一种LED色彩和亮度可控的可见光通信技术

刘 艺，李 钦，李新华

（安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230036）

1 引言

随着越来越多的LED灯被安装在商店和办公室中，人们对基于可见光的无线通信的兴趣也在不断增加.在21世纪初，基于LED可见光通信 (VLC)的第一个MAC协议和PHY协议被批准[1]通过.LED灯的优点之一是可以通过控制输入电流，轻松地改变自身的颜色和亮度.人们引入了多种调制方式来提高可见光LED灯[2-6]的数据传输速率.有趣的是，大多数关于VLC的研究都喜爱使用白色LED灯[2-5]，可能是因为白色是最普通的一种颜色.随着情感照明的飞速兴起，研究人员发现不同颜色的VLC可具有不同的应用.情感照明是一种能根据各种周围环境因素改变颜色的照明方案，如情绪，音乐，食物，温度，节能，或生态效益.调光控制是情绪照明的另一个重要组成部分.文[7]提出了一种单色的VLC方案，但没有对颜色的控制.文[8][9]中也提出了几种调光方案.在本文中，我们提出了一种在数据传输过程中同时控制颜色和亮度的方法.我们使用脉宽调制(PWM)控制LED灯的颜色，用可变脉冲位置调制(VPPM)控制数据传输时LED灯的亮度.我们改进了传统的PWM方案，以适应数据传输的需要.通过将PWM和VPPM以适当的方式合并，提出了一种能通过调节颜色和亮度来实现数据传输的方案[10].通过观测该方案的二进制输出波波形，可发现能够简单实现.同时制作了一个测试平台，并对其传输性能进行了分析.

2 系统原理

该系统使用红色、绿色和蓝色(RGB)三种LED用于颜色合成.根据CIE 1931色度图，这三种颜色可以组合成任何颜色.人眼所感知的颜色是由每种LED灯颜色的亮度比决定，而这种亮度比可以由每个LED的开/关周期来控制.因此，如图1所示，PWM信号可以在一个时间序列中同时显示不同亮度的RGB来生成任意颜色.为了避免人眼察觉到LED灯闪烁，PWM周期TW应当小于10ms.当RGB的显示时间比为1:1:1时，会组合成白色，而为1：0.6：0时会变成橙色.如图1(A)所示，PWM给每种颜色提供了一个固定的时间序列，由于每个时间序列内的实际脉冲宽度(PW)是可变的，因此可通过改变每种颜色LED灯的实际脉冲宽度来控制灯的亮度和颜色.但由于连续PWM信号之间时间空隙的存在，这种排列的RGB并不适合连续传输数据.假定每种颜色的脉冲排列如图1(B)所示，那么数据将会持续传输，因为每个LED灯之间都是连续的，没有任何空位.采用PWM方法能实现的随颜色的控制，但不能单独控制亮度，因为亮度是由每个脉冲的振幅决定的，所以需要添加额外的电子电路来实现，如串并联转换器和数模转换器.综上所述，我们将VPPM与PWM结合起来，可同时控制LED灯的颜色和亮度.VPPM的脉冲位置随输入数据的变化而变化，PW随亮度的变化而变化，如图2所示.

图1 使用PWM编码对LED进行颜色控制

图2 使用VPPM编码方案的LED亮度控制

由于LED的平均转换时间不随输入数据类型(“0”或“1”)而改变，因此在VPPM编码中没有发现灯闪烁和颜色变化问题.图3显示了PWM和VPPM的混合输出信号，其中PWM中的颜色比例决定了可见的颜色，而VPPM的PW控制着LED的亮度：

图3 混合PWM和VPPM控制颜色和亮度

pW(t)表示PWM信号，pV(t)表示VPPM信号.

∏表示矩形函数，TW表示PWM的周期，tRGB是RGB在PWM窗口内的位置，而WRGB是RGB的PW.

数据mj取0或1，Tb为位周期，Vj为VPPM信号的PW.曼彻斯特编码和2-PPM可以很容易地恢复接收器时钟，因为无论是什么数据类型，信号变化只发生在每个比特的中心.但是，VPPM编码却很难进行时钟恢复，因为VPPM编码的信号转换并不发生在每个比特的中心，而是随着亮度的变化而变化.为了在这种情况下恢复时钟，在(4)和(5)中提出了两个算法.在程序开始时，测量脉冲宽度ΔL和持续时间ΔH，以确定最佳决策时间，该时间位于信号较窄部分的中心，如图4所示.

图4 从VPPM解码信号恢复的时钟和数据

因此，可根据LED灯的亮度和数据值对恢复过程进行分类.根据亮度是大于还是小于50%，采用(4)和(5)计算决策时间.上升时间tr(n)是由VPPM信号在先前的判决时间td(n)之后的转换得到的.

图4显示了不同亮度的时钟和数据恢复的例子，图4(A)和 4(B)的分别显示亮度为 70%(ΔH≥ΔL)和 30%(ΔH＜ΔL).图4中的决策信号提供了接收到的VPPM编码信号的数据决策时间.

3 实验结果

采用图5所示的实验装置，对提出的VLC方案进行了测试.该实验是在一个广阔的开放区域进行的，LED灯和光电二极管(PD)都是垂直放置的.信息数据按顺序进行VPPM编码和PWM编码，然后提供给一个LED驱动电路.在驱动电路中的三个晶体管中(每种颜色的LED为一个驱动)，只有一个晶体管在任何特定时间工作，这是由PWM脉冲决定的.使用由36个LED模块(F 50360)组成的LED灯，每个模块包括单独的0.5W RGB LED芯片.LED灯的光通量为105 lm，视角为120°.对每个驱动电路的电流电平进行调整，使其能够补偿带有颜色的PD的响应度的差异.在PD(FDS 100)处接收发射的LED光，其光谱响应为350nm～1100nm，有效面积为13.0mm2×13.0mm2.最后，VPPM解码器恢复数据.PWM编码是不需要恢复的，因为它只用于选择LED颜色.所有三种颜色的光都由一个PD接收.由FPGA器件实现编码，解码功能.

图5 方案的初步设置

图6 30%亮度的实验结果

根据VLC标准中的PHY I型，实验采用200 kbps的数据速率传输两个语音信道和文本消息.在传输中使用一个周期为28-1的伪随机数(PN)来测量在接收机处的比特误码率(BER).在接收端产生相同的PN序列，然后与发送的数据进行比较，测量误码率.369个LED模块分为6个平行组，每组由6个LED串联而成；所有36个LED都由一个功率场效应晶体管(IRF530A)驱动.图6显示了30%亮度的编码信号.传输数据、PWM/VPPM编码数据、判决时钟和恢复数据按顺序显示[11].如图6所示，无论亮度如何，发送的数据都会被恢复.

图7显示了传输的性能.图7(A)对应使用不同颜色的传输的器.在本实验中，亮度固定在50%.在290厘米处红色或蓝色的误码率与在270厘米处的绿色相同，颜色的传输也是成功的.混合颜色的是因为不同的颜色具有不同的PD响应.当RGB LED的PWs几乎相等时，混合颜色为白色.图7(b)显示出了由RGBLED的PWM实现的白光的BER，但是亮度不同.在本实验中，当亮度为50%时效果最好，如图7(A)所示，当达到70%亮度时候，传输显示出更糟糕的情况.当误码率为1.0E-6时，可能的传输距离比亮度为50%的传输距离短60cm，这是由于VPPM中“0”信号的PW过窄所致.最坏的情况是用30%的LED亮度观测，这是由于VPPM中“1”信号的PW过窄和低输出功率造成的.

图7 不同颜色和亮度的信噪比

结果表明，脉冲对称性和强度都影响误码率.因为每个比特在特定时间都有一个数据决策，如果有一个对称的脉冲，如50%的亮度，那么将使传输过程更加稳定.低亮度意味着比特周期内的具有低电平，从而导致更低的信噪比.数据速率的增加会导致VPPM信号的性能下降，因为比特周期的电平较低会导致较低的信噪比.虽然在调光控制期间传输没有断开，但是性能上的变化是可以看到的.通过在接收机上采用合适的滤波器，可以降低不同亮度的性能差距，这是一个有待进一步研究的课题.

4 结论

利用PWM编码和VPPM编码，成功地实现了控制LED颜色和亮度的可见光无线光通信.在颜色和亮度的连续变化上实现了无缝传输.由于接收光功率和脉冲形状的变化，对传输性能的变化进行了监测.这种差异可通过调光来调整数据速率弥补.随着情感照明的广泛应用，该方案是LED光传输数据的重要候选方案.