一種LED色彩和亮度可控的可見光通信技術(shù)

劉 藝，李 欽，李新華

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

1 引言

隨著越來(lái)越多的LED燈被安裝在商店和辦公室中，人們對(duì)基于可見光的無(wú)線通信的興趣也在不斷增加.在21世紀(jì)初，基于LED可見光通信 (VLC)的第一個(gè)MAC協(xié)議和PHY協(xié)議被批準(zhǔn)[1]通過(guò).LED燈的優(yōu)點(diǎn)之一是可以通過(guò)控制輸入電流，輕松地改變自身的顏色和亮度.人們引入了多種調(diào)制方式來(lái)提高可見光LED燈[2-6]的數(shù)據(jù)傳輸速率.有趣的是，大多數(shù)關(guān)于VLC的研究都喜愛使用白色LED燈[2-5]，可能是因?yàn)榘咨亲钇胀ǖ囊环N顏色.隨著情感照明的飛速興起，研究人員發(fā)現(xiàn)不同顏色的VLC可具有不同的應(yīng)用.情感照明是一種能根據(jù)各種周圍環(huán)境因素改變顏色的照明方案，如情緒，音樂(lè)，食物，溫度，節(jié)能，或生態(tài)效益.調(diào)光控制是情緒照明的另一個(gè)重要組成部分.文[7]提出了一種單色的VLC方案，但沒(méi)有對(duì)顏色的控制.文[8][9]中也提出了幾種調(diào)光方案.在本文中，我們提出了一種在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中同時(shí)控制顏色和亮度的方法.我們使用脈寬調(diào)制(PWM)控制LED燈的顏色，用可變脈沖位置調(diào)制(VPPM)控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)LED燈的亮度.我們改進(jìn)了傳統(tǒng)的PWM方案，以適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?通過(guò)將PWM和VPPM以適當(dāng)?shù)姆绞胶喜?，提出了一種能通過(guò)調(diào)節(jié)顏色和亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨竅10].通過(guò)觀測(cè)該方案的二進(jìn)制輸出波波形，可發(fā)現(xiàn)能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn).同時(shí)制作了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)其傳輸性能進(jìn)行了分析.

2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)使用紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)三種LED用于顏色合成.根據(jù)CIE 1931色度圖，這三種顏色可以組合成任何顏色.人眼所感知的顏色是由每種LED燈顏色的亮度比決定，而這種亮度比可以由每個(gè)LED的開/關(guān)周期來(lái)控制.因此，如圖1所示，PWM信號(hào)可以在一個(gè)時(shí)間序列中同時(shí)顯示不同亮度的RGB來(lái)生成任意顏色.為了避免人眼察覺(jué)到LED燈閃爍，PWM周期TW應(yīng)當(dāng)小于10ms.當(dāng)RGB的顯示時(shí)間比為1:1:1時(shí)，會(huì)組合成白色，而為1：0.6：0時(shí)會(huì)變成橙色.如圖1(A)所示，PWM給每種顏色提供了一個(gè)固定的時(shí)間序列，由于每個(gè)時(shí)間序列內(nèi)的實(shí)際脈沖寬度(PW)是可變的，因此可通過(guò)改變每種顏色LED燈的實(shí)際脈沖寬度來(lái)控制燈的亮度和顏色.但由于連續(xù)PWM信號(hào)之間時(shí)間空隙的存在，這種排列的RGB并不適合連續(xù)傳輸數(shù)據(jù).假定每種顏色的脈沖排列如圖1(B)所示，那么數(shù)據(jù)將會(huì)持續(xù)傳輸，因?yàn)槊總€(gè)LED燈之間都是連續(xù)的，沒(méi)有任何空位.采用PWM方法能實(shí)現(xiàn)的隨顏色的控制，但不能單獨(dú)控制亮度，因?yàn)榱炼仁怯擅總€(gè)脈沖的振幅決定的，所以需要添加額外的電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器.綜上所述，我們將VPPM與PWM結(jié)合起來(lái)，可同時(shí)控制LED燈的顏色和亮度.VPPM的脈沖位置隨輸入數(shù)據(jù)的變化而變化，PW隨亮度的變化而變化，如圖2所示.

圖1 使用PWM編碼對(duì)LED進(jìn)行顏色控制

圖2 使用VPPM編碼方案的LED亮度控制

由于LED的平均轉(zhuǎn)換時(shí)間不隨輸入數(shù)據(jù)類型(“0”或“1”)而改變，因此在VPPM編碼中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)燈閃爍和顏色變化問(wèn)題.圖3顯示了PWM和VPPM的混合輸出信號(hào)，其中PWM中的顏色比例決定了可見的顏色，而VPPM的PW控制著LED的亮度：

圖3 混合PWM和VPPM控制顏色和亮度

pW(t)表示PWM信號(hào)，pV(t)表示VPPM信號(hào).

∏表示矩形函數(shù)，TW表示PWM的周期，tRGB是RGB在PWM窗口內(nèi)的位置，而WRGB是RGB的PW.

數(shù)據(jù)mj取0或1，Tb為位周期，Vj為VPPM信號(hào)的PW.曼徹斯特編碼和2-PPM可以很容易地恢復(fù)接收器時(shí)鐘，因?yàn)闊o(wú)論是什么數(shù)據(jù)類型，信號(hào)變化只發(fā)生在每個(gè)比特的中心.但是，VPPM編碼卻很難進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，因?yàn)閂PPM編碼的信號(hào)轉(zhuǎn)換并不發(fā)生在每個(gè)比特的中心，而是隨著亮度的變化而變化.為了在這種情況下恢復(fù)時(shí)鐘，在(4)和(5)中提出了兩個(gè)算法.在程序開始時(shí)，測(cè)量脈沖寬度ΔL和持續(xù)時(shí)間ΔH，以確定最佳決策時(shí)間，該時(shí)間位于信號(hào)較窄部分的中心，如圖4所示.

圖4 從VPPM解碼信號(hào)恢復(fù)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)

因此，可根據(jù)LED燈的亮度和數(shù)據(jù)值對(duì)恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行分類.根據(jù)亮度是大于還是小于50%，采用(4)和(5)計(jì)算決策時(shí)間.上升時(shí)間tr(n)是由VPPM信號(hào)在先前的判決時(shí)間td(n)之后的轉(zhuǎn)換得到的.

圖4顯示了不同亮度的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)的例子，圖4(A)和 4(B)的分別顯示亮度為 70%(ΔH≥ΔL)和 30%(ΔH＜ΔL).圖4中的決策信號(hào)提供了接收到的VPPM編碼信號(hào)的數(shù)據(jù)決策時(shí)間.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)提出的VLC方案進(jìn)行了測(cè)試.該實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)廣闊的開放區(qū)域進(jìn)行的，LED燈和光電二極管(PD)都是垂直放置的.信息數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行VPPM編碼和PWM編碼，然后提供給一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路.在驅(qū)動(dòng)電路中的三個(gè)晶體管中(每種顏色的LED為一個(gè)驅(qū)動(dòng))，只有一個(gè)晶體管在任何特定時(shí)間工作，這是由PWM脈沖決定的.使用由36個(gè)LED模塊(F 50360)組成的LED燈，每個(gè)模塊包括單獨(dú)的0.5W RGB LED芯片.LED燈的光通量為105 lm，視角為120°.對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的電流電平進(jìn)行調(diào)整，使其能夠補(bǔ)償帶有顏色的PD的響應(yīng)度的差異.在PD(FDS 100)處接收發(fā)射的LED光，其光譜響應(yīng)為350nm～1100nm，有效面積為13.0mm2×13.0mm2.最后，VPPM解碼器恢復(fù)數(shù)據(jù).PWM編碼是不需要恢復(fù)的，因?yàn)樗挥糜谶x擇LED顏色.所有三種顏色的光都由一個(gè)PD接收.由FPGA器件實(shí)現(xiàn)編碼，解碼功能.

圖5 方案的初步設(shè)置

圖6 30%亮度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)VLC標(biāo)準(zhǔn)中的PHY I型，實(shí)驗(yàn)采用200 kbps的數(shù)據(jù)速率傳輸兩個(gè)語(yǔ)音信道和文本消息.在傳輸中使用一個(gè)周期為28-1的偽隨機(jī)數(shù)(PN)來(lái)測(cè)量在接收機(jī)處的比特誤碼率(BER).在接收端產(chǎn)生相同的PN序列，然后與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，測(cè)量誤碼率.369個(gè)LED模塊分為6個(gè)平行組，每組由6個(gè)LED串聯(lián)而成；所有36個(gè)LED都由一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IRF530A)驅(qū)動(dòng).圖6顯示了30%亮度的編碼信號(hào).傳輸數(shù)據(jù)、PWM/VPPM編碼數(shù)據(jù)、判決時(shí)鐘和恢復(fù)數(shù)據(jù)按順序顯示[11].如圖6所示，無(wú)論亮度如何，發(fā)送的數(shù)據(jù)都會(huì)被恢復(fù).

圖7顯示了傳輸?shù)男阅?圖7(A)對(duì)應(yīng)使用不同顏色的傳輸?shù)钠?在本實(shí)驗(yàn)中，亮度固定在50%.在290厘米處紅色或藍(lán)色的誤碼率與在270厘米處的綠色相同，顏色的傳輸也是成功的.混合顏色的是因?yàn)椴煌念伾哂胁煌腜D響應(yīng).當(dāng)RGB LED的PWs幾乎相等時(shí)，混合顏色為白色.圖7(b)顯示出了由RGBLED的PWM實(shí)現(xiàn)的白光的BER，但是亮度不同.在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)亮度為50%時(shí)效果最好，如圖7(A)所示，當(dāng)達(dá)到70%亮度時(shí)候，傳輸顯示出更糟糕的情況.當(dāng)誤碼率為1.0E-6時(shí)，可能的傳輸距離比亮度為50%的傳輸距離短60cm，這是由于VPPM中“0”信號(hào)的PW過(guò)窄所致.最壞的情況是用30%的LED亮度觀測(cè)，這是由于VPPM中“1”信號(hào)的PW過(guò)窄和低輸出功率造成的.

圖7 不同顏色和亮度的信噪比

結(jié)果表明，脈沖對(duì)稱性和強(qiáng)度都影響誤碼率.因?yàn)槊總€(gè)比特在特定時(shí)間都有一個(gè)數(shù)據(jù)決策，如果有一個(gè)對(duì)稱的脈沖，如50%的亮度，那么將使傳輸過(guò)程更加穩(wěn)定.低亮度意味著比特周期內(nèi)的具有低電平，從而導(dǎo)致更低的信噪比.數(shù)據(jù)速率的增加會(huì)導(dǎo)致VPPM信號(hào)的性能下降，因?yàn)楸忍刂芷诘碾娖捷^低會(huì)導(dǎo)致較低的信噪比.雖然在調(diào)光控制期間傳輸沒(méi)有斷開，但是性能上的變化是可以看到的.通過(guò)在接收機(jī)上采用合適的濾波器，可以降低不同亮度的性能差距，這是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的課題.

4 結(jié)論

利用PWM編碼和VPPM編碼，成功地實(shí)現(xiàn)了控制LED顏色和亮度的可見光無(wú)線光通信.在顏色和亮度的連續(xù)變化上實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫傳輸.由于接收光功率和脈沖形狀的變化，對(duì)傳輸性能的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè).這種差異可通過(guò)調(diào)光來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)速率彌補(bǔ).隨著情感照明的廣泛應(yīng)用，該方案是LED光傳輸數(shù)據(jù)的重要候選方案.