可見光通信在室外LED路燈上的實現(xiàn)

1 引言

近年來， 被譽(yù)為“綠色照明” 的半導(dǎo)體(LED) 照明技術(shù)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調(diào)制性能好，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點。利用LED 的這種特性，它能用作照明的同時，還可以把信號調(diào)制到LED 可見光束上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)一種新興的光無線通信技術(shù)，即可見光通信( Visible light communication，VLC) 技術(shù)。與傳統(tǒng)射頻無線技術(shù)相比，VLC 可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾，也無需相應(yīng)頻段的許可授權(quán)，能夠以較低的成本實現(xiàn)高帶寬高速率的無線通信接入。具有很好的空間復(fù)用性，極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，是對現(xiàn)有射頻技術(shù)的很好的補(bǔ)充。這些吸引人的特性，使得VLC 在世界范圍內(nèi)受到極大關(guān)注。

VLC 可以提供很多應(yīng)用，如LED 照明，信息廣播和M2M ( 機(jī)器到機(jī)器) 。LED 照明可應(yīng)用于辦公室/家庭照明，路燈和汽車燈。信息廣播可應(yīng)用于標(biāo)牌( 例如: 廣告牌) ，辦公室家庭照明和路燈。M2M 可應(yīng)用于移動手機(jī)到移動手機(jī)，汽車到汽車，汽車到交通信號燈和汽車到路燈等等。在實際研究方向上，LED 可見光通信分為室外通信和室內(nèi)通信兩類，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究小組率先提出了基于LED 的可見光通信( VLC) 系統(tǒng)，目前國內(nèi)國際的主要研究方向也大部分集中在此，主要包括室內(nèi)定位與導(dǎo)航及高速網(wǎng)絡(luò)連接。而室外可見光通信由香港大學(xué)G. Pang 等人在1998 年提出來，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在智能交通( ITS) 和室外廣告( Outdoor Advertising) 。ITS 應(yīng)用主要包括: 車到車雙向通信，車到交通設(shè)施雙向通信。

近幾年，國內(nèi)LED 路燈市場加速發(fā)展，為順應(yīng)這一形勢，本研究主要針對城市LED 路燈可見光通信的實現(xiàn)和基礎(chǔ)應(yīng)用探索，通過選擇合適的光調(diào)制解調(diào)方式，實現(xiàn)對LED 路燈基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及運行參數(shù)的現(xiàn)場VLC 讀取，驗證其可行性，并為城市LED 路燈開創(chuàng)新的智能化管理思路及發(fā)展方向奠定基礎(chǔ)。

2 研究內(nèi)容

2. 1 組成及工作原理

圖1 描述了一個基本的光通信系統(tǒng)組成，其主要包括信號發(fā)送部分和信號接收部分。在發(fā)送端，由編碼器編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)制電路轉(zhuǎn)換成發(fā)送電信號，然后驅(qū)動LED 路燈光源發(fā)送光信號經(jīng)自由空間光通路到信號接收端。在接收端，通過光傳感器和放大器檢出光信號并轉(zhuǎn)換成電信號。最終經(jīng)解調(diào)電路、解碼器獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成

2. 2 信號調(diào)制

光通信就是以光波為載波的通信，即用基帶信號對光波進(jìn)行調(diào)制。常用的調(diào)制方式包括: OOK、CCM ( Color Code Modulation ) 、HHW ( HighHamming Weight) 、VPM、R-RZ 等。本研究采用相對簡單的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測，即IMDD，屬于非相干通信系統(tǒng)。通常IMDD 系統(tǒng)分為二進(jìn)制系統(tǒng)和多進(jìn)制系統(tǒng)，此處選擇二進(jìn)制系統(tǒng)，并采用OOK編碼。

由于LED 路燈本身肩負(fù)的照明職能，如果單純采用OOK 編碼，勢必導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時LED 路燈出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，這樣對正常照明是不利的，所以進(jìn)一步優(yōu)化為二次調(diào)制模式。所謂二次調(diào)制，就是先將基帶信號調(diào)制到一個較低頻率的載波，模式為2FSK，載波本身為方波信號，然后再用調(diào)制后的方波信號再一次調(diào)制光波，模式為OOK。

例如，如果想傳輸數(shù)據(jù)1，則輸出方波信號f1，然后用f1 控制LED 燈開關(guān)，即LED 燈以f1 的頻率閃爍，如果傳輸數(shù)據(jù)0，則輸出方波信號f2，然后用f2 控制LED 燈開關(guān)，即LED 燈以f2 的頻率閃爍。一般情況下，當(dāng)閃爍頻率低于50Hz 以下時，人眼能夠識別光源的閃爍，當(dāng)光強(qiáng)以大于50Hz 的頻率工作時，人眼的反應(yīng)已經(jīng)跟不上光源的變化，大多數(shù)人將無法分辨出光源閃爍，此時的光源將發(fā)出穩(wěn)定、連續(xù)的光。例如: 人眼就察覺不到每秒100 次的閃爍( 100Hz) 的熒光燈的閃爍現(xiàn)象。因此當(dāng)f1和f2 選擇較高頻率時，人眼是無法觀察到LED 燈閃爍的。但是此時LED 燈的亮度會變化，變化程度根據(jù)f1，f2 方波的占空比而定。

信號調(diào)制電路如圖2 所示，基帶信號的1 選擇輸出f1 方波，信號0 選擇輸出f2 方波，然后將f1和f2 相加即得到調(diào)制后的2FSK 信號，然后將該信號轉(zhuǎn)換為LED 燈的調(diào)光信號輸出，為簡化設(shè)計，LED 燈工作于開關(guān)模式下。

圖2 信號調(diào)制

2. 3 信號解調(diào)

信號解調(diào)電路如圖3 所示，變化的光信號由光傳感器檢測出來后