室内LED可见光通信技术分析

陈华忠

摘 要：本文主要分析了LED可见光通信的基本原理及关键技术，然后就LED可见光通信的未来应用进行展望，以期促进LED可见光通信技术的发展与完善。

关键词：室内LED；可见光通信；应用展望

中图分类号：TN929 文献标识码：A

LED可见光通信系统具有十分广阔的应用前景。但当前LED可见光通信技术还不够成熟，距离商用还有一定差距，仍需要我们不断加强研究以进一步优化系统的各项性能。

一、室内LED可见光通信原理简介

室内LED可见光通信的基本原理是利用灯光的“明”和“暗”来分别表示数字信号“0”和“1”，然后将广播、图像、音频、影像等待发射的信息调制后加载到LED灯光上，通过LED灯光的高频闪烁将信号传送出去。由于LED响应速度极快，不会对人眼造成影响，因此能够在正常照明的同时实现无线通信功能。在信号接收端一般设置有光电探测元件，可以对接收到的可见光信号进行放大和解调处理，进而将其重新还原成广播、音频、影像等信号。

二、室内LED可见光通信的关键技术

1.光源布局

一般情况下，光源布局要考虑两点：一是组成阵列光源的内部LED灯的数量及排列方式；二是整个室内LED光源的分布。在室内光源设计中，为满足国际照明标准，通常将LED光源设计为白光LED阵列形式，构成各LED阵列的LED个数由LED间隔大小决定，而间隔大小需要综合考虑中心区域的光强度。在LED排列问题上，则要充分考虑信号接收面的照度要求与光强分布。同时在设计LED数量及排列时，还要考虑码间串扰问题。为提高通信质量，还应结合房间大小及内部设施陈列，尽量使室内同一水平面上的光功率保持一致，防止出现通信死角。此外，考虑到行人、设施等造成的遮挡，不可避免地会产生一些阴影区，对此可通过增加光源数量来减少阴影效应，但过多的光路径又会引发严重的码间干扰，因此根据室内实际情况科学设计LED阵列光源是提高通信效果的关键。

2.驱动电路优化

LED可见光通信系统设计中有一个非常重要的参数——调制带宽，它直接影响着LED调制能力的高低，进而决定着无线光通信系统的传输速率。调制带宽通常取决于有源区载流子复合寿命与PN结电容，在LED制造过程中，普遍采取的措施为减少载流子复合寿命与控制寄生电容，或者使用多芯片型白光LED，除此之外，通过对驱动电路进行优化设计也能有效地提升调制带宽。在综合电磁、噪声、温漂、光功率补偿等干扰因素的基础上，LED可见光高速调制驱动电路可设计为以下形式，如图1所示。

其中，BG代表晶体管，Dz代表稳压二极管，BG1与BG2构成发射极耦合式开关，BG3和Dz构成恒流源电路，能够稳定地为LED支路供应驱动电流。又因为此电路超出了线性范围工作，就算输入端过激励，也不会出现饱和，故开关速率十分高，理论上这种电路可实现300Mb/s的信号调制。

3. OFDM技术

OFDM即正交频分复用，该技术的主要原理就是把高速串行数据转变为相对低速的多路并行数据，然后分别对不同的载波加以调制。OFDM技术拥有极强的抗多径能力，如今已在高速无线通信中得到了普及应用。在LED可见光通信中，由于多路径会导致码间干扰，严重影响系统传输速率，因此通过引入OFDM技术来控制码间干扰是一个十分理想的选择。

目前，已有研究人员针对OFDM在LED可见光通信中的应用提出了一些可行方案，其中比较成熟的一种方案如下：该方案由LED照明阵列、电力线调制器、OFDM解调器3部分构成，信源电信号在发射端完成OFDM编码，并通过一直流偏置实现对LED光源的调制。经调制的光信号在接收端完成解调，并通过提取导频信号实现对信道状态的实时监测和更新。OFDM应用于无线光通信系统时，需要将高速串行数据以并行方式调制到多个正交子载波上，以减少码速率、消除码间干扰，同时还要在各OFDM符号间添加保护间隔，以彻底除去残余的码间干扰。

4.信道编码技术

赵俊、陈长缨研发了一种能够用于LED可见光通信的mBnB分组编码技术。该技术所采用的分组码在通信领域中已有十分广泛的应用，通俗而言，就是把原始信息码字以m比特为单位加以分组，并按照特定规则，以另外每组为n比特的码字进行表示，最后将新得到的分组用NRZ或RZ码的格式传输出去。其中，m>n，且两者都是正整数，通常n=m+1。目前比较常见的编码形式有1B2B、3B4B、6B8B等。这种编码技术的优点如下：一是功率谱的形状相对较好；二是消除了基线漂移现象；三是能够稳定地进行误码监测和字同步。已有研究表明，6B8B编码的光信号在0.5m～2.5m距离内的通信十分稳定，不会因LED数量、串口模块分频等因素而受到显著影响。采用6B8B编码，能够在确保信号高速传输的基础上，使通信距离突破2.5m。

5.分集接收技术

分集接收的基本原理就是在接收机上设置多个方向的光电探测元件，并对不同方向上探测到的信号加以对比分析，然后选择其中信噪比最大的信号来完成通信，该技术在解决码间干扰和抗阴影效应方面具有良好的表现。在设计分集接收电路时，需要按照信号传输速率的高低将其分成两类：在通信速率较低的情况下（一般将100M以下作为低速率），使用低速率分集接收装置，即直接对多个信号进行叠加，从整体上增强信号功率。在传输速率较高的情况下，考虑到码间干扰问题，无法对信号进行简单叠加，需要增加一个专门的控制电路来进行信号评估和选择。通常而言，在高速通信过程中，直射链接方向的信噪比最高，因此优先将最贴近直射链接的方向作为信号接收方向。在采用分集接收技术的光接收机上，探测器尽可能均匀地分布在一个半球面上，从而能够以较少的探测器数量实现多个方向上的稳定接收效果，除非接收机被整个遮挡才有可能出现信号中断。

6.自适应传输技术

自适应传输技术能够有效克服LED可见光通信中的信噪比波动问题。在自适应收发器的发射端，有一个专门的DSP（信号处理器）负责机电定向系统的实时控制。DSP在通信系统中的普及和应用，在一定程度上改善了系统的信噪比，并且灵活性更强。同时，对于白噪声、多路径干扰等，也能够通过相应的信号处理手段加以解决。在自适应收发器的接收端，由于使用了单一的光电检测器，使得光前端设计大大简化，并通过某种定向机制使光能量作用于单个信道，从而减小了接收端视场，有效避免了环境噪声对通信稳定性的干扰，增强了系统对多路径畸变的抵抗能力。

三、LED可见光通信技术的应用展望

LED可见光通信技术有着十分广阔的应用前景，只要是基于LED的照明和指示装置均可以通过增加通信功能而获得一些全新的用途。例如，在博物馆中，可以在LED指示灯中加载相关展品的解说信号，只要游客携带了具有可见光通信功能的移动设备，就能随时获取展品的解说信息；在LED大屏幕或广告牌上加载相应的信号后，人们可以直接用手机等设备下载屏幕上的内容和信息，如广告信息、交通信息等；在车辆照明领域，可以为汽车前照灯增加信息传输功能，将车辆载重、车牌号、车速等信息自动发送到各类交通监测装置上，轻松完成缴费、登记、测速等功能，极大地方便了车辆信息的采集和管理，同时车辆尾灯也可用于向后面的车辆发送刹车、路况等信息，从而大大提高交通运输的安全性。

结语

LED可见光通信技术不占用无线频谱资源，可以直接对无处不在的照明灯光加以利用，在节能环保的同时实现高速无线通信功能。但目前该技术仍处于实验研究阶段，虽然研究人员已经针对光源布局、驱动电路优化、OFDM、信道编码等进行了大量的研究工作，但依然有一些技术难关亟待人们去攻克，相信在研究人员的不懈努力之下，LED可见光通信技术必将在未来社会中大放光彩。

参考文献

[1]秦岭，巨永锋，杜永兴，等.智能交通中新型可见光通信系统性能研究[J].公路交通科技，2016，33（7）：114-118.

[2]亓沂滨，陈津.基于led的光通信系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2016（14）：51-52.