可見光通信在室外LED路燈上的實現

1 引言

近年來， 被譽為“綠色照明” 的半導體(LED) 照明技術發展迅猛。與傳統照明光源相比，白光LED不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環保，更具有調制性能好，響應靈敏度高等優點。利用LED 的這種特性，它能用作照明的同時，還可以把信號調制到LED 可見光束上進行數據傳輸，實現一種新興的光無線通信技術，即可見光通信( Visible light communication，VLC) 技術。與傳統射頻無線技術相比，VLC 可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產生電磁干擾，也無需相應頻段的許可授權，能夠以較低的成本實現高帶寬高速率的無線通信接入。具有很好的空間復用性，極大地拓展了網絡的覆蓋面，是對現有射頻技術的很好的補充。這些吸引人的特性，使得VLC 在世界范圍內受到極大關注。

VLC 可以提供很多應用，如LED 照明，信息廣播和M2M ( 機器到機器) 。LED 照明可應用于辦公室/家庭照明，路燈和汽車燈。信息廣播可應用于標牌( 例如: 廣告牌) ，辦公室家庭照明和路燈。M2M 可應用于移動手機到移動手機，汽車到汽車，汽車到交通信號燈和汽車到路燈等等。在實際研究方向上，LED 可見光通信分為室外通信和室內通信兩類，日本慶應義塾大學的研究小組率先提出了基于LED 的可見光通信( VLC) 系統，目前國內國際的主要研究方向也大部分集中在此，主要包括室內定位與導航及高速網絡連接。而室外可見光通信由香港大學G. Pang 等人在1998 年提出來，其應用領域主要集中在智能交通( ITS) 和室外廣告( Outdoor Advertising) 。ITS 應用主要包括: 車到車雙向通信，車到交通設施雙向通信。

近幾年，國內LED 路燈市場加速發展，為順應這一形勢，本研究主要針對城市LED 路燈可見光通信的實現和基礎應用探索，通過選擇合適的光調制解調方式，實現對LED 路燈基礎數據及運行參數的現場VLC 讀取，驗證其可行性，并為城市LED 路燈開創新的智能化管理思路及發展方向奠定基礎。

2 研究內容

2. 1 組成及工作原理

圖1 描述了一個基本的光通信系統組成，其主要包括信號發送部分和信號接收部分。在發送端，由編碼器編碼的數據經信號調制電路轉換成發送電信號，然后驅動LED 路燈光源發送光信號經自由空間光通路到信號接收端。在接收端，通過光傳感器和放大器檢出光信號并轉換成電信號。最終經解調電路、解碼器獲得相應數據。

圖1 系統組成

2. 2 信號調制

光通信就是以光波為載波的通信，即用基帶信號對光波進行調制。常用的調制方式包括: OOK、CCM ( Color Code Modulation ) 、HHW ( HighHamming Weight) 、VPM、R-RZ 等。本研究采用相對簡單的強度調制直接檢測，即IMDD，屬于非相干通信系統。通常IMDD 系統分為二進制系統和多進制系統，此處選擇二進制系統，并采用OOK編碼。

由于LED 路燈本身肩負的照明職能，如果單純采用OOK 編碼，勢必導致數據傳輸時LED 路燈出現閃爍的現象，這樣對正常照明是不利的，所以進一步優化為二次調制模式。所謂二次調制，就是先將基帶信號調制到一個較低頻率的載波，模式為2FSK，載波本身為方波信號，然后再用調制后的方波信號再一次調制光波，模式為OOK。

例如，如果想傳輸數據1，則輸出方波信號f1，然后用f1 控制LED 燈開關，即LED 燈以f1 的頻率閃爍，如果傳輸數據0，則輸出方波信號f2，然后用f2 控制LED 燈開關，即LED 燈以f2 的頻率閃爍。一般情況下，當閃爍頻率低于50Hz 以下時，人眼能夠識別光源的閃爍，當光強以大于50Hz 的頻率工作時，人眼的反應已經跟不上光源的變化，大多數人將無法分辨出光源閃爍，此時的光源將發出穩定、連續的光。例如: 人眼就察覺不到每秒100 次的閃爍( 100Hz) 的熒光燈的閃爍現象。因此當f1和f2 選擇較高頻率時，人眼是無法觀察到LED 燈閃爍的。但是此時LED 燈的亮度會變化，變化程度根據f1，f2 方波的占空比而定。

信號調制電路如圖2 所示，基帶信號的1 選擇輸出f1 方波，信號0 選擇輸出f2 方波，然后將f1和f2 相加即得到調制后的2FSK 信號，然后將該信號轉換為LED 燈的調光信號輸出，為簡化設計，LED 燈工作于開關模式下。

圖2 信號調制

2. 3 信號解調

信號解調電路如圖3 所示，變化的光信號由光傳感器檢測出來后