白光LED无线光通信系统研究

黎之恒+赵升

摘要：可见光通信技术是基于白光LED照明光源的无线光通信技术，在电磁干扰场合可代替射频通信，应用前景很广阔。目前白光LED在提供室内照明的同时，已被用作通信光源实现室内无线高速数据通信。本文主要研究的是白光LED加载数字信号，并将信号编码发送，经过空气中长距离传输，接收信号通过电流电压转换、电压放大、比较整形、解码还原发送信号的技术，并在此技术之上加载语音信号传输，展现了本文所介绍的白光通信系统的实用价值。

关键词：白光LED，光通信，无线高速数据通信，语音信号传输。

中图分类号： TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

1 引言

可见光通信技术（VLC，Visible Light Communication）的研究与发展与射频无线通信相比，具有无需频带申请、造价低，小尺寸，高增益接收等众多优点。可见光通信技术最早由日本科研人员提出并展开研究，而我国也早在2008年由暨南大学教授陈长缨研制出国内首台白光LED可见光通信样机。但目前光通信系统大多仍在实验阶段，且LED白光灯响应频率低、传输距离有限、光的散射等因素都是影响LED光通信发展的巨大问题。

2 光通信相关技术研究

本系统以FPGA为核心，通过PIN光电二极管获取白光LED的光信号，经过电流-电压转换，电压放大，电压比较，将发送端传播的信号完整的还原。本系统设计可分为以下模块：信号的AD转换模块（analog to digital）、编码模块（coding block）、白光LED的驱动模块（white LED drive block）、白光LED的接收模块（optical receive block）、解码模块（decoder block）、DA转换模块（digital to analog block）、滤波模块（filter block）、语音模块（voice block）。下面对白光通信系统各模块进行逐一论证分析。

2.1白光LED的驱动模块论证与选择

DD311芯片是单通道输出的LED横流驱动器，内部建有电流镜与电流开关组件，它是专门为驱动大功率LED而设计的芯片。DD311可以驱动高达1A的渗入电流，并可通过调整参考输入（IREF）电流来任意设定输出电流的大小。输出电流约为100倍的输入电流，输入电流可由调整外挂电阻或偏压电压来设定。微调或使能偏压电压可校正LED的亮度，芯片的输出端可以承受高达33V的电压，可以支持多个大功率的LED串接使用。内建输出使能端，可轻易的实现大功率LED的高灰阶应用 。

2.2白光LED的驱动模块论证与选择

SFH206光敏二极管（light sensitive diodes）的接收面积比较大，可以大幅度提高信号灵敏度和传输距离，价格也比较便宜。

2.3比较器的选择论证与选择

LM311是高灵敏性的电压比较器，能工作在5.0到30伏单位电源或正负15伏分离电源上，它的输出可以驱动以地为参考或以正电压为参考、或以负电压电源为参考驱动的负载。可以驱动各种逻辑。在电流达到50毫安时，此输出还可以把电压切换到50伏。并且此电压比较器适用于高速比较电路，较LM393等常用芯片比较速度快的多，适合于本设计中高速信号的比较。

2.4编码方式的论证与选择

编码方面选用4B5B编码，4B5B编码是一种冗余编码体系，用5比特（bit）的编码来编码4比特的输入数据。这种编码方式要求每个5比特码组中不含多余3个“0”， 或 者不会少于2个“1”。将5比特码组转换成电信号的波形采用了NRZI，及不归零制，且在每个“1”的持续时间的开始处都有电平跳变。该编码方法已经广泛用于100Mbps以太网和FDDI环形网。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相位5bit码。5bit码总共有32种组合，但只采用其中的对应4bit码的16种，其他的16种或者未用，或者用作控制码，以表示帧的开始和结束，光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。

2.5缓存方式的论证与选择

双口RAM缓存。双口RAM是常用的多端口储存器，是可以允许多CPU同时访问的储存器，可以大大提高通信效率，并没有对CPU过多的要求，特别适合各种异种CPU之间异步高速系统中。双口的RAM是最常见的共享式多端口存储器，它最大的特点就是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，可允许两个独立的CPU或控制器同时异步的访问储存单元。数据共享后，必须存在访问仲裁控制。内部仲裁逻辑控制提供以下功能：对同一地址单元访问的时序控制；存储单元数据块的访问权限分配；信息交换逻辑（例如中断信号）等。

2.6 滤波器的选择与论证

数字滤波（digital filter）稳定，可靠性高，并不存从在阻抗匹配（impedance matching）、特性波动、非一致性等问题，最重要的是数字滤波器可以轻松实现高阶滤波器（higher order filters）设计，衰减系数大。此方案中采用基于窗函数（window function）的FIR数字滤波器设计，滤波效果明显。

3 系统理论分析与计算

3.1 总体框图设计

3.2白光LED电路

白光驱动DD311是专门驱动LED灯的芯片，是单通道的LED横流驱动器，可以驱动高达1A的渗入电流

3.3参数计算及原理论述

白光LED的接收电路，由三个运放组成，第一个为电流-电压转换器，第二个为电压放大器，第三个为电压比较器。在高增益的情况下，给电流-电压转换器增加电压增益会增大带宽。由于有了这部分的增益，转换器相应的阻抗就会减少，而此时相应的总跨阻抗不会减少。这样随着阻抗的减少，寄生电容旁路造成的带宽限制会相应的增加。然而电流-电压转换器与电压增益之间的结合降低了噪音性能，产生了一个带宽和噪音之间平衡的问题。明智的设计可以令带宽的增加程度大于噪音的降低程度，经分析之后有两种方案可以解决此问题，一个是简单的在电流-电压转换器后面增加一个电压放大器，另一个就是给电流-电压转换器自身增加电压增益，在这里我们采用的是第一个方案，因为它可以提高更多的带宽。在图2中，位于电流-电压转换器后面的放大器是提供电压增益，并产生一个总的输入到输出的互阻。值很大时，这个阻抗的降低会减小电阻对寄生旁路的敏感度，同时也会使带宽以因子提高。然而由于增加的放大器的带宽有限，造成了带宽可以提高的上限，但在本次设计当中，带宽足够，所以就不再考虑增加带宽的更优化的电路。第三个运放是比较器。它将一个模拟电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。由于接受到的信号有些变形和失真，因此对信号应该再次进行判决和处理，将信号还原。通过幅度检测来实现信号的判决再生，把输出的信号与参考电压进行比较，在输出端以数字信号“0”或“1”表示比较结果，从而将PIN输出的信号还原为数字信号。

4 总结

可见光通信因其保密性好，无需频带申请等优势，已成为一种新兴的无线通信技术，各国都对其不断经行研究分析，随着研究分析的深入，可见光通信系统的应用必将越来越广泛。

参考文献

[1]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

[2]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

[3]傅倩，陈长缨，洪岳，等.改善室内可见光通信系统性能的关键技术。自动化与信息t程，2010，（2）：4—7.endprint

摘要：可见光通信技术是基于白光LED照明光源的无线光通信技术，在电磁干扰场合可代替射频通信，应用前景很广阔。目前白光LED在提供室内照明的同时，已被用作通信光源实现室内无线高速数据通信。本文主要研究的是白光LED加载数字信号，并将信号编码发送，经过空气中长距离传输，接收信号通过电流电压转换、电压放大、比较整形、解码还原发送信号的技术，并在此技术之上加载语音信号传输，展现了本文所介绍的白光通信系统的实用价值。

关键词：白光LED，光通信，无线高速数据通信，语音信号传输。

中图分类号： TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

1 引言

可见光通信技术（VLC，Visible Light Communication）的研究与发展与射频无线通信相比，具有无需频带申请、造价低，小尺寸，高增益接收等众多优点。可见光通信技术最早由日本科研人员提出并展开研究，而我国也早在2008年由暨南大学教授陈长缨研制出国内首台白光LED可见光通信样机。但目前光通信系统大多仍在实验阶段，且LED白光灯响应频率低、传输距离有限、光的散射等因素都是影响LED光通信发展的巨大问题。

2 光通信相关技术研究

本系统以FPGA为核心，通过PIN光电二极管获取白光LED的光信号，经过电流-电压转换，电压放大，电压比较，将发送端传播的信号完整的还原。本系统设计可分为以下模块：信号的AD转换模块（analog to digital）、编码模块（coding block）、白光LED的驱动模块（white LED drive block）、白光LED的接收模块（optical receive block）、解码模块（decoder block）、DA转换模块（digital to analog block）、滤波模块（filter block）、语音模块（voice block）。下面对白光通信系统各模块进行逐一论证分析。

2.1白光LED的驱动模块论证与选择

DD311芯片是单通道输出的LED横流驱动器，内部建有电流镜与电流开关组件，它是专门为驱动大功率LED而设计的芯片。DD311可以驱动高达1A的渗入电流，并可通过调整参考输入（IREF）电流来任意设定输出电流的大小。输出电流约为100倍的输入电流，输入电流可由调整外挂电阻或偏压电压来设定。微调或使能偏压电压可校正LED的亮度，芯片的输出端可以承受高达33V的电压，可以支持多个大功率的LED串接使用。内建输出使能端，可轻易的实现大功率LED的高灰阶应用 。

2.2白光LED的驱动模块论证与选择

SFH206光敏二极管（light sensitive diodes）的接收面积比较大，可以大幅度提高信号灵敏度和传输距离，价格也比较便宜。

2.3比较器的选择论证与选择

LM311是高灵敏性的电压比较器，能工作在5.0到30伏单位电源或正负15伏分离电源上，它的输出可以驱动以地为参考或以正电压为参考、或以负电压电源为参考驱动的负载。可以驱动各种逻辑。在电流达到50毫安时，此输出还可以把电压切换到50伏。并且此电压比较器适用于高速比较电路，较LM393等常用芯片比较速度快的多，适合于本设计中高速信号的比较。

2.4编码方式的论证与选择

编码方面选用4B5B编码，4B5B编码是一种冗余编码体系，用5比特（bit）的编码来编码4比特的输入数据。这种编码方式要求每个5比特码组中不含多余3个“0”， 或 者不会少于2个“1”。将5比特码组转换成电信号的波形采用了NRZI，及不归零制，且在每个“1”的持续时间的开始处都有电平跳变。该编码方法已经广泛用于100Mbps以太网和FDDI环形网。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相位5bit码。5bit码总共有32种组合，但只采用其中的对应4bit码的16种，其他的16种或者未用，或者用作控制码，以表示帧的开始和结束，光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。

2.5缓存方式的论证与选择

双口RAM缓存。双口RAM是常用的多端口储存器，是可以允许多CPU同时访问的储存器，可以大大提高通信效率，并没有对CPU过多的要求，特别适合各种异种CPU之间异步高速系统中。双口的RAM是最常见的共享式多端口存储器，它最大的特点就是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，可允许两个独立的CPU或控制器同时异步的访问储存单元。数据共享后，必须存在访问仲裁控制。内部仲裁逻辑控制提供以下功能：对同一地址单元访问的时序控制；存储单元数据块的访问权限分配；信息交换逻辑（例如中断信号）等。

2.6 滤波器的选择与论证

数字滤波（digital filter）稳定，可靠性高，并不存从在阻抗匹配（impedance matching）、特性波动、非一致性等问题，最重要的是数字滤波器可以轻松实现高阶滤波器（higher order filters）设计，衰减系数大。此方案中采用基于窗函数（window function）的FIR数字滤波器设计，滤波效果明显。

3 系统理论分析与计算

3.1 总体框图设计

3.2白光LED电路

白光驱动DD311是专门驱动LED灯的芯片，是单通道的LED横流驱动器，可以驱动高达1A的渗入电流

3.3参数计算及原理论述

白光LED的接收电路，由三个运放组成，第一个为电流-电压转换器，第二个为电压放大器，第三个为电压比较器。在高增益的情况下，给电流-电压转换器增加电压增益会增大带宽。由于有了这部分的增益，转换器相应的阻抗就会减少，而此时相应的总跨阻抗不会减少。这样随着阻抗的减少，寄生电容旁路造成的带宽限制会相应的增加。然而电流-电压转换器与电压增益之间的结合降低了噪音性能，产生了一个带宽和噪音之间平衡的问题。明智的设计可以令带宽的增加程度大于噪音的降低程度，经分析之后有两种方案可以解决此问题，一个是简单的在电流-电压转换器后面增加一个电压放大器，另一个就是给电流-电压转换器自身增加电压增益，在这里我们采用的是第一个方案，因为它可以提高更多的带宽。在图2中，位于电流-电压转换器后面的放大器是提供电压增益，并产生一个总的输入到输出的互阻。值很大时，这个阻抗的降低会减小电阻对寄生旁路的敏感度，同时也会使带宽以因子提高。然而由于增加的放大器的带宽有限，造成了带宽可以提高的上限，但在本次设计当中，带宽足够，所以就不再考虑增加带宽的更优化的电路。第三个运放是比较器。它将一个模拟电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。由于接受到的信号有些变形和失真，因此对信号应该再次进行判决和处理，将信号还原。通过幅度检测来实现信号的判决再生，把输出的信号与参考电压进行比较，在输出端以数字信号“0”或“1”表示比较结果，从而将PIN输出的信号还原为数字信号。

4 总结

可见光通信因其保密性好，无需频带申请等优势，已成为一种新兴的无线通信技术，各国都对其不断经行研究分析，随着研究分析的深入，可见光通信系统的应用必将越来越广泛。

参考文献

[1]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

[2]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

[3]傅倩，陈长缨，洪岳，等.改善室内可见光通信系统性能的关键技术。自动化与信息t程，2010，（2）：4—7.endprint

摘要：可见光通信技术是基于白光LED照明光源的无线光通信技术，在电磁干扰场合可代替射频通信，应用前景很广阔。目前白光LED在提供室内照明的同时，已被用作通信光源实现室内无线高速数据通信。本文主要研究的是白光LED加载数字信号，并将信号编码发送，经过空气中长距离传输，接收信号通过电流电压转换、电压放大、比较整形、解码还原发送信号的技术，并在此技术之上加载语音信号传输，展现了本文所介绍的白光通信系统的实用价值。

关键词：白光LED，光通信，无线高速数据通信，语音信号传输。

中图分类号： TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

1 引言

可见光通信技术（VLC，Visible Light Communication）的研究与发展与射频无线通信相比，具有无需频带申请、造价低，小尺寸，高增益接收等众多优点。可见光通信技术最早由日本科研人员提出并展开研究，而我国也早在2008年由暨南大学教授陈长缨研制出国内首台白光LED可见光通信样机。但目前光通信系统大多仍在实验阶段，且LED白光灯响应频率低、传输距离有限、光的散射等因素都是影响LED光通信发展的巨大问题。

2 光通信相关技术研究

本系统以FPGA为核心，通过PIN光电二极管获取白光LED的光信号，经过电流-电压转换，电压放大，电压比较，将发送端传播的信号完整的还原。本系统设计可分为以下模块：信号的AD转换模块（analog to digital）、编码模块（coding block）、白光LED的驱动模块（white LED drive block）、白光LED的接收模块（optical receive block）、解码模块（decoder block）、DA转换模块（digital to analog block）、滤波模块（filter block）、语音模块（voice block）。下面对白光通信系统各模块进行逐一论证分析。

2.1白光LED的驱动模块论证与选择

DD311芯片是单通道输出的LED横流驱动器，内部建有电流镜与电流开关组件，它是专门为驱动大功率LED而设计的芯片。DD311可以驱动高达1A的渗入电流，并可通过调整参考输入（IREF）电流来任意设定输出电流的大小。输出电流约为100倍的输入电流，输入电流可由调整外挂电阻或偏压电压来设定。微调或使能偏压电压可校正LED的亮度，芯片的输出端可以承受高达33V的电压，可以支持多个大功率的LED串接使用。内建输出使能端，可轻易的实现大功率LED的高灰阶应用 。

2.2白光LED的驱动模块论证与选择

SFH206光敏二极管（light sensitive diodes）的接收面积比较大，可以大幅度提高信号灵敏度和传输距离，价格也比较便宜。

2.3比较器的选择论证与选择

LM311是高灵敏性的电压比较器，能工作在5.0到30伏单位电源或正负15伏分离电源上，它的输出可以驱动以地为参考或以正电压为参考、或以负电压电源为参考驱动的负载。可以驱动各种逻辑。在电流达到50毫安时，此输出还可以把电压切换到50伏。并且此电压比较器适用于高速比较电路，较LM393等常用芯片比较速度快的多，适合于本设计中高速信号的比较。

2.4编码方式的论证与选择

编码方面选用4B5B编码，4B5B编码是一种冗余编码体系，用5比特（bit）的编码来编码4比特的输入数据。这种编码方式要求每个5比特码组中不含多余3个“0”， 或 者不会少于2个“1”。将5比特码组转换成电信号的波形采用了NRZI，及不归零制，且在每个“1”的持续时间的开始处都有电平跳变。该编码方法已经广泛用于100Mbps以太网和FDDI环形网。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相位5bit码。5bit码总共有32种组合，但只采用其中的对应4bit码的16种，其他的16种或者未用，或者用作控制码，以表示帧的开始和结束，光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。

2.5缓存方式的论证与选择

双口RAM缓存。双口RAM是常用的多端口储存器，是可以允许多CPU同时访问的储存器，可以大大提高通信效率，并没有对CPU过多的要求，特别适合各种异种CPU之间异步高速系统中。双口的RAM是最常见的共享式多端口存储器，它最大的特点就是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，可允许两个独立的CPU或控制器同时异步的访问储存单元。数据共享后，必须存在访问仲裁控制。内部仲裁逻辑控制提供以下功能：对同一地址单元访问的时序控制；存储单元数据块的访问权限分配；信息交换逻辑（例如中断信号）等。

2.6 滤波器的选择与论证

数字滤波（digital filter）稳定，可靠性高，并不存从在阻抗匹配（impedance matching）、特性波动、非一致性等问题，最重要的是数字滤波器可以轻松实现高阶滤波器（higher order filters）设计，衰减系数大。此方案中采用基于窗函数（window function）的FIR数字滤波器设计，滤波效果明显。

3 系统理论分析与计算

3.1 总体框图设计

3.2白光LED电路

白光驱动DD311是专门驱动LED灯的芯片，是单通道的LED横流驱动器，可以驱动高达1A的渗入电流

3.3参数计算及原理论述

白光LED的接收电路，由三个运放组成，第一个为电流-电压转换器，第二个为电压放大器，第三个为电压比较器。在高增益的情况下，给电流-电压转换器增加电压增益会增大带宽。由于有了这部分的增益，转换器相应的阻抗就会减少，而此时相应的总跨阻抗不会减少。这样随着阻抗的减少，寄生电容旁路造成的带宽限制会相应的增加。然而电流-电压转换器与电压增益之间的结合降低了噪音性能，产生了一个带宽和噪音之间平衡的问题。明智的设计可以令带宽的增加程度大于噪音的降低程度，经分析之后有两种方案可以解决此问题，一个是简单的在电流-电压转换器后面增加一个电压放大器，另一个就是给电流-电压转换器自身增加电压增益，在这里我们采用的是第一个方案，因为它可以提高更多的带宽。在图2中，位于电流-电压转换器后面的放大器是提供电压增益，并产生一个总的输入到输出的互阻。值很大时，这个阻抗的降低会减小电阻对寄生旁路的敏感度，同时也会使带宽以因子提高。然而由于增加的放大器的带宽有限，造成了带宽可以提高的上限，但在本次设计当中，带宽足够，所以就不再考虑增加带宽的更优化的电路。第三个运放是比较器。它将一个模拟电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。由于接受到的信号有些变形和失真，因此对信号应该再次进行判决和处理，将信号还原。通过幅度检测来实现信号的判决再生，把输出的信号与参考电压进行比较，在输出端以数字信号“0”或“1”表示比较结果，从而将PIN输出的信号还原为数字信号。

4 总结

可见光通信因其保密性好，无需频带申请等优势，已成为一种新兴的无线通信技术，各国都对其不断经行研究分析，随着研究分析的深入，可见光通信系统的应用必将越来越广泛。

参考文献

[1]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

[2]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

[3]傅倩，陈长缨，洪岳，等.改善室内可见光通信系统性能的关键技术。自动化与信息t程，2010，（2）：4—7.endprint