基于LED的室內(nèi)光無線通信系統(tǒng)研究與硬件設(shè)計(jì)

宋哲 周雷 呂振彬 袁衛(wèi)文

【摘要】 提出了一種基于可見光通信技術(shù)的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，并建立了通信系統(tǒng)信道的線性模型。在此基礎(chǔ)之上，給出了該通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)方案，采用3B4B和5B6B編解碼及OOK調(diào)制方式，搭建了以FPGA為核心的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。最后，通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了高清視頻的傳輸，驗(yàn)證了該通信系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】 可見光通信 信道建模 硬件設(shè)計(jì)

近年來，隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，射頻頻譜資源越來越緊張，利用現(xiàn)有射頻頻譜資源進(jìn)行高速無線通信的實(shí)現(xiàn)成本已經(jīng)越來越高[1]。可見光通信（Visible Light Communication， VLC）具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾、無電磁輻射、保密性好和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，能夠同時實(shí)現(xiàn)照明和通信的雙重功能，只要燈光照到的地方，就可以長時間下載和上傳高清晰的圖像和視頻資料，沒有通信盲區(qū)，方便快捷[2-4]。本文研究了一種基于VLC的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的信道模型，并給出了具體的硬件設(shè)計(jì)方案。

一、室內(nèi)光無線通信信道建模

由LED和光敏二極管的組成結(jié)構(gòu)可知，對通信系統(tǒng)來說，其主要表現(xiàn)為低通特性，而且基本不隨時間而改變。另外，在散熱較好的條件下，頻響變化極其緩慢，信道基本可認(rèn)為是線性時不變信道。對于線性時不變信道，獲得其時域沖激響應(yīng)，即可建立完整的信道模型。

一般情況下，定義復(fù)PN序列，使其滿足，這里a為PN序列的幅度。但實(shí)際情況中，一般定義PN序列為實(shí)值，即，滿足

（1）

其中，當(dāng)j<1時，，當(dāng)j>n時，。為了簡便，將式（1）中約等號替換為等號。文獻(xiàn)[5]表明，對于長PN序列，這種近似帶來的誤差可以忽略。將此PN序列輸入信道中，所得的輸出信號為

（2）

其中，為信道在時刻m（在離散系統(tǒng)中表示第m個采樣點(diǎn)）的第k個抽頭系數(shù)，表示均值為0，功率譜密度為的高斯噪聲。由于信道是時不變信道，所以可以將簡寫為。然后，將接受信號與發(fā)送的對應(yīng)PN序列做相關(guān)操作，可得

（3）

其中，表示相關(guān)值。將式（2）代入式（3）可得

（4）

由此可得

（5）

其中，

（6）

表示測量誤差。這樣即可測量得到信道的所有抽頭系數(shù)。

二、室內(nèi)光無線通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)光無線通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分構(gòu)成。發(fā)射機(jī)主要實(shí)現(xiàn)上層數(shù)據(jù)報(bào)的分解、重打包、數(shù)據(jù)的模擬化和對外發(fā)送等功能；接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)模擬信號的接收、數(shù)字化、解包和向上層傳遞接收到的數(shù)據(jù)報(bào)等功能。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

在室內(nèi)光無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的模擬電路主要實(shí)現(xiàn)兩個性能指標(biāo)：高功率輸出和較寬的基帶通頻帶。采用兩級功率放大器驅(qū)動LED發(fā)光電路，原理圖如圖2所示。其中，使用小功率三極管MRF587和中功率三極管BLW32設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)甲類功率放大器。為了驅(qū)動LED發(fā)光，還需要為LED提供直流偏置電流。驅(qū)動LED發(fā)光的直流偏置電流一般為恒定直流，使用芯片LM3404設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了恒流源，為LED提供穩(wěn)定的直流電流，使LED發(fā)光更加穩(wěn)定，同時可以延長LED使用壽命。

2.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

接收機(jī)模電路如圖3所示，主要包括跨阻放大器和高增益放大器兩部分。

跨阻放大器的作用是將光電轉(zhuǎn)換二極管輸出的感光電流轉(zhuǎn)換為方便處理的電壓信號。為了不影響整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，跨阻放大器一般選用高增益帶寬積的放大器實(shí)現(xiàn)。本文選用美國TI公司的OPA657型FET輸入運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)前端跨阻放大器。

信號通過跨阻放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號之后，即需要使用高增益放大器進(jìn)一步放大接收信號。一般來說，單個運(yùn)放無法直接將信號放大到理想的幅度。所以，使用兩級運(yùn)放級聯(lián)的方法對輸入信號進(jìn)行放大。為了使得信號獲得盡量高的增益，選用TI公司的低噪聲、極高增益帶寬積運(yùn)算放大器OPA847作為高增益放大器。其增益帶寬積達(dá)到3.9GHz，輸入電壓噪聲只有。

三、系統(tǒng)驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)

在視頻演示平臺中，使用150Mbps的速率、基帶采用3B4B和5B6B編碼、前端LED發(fā)射模塊采用兩級功率放大器驅(qū)動、模擬接收端采用PIN管做光電轉(zhuǎn)換、采用跨阻放大器和高增益放大器對信號進(jìn)行處理，數(shù)字接收端采用PN序列進(jìn)行幀同步的方法，實(shí)現(xiàn)了高清視頻流媒體的傳輸與播放系統(tǒng)。在流媒體播放系統(tǒng)中，均使用UDP作為傳輸層信息承載協(xié)議。在高清視頻傳輸?shù)难菔局?，發(fā)射與接收之間的距離約為2米，高清視頻可以在光鏈路中清晰地同步傳輸與播放，驗(yàn)證了室內(nèi)光無線通信系統(tǒng)的可用性。

四、結(jié)束語

本文研究了一種基于可見光LED的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，推導(dǎo)了系統(tǒng)信道的模型，對系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用FPGA對基帶信號進(jìn)行了處理。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的傳輸速率可達(dá)150Mbps，在2m距離內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高清視頻的傳輸。

參 考 文 獻(xiàn)

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