LED室內(nèi)可見光語音通信系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

江曉明，朱孝勇，劉 濤，朱 娜，劉嘉蓓

（江蘇大學(xué)計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013）

LED室內(nèi)可見光語音通信系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

江曉明，朱孝勇，劉 濤，朱 娜，劉嘉蓓

（江蘇大學(xué)計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013）

LED燈作為主要的新型照明工具，因其較高的靈敏度，可用于光通信系統(tǒng)中。為了研究與驗證LED室內(nèi)可見光語音通信系統(tǒng)的接收性能與傳輸距離，參照紅外通信的信道模型，融入反射光的影響因素，在使用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)照明的光發(fā)射功率下，采用多徑疊加網(wǎng)格算法，計算桌面各接收點接收信號功率等參量的分布，并設(shè)計與實現(xiàn)了LED可見光語音單向通信系統(tǒng)的收發(fā)電路。結(jié)果表明，當(dāng)LED燈的發(fā)射功率大于2W、信號物理層通信速率不高于1Mbit／s的情況下，系統(tǒng)能夠滿足信號接收功率與接收信噪比的實際通信要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)10m距離內(nèi)的信號無失真解碼與清晰收聽。這一結(jié)果對LED可見光通信系統(tǒng)進(jìn)一步的研究與應(yīng)用有一定的價值。

光通信；照明；信道模型；接收功率；解碼

引 言

隨著高亮度發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）光效的不斷提高，其應(yīng)用已從顯示領(lǐng)域擴展到照明與燈光美化領(lǐng)域。與傳統(tǒng)照明器件相比，LED具有電壓低、功耗小、壽命長與小型化等優(yōu)點。該照明光源，特別是白光LED燈，已被視作當(dāng)代節(jié)能環(huán)保型照明產(chǎn)品［1-2］。LED的另一個突出優(yōu)點是響應(yīng)靈敏度高、調(diào)制性能好、發(fā)射功率大，目前已逐步替代傳統(tǒng)光源，作為高速率數(shù)據(jù)光纖通信系統(tǒng)的光源得到了普遍的應(yīng)用。所以，利用LED的發(fā)光特性，可以將數(shù)據(jù)調(diào)制到自由空間的可見光上進(jìn)行傳輸，形成LED可見光無線通信（visible light communication，VLC）系統(tǒng)［3］。與傳統(tǒng)紅外通信相比，室內(nèi)VLC通信系統(tǒng)具有對人眼無傷害、無電磁干擾、無需申請頻譜、不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄漏等優(yōu)點。因此，使用LED的VLC通信系統(tǒng)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來得到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注與研究。

日本KEIO大學(xué)的NAKAGAWA等學(xué)者提出了利用LED燈進(jìn)行信息傳輸?shù)氖覂?nèi)VLC通信系統(tǒng)，并在信道設(shè)計和調(diào)制方式等方面做了大量工作［4］。國內(nèi)暨南大學(xué)CHEN教授等人對LED發(fā)光特性和室內(nèi)通信鏈路進(jìn)行了仿真［5］，西安理工大學(xué)KE教授等人對不同無線光信號的調(diào)制方法與接收性能進(jìn)行了分析［6］。作者參考上述文獻(xiàn)中的研究方法和結(jié)論，借助BARRY等人的室內(nèi)紅外通信信道模型［7］，采用可見光發(fā)射常用的強度調(diào)制／直接檢測（intensity modulation／direct detection，IM／DD）信號調(diào)制方法，在典型LED燈室內(nèi)布局與常用LED光發(fā)射功率的情況下，采用多徑疊加網(wǎng)格算法，建立仿真模型與計算程序，計算桌面上各點的水平照明度與接收信號功率等參量指標(biāo)的分布。為了通過實驗來驗證計算結(jié)果的可靠性與該通信系統(tǒng)的可行性，采用ADUC7020型數(shù)模轉(zhuǎn)換的ARM可編程芯片及配套的外圍印制電路板（printed circuit board，PCB），設(shè)計及實現(xiàn)了包含收發(fā)兩端器件的VLC語音單向通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)在一定功率要求和較短傳輸距離的情況下，語音數(shù)字信號的無中繼接收、放大濾波及清晰收聽。

1 室內(nèi)VLC通信系統(tǒng)的照明與功率要求

1.1 典型房間模型和LED照明度分布

照明度表示物體表面的亮度，水平照明度可表示為［8］：

式中，I（0）為LED中心光照強度，Φ為光發(fā)光角度，Ψ為光入射角度，Dd為LED與光接收機（photo detector，PD）表面的距離。假設(shè)LED符合朗伯輻射規(guī)則，m為朗伯輻射系數(shù)，它與LED的半功率半角Φ1／2的關(guān)系可表示為m＝－ln2／ln（cosΦ1／2）。根據(jù)ISO定義的照明度要求，辦公室房間的光照強度適合在300lx～1500lx之間。

在空間尺寸為5.0m×5.0m×3.0m的典型室內(nèi)房間模型中，LED燈安裝在離地面2.5m處，桌面高度為0.85m，房間頂部裝有4個LED燈，每個燈有100（10×10）個LED燈珠芯片。燈珠芯片之間的距離為5cm，發(fā)光半角為60°，中心發(fā)光強度為0.73cd，單個燈珠光發(fā)射功率為20mW，每個LED燈的總發(fā)光功率共計2W。通過MATLAB仿真工具進(jìn)行3維建模仿真，可以獲得桌面的水平照明度分布圖，如圖1所示?？梢钥闯?，燈垂直位置下的照明度最高，房間桌面各點照明度在307lx～1286lx之間，符合ISO規(guī)定的照明標(biāo)準(zhǔn)。

Fig.1 Illumination distribution

1.2 直射光與一次反射光的接收功率

［7］中的光直射信道數(shù)學(xué)模型，在朗伯照射標(biāo)準(zhǔn)下，信道的增益為：

式中，A為光PD接收器的收光面積，Ts（Ψ）為光濾波器增益，g（Ψ）為PD接收機增益，Ψc為PD最大可接收視角。接收的直射光功率Pr與LED燈發(fā)射功率Pt的關(guān)系為：

在上述典型房間中，設(shè)接收機視角為最大視角60°，PD的收光面積為1.0cm2，光濾波器增益為1.0，PD的光電轉(zhuǎn)換率增益為1.5A／W，并利用PD接收效率最靈敏的白光波長進(jìn)行傳輸，可仿真計算出室內(nèi)桌面直射光接收功率的分布情況，見圖2a。

Fig.2 a—receiving power distribution of the direct light b—receiving power distribution with the reflected light

再考慮典型室內(nèi)墻面引起的反射，光接收功率由直射H（0）與反射Href（0）的增益決定［9］。

反射一次的增益表達(dá)式為：

式中，D1為LED與反射點距離，D2為反射點與PD接收機距離，ρ為反射系數(shù)，d Awalls為反射區(qū)域面積，α為光源和反射點夾角，β為光源與PD接收機夾角，Ψ為反射光入射角，其它參量與直射相同。同樣可以計算出包含一次反射光信號的接收功率分布，如圖2b所示。

通過圖2a的計算結(jié)果可以得到，在典型室內(nèi)環(huán)境中，桌面各點接收到的直射光功率范圍為－4.3dBm～2.5dBm，并且直射單一路徑接收信號不存在碼間干擾（inter symbol interference，ISI）的影響，可由PD接收機作為確認(rèn)信號來接收。由圖2b的結(jié)果可知，包含一次反射的光接收總功率比直射信號的接收功率高0.5dBm左右，并且，雖然接收總功率有所增加，但是由于數(shù)字無線通信中反射的多徑效應(yīng)，會導(dǎo)致真實信號接收的碼間干擾ISI［10］，并且在同一物理信道和系統(tǒng)相同調(diào)制方式下，光發(fā)送端信號傳輸速率越高，多徑效應(yīng)引起的ISI對實際信號接收的影響就越大。

1.3 不同信號傳輸速率的光信號接收質(zhì)量

基于第1.2節(jié)中的功率分布計算與反射引起的ISI影響，設(shè)發(fā)送的數(shù)字信號使用常見的非歸零開關(guān)鍵控（on-off keying，OOK）信號，調(diào)制方式為白光載波IM／DD的波長調(diào)制法，可以采用多徑疊加的網(wǎng)格算法，仿真計算出數(shù)字信號在不同傳輸速率下包含一次反射的接收信號信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）值。

接收信號的表達(dá)式為：

式中，γ為PD接收器的功率增益，X（t）為非歸零OOK光脈沖發(fā)送信號，h（t）為信道沖擊響應(yīng)，Pn（t）為包含了與信號發(fā)送周期T相關(guān)的ISI、散彈噪聲及熱噪聲等多種噪聲功率之和［11］。接收信號SNR中，信號功率表示為：

式中，T為碼元周期。ISI的噪聲功率Pn，ISI表達(dá)式為：

接收信號SNR中噪聲功率之和Pn（t）可表示為：

參考文獻(xiàn)［5］和參考文獻(xiàn)［11］中的典型室內(nèi)模型系統(tǒng)散彈噪聲σshot與熱噪聲σthermal公式、參量與仿真結(jié)果，可以得到PD接收機的平均散彈噪聲與平均熱噪聲之和為較小值3.82×10－5dBm；設(shè)PD接收器的功率增益γ＝1，可在信號物理層速率為1Mbit／s與10Mbit／s，即單信號碼元周期為10－6s與10－7s時，分別仿真計算出PD接收機帶ISI干擾的光接收SNR值桌面分布，如圖3a與圖3b所示。并且，同樣可以計算出在信號速率不斷增加的情況下，燈正下方、房間四角及房間中心SNR值的變化曲線，如圖4所示。

Fig.4 SNR points curves under the lights in the room-center and in the corners

分析接收信號功率與各類干擾噪聲功率，對常規(guī)語音數(shù)字解碼器中信號接收質(zhì)量的影響。在接收信號SNR值大于13dB時，系統(tǒng)能夠獲得誤碼值小于10－4的數(shù)字解碼效果與清晰音質(zhì)試聽［12］。由圖3a與圖3b可見，當(dāng)信號發(fā)送速率小于1Mbit／s，即單個碼元周期大于10－6s時，系統(tǒng)桌面接收點的SNR值均可達(dá)到14.9dB以上；而在10Mbit／s信號發(fā)送速率下，由于碼間干擾ISI值的影響加劇，SNR值介于4.8dB到19.3dB之間，大部分接收點不滿足語音信號接收的SNR質(zhì)量要求。同樣，由圖4中的3種室內(nèi)接收點連續(xù)變化曲線亦可發(fā)現(xiàn)，在LED室內(nèi)可見光短距離通信系統(tǒng)中，使用同樣的信道模型與光信號發(fā)送功率，雖然接收信號的通信質(zhì)量隨著信號發(fā)送速率增加呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，但是通過接收信號的SNR值可以看出，系統(tǒng)能夠支持短距離中低速（信號發(fā)送小于1Mbit／s）語音信號的傳輸與接收。

2 語音通信收發(fā)機電路的設(shè)計與測試

2.1 LED與PD光收發(fā)器件電路設(shè)計思路

發(fā)送端首先對語音源通過自動增益控制（automatic gain control，AGC）電路放大與整流，通過核心處理芯片進(jìn)行曼徹斯特編碼，并且滿足語音信號編碼速率小于或遠(yuǎn)小于1Mbit／s，使得模擬語音信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字基帶信號［13］；然后使用NPN三極管控制電路，利用LED發(fā)光器的調(diào)制靈敏度直接進(jìn)行光波強度調(diào)制，達(dá)到既能夠發(fā)光又能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號發(fā)射的目的。

接收端采用增益系數(shù)較高的PD光電二極管接收光波信號，并在接收系統(tǒng)電路的控制和解碼作用下，進(jìn)行與發(fā)送端相反的信號處理。設(shè)計的系統(tǒng)電路原理圖，如圖5所示。

Fig.5 Theoretical diagram of voice transceiver device circuits

2.2 電路設(shè)計的重點

收發(fā)器件電路中的核心芯片均采用ADI公司的ARM芯片ADUC7020，配以外圍工作電路與供電模塊，電路均采用3.3V供電［14］。其中，發(fā)送端由語音終端設(shè)備的耳機孔發(fā)出音頻信號，經(jīng)過外圍電路整流放大，輸出至ADUC7020芯片的模擬信號輸入引腳，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換與曼徹斯特數(shù)字編碼等信號處理后，輸出數(shù)字基帶信號；接著連接到NPN型三極管電路B極上，用以控制LED光信號發(fā)射器的信號發(fā)射。接收端的光信號接收與檢測由光接收器與光敏三極管構(gòu)成，將光電轉(zhuǎn)換后的電信號發(fā)送到放大均衡芯片中，并將放大整流后的數(shù)字信號連接到ADUC7020芯片的數(shù)字信號引腳，通過解碼與譯碼，輸出相應(yīng)的模擬語音信號；該信號再經(jīng)過外圍電路的濾波放大，實現(xiàn)模擬音頻的播放。

2.3 發(fā)送與檢測的軟件程序流程

基于核心芯片的良好的程序開發(fā)與編譯功能，該LED語音可見光收發(fā)系統(tǒng)的嵌入式軟件程序，都能在該芯片中設(shè)計編譯完成。在發(fā)送端，主要完成的是語音信號輸入的檢測判別、基于曼徹斯特的模數(shù)轉(zhuǎn)換、以及驅(qū)動LED燈發(fā)射信號等工作。在接收端，主要完成的是判別光電轉(zhuǎn)換后的電流中有無數(shù)字信號、進(jìn)行單向通信的建立與釋放、以及對數(shù)字信號進(jìn)行解碼譯碼等工作。發(fā)送與接收兩端的嵌入式軟件程序流程圖，分別如圖6a與圖6b所示。

2.4 電路中信號接收的效果

Fig.6 a—program chart of modulation and transmission b—program chart of receiver and demodulation

通過對上述LED與PD收發(fā)器件的多次實驗檢測，在無遮擋的典型室內(nèi)環(huán)境下（見第1.1節(jié)），LED的信號發(fā)射功率為2W，并且滿足PD接收機的接收角度，接收機能夠確保在10m范圍內(nèi)的正常信號接收與耳機清晰收聽。圖7為在收發(fā)兩端相隔10m距離時，用數(shù)字示波器檢測并截留產(chǎn)生的收發(fā)兩端語音數(shù)字信號波形。

在實驗檢測中，還通過數(shù)字誤碼儀測量了收發(fā)兩端的數(shù)字誤比特率（bit error rate，BER）值，獲得了10m范圍內(nèi)滿足誤比特率小于10－4的測量結(jié)果。但是，在光發(fā)送功率和PD接收面積不變的情況下，隨著收發(fā)兩端距離的不斷增加，信號接收效果將不斷下降，當(dāng)收發(fā)兩端傳輸距離從10m逐漸增加到20m時，實測誤比特率急劇惡化，信號逐漸無法正常接收與恢復(fù)。

Fig.7 a—voice digital signal waveform of transmission b—voice digital signal waveform of receiver

3 結(jié) 論

系統(tǒng)采用可見光發(fā)射常用的IM／DD信號調(diào)制方法，在典型LED燈布局和LED光發(fā)射功率恒定的情況下，采用多徑疊加網(wǎng)格算法，建立仿真模型與計算程序，獲得桌面上各點的水平照明度、接收信號功率及信號SNR等參量指標(biāo)的分布。計算結(jié)果表明，當(dāng)信號發(fā)送速率小于1Mbit／s，系統(tǒng)桌面接收點的SNR值均可達(dá)到14.9dB以上，所以系統(tǒng)能夠支持短距離中低速語音信號的傳輸與接收。并且，使用ADUC7020型可核心編程芯片及配套的外圍PCB電路，設(shè)計及實現(xiàn)了室內(nèi)VLC語音單向通信的收發(fā)系統(tǒng)，實驗測量可得到，在LED發(fā)射功率為2W，并且收發(fā)傳輸距離小于10m范圍的情況下，該LED可見光收發(fā)器件能夠?qū)崿F(xiàn)中低速率語音數(shù)字信號的無中繼接收與清晰收聽。

參考文獻(xiàn)

［1］ TAGUCHI T.Technological innovation of high-brightness light emitting diodes（LEDs）and a view of white LED lighting system［J］.Optronics，2000，19（228）：113-119.

［2］ ISHIDA M.InGaN based LEDs and their application［J］.Optronics，2000，19（228）：120-125.

［3］ XU G L，ZHANG X P.Free-space optical communication［J］.Photonics Technology，2002，22（4）：198-205（in Chinese）.

［4］ KOMINE T，NAKAGAWA M.Performance evaluation of visiblelight wireless communication system using white LED lightings［C］／／Ninth International Symposium on Computers and Commu-nications.Alexandria，Egypt：Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2004：258-263.

［5］ HU G Y，CHEN Ch Y.Study on white LED light source for wireless indoor communications［J］.Optical Communication Technology，2006，30（7）：46-48（in Chinese）.

［6］ KE X Zh，CHEN JN.Performance comparsion of various pulse position modulation in wireless laser communication［J］.Laser Technology，2012，36（1）：67-76（in Chinese）.

［7］ KAHN JM，BARRY JR.Wireless infrared communication［J］.Proceedings of the IEEE，1997，85（2）：265-298.

［8］ YU LH.Electrical lighting［M］.Shanghai：Shanghai Tongji University Press，2001：112-123（in Chinese）.

［9］ TANAKA Y，KOMINE T，NAKAGAWA M.Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights［J］.IEEE Transactions Communication，2003，86（8）：2440-2454.

［10］ PROAKIS JG.Digital communication［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2006：273-279（in Chinese）.

［11］ PANG G.Information technology based on LEDs optical wireless communications［C］／／IEEE Region 10 Annual International Conference，Proceedings.New York，USA：IEEE，2004：395-398.

［12］ LIU B H，YAN Y，YANG L Y.Influence of noise signal on ARM speech encoder［J］.Communication Technology，2008，41（1）：143-145（in Chinese）.

［13］ YUAN D F，ZHANG H X.Code modulation principles and applications［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2006：76-82（in Chinese）.

［14］ YANG H.LED lighting driver circuit design and examples［M］.Beijing：China Electric Power Press，2008：135-149（in Chinese）.

Design and implementation of LED indoor visible light voice communication system

JIANG Xiaoming，ZHU Xiaoyong，LIU Tao，ZHU Na，LIU Jiapei
（School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

As amain illumination tool，light emitting diode（LED）light can be utilized in optical communication system because of the high sensitivity.In order to study and verify the receiving performance and the transmission distance of a LED indoor visible light voice communication system，referring to the channel model of an infrared communication and the effect of the reflected lights，the signal power of the receiving point on the desktop was calculated according to indoor illumination standard by multipath overlay grid algorithm and the sending and receiving circuits of LED visible light voice single-direction communication system was designed and realized.The results show that when the emissive power of LED light is above2W and the communication rate in the signal physical layer is less than 1Mbit／s，the system is suitable for the actual requirements of the

power and the received signal-noise-rate and can achieve the no-distortion decoding and clear listening in 10m limit.This result is helpful for the research and application of LED visible-light communication systems.

optical communication；illumination；channel model；received power；decoding

—SNR distribution of the received signal in 1Mbit／s b—SNR distribution of the received signal in 10Mbit／s

TN929.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.018

1001-3806（2014）06-0807-06

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK2011475）；江蘇省科技技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目（BC2012208）

江曉明（1977-），男，講師，碩士，主要研究方向為智能光網(wǎng)絡(luò)與電子線路設(shè)計。

E-mail：jxm772400＠163.com

2013-12-11；

2014-02-25