基于白光LED 的可见光通信系统及其实现

杨立伟，李 琳，贾 润，巫 华，张秋莲

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

0 引言

与传统照明光源相比，白光LED 具有替代较低、替换长、尺寸相对较小、响应灵敏度高等许多优点。利用这些特性，在使用LED 进行照明的同时，可以将调制后的信号送到LED 可见光中进行传输，从而实现数据率更高、安全性更高的可见光通信。

可见光通信（Visible Light Communication/VLC）作为一种传输数据信息技术，利用高速互联网电线设备连接到照明系统设备，可以通过插入电源插头使用。利用这种技术，系统能够覆盖室内灯光所到达的所有空间范围，不需要电线连接就可以进行高速传输，因而有着良好的应用前景。

本文探讨的可见光通信（VLC）是基于白光LED 实现的。它的通信速度可以达到每秒几百兆。在全世界推崇绿色能源的巨大压力下，绿色照明技术的开发和应用已经迫在眉睫。VLC 可以满足照明需要和通信需要，这将是无线光通信领域一个全新的突破点，它适用于很多领域，比如智能家居码。

1 关键技术的应用

LED 可见光通信有室内通信和室外通信两大类。本文的陈述基于我们团队对室内VLC 技术的实验研究。我们的实验将VLC 系统分为三个部分：发射、传输和接收。发射部分包括：信号输入和编码、调制电路，可见光发射系统驱动电路。接收部分由以下几个模块组成，它们分别是：光接收系统、光电探测器、信号转换和输出电路。

1.1 光信号接收技术

随着距离的增加，接收部分收到的信号较弱，这往往导致接收机的信噪比小于 1。为了使接收到的信号更好地满足需求，我们需要选择一种灵敏度好、响应速度较快、噪声小的光电探测器。此外，为了在一定程度上抑制背景中杂散光的干扰，我们可以选用相对高效的光滤波器对接收到的信号进行前端处理，对信号进行有效降噪。

1.2 调制、编码以及解调技术

在现阶段的研究中， LED 可见光通信系统多采用基于亮度调制（ IM）的DD 系统，编码方法多为二进制开钥控制（ OOK）编码。但实验证明，在实际开发的VLC 系统中， Manchester 编码的性能要比 OOK 编码更优良。二进制编码的重要信息，主要通过光学链路来进行传输，对于比特流的传输，可以使用组 1的形式发送。为了实现更高的传输速率，我们可以选择另外的编码方式，如脉冲位置调制（PPM）等。与此同时，在进行时钟同步解码时，对脉冲位置调制的要求也相对越来越高，这对我们来说又是另一个难题。

1.3 信道复用技术

为了使一个高速信道能够同时用于多个终端，有必要采用信道多路复用技术。 OTDMA、 OCDMA 和OWDMA 等是光通信领域的主要形式。它们的保密性很好，抗干扰能力也非常强。在 LED 可见光通信领域主要使用 OCDMA 系统。这些信道复用技术为我们的研究提供了很大的方便。

1.4 信道调制与编码技术

在早期的可见光通信研究中采用的脉冲调制（PPM）、二进制相移键控（ BPSK）、开关键控（OOK）等调制方式无法对系统中产生的码间干扰进行有效控制，这不仅阻碍了数据高速传输的进程，并且限制了系统性能提升。 OFDM 技术能有效地克服 ISI 干扰。通过分析 OFDM 调制的基本原理，我们清楚地认识到将OFDM 调制引入 VLC 是很有必要的。可见光信道传输码元信息时，产生的错误既不是随机独立错误，也不是单突发错误，而是两种错误都有的混合错误，严重时可能会降低系统的性能。将信道编码技术用于可见光通信可以有效改正码元错误，改善系统性能。 RS 纠错码加固定交织的信道编码技术是通信系统中一种比较常见的技术。交织宽度是在信道处于最“坏”情况下时设计的最大值，我们常常根据信道状态动态改变交织宽度的自适应交织方案[1]。

2 基于OptiSystem 的VCL 仿真系统的搭建

2.1 系统原理与组成

在发送端， VLC 发射机将需要传输的数据进行编码、调制和预均衡，并通过光学天线传输到接收端。在接收端，可见光接收机通过解码、解调和后均衡，将光信号转换成基带信号，然后对基带信号进行解调和解码，最终引出原信号，实现了数据速率和安全性更高的可见光通信[3]。系统原理框框图如图 1所示。

图1 基于OptiSystem的VCL仿真系统原理框框图

发射端先产生二进制数据流，使用 QAM 序列发生器进行 QAM 调制，然后经过 OFDM 调制，得到映射的星座点，再将其送入 IFFT 模块进行频 -时域的变换，然后把高斯白噪声加入到信道中。接着通过信道把信号传输到接收端，并在接收端经过去除循环前缀、变换 FFT、交换位数据位置等变换，最后进行 QPSK 解调，以得到原始的位流数据[2]。

2.2 发射端设计

2.2.1 发射端总述

发射端先产生二进制数据流，接着使用 QAM 序列发生器进行 QAM 调制，然后经过 OFDM 调制，实现高速串行数据的并行传输，再通过正交调制器实现正交模拟幅度调制，最后由 LED 实现光电转换，把电信号转换为光信号，进入传输信道。可见光通信系统原理图如图2所示。

图2 可见光通信系统原理图

2.2.2 QAM 序列发生器

QAM 序列发生器将位序列分为两个并行子序列，在构建此调制器时，每个子序列都可以通过串并转换器在两个正交载波中传输。当传输信息时，我们可以根据源符号来改变信号的幅度。对于每个输出端口，振幅采用振幅集合中的值之一： a1=（2i-1-M），i=1， 2，...， M。其中，M 是可能的二进制数字序列的数量，根据公式 M=2h /2计算，式中的h 是每个符号的位数；等效 QA M 集由M的平方给出。这意味着：若 h=2，M=2，那么我们有一个 4-QAM；若h=4，M=4，则我们有一个 16-QAM；若h=6，M=8，那么我们有 64-QAM；若h=8，M=16，那么我们有 256-QAM。

2.2.3 OFDM 调制器

OFDM 调制器包含了前向纠错编码、交织、数字调制、导频插入、串并变换、 IFFT、并串变换、插入循环前缀、加窗、数模变换等一系列模块[3]。输入的高速数据信号经由它转换成并行的低速子数据流，再输送到每个子信道上。信号经 OFDM 调制后，子信号相互之间的干扰将会大幅减少，信道均衡也会变得相对简单易行[4]。

2.3 接收端设计

接收端先通过 PIN 二极管接收 FSO 信道传输来的光信号，并把它转换成电信号，在电放大器的作用下，信号放大了 10 dB。接着通过低通高斯滤波器滤除了一些噪声的信号并进行正交解调，再进行 OFDM 解调，最后通过 QAM 序列解码器进行解码。

OFDM 解调器：它包含循环前缀，字符串和变换FFT 变换，信道估计和均衡，符号同步模块，如接收信号由符号同步， OFDM 符号的起始点，去循环前缀后，通过 FFT 变换后的时间符号数据，再通过这个过程和字符串转换，解调基本完成。

2.4 仿真结果

在通信系统的研究中，经常用示波器观察接收信号的波形情况这种方法来分析噪声和码间串扰等因素对系统性能的影响，这种方法称为眼图分析法[5]。在没有噪声和码间干扰时，波形无失真；当有码间干扰时，波形会产生失真，眼图的迹象就不时特别清晰了。接收波形不受串扰而抽样再生的时间是由眼图张开宽度决定的，因而眼睛张开最大的时刻即为最佳抽样时刻[6]。由图 3可知，信号中依带有一定的噪声，但是在可接受的影响范围内。信号波形的顶部纹波会使幅值有所抖动，对信号的恢复产生一些影响。但总体来说，此系统基本可以实现信号的传输，在一定的误差范围之内可以实现可见光通信，且操作简单、易于实现。

3 结束语

本文介绍了基于白光 LED 的VLC 系统的原理、结构和实现。同时分析了该技术的研究背景和关键技术，设计了一种基于白光 LED 的VLC 系统的实现方案，并通过 OptiSystem 软件对该系统进行了测试。测试结果表明，此通信系统可以在 1 m 范围内实现文件的端到端传输，且设计方案结构易懂、便于操作、易于实现，为我们日后进一步研究更高效的可见光通信系统奠定了基础。