電探測器PDA10A。它可探測200～1100nm波段的光信號，覆蓋了可見光范圍，可探測的信號頻率范圍是0～150MHz，輸出端接50Ω的負載電阻，最高輸出電壓可達5V。該探測器在可見光波段的響應(yīng)好，適合用作可見光通信的接收機。

2.4 接收信號處理模塊

接收信號處理模塊主要負責(zé)對空間傳輸后衰減和失真的信號進行放大和整形，從而轉(zhuǎn)換為標準TTL信號，模塊原理圖如圖5所示。

圖5 接收信號處理模塊原理圖

接收信號處理模塊包括反相放大器和反相比較器兩部分，其中反相放大器將光電探測器輸出的微弱電壓信號進行適當(dāng)放大，放大倍數(shù)Au2為：

從式（4）可以看出，通過改變滑動變阻器RA4的阻值，可以改變電路的放大倍數(shù)。

反相比較器完成的任務(wù)是消除信號可能存在的變形，得到所需的標準矩形方波信號,滑動變阻器RA5用于設(shè)定整形處理的比較電平VD，其計算公式為：

其中，RA5up和RA5all分別表示RA5接入電路的上半部分阻值和接入電路的最大阻值。

接收信號處理模塊測試結(jié)果圖如圖6所示，可以看出該模塊完成了將微弱的變形信號轉(zhuǎn)換為標準矩形方波信號的電路設(shè)計目標。

圖6 接收信號處理模塊輸入、輸出測試結(jié)果圖

3 系統(tǒng)測試

本文按照設(shè)計方案搭建了一套完整的基于LED可見光通信的實時全雙工上網(wǎng)系統(tǒng)，其傳輸距離為3m。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀經(jīng)RJ45/USB嵌入式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊發(fā)出，示波器測試得到數(shù)據(jù)速率為4Mb/s，波形圖如圖7（a）所示。光電探測器輸出的待處理信號經(jīng)接收信號處理模塊后，波形圖如圖7（b）所示。從兩路信號的波形圖可以看出上網(wǎng)系統(tǒng)傳輸信號存在一定延遲，但不存在誤碼。這表明本系統(tǒng)不僅能完成設(shè)計目標，而且能實現(xiàn)順暢穩(wěn)定的上網(wǎng)功能。

圖7 系統(tǒng)測試結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文提出并搭建了一套點對點式的室內(nèi)實時全雙工可見光通信上網(wǎng)系統(tǒng)，并對其進行了實驗測試。測試結(jié)果表明，當(dāng)傳輸距離為3m時，本系統(tǒng)不僅能保證LED的照明效果，而且上網(wǎng)速率達到4Mb/s，通過示波器觀察到信號無誤碼，本地PC端網(wǎng)絡(luò)視頻播放流暢。本系統(tǒng)的不足之處在于：采用LED作為通信光源時，由于LED調(diào)制帶寬較低，使得整個系統(tǒng)的通信速率受到限制，今后的研究應(yīng)著重解決此問題。

[1]TANAKA Y,HARUYAM S,NAKAGAWA M.Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links PIMRC 2000[C]// 11th IEEE International Symposium On Personal,Indoor And Mobile Radio Communications，London,18-21 Sep,2000.London：IEEE,2010.

[2]傅倩,陳長纓,洪岳,等.改善室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)[J].自動化與信息工程,2010,31(2)：4-7.

[3]駱宏圖,陳長纓,傅倩,等.白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù),2011,35(2)：56-59.

Real-time full duplex online system based on visible light communication using the LED

ZHAI Ya-xue1,TANG Xian-feng1,WAN Dong1,2,ZHANG Xiao-guang1
(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China; 2.Beijing Information Technology College,Beijing 100018,China)

Based on the indoor visible light communication(VLC)technology,the paper configuration a new design scheme of point-to-point real-time full duplex indoor visible light communication system and introduces the general design method.It sets up a complete set of real-time full duplex online system based on visible light communication using the LED,and carries out the experiment to verify the proposed design scheme.

visible lighe communication(VLC),real-time,duplex online

TN91

A

1002-5561（2016）04-0038-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.013

2015-12-01。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費北郵青年科研創(chuàng)新計劃專項項目（2014RC1201）資助；北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室自主課題資助；國家自然基金（61205065）資助。

翟亞雪（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為無線光通信與光電子器件。