短距离室外可见光数字传输系统研究

第13卷第3期2013年1月1671—1815（2013）03-0744-05
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol.13No.3Jan．2013 2013Sci.Tech.Engrg.
短距离室外可见光数字传输系统研究
刘建余
于立娟
（桂林电子科技大学研究生学院，桂林541004）
摘要提出一种基于白光LED 的短距离室外可见光数字传输系统，分析可见光室外通信信道特性及影响因素，采用恒流驱
动电路实现亮度调节保证LED 照度与通信稳定性，
利用切换电路实现照明通信间切换，采用差分曼彻斯特编码来避免通信过程LED 闪烁和保证光信号接收，并进行光路设计便于光路处理和干扰抑制。

实验结果表明，系统实现了45m 室外可见光上无差错数字信号传输，工作稳定可靠且抗干扰能力强，为进一步研究室外可见光通信技术提供一定参考。

关键词
室外可见光通信
差分曼彻斯特编码
数字传输
光路设计
照明通信切换
中图法分类号
TN929.1；
文献标志码
A
2012年9月7日收到，10月10日修改
广西研究生教育创新
计划项目（2011105950810M13）资助
第一作者简介：刘健余（1985—），男，硕士，研究方向：超宽带无线通信、光通信技术。

E-
mail ：liujianyu_ljy@ 。

白光LED 被誉为第四代照明光源，具有寿命长、光效高、稳定性好和功耗低等优点
［1，2］。

除此之外，还具有调制特性好、响应灵敏度高、发射功率大等优点，可见光通信技术（Visible Light Communica-tion ，VLC ）正是基于LED 优良调制特性实现的。

VLC 技术属于绿色通信，具有对人眼安全、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰等优点。

因此，VLC 技术具有极大的发展前景，为无线光通信提供了一种全新数据接入方式，为人们广泛关注和研究
［3］。

短距离室外可见光通信指利用LED 光源进行短距离（通常几十米）的室外可见光通信，具有低成本、低功耗、对等性和无电磁辐射等特点。

本文探讨短距离室外可见光数字通信技术，采用恒流驱动电路和切换电路保证LED 照度、通信稳定性与照明通信之间切换，采用差分曼彻斯特编码来避免通信过程LED 闪烁和保证光信号接收，并进行光路设计便于光路处理和干扰抑制。

1室外可见光通信信道
可见光室外通信信道是大气信道，其为随机信
道主要受瑞利散射影响。

短距离通信可见光的波
长较短，瑞利散射的作用较强烈，根据瑞利散射定律
［4］
得：
a m （λ）=
8π33（n 3－1）2N λ4
6+3σ
6－7σ（1）
式（1）中，λ为入射光波长，N 是单位体积内的大气分子、粒子数，n 是大气分子、粒子的折射率，σ是退偏振因子。

瑞利散射的前向散射和后向散射的比重大约各占一半，衰减系数与λ4
成反比，因此短波光比长波光散射更明显，导致可见光衰减比较严重，降低系统的通信性能。

可见光在大气中传输中也会受到太阳光的影响，太阳光与可见光相近，会带来背景光噪声干扰。

另外，天气因素也会对可见光室外通信效果产生影响。

可见光在雨、雪和大雾中的透过能力下降，雪花、雨滴和雾滴对可见光进行散射和吸收等，经大气传输的光信号会产生衰减，衰减幅度变化较大，影响光的传输和系统的通信质量。

因此，室外通信需充分考虑信道情况，采用光路设计和背景光干扰抑制等措施来减少外界干扰的影响，提高系统性能。

2系统设计
2.1
系统方案
室外可见光通信系统由通信光源白光LED 、单
片机、光电探测器、前置放大器和限幅放大电路等构成，如图1所示。

待传输信号由FPGA 完成差分曼彻斯特编码，单片机控制LED 驱动电路与光源产
图1白光LED 室外可见光通信系统框图
生可见光脉冲。

光信号通过一定光路处理以保证一定的室外照度，然后以光束的形式发射到大气信道中，光路传输采取定向直射式视距方式，直射式视距链路中光接收机直接指向光源，光功率利用率高，可有效减少大气信道对链路的干扰。

接收机中光电探测器前架设透镜，
对信号光进行汇聚，使得PIN 光电探测器接收范围更广，光电探测器将光信号转换成电信号，接收机中低噪声前置放大电路、AGC 电路、限幅电路等电路对转换后的电信号放大、整形处理，并传输给FPGA 进行解码处理，最后输出信号。

单片机作为主控MCU 控制LED 照明亮度调整，实现计算机与FPGA 的通信。

光源是室外可见光通信系统的关键器件，为了实现通信的同时能兼顾照明，并满足一定通信速率要求，为此，光源通常选用白光LED 阵列。

白光LED 发出可见光，且发散角大便于光路处理和光路接收，
可在大范围内安全可靠传输信号。

由于通信光源白光LED 的特殊性，光电探测器选择光电转换线性度好、工作电压要求低和响应速度快的PIN 光电二极管。

前置放大器作为光接收机的关键部分，前置放大器的增益应该足够大且固有噪声低，以产生足够大的输出电压幅度并克服后续电路噪声的
影响，
以获得较好的噪声和码间干扰性。

AGC 电路实现信号强度在一定范围发生变化时，光接收端接收到信号基本稳定，为系统提供一个较大的动态范围。

2.2
LED 驱动与照明切换电路设计系统采用LED 恒流驱动
［5，6］
方式，恒流驱动电
路如图2所示。

待传输信号输入到DD311的使能端控制LED 的亮灭实现光强度调制，从而实现信息加载到光载波上。

输出端电压VL 与GND 端之间加入一个足够大的电容以保持LED 工作电源电压的稳定，同时接入退耦电容降低大电流信号对其他电路的影响。

使能端EN 之前加入一个阻容滤波RC 电路，将使能端信号的电位上升或下降的时间延长，保证输出电流的瞬时反应更趋圆滑。

调整Vbias 电压改变参考输入电流，从而改变输出电流，实现LED 亮度调节。

Vbias 电压由MCU 控制，Vbias 调光电压是通过FPGA 产生PWM 信号低通滤波得到的。

系统照明切换通过光敏电阻模块和DD311使能端联合工作来实现的，白天，阳光亮度足够时，光敏电阻模块输出低电平，使能端处于禁止状态，LED 不点亮，阴天或夜晚，阳光亮度不够时，光敏电阻模块输出高电平，使能端正常工作，点亮LED。

图2白光LED 恒流驱动电路
5
473期刘建余，等：短距离室外可见光数字传输系统研究
图3限幅放大电路
2.3限幅放大电路设计
接收端，光信号经过光电探测器、前置放大电
路和AGC 电路处理后转化为电信号，
但是AGC 电路输出信号是模拟的，需将它转换成数字信号才能被后续信号处理电路识别。

为此设计了限幅放大电路，其将AGC 电路不同幅度的输出信号处理成等幅的数字信号，限幅放大电路如图3所示。

信号经过第一级主放大器放大后送给后级限幅放大器，由于后级放大器放大倍数足够，
放大信号峰峰值幅度达到V CC 后会被限制在V CC 以内，达到限幅作用。

限幅放大得到的信号是双极性信号，需要转换成单极性的TTL 电平才能送给FPGA 解码，R 1和D 1起到电平转换作用。

2.4
差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特码是曼彻斯特码的改进，具备曼彻斯特码所拥有的优点，
能提供足够的定时分量，而且无直流漂移，编码过程相对简单；并自带有同步时钟利于解码，
解决码元同步问题，还能避免曼彻斯特码译码错误。

差分曼彻斯特编码最多出现两个时钟的连0或连1，可有效地避免LED 闪烁，保证LED 光亮度恒定，
提高抗干扰性能。

差分曼彻斯特码信息“1”与“0”是以每个时钟位开始有无跳变来区分。

即码元起始有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。

差分曼彻斯特编码时，设定一个标志flag ，flag 在每个时钟上升沿翻转一次，当flag 为0时为每一数据位的起始判断输入，
如果输入是“0”则输出翻转，如果输入是“1”则不翻转；当flag 为1时表示数据位的中间，输出无条件翻转一次。

由于差分曼彻斯特编码用电平跳变来表示信息，用两位寄存器表
示差分曼彻斯特码的跳变情况，每个数据位中间必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号，因此，数据编码后不会出现00的状况，
应为01、10和11的形式。

差分曼彻斯特解码时，若编码是11，即连续两次跳变，不论“11”表示的是一个完整的数据位还是两个数据位的头尾，解出数据都为0；若是01或10，解出数据为1。

2.5
光路设计
为了屏蔽或抑制较强背景光（如太阳光、大功率的白炽灯）的影响，
可见光通信系统中，光发射机光出射口和接收机入射口应设计较窄。

光发射机前端采用非成像透镜对发射光进行汇聚，保证一定室外传输距离和光照度；接收机前端架设透镜对光信号汇聚，同时将PIN 光电二极管设计在光聚焦点附近，
使光电探测器光信号接收范围更宽与接收灵敏度更好；使背景光难以进入发射端影响光信号。

3
实验测试
3.1
光调制与解调测试
输出电流为300mA 时，将1.25MHz 方波加载
至驱动电路使能端调制光载波，
DD311芯片输出波形即调制波形（蓝色）和光接收模块限幅放大器波形（黄色）如图4所示。

从图可知恒流驱动电路对频率较高的信号进行调制，对比输入波形和输出波形，调制信号出现了一定范围的变形和过冲；输出波形表明调制信号经后续前置放大、
限幅等电路处理后，在接收端可得到较理想的传输信号，说明系统具有较好调制解调能力。

647科学技术与工程13卷
图4
调制与解调波形
3.2光接收放大性能测试
FPGA 产生速率为1.25Mbps 的伪随机序列，经
过差分曼彻斯特编码后调制到LED 上发射出去，用光接收模块接收信号。

用示波器观察对比光接收电路AGC 和限幅放大输出波形。

AGC 和限幅放大眼图如图5所示。

蓝色波形为AGC 输出的眼图，黄色波形为限幅放大器输出的眼图。

前置放大电路处理后输出信号得到一定放大和调整，
AGC 电路将前置放大器输出信号进一步放大，
并也有一定限幅作用。

限幅放大器将AGC 输出的模拟信号等副数字化，使得眼图张得比较开。

图5
AGC 和限幅放大眼图
3.3室外通信测试
可见光发射机和光接收机均加上光学天线分
别架设在相距45m 的两栋教学楼楼顶，
架设时需考虑太阳运行轨迹，避免太阳光直射影响光发射机和接收机。

用FPGA 产生速率为1.25Mbps 的伪随机序列，
经过差分曼彻斯特编码后调制到LED 上，用光接收模块接收信号。

用示波器观察发射码型和接收电路限幅输出的码型，结果如图6所示，蓝色为发射码信号，黄色为接收码信号。

从测试结果可知，光信号经编码传输，在接收端经信号处理，恢复出与发射码相仿的码型。

说明光收发端使用光学天线，能实现信号可靠接收和处理，满足短距离室外可见光通信。

图6
发射码与接收码
4结论
利用白光LED 优良的特性构建出的短距离室
外可见光通信系统，实现了信号可靠传输，恒流驱动保证了照度和通信稳定性，数字编码避免通信过程中LED 闪烁，光路设计更好实现了信号传输和背景光的防护，对进一步研究室外可见光通信有一定的参考价值。

基于白光LED 的可见光通信技术可实现绿色通信，能快速构建通信网络，具有通信安全、不占用无线电频谱等优势，具有极大的发展前景，但要实现长距离室外可见光通信，还需要面对很多挑战。

参
考文献
1
赵惠珊，陈长缨，陈
曦，等.白光LED 通信系统的噪声与干扰
分析.光通信技术，2011；1：60—622
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技术.光通信技术，2011；2：56—59
3刘宏展，吕晓旭，王发强，等.白光LED照明的可见光通信的现状及发展.光通信技术，2009；7：53—56
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Study on the Outdoor Short-distance Digital Transmission
Based on White LED Visible Light Communication
LIU Jian-yu，YU Li-juan
（The Graduate Institute of Guilin University of Electronic Technology，Guilin541004，P．R．China）
［Abstract］A novel short-distance digital transmission system based on white LED outdoor visible light commu-nication is proposed.The characteristics of outdoor visible light communication channel and influence factors were analyzed in the paper.The constant current drive circuit were designed to ensure the illumination and communica-tion stability of white LED.And the switch circuit to ensure switch between lighting and communication.The differ-ential Manchester encoding was employed to avoid LED twinkle and guarantee the stability of signal receiving.The optical path design was adopted to optical processing and interference suppression.The measurement results shown that an error-free digital data transmission was achieved in the proposed system.And the system was not only stable and reliable，but also has high anti-interference ability，which also would have certain effective for further research on LED outdoor visible light communication.
［Key words］outdoor visible light communication differential manchester encoding optical path design digital data transmission switch between lighting and communication
847科学技术与工程13卷。