单位文秘网 2022-02-13 08:16:57 点击: 次
信息经过调制后加载到白光LED中,接收端通过解码处理后还原成模拟信号,并传输到监视器实时播放。结果表明白光LED室内通信系统具有对人眼安全、绿色环保、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰和电磁辐射、低能耗、通讯成本低、方便快捷、可靠性高等优点。
关键词:白光 控制 LED 绿色 通信
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)02-0000-00
白光LED室内通信是指通过控制LED发出人眼无法识别的高速闪烁的明暗信号来传输信息,在通信的同时而不影响照明作用。室内白光LED系统通信速度可达每秒几兆至几百兆比特,通信距离达数米到数十米,可取代无线LAN局域网基站发射信号,解决无线通信的“最后一米”问题[1]。
与荧光灯、白炽灯等传统照明光源相比,白光LED具有绿色环保、亮度高、工作温度低、使用寿命长、功耗低等优点。更重要的是在照明的同时可将信号调制到LED可见光上进行传输,即可见光通信VLC技术,为光通信提供了一种全新的数据接入方式。由于VLC技术具有对人眼安全、绿色环保、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰和电磁辐射、通信成本低、可靠性高等优点,解决了射频敏感场所的无线通信需求。
1 白光LED室内通信原理
白光LED室内通信原理是利用LED灯光的明暗不同来表示数字信号‘0’和‘1’,将需要发送的广播、图像、视频等信息经过调制后加载到白光LED上,控制LED高速闪烁将信号发送出去,LED具有比人眼更快的响应,因此白光LED具有通信与照明的双重作用[2]。接收端采用光电探测器件,将接收到的信号经过放大、解调等一系列处理,还原成广播、图像、视频等信号。
白光LED室内通信系统大多被设计成IM/DD(光强度调制/直接探测)系统。这也是本系统组成的主要两部分:一个是可见光通信的发射部分,如图1-1(a)所示,输入信号经过调制电路的处理进入LED驱动电路形成可见光通信的发射部分,主要由调制电路、LED驱动电路和LED光源等组成。另一部分为可见光通信的接收部分,如图1-2(b)所示,即信号通过光接收端和解调电路解调还原成电信号,主要由光电探测元件(PIN或APD)、探测器驱动电路和解调电路等组成。
图1-3为基于白光LED阵列光源的数字视频信号传输框图。发射端装置通过对数字视频信号源码流的编码和调制完成数据的发送。接收端装置把接收到的数据经过解码处理后,还原成模拟信号,并传输到接收终端的监视器实时播放。
2 关键技术和需要解决的问题
室内可见光通信作为一种新兴的通信技术。目前学术界对室内白光LED通信相关技术的研究主要集中在四个方面:
(1) 白光LED高速调制技术。为满足未来宽带无线接入需求,首先关注的是白光LED的高速调制特性 ,图2-1为无线可见光通信中常见的两种调制模式。在带宽需求和传输容量性能方面表现最佳的是DPIM调制,而在误码性能和功率需求性能方面表现最佳的是PPM调制。为进一步提高光通信的传输速率,可将高阶调制引入无线可见光OFDM通信系统。
OFDM方案将频谱分成若干宽带子频带,然后按照时间交错的方式,在各个子频带内利用很窄的时域OFDM符号传送信息以获得很高的码片调制速率。OFDM有极高的频谱效率、较低的码率并具有循环前缀结构等特性,非常适合在光纤通信解决色散、偏振模色等问题, OFDM方案能够减弱多径效应带来的码间干扰,但会形成复杂的通信系统,提高系统成本。
一种较实用的单个白光LED的宽带调制驱动电路如图2-2所示,整个驱动电路由一个均衡电路和一个FET型GaAs场效应晶体管放大器组成。此外,RC高通滤波器还为LED芯片和管壳提供预充电,可以最大程度的降低启动延迟,理论上该驱动电路的频率响应超过100MHz。
(2)可见光信号接收技术。在白光LED通信系统中,光接收机的任务是在最小的失真及附加噪声条件下,恢复出经由无线光信道传输后光载波所携带的信息。对多径传输引起的码间干扰,采用了一种基于最小均方信道估计的自适应判决反馈均衡算法[3],可有效地抑制码间干扰引起的系统误码率性能下降。对非理想光器件引起的码间干扰,在发射端引入多谐振调制的预均衡器,在接收端引入均衡器,可有效地克服非理想光器件引起的码间干扰问题,同时提高系统的传输速率。
光接收部分的功能是将发送端发射的光信号经相关处理电路还原成电信号。图2-3介绍了数字稳幅信号光接收机电路,光信号首先经过光电探测器,完成光脉冲信号转变为电脉冲信号,光电探测器是接收电路的核心器件。主放大电路的作用是对前置放大器的输出信号无失真的放大,然后通过自动增益控制电路(AGC电路)使主放大电路输出信号的电平幅度稳定,最后经过均衡电路、时钟提取电路及判决电路,还原出发送的数字信号。
(3)光源布局。实际系统中,LED 灯一般安装在墙壁或天花板上,由于室内设施布局及房间大小问题,会存在光照射不到的区域,即通信盲区。因此需要合理规划最佳照明效果和通信效果的通适性光源布局。光源布局时,光路径的不同会引起多径延迟从而出现码间干扰问题,并且LED 灯的个数越多,码间干扰问题越严重,所以必须合理地选择 LED 灯的个数。
(4)应用可行性研究。对于白光LED室内应用可行性方面,Pang G等提出利用LED光源实现LED可见光低速的无线传输[4]。Akanegawa M.和Tanaka Y.等提出了室内可见光通信系统的最佳服务区域。Kitano S.等分析了室内可见光通信系统在不同接收方向角下的信噪比情况,并确定在一定误码率条件下信噪比与接收速率的关系[5]。
针对室内通信终端的移动性,多个用户终端等问题,还需要进行白光LED发光数学模型的建立、自动软硬切换技术、可见光通道的空间复用技术、噪声抑制技术、电路结构优化设计等研究。
3 白光LED室内通信应用
在室内白光LED照明的同时赋予通信功能即可衍生出多种新用途:
在展会、博物馆等场所,参观者只要通过手机等相应的接收设备,对准加载了信息的LED灯,就可以方便地接收到文字、声音、图像等信息,从而自动获得更加生动的讲解。
飞机舱内乘客通过手持的显示设备(如 PDA、平板电脑),接收白光LED照明通信系统传送的多种电视娱乐节目。这样既满足了乘客的娱乐要求,又不会干扰飞机导航系统,同时降低了网络电视的成本。
在超市内,白光LED通信系统结合现有的标签服务,可以提供各种商品信息。购物车上装上接收装置,顾客就可以方便快速的找到所需商品所在位置,同时通过标签信息可以了解顾客行走的路线、平均速度等,了解到顾客的各种所需,进一步反映客流情况,以便超市进行合理的采购,从而使利润最优化。
4 结语
在照明领域,白光LED可见光在照明的同时被赋予了通信功能。在通信领域,作为一种新兴的无线光通信技术,为光通信提供了一种全新的数据接入方式。但是,要真正做到白光LED在室内实现高速无线通信,还会面对很多挑战,如调制解调和编解码技术、光源及其布局、无线信道传输和复用技术、阴影效应、克服码间干扰等相关技术,需要进一步优化。目前,可见光通信大多处于实验阶段,产业界也未研发出可商用的产品,相信随着越来越多的研究人员的参与以及技术的不断进步,基于白光LED的无线通信将真正实现一种新的技术理念。
参考文献
[1]LI Xun,KIM Young Ju.PARK Noeyoon. The WLED Communication System Using SC-FDM Techniques for WLAN Communications.[J] Pro-ceedings of the 6th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference,2010,16(4):42-46.
[2]Elgala H,M esleh R, Hass H.An LED model for intensity-modulated optical wireless communication systems[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2010,22 ( 11) :835-837.
[3]Komine T., Jun Hwan Lee,Haruyama S.,Nakagawa M..Adaptive Equalization for Indoor Visible-Light Wireless Communication Systems. 2005 Asia-Pacific Conference on Communi-cations, 2005, 1(1):294-298.
[4]Pang G.,Kwan T.,Liu H.,Chi-Ho Chan. Optical wireless based on high brightless visible LEDs.Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference,1999,3:1693-1699.
[5]Kitano S.,Haruyama S., Nakagawa M..LED road illumination communications system.IEEE 58th Vehicular Technology Conference,2003,5:3346-3350.
收稿日期:2015-12-08
作者简介:张雅婷(1989—),女,河南内黄县人,硕士研究生,长春理工大学电子信息工程学院在读。
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