室內(nèi)LED可見光通信技術(shù)分析

陳華忠

摘 要：本文主要分析了LED可見光通信的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)，然后就LED可見光通信的未來應(yīng)用進行展望，以期促進LED可見光通信技術(shù)的發(fā)展與完善。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)LED；可見光通信；應(yīng)用展望

中圖分類號：TN929 文獻標(biāo)識碼：A

LED可見光通信系統(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但當(dāng)前LED可見光通信技術(shù)還不夠成熟，距離商用還有一定差距，仍需要我們不斷加強研究以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的各項性能。

一、室內(nèi)LED可見光通信原理簡介

室內(nèi)LED可見光通信的基本原理是利用燈光的“明”和“暗”來分別表示數(shù)字信號“0”和“1”，然后將廣播、圖像、音頻、影像等待發(fā)射的信息調(diào)制后加載到LED燈光上，通過LED燈光的高頻閃爍將信號傳送出去。由于LED響應(yīng)速度極快，不會對人眼造成影響，因此能夠在正常照明的同時實現(xiàn)無線通信功能。在信號接收端一般設(shè)置有光電探測元件，可以對接收到的可見光信號進行放大和解調(diào)處理，進而將其重新還原成廣播、音頻、影像等信號。

二、室內(nèi)LED可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)

1.光源布局

一般情況下，光源布局要考慮兩點：一是組成陣列光源的內(nèi)部LED燈的數(shù)量及排列方式；二是整個室內(nèi)LED光源的分布。在室內(nèi)光源設(shè)計中，為滿足國際照明標(biāo)準(zhǔn)，通常將LED光源設(shè)計為白光LED陣列形式，構(gòu)成各LED陣列的LED個數(shù)由LED間隔大小決定，而間隔大小需要綜合考慮中心區(qū)域的光強度。在LED排列問題上，則要充分考慮信號接收面的照度要求與光強分布。同時在設(shè)計LED數(shù)量及排列時，還要考慮碼間串?dāng)_問題。為提高通信質(zhì)量，還應(yīng)結(jié)合房間大小及內(nèi)部設(shè)施陳列，盡量使室內(nèi)同一水平面上的光功率保持一致，防止出現(xiàn)通信死角。此外，考慮到行人、設(shè)施等造成的遮擋，不可避免地會產(chǎn)生一些陰影區(qū)，對此可通過增加光源數(shù)量來減少陰影效應(yīng)，但過多的光路徑又會引發(fā)嚴(yán)重的碼間干擾，因此根據(jù)室內(nèi)實際情況科學(xué)設(shè)計LED陣列光源是提高通信效果的關(guān)鍵。

2.驅(qū)動電路優(yōu)化

LED可見光通信系統(tǒng)設(shè)計中有一個非常重要的參數(shù)——調(diào)制帶寬，它直接影響著LED調(diào)制能力的高低，進而決定著無線光通信系統(tǒng)的傳輸速率。調(diào)制帶寬通常取決于有源區(qū)載流子復(fù)合壽命與PN結(jié)電容，在LED制造過程中，普遍采取的措施為減少載流子復(fù)合壽命與控制寄生電容，或者使用多芯片型白光LED，除此之外，通過對驅(qū)動電路進行優(yōu)化設(shè)計也能有效地提升調(diào)制帶寬。在綜合電磁、噪聲、溫漂、光功率補償?shù)雀蓴_因素的基礎(chǔ)上，LED可見光高速調(diào)制驅(qū)動電路可設(shè)計為以下形式，如圖1所示。

其中，BG代表晶體管，Dz代表穩(wěn)壓二極管，BG1與BG2構(gòu)成發(fā)射極耦合式開關(guān)，BG3和Dz構(gòu)成恒流源電路，能夠穩(wěn)定地為LED支路供應(yīng)驅(qū)動電流。又因為此電路超出了線性范圍工作，就算輸入端過激勵，也不會出現(xiàn)飽和，故開關(guān)速率十分高，理論上這種電路可實現(xiàn)300Mb/s的信號調(diào)制。

3. OFDM技術(shù)

OFDM即正交頻分復(fù)用，該技術(shù)的主要原理就是把高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Φ退俚亩嗦凡⑿袛?shù)據(jù)，然后分別對不同的載波加以調(diào)制。OFDM技術(shù)擁有極強的抗多徑能力，如今已在高速無線通信中得到了普及應(yīng)用。在LED可見光通信中，由于多路徑會導(dǎo)致碼間干擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)傳輸速率，因此通過引入OFDM技術(shù)來控制碼間干擾是一個十分理想的選擇。

目前，已有研究人員針對OFDM在LED可見光通信中的應(yīng)用提出了一些可行方案，其中比較成熟的一種方案如下：該方案由LED照明陣列、電力線調(diào)制器、OFDM解調(diào)器3部分構(gòu)成，信源電信號在發(fā)射端完成OFDM編碼，并通過一直流偏置實現(xiàn)對LED光源的調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的光信號在接收端完成解調(diào)，并通過提取導(dǎo)頻信號實現(xiàn)對信道狀態(tài)的實時監(jiān)測和更新。OFDM應(yīng)用于無線光通信系統(tǒng)時，需要將高速串行數(shù)據(jù)以并行方式調(diào)制到多個正交子載波上，以減少碼速率、消除碼間干擾，同時還要在各OFDM符號間添加保護間隔，以徹底除去殘余的碼間干擾。

4.信道編碼技術(shù)

趙俊、陳長纓研發(fā)了一種能夠用于LED可見光通信的mBnB分組編碼技術(shù)。該技術(shù)所采用的分組碼在通信領(lǐng)域中已有十分廣泛的應(yīng)用，通俗而言，就是把原始信息碼字以m比特為單位加以分組，并按照特定規(guī)則，以另外每組為n比特的碼字進行表示，最后將新得到的分組用NRZ或RZ碼的格式傳輸出去。其中，m>n，且兩者都是正整數(shù)，通常n=m+1。目前比較常見的編碼形式有1B2B、3B4B、6B8B等。這種編碼技術(shù)的優(yōu)點如下：一是功率譜的形狀相對較好；二是消除了基線漂移現(xiàn)象；三是能夠穩(wěn)定地進行誤碼監(jiān)測和字同步。已有研究表明，6B8B編碼的光信號在0.5m～2.5m距離內(nèi)的通信十分穩(wěn)定，不會因LED數(shù)量、串口模塊分頻等因素而受到顯著影響。采用6B8B編碼，能夠在確保信號高速傳輸?shù)幕A(chǔ)上，使通信距離突破2.5m。

5.分集接收技術(shù)

分集接收的基本原理就是在接收機上設(shè)置多個方向的光電探測元件，并對不同方向上探測到的信號加以對比分析，然后選擇其中信噪比最大的信號來完成通信，該技術(shù)在解決碼間干擾和抗陰影效應(yīng)方面具有良好的表現(xiàn)。在設(shè)計分集接收電路時，需要按照信號傳輸速率的高低將其分成兩類：在通信速率較低的情況下（一般將100M以下作為低速率），使用低速率分集接收裝置，即直接對多個信號進行疊加，從整體上增強信號功率。在傳輸速率較高的情況下，考慮到碼間干擾問題，無法對信號進行簡單疊加，需要增加一個專門的控制電路來進行信號評估和選擇。通常而言，在高速通信過程中，直射鏈接方向的信噪比最高，因此優(yōu)先將最貼近直射鏈接的方向作為信號接收方向。在采用分集接收技術(shù)的光接收機上，探測器盡可能均勻地分布在一個半球面上，從而能夠以較少的探測器數(shù)量實現(xiàn)多個方向上的穩(wěn)定接收效果，除非接收機被整個遮擋才有可能出現(xiàn)信號中斷。

6.自適應(yīng)傳輸技術(shù)

自適應(yīng)傳輸技術(shù)能夠有效克服LED可見光通信中的信噪比波動問題。在自適應(yīng)收發(fā)器的發(fā)射端，有一個專門的DSP（信號處理器）負(fù)責(zé)機電定向系統(tǒng)的實時控制。DSP在通信系統(tǒng)中的普及和應(yīng)用，在一定程度上改善了系統(tǒng)的信噪比，并且靈活性更強。同時，對于白噪聲、多路徑干擾等，也能夠通過相應(yīng)的信號處理手段加以解決。在自適應(yīng)收發(fā)器的接收端，由于使用了單一的光電檢測器，使得光前端設(shè)計大大簡化，并通過某種定向機制使光能量作用于單個信道，從而減小了接收端視場，有效避免了環(huán)境噪聲對通信穩(wěn)定性的干擾，增強了系統(tǒng)對多路徑畸變的抵抗能力。

三、LED可見光通信技術(shù)的應(yīng)用展望

LED可見光通信技術(shù)有著十分廣闊的應(yīng)用前景，只要是基于LED的照明和指示裝置均可以通過增加通信功能而獲得一些全新的用途。例如，在博物館中，可以在LED指示燈中加載相關(guān)展品的解說信號，只要游客攜帶了具有可見光通信功能的移動設(shè)備，就能隨時獲取展品的解說信息；在LED大屏幕或廣告牌上加載相應(yīng)的信號后，人們可以直接用手機等設(shè)備下載屏幕上的內(nèi)容和信息，如廣告信息、交通信息等；在車輛照明領(lǐng)域，可以為汽車前照燈增加信息傳輸功能，將車輛載重、車牌號、車速等信息自動發(fā)送到各類交通監(jiān)測裝置上，輕松完成繳費、登記、測速等功能，極大地方便了車輛信息的采集和管理，同時車輛尾燈也可用于向后面的車輛發(fā)送剎車、路況等信息，從而大大提高交通運輸?shù)陌踩浴?/p>

結(jié)語

LED可見光通信技術(shù)不占用無線頻譜資源，可以直接對無處不在的照明燈光加以利用，在節(jié)能環(huán)保的同時實現(xiàn)高速無線通信功能。但目前該技術(shù)仍處于實驗研究階段，雖然研究人員已經(jīng)針對光源布局、驅(qū)動電路優(yōu)化、OFDM、信道編碼等進行了大量的研究工作，但依然有一些技術(shù)難關(guān)亟待人們?nèi)スタ?，相信在研究人員的不懈努力之下，LED可見光通信技術(shù)必將在未來社會中大放光彩。

參考文獻

[1]秦嶺，巨永鋒，杜永興，等.智能交通中新型可見光通信系統(tǒng)性能研究[J].公路交通科技，2016，33（7）：114-118.

[2]亓沂濱，陳津.基于led的光通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（14）：51-52.