白光LED光通信的关键技术研究_白光led的实现方式

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白光LED光通信的关键技术研究

可见光通信是一项新兴的基于白光LED的无线光通信技术。可见光通信系统可以实现照明和通信的双重功用。通过分析影响白光LED通信性能的因素，对白光LED通信中提高系统整体性能的若干关键技术进行了分析讨论，为改善白光LED通信系统性能提供进一步努力的参考依据。

一、引言

可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)是随着白光LED照明技术的发展而兴起的无线光通信技术，可分为室内可见光通信和室外可见光通信两大类。白光LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。同时与传统照明光源相比，白光LED又具有响应时间短、高速调制的特性，因此可以设计出基于白光LED的室内可见光无线通信系统和网络，实现照明和通信的双重作用。目前，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但与可见光通信的实用还有一定的距离，系统的各项性能有待进一步优化。

二、系统发展概述

近年来，中日欧美的研究人员对基于白光LED照明光源的可见光通信的展开了面向应用的研究。其中作为美国国家科学基金的十年规划，2008年美国政府动员30所大学及科研机构，投入1850万美元的启动资金开展了该领域的科技攻关。但由于该项技术综合性强，技术难度大，目前全面掌握核心技术并能够做到在世界级展会上现场演示样机的仅有中国暨南大学与日本太阳诱电公司两家。

2004年，Takakuni等对基于白光LED灯的整体通信系统进行了初步实验研究，该系统[1]利用桌面LED照明台灯向用户提供广播信息，结构简单，但系统通信距离较短，数据传输速率较低。2008年，太阳诱电株式会社在“东京国际消费电子博览会”上现场演示了采用白光LED的高速无线通信系统，最大数据传输速率可达100Mbit/s[2]。该系统实现了双向全双工高速通信，但是最大传输距离仅为0.2m左右。当通信距离超过0.2m时，随着通信距离的增加，系统的误码率增大。

2006年，暨南大学的陈长缨 [3]、胡国永[4]等提出利用白光LED照明光源用作室内无线通信，设计并实现了近距离(0.2m)、点对点的白光LED通信系统。该系统成功实现了10MHz的传输速率下，FM信号的传输。暨南大学陈长缨研究团队在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题，设计并实现了具备实用照明功能的室内白光LED通信系统。该系统成功实现4Mbit/s带宽的数字多媒体音视频信号使用白色可见光进行传输，信号传输距离超过了2.5m，2008年12月，项目通过了广州市科技计划项目成果验收，2009年11月在深圳高交会上展出并公开进行现场实机演示。2010年4月开始，暨南大学这套白光LED照明-通信兼用系统作为我国唯一的白光LED通信科技创新成果选送上海世博会，在“沪上生态家”城市案例馆向全世界公开展示。

三、提高白光LED通信系统性能的相关技术

阵列光源的布局设计

在VLC系统中，光源的布局是影响系统性能的一个关键因素。光源布局需要考虑两个方面，一方面是组成白光LED阵列光源的内部LED灯的排布(个数及排列)，另一方面是室内LED的整体布局(个数及室内分布)。通过两方面的合理布局可以使室内光分布同时满足照明和通信的需要。

在设计照明-通信的室内光源时，为符合照明场所国际标准的亮度分布要求，LED光源最终设计成白光LED的阵列形式。组成每个LED阵列所需的白光LED的总个数取决于LED间隔的大小，间隔过大或过小，都会影响光照度的均匀性。间隔的取值，应平衡中心区域光强度与所需LED个数。LED的排列需要考虑接收面的照度要求和光强分布。LED的数目和排列需合理设计，在达到室内照明标准的同时，也要考虑码间串扰(ISI)的影响。

在室内VLC系统中，要使通信效果达到最优，须根据房间的大小以及室内设施，使房间内同一水平面上分布的光功率变化最小，尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多，可以降低“阴影”效应，同时接收功率大大增加，但多个不同的光路径会使得ISI越严重。因此，合理安排 LED阵列光源的布局尤为关键[5]。

有关阵列光源中LED灯的排布以及LED照明光源的整体布局设计方案，国内外不少研究人员进行了理论设计和计算机仿真，这里不再赘诉。

驱动电路优化设计

调制带宽是衡量LED的调制能力的参数，是LED用于无线光通信的重要参数之一，它关系到LED的数据传输速度大小。

LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容的影响。在白光LED制造工艺上，除了减少载流子复合寿命和减小寄生电容，我们还可以采用具有很大的潜在调制带宽的多芯片型白光LED。此外，通过外部驱动电路的优化设计也是提高LED调制能力的一种方法。考虑到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂以及光功率补偿等，用于数字视频信源码流传输的白光LED高速调制驱动电路设计方案[6]如图1所示。

图1 射极耦合电流开关型LED高速调制驱动电路

图1为射极耦合电流开光型驱动电路。晶体管BG1和BG2组成发射极耦合式开关，BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，给LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作，即使输入端过激励时，其仍没有达到饱和，所以开关速率更高，计算表明该电路可响应300Mb/s以上的数字信号。

均衡技术

有研究人员通过在白光LED通信系统中引入均衡技术来提高系统的调制带宽[7]。以16个LED作为光源，同时借助于16组略有差异的调谐驱动电路使每个LED具有不同的峰值频率。每个LED的前置均衡电路都由一个缓存器、谐振电路、谐振电容、谐振电感以及直流源组成(将产生的直流信号叠加到原始信号上)。据称，采用均衡技术可将LED的调制带宽从3MHz提高至25MHz，同时相应地降低了系统的误码率。在接收端也引入了均衡技术，在实验中接收端的均衡方案由一个简单的一阶模拟均衡器组成。最终的实验测试表明，收发两端引入均衡技术后，系统可以在保持10-6级误码率的同时提供超过75Mb/s的传输速率。假如适度增加均衡方案的复杂性，可以进一步优化系统性能，其中的一个设计方案表明，在一个中等大小的房间里通信的速率有潜力达到100Mb/s。

正交频分复用技术

日本庆应大学中川研究室提出，为提高传输的数据率，在VLC中引入正交频分复用(OFDM)调制方式的必要性。OFDM技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。由于OFDM具有很强的抗多径能力，已经在高速无线通信中获得了广泛应用。对无线光通信来说，多径传播是引入ISI的主要原因，限制了通信传输速率。在基于白光LED的VLC系统中，也可以采用OFDM方式降低ISI[8]。

国内外研究人员给出了一些利用OFDM技术来实现可见光无线通信的方案。其中一个方案由以下几部分组成：电力线调制器、白光LED照明阵列和OFDM解调器[9]。在发射端，对信源电信号进行OFDM编码，并加一直流偏置对LED光源调制。在接收端，将接收到的OFDM调制的光信号进行解调。提取出发射端被插入的导频信号，可以对信道状态进行实时评估和更新。在可见光OFDM系统中，一方面将串行的高速数据并行地调制在多个正交的子载波上，降低了码速率，减少了ISI的影响[10]。另一方面在每个OFDM符号之间加入保护间隔，进一步消除残留的ISI。最新信息表明，OFDM调制一定程度上增加了白光LED通信系统的冗余，但仿真实验证实了可以将误码率稳定在较低水平。

信道编码技术

暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术[6]。分组码是通信领域应用极广的一种编码技术。通常来说，分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组，根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示，然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。m和n均为正整数，且n>m，一般有n=m+1。常用的有1B2B(曼彻斯特码)、3B4B、5B6B、6B8B等。mBnB码的优点有：①功率谱形状较好;②连0，连1个数有限，没有基线漂移问题;③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明，6B8B编码的光信号在通信距离r=0.5～2.5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用6B8B编码技术，可以保证系统高速传输数据的同时，信号传输距离超过2.5m。该研究组正在寻找一种更加适合白光LED通信的mBnB分组编码方式，以进一步改进通信效能。

分集接收技术

一种基于分集技术的光接收机技术可以用来克服码间干扰和阴影的影响[9]。分集接收的思想就是在接收机的不同方向上安装多个光电探测器，对多个探测器接收到的信号进行比较，选取信噪比最大的信号进行通信。

分集接收电路的设计根据信号传输速率的不同分为两类。在通信速率不是很高时(通常低于100M时)，采用低速率分集接收装置，就是简单地将多个信号直接相加，总体上提高接收信号的功率，如图2所示。当传输速率超过100M时，由于码间串扰的影响，不能将信号直接相加，必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择，高速率分集接收装置如图3所示。在高速通信中，信噪比最大的方向为直射链接的方向。此时，应选取最接近直射链接的方向作为最佳接收方向。

图2 低速率分集接收探测器原理框图

图3 高速率分集接收探测器原理框图

在接收机的不同方向上安装的多个光电探测器均匀分布于一个半球面上，这样在减少探测器个数的同时又提高了接收效果。只要不是整个接收机被遮住，通信就不会中断。关于探测器的个数和布局，需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。

理论计算和计算机仿真结果表明，采用分集接收系统，能很好地克服不同路径引起的码间干扰的影响。而且，当接收机随用户位置改变或室内有人员走动和其他物体产生阴影时，通过分集接收系统自动判决和选择，不需要人工设置就能保证通信系统的畅通。实验证明，在高速通信中，采用分集接收技术的系统信噪比平均提高了2dB，有效提高了系统性能。

自适应传输技术

采用自适应收发器的设计方案，可以有效减缓光无线通信中信噪比的剧烈波动[7]。在发射端，借助一个信号处理器(DSP)来完成对机电定向系统的实时控制。

DSP被广泛应用于现代通信中，使通信系统获得更高的信噪比、更好的灵活性及调节预见性。对白噪声、非平衡干扰和多径干扰，可以有相应的实现方法去进行最佳的信号处理。在接收端，则采用单一的光电检测器来简化对光前端的设计。这个优化的设计方案采用定向机制将更多的光能量集中到单一信道，一方面由于接收端视场的减小而降低了环境噪声对系统性能的影响，另一方面大大提高了系统抗多径畸变的能力。

四、可见光LED通信应用的展望

凡是用LED进行照明和指示的设备加上通信的功能即可衍生出新用途：

在博物馆、展会等场馆内，参观者只要手持相应的接收设备(如手机)，就可以随时随地接收加载了信息的LED灯传输的文字、声音、图像等，使讲解更加生动。

将此技术应用于一些小商品如手电筒、玩具、礼品等LED上，可成为前所未有的新产品。如可用作电子钱包的手机，可成为入场券的LED请柬，可互相打招呼的玩具等等。

大屏幕LED显示以及LED交通信号灯，成为实时信息下载平台，人们用手机对准即可下载屏幕上的显示内容：商品广告和优惠信息、股市行情、实时交通信息等。

在白光LED照明未来最大的市场??车用照明领域，构成汽车大功率LED前照灯信息传输系统[10]。将车牌号、车速、载重量等多种信息自动瞬时地传输到各种交通监测设备，实现自动缴费、车量登记、测速等，解决目前智能交通系统ITS中最为头痛的车辆信息采集问题。LED尾灯也可与后车快速传递路况、刹车等信息，避免交通事故的发生。

此外，也可应用于自动车库门、私家停车场等，实现无人化管理。

五、总结

在照明领域，基于白光LED可见光通信的推广应用增加了半导体照明的附加值，有助于提高LED照明对现有照明光源的竞争力。在通信领域，它已成为光无线通信领域一个新的增长点。可见光通信具有不占用频谱资源、发射功率高、无处不在、无电磁干扰、节约能源等优点，具有极大的发展前景。但是，要真正实现室内超高速光无线数据通信，还有很多挑战需要面对，如光源及其布局、调制解调和编解码技术、无线信道传输和复用技术、码间干扰的克服技术等相关技术需要进一步优化。

声明：本文的分析介绍与作者及其团队在其研究成果中具体研究或运用的技术没有必然的联系。

参考文献

[1]Douseki, TaKakuni.A batteryle optical-wirele system with white-led illumination[C].IEEE Int.Symp.Person Indoor Mobile Radio Commun(PIMRC2004), Barcelona, Spain,2004,4: 2529-2533

[2]蓬田宏树.太阳诱电试制采用白色LED,数据传输速度100Mbps的通信系统[EB/OL].2008-10-8[2009-04-09].http://china.nikkeibp.com.cn/

[3]广州市2006年科技计划合同书(项目编号2006Z3-D0201)2006-6-15

[4]胡国永,陈长缨,陈振强.白光LED照明光源用作室内无线通信研究[J].光通信技术,2006, 30(7):46-48

[5]丁德强,柯熙政.可见光通信及其关键技术研究[J].半导体光电,2006, 27(2): 114-117

[6]赵俊.基于白光LED阵列光源的可见光通信系统研究[D].暨南大学,硕士论文,2009

[7]丁举鹏,黄治同.光无线通信研究方向及技术优化初析[J].数字通信世界2009,8:66-68

[8]V.Jungniekel,V.Pohl,S.Nönnig,and C.vonHelmolt.A physical Model of the Wirele Infrared Communication Channel.IEEE.2002:631-640

[9]于志刚，陈长缨，赵俊.白光LED照明通信系统中的分集接收技术[J].光通信技术,2008，32(9)：52-54

[10]顾玉娟.无线光通信技术研究[J].数字通信世界,2007,4:76-78