基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統

翟亞雪，唐先鋒，萬 東,2，張曉光

（1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.北京信息職業技術學院，北京100018）

基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統

翟亞雪1，唐先鋒1，萬 東1,2，張曉光1

（1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.北京信息職業技術學院，北京100018）

從室內可見光通信（Visible Lighe Communi cation,VLC）技術著手，提出了一種點對點式的室內實時全雙工可見光通信上網系統，介紹了該系統的總體設計方案。搭建了一套完整的基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統，并對提出的設計方案進行了測試驗證。

可見光通信；實時；全雙工上網

0 引言

發光二極管（LED）不僅具有成本低、功耗小、壽命長和綠色環保的優點，而且還具有良好的調制性能與較高的響應靈敏度，可在實現照明的同時進行信號傳輸。室內可見光通信 （Visible Lighe Communication, VLC）技術是基于LED技術發展起來的，近年來，我國對可見光通信的研究取得了突破性進展[1，2]，可見光通信系統單向傳輸速率達3.7Gb/s，實時系統上網速率高達150Mb/s[3]。雖然可見光通信速率有所提升，但是其通信系統均為單工離線系統，不能實時傳輸數據，無法實現數據上傳。為解決此問題，本文提出一種新的LED驅動電路與接收端信號預處理電路，并搭建一套完整的基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統。

1 實時全雙工上網系統架構設計

本文設計了一套點對點式的基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統，設計框圖如圖1所示。系統中兩支路的信號處理流程相同，方向相反，我們以上側支路為例說明信號的處理流程。RJ45接口模塊將以太網的信號轉換成速率為10Mb/s或100Mb/s的數據幀，數據幀經RJ45嵌入式網絡驅動模塊后，被轉換為4Mb/s的標準TTL信號。LED驅動模塊對標準TTL信號進行線性變換，得到的驅動信號的高低電平變換均在LED正常工作范圍內。將LED驅動模塊輸出的驅動信號加載到LED上，LED將驅動信號高低電平的變化轉換成光強度的變化。光電探測器將通過空間傳輸的光信號轉換為電信號。接收信號處理模塊將衰減和失真的預處理信號恢復為標準TTL信號，USB嵌入式網絡驅動模塊將標準TTL信號還原為數據幀送到PC機，至此完成了系統上側支路的信號處理。從信號處理流程可以看出,本系統能實現信號的透明傳輸。

圖1 基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統框圖

2 系統模塊的詳細設計與實現

2.1 RJ45/USB嵌入式網絡驅動模塊

RJ45/USB嵌入式網絡驅動模塊主要負責TTL串口到TCP/IP網絡和TCP/IP網絡到TTL串口數據的透明傳輸，它可以使設備立即具備聯入TCP/IP網絡的功能，具體的數據傳輸流程如圖2所示。該模塊采用CP2103芯片構建RJ45/USB接口轉UART接口電路，當實現TTL串口轉TCP/IP網絡功能時，數據幀先經過UART接口進入64kB RAM和256kB Flash，再由32bit嵌入式微處理器（ARM7）轉換為標準TTL信號；當實現TCP/IP網絡轉TTL串口功能時，標準TTL信號依次進入ARM處理器和隨機存取存儲器（RAM）后，由UART接口輸出數據幀。

圖2 RJ45/USB嵌入式網絡驅動模塊的數據處理流程

2.2 LED驅動模塊

LED驅動模塊主要負責將RJ45嵌入式網絡驅動模塊輸出的標準TTL信號 （0～3.3V矩形方波信號）轉換為驅動信號（2.5～3.5V矩形方波信號），從而使LED在實現照明的同時，可通過人眼無法識別的強度變化來傳遞信息。LED驅動模塊包括低通濾波器、反相衰減器和反相加法器3部分,其原理圖如圖3所示。

低通濾波器主要負責濾除系統中的高頻噪聲，其截止頻率fc可以表示為：

圖3 LED驅動模塊原理圖

反相衰減器和反相加法器主要負責對0～3.3V的標準TTL信號進行衰減和疊加直流分量，得到2.5～3.5V的驅動信號，使LED在保證照明的基礎上，可以通過強度變化來傳遞信息。衰減倍數Au1和疊加的直流分量V+可以表示為：

其中，RA2up和RA2all分別表示RA2接入電路的上半部分阻值和接入電路的最大阻值。

本系統采用Texas Instruments生產的OPA657U運算放大器，該放大器具有帶寬增益積較大（其帶寬增益積為1600MHz）和噪聲、溫漂低的特點。運算放大器的頻率特性覆蓋了系統的信號空間通信速率（4Mb/s），符合系統要求。

LED驅動模塊測試結果圖如圖4所示，可以看出該模塊能完成將0～3.3V標準TTL信號轉換為2.5～3.5V驅動信號的電路設計目標。

圖4 LED驅動模塊測試結果圖

2.3 LED和光電探測器的選擇

由于藍光LED的調制帶寬比較寬，在用白光LED作光源的可見光通信中，接收端一般加一個藍光濾波器取出其中的藍光信號。我們為減少成本，降低實驗復雜度，直接采用藍光LED做光源模擬實際的白光通信，選擇的LED為Thorlab公司的LED465E藍光二極管，其中心波長為465nm，最大輻射功率為200mW，輻射角（半角）為8°。

本系統采用Thorlab公司的寬帶放大硅基光電探測器PDA10A。它可探測200～1100nm波段的光信號，覆蓋了可見光范圍，可探測的信號頻率范圍是0～150MHz，輸出端接50Ω的負載電阻，最高輸出電壓可達5V。該探測器在可見光波段的響應好，適合用作可見光通信的接收機。

2.4 接收信號處理模塊

接收信號處理模塊主要負責對空間傳輸后衰減和失真的信號進行放大和整形，從而轉換為標準TTL信號，模塊原理圖如圖5所示。

圖5 接收信號處理模塊原理圖

接收信號處理模塊包括反相放大器和反相比較器兩部分，其中反相放大器將光電探測器輸出的微弱電壓信號進行適當放大，放大倍數Au2為：

從式（4）可以看出，通過改變滑動變阻器RA4的阻值，可以改變電路的放大倍數。

反相比較器完成的任務是消除信號可能存在的變形，得到所需的標準矩形方波信號,滑動變阻器RA5用于設定整形處理的比較電平VD，其計算公式為：

其中，RA5up和RA5all分別表示RA5接入電路的上半部分阻值和接入電路的最大阻值。

接收信號處理模塊測試結果圖如圖6所示，可以看出該模塊完成了將微弱的變形信號轉換為標準矩形方波信號的電路設計目標。

圖6 接收信號處理模塊輸入、輸出測試結果圖

3 系統測試

本文按照設計方案搭建了一套完整的基于LED可見光通信的實時全雙工上網系統，其傳輸距離為3m。TCP/IP網絡數據幀經RJ45/USB嵌入式網絡驅動模塊發出，示波器測試得到數據速率為4Mb/s，波形圖如圖7（a）所示。光電探測器輸出的待處理信號經接收信號處理模塊后，波形圖如圖7（b）所示。從兩路信號的波形圖可以看出上網系統傳輸信號存在一定延遲，但不存在誤碼。這表明本系統不僅能完成設計目標，而且能實現順暢穩定的上網功能。

圖7 系統測試結果圖

4 結束語

本文提出并搭建了一套點對點式的室內實時全雙工可見光通信上網系統，并對其進行了實驗測試。測試結果表明，當傳輸距離為3m時，本系統不僅能保證LED的照明效果，而且上網速率達到4Mb/s，通過示波器觀察到信號無誤碼，本地PC端網絡視頻播放流暢。本系統的不足之處在于：采用LED作為通信光源時，由于LED調制帶寬較低，使得整個系統的通信速率受到限制，今后的研究應著重解決此問題。

[1]TANAKA Y,HARUYAM S,NAKAGAWA M.Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links PIMRC 2000[C]// 11th IEEE International Symposium On Personal,Indoor And Mobile Radio Communications，London,18-21 Sep,2000.London：IEEE,2010.

[2]傅倩,陳長纓,洪岳,等.改善室內可見光通信系統性能的關鍵技術[J].自動化與信息工程,2010,31(2)：4-7.

[3]駱宏圖,陳長纓,傅倩,等.白光LED室內可見光通信的關鍵技術[J].光通信技術,2011,35(2)：56-59.

Real-time full duplex online system based on visible light communication using the LED

ZHAI Ya-xue1,TANG Xian-feng1,WAN Dong1,2,ZHANG Xiao-guang1
(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China; 2.Beijing Information Technology College,Beijing 100018,China)

Based on the indoor visible light communication(VLC)technology,the paper configuration a new design scheme of point-to-point real-time full duplex indoor visible light communication system and introduces the general design method.It sets up a complete set of real-time full duplex online system based on visible light communication using the LED,and carries out the experiment to verify the proposed design scheme.

visible lighe communication(VLC),real-time,duplex online

TN91

A

1002-5561（2016）04-0038-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.013

2015-12-01。

中央高?；究蒲袠I務費北郵青年科研創新計劃專項項目（2014RC1201）資助；北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室自主課題資助；國家自然基金（61205065）資助。

翟亞雪（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為無線光通信與光電子器件。