色、時域結(jié)合的多光譜混白光WDM-VLC系統(tǒng)

崔璐，唐義，朱慶煒，黃河清，張學彬

(北京理工大學光電學院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京100081)

色、時域結(jié)合的多光譜混白光WDM-VLC系統(tǒng)

崔璐，唐義，朱慶煒，黃河清，張學彬

(北京理工大學光電學院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京100081)

由于少有多基色的白光LED，傳統(tǒng)波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)可見光通信(Visible Light Communication，VLC)系統(tǒng)僅擁有R、G、B三個通道。針對VLC中WDM技術(shù)的應用受到白光LED器件限制的問題，本文提出了一種多光譜混光通信方法。該方法根據(jù)LED光源顏色特性、多脈沖位置調(diào)制特點和混光方式，設(shè)計出針對各通道LED光源的多脈沖位置調(diào)光調(diào)制方案，將色域和時域統(tǒng)一，在多通道通信的同時實現(xiàn)白光輸出。本文利用4種單色LED設(shè)計出多光譜混光通信驗證系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在4路并行通信的同時，輸出白光色溫5 500 K，色差小于人眼分辨范圍(CIE1976色坐標體系Δu＇v＇小于0.005)，多光譜混光通信是可行的。關(guān)鍵詞：光通信；可見光通信；多光譜混白光；波分復用技術(shù)；多脈沖位置調(diào)制

0 引言

可見光通信具有可靠性高、保密性好、無電磁輻射、無需頻譜認證、光網(wǎng)絡易于搭建等優(yōu)點[1-3]。LED作為下一代“綠色照明”光源，其高效、低成本、相對較高的調(diào)制速率的優(yōu)點非常適合可見光系統(tǒng)光源[4-6]。

市場上白光LED可分熒光型LED和RGB型LED，其中RGB-LED為可見光通信(Visible Light

Communication，VLC)波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術(shù)提供了可能性，VLC系統(tǒng)也逐漸由單通道系統(tǒng)向多通道系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[7-11]。2009年，德國科學家J.Vuˇcic′，C.Kottke等人利用熒光型LED實現(xiàn)了200+Mb/s單路可見光通信系統(tǒng)[7]；2012年，意大利科學家A.M.Khalid和G.Cossu等人利用熒光型LED結(jié)合DMT調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)1 Gb/s單路可見光通信系統(tǒng)；同年，G.Cossu，A.M.Khalid等人用RGB型LED和WDM技術(shù)實現(xiàn)了3.4 Gb/s三通道可見光通信系統(tǒng)[11]；2014年，復旦大學利用熒光型LED和RGB-LED結(jié)合WDM和正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)實現(xiàn)了單路上行(225 Mb/s)，三路下行(575 Mb/s)可見光通信系統(tǒng)[10]。然而，受到RGB-LED限制，目前大多數(shù)WDM-VLC系統(tǒng)僅擁有3通道。由于市場上少有多基色白光LED，WDM技術(shù)在可見光通信中的應用受到限制。

本文提出了一種基于多光譜混白光的WDM可見光通信方案，相對于傳統(tǒng)可見光通信系統(tǒng)，該方案增加了混光機制，將色域和時域結(jié)合在一起?；旃膺^程涉及光源特性、調(diào)制方式和混光系統(tǒng)，可利用多種單色LED實現(xiàn)白光輸出的多通道可見光通信，釋放了可見光波段的光譜利用潛力。系統(tǒng)針對每一通道的光源特性設(shè)計MPPM調(diào)光調(diào)制方式，將亮度控制與通信相結(jié)合。最后給出4色LED混光通信的演示驗證。

1 基于多光譜混白光通信原理和方法

圖1為基于多光譜混白光的WDM可見光通信原理框圖。N路信號經(jīng)過LED驅(qū)動電路將信號轉(zhuǎn)化為合適的電流信號驅(qū)動N種單色LED?；旃庀到y(tǒng)將各單色光均勻混合成白光實現(xiàn)白光輸出。在接收端，利用濾光片將各路信號分離后由光電探測器接收，實現(xiàn)多路通信。

圖1 基于多光譜混光的WDM白光通信原理框圖Fig.1Schematics of WDM white light communication based on multispectral mixed light

1.1 LED混光

根據(jù)CIE1931XYZ顏色體系，對于三刺激值為(Xi，Yi，Zi)的LED，歸一化后得到色坐標為[12]

假設(shè)預混合的目標光顏色色坐標為(xw，yw)，各顏色分量所占比重可由混光公式得：

其中：ki為混光系數(shù)，

1.2 調(diào)光調(diào)制方式設(shè)計

多光譜混光系統(tǒng)為強度調(diào)制/直接檢測(Intensity Modulation/Direct Detection,IM/DD)系統(tǒng)，其調(diào)制方式的設(shè)計必須在通信的同時兼顧調(diào)光功能。一般可用于調(diào)光系統(tǒng)的調(diào)制方式有變開關(guān)鍵控(Variable On-Off Keying，VOOK)、變脈沖位置調(diào)制(Variable Pulse Position Modulation，VPPM)、多脈沖位置調(diào)制(Multi-Pulse Position Modulation，MPPM)等，其中MPPM相對于其他兩種調(diào)制方式在給定誤碼率和比特率條件下，功率需求最低，帶寬利用率最高[13]。對于一幀有N時隙W(1≤W≤Wmax=N)脈沖的MPPM調(diào)制，其功率需求及帶寬利用率分別為[14]

MPPM可以通過改變一幀中的光脈沖數(shù)目進行調(diào)光，定義MPPM調(diào)光系數(shù)為[13]

當W=Wmax=N時，γ=1，此時LED處于亮度最高狀態(tài)。圖2為改變調(diào)光系數(shù)時MPPM功率需求和帶寬利用率的變化關(guān)系。從圖2可以看出，當調(diào)光系數(shù)為0.5時，MPPM功率需求最低，帶寬利用率最高。

圖2 功率需求和帶寬利用率隨調(diào)光系數(shù)變化關(guān)系Fig.2Normalized power requirement and spectral efficiency versus dimming factor

為實現(xiàn)混白光輸出，各路MPPM的調(diào)光系數(shù)γi需要和混光系數(shù)ki對應。假設(shè)各路的MPPM調(diào)制的一幀所分成的時隙數(shù)均為N，則各路MPPM調(diào)制的一幀所包含的光脈沖個數(shù)為

利用上式所求得光脈沖個數(shù)需要取整，因此混合光的顏色與目標光顏色存在一定色差。將各路實際調(diào)光系數(shù)帶回式(2)可反推出混合光的色坐標。在CIE1976均勻色度空間中，色坐標及色差分別為[15]

根據(jù)文獻[16]，各路MPPM誤時隙率(Slot Error Rate,SER)可表示為

其中：St為接收信號功率；為高斯白噪聲方差；b為判決門限，最佳判決門限為

1.3 混光方式

按照上述理論，各單色LED所發(fā)出的單色光需要均勻混合方可保證白光輸出，實驗時利用積分球?qū)崿F(xiàn)。

2 驗證系統(tǒng)及實驗結(jié)果

2.1 多光譜混光通信系統(tǒng)

多光譜混光通信驗證系統(tǒng)構(gòu)圖如圖3，包含4路信道，所用光源為普通單色LED，中心波長分別為463 nm(藍)，520 nm(綠)，595 nm(橙)，640 nm(紅)。FPGA將接收到的4路并行二進制數(shù)據(jù)進行MPPM編碼映射。LED驅(qū)動系統(tǒng)將FPGA輸出的MPPM調(diào)制信號轉(zhuǎn)化為適合LED的驅(qū)動電流信號。積分球?qū)⒍喾N單色光均勻混合。雪崩二極管(Avalanche Photo Diode，APD)和濾光片將各路時域信號分開接收，分光光度計用于測試LED顏色特性和所混白光的顏色參數(shù)，示波器用于觀察各路MPPM時域信號波形。

圖3 多光譜混光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3The diagram of multispectral mixed light optical communication system

2.2 LED混光實驗

2.2.1 LED顏色測試

顏色測試所用分光光度計為Photo Research公司生產(chǎn)的Pr715快速掃描分光光度計。首先測量不同驅(qū)動電流下各LED發(fā)光的三刺激值和色度坐標。測量在暗室操作，設(shè)為2°視場角。圖4為各LED的Y值曲線，可以看出LED的亮度與驅(qū)動電流不滿足線性關(guān)系，綠色LED亮度明顯高于其他顏色LED。另外，由于隨著驅(qū)動電流的變化，LED的中心波長有一定漂移導致色坐標變化，如圖5所示。

圖4 LED亮度隨驅(qū)動電流變化關(guān)系Fig.4The relationship of LED brightness and forward current

圖5 LED色坐標y隨驅(qū)動電流漂移Fig.5The shift of chromaticity coordinate y versus forward current

2.2.2 LED混光計算

假設(shè)目標白光色溫5 500 K，色坐標為(1/3,1/3)，由于不同電流下各LED亮度不同且色坐標有一定漂移，因此不同驅(qū)動電流下各LED光混光所需比例不同。根據(jù)圖2仿真結(jié)果，當調(diào)光系數(shù)γ為0.5時，MPPM功率需求最低，帶寬利用率最高，而調(diào)光系數(shù)與混光系數(shù)ki對應，因此所選驅(qū)動電流應盡量使得各LED光在混光時所需比例趨于0.5。表1為經(jīng)過多次嘗試選擇出的一組驅(qū)動電流及在此電流下各LED三刺激值和色坐標。根據(jù)表1及式(2)可以計算出各路混光系數(shù)比為

表1 系統(tǒng)所用驅(qū)動電流及該驅(qū)動電流下各LED CIE1931XYZ三刺激值和色坐標Table 1The forward current used in system and the LEDs’CIE1931XYZ tristimulus values and chromaticity coordinate

2.2.3 色差計算及混光實驗結(jié)果

根據(jù)得到的混光系數(shù)及式(6)～(8)，可以得到時隙數(shù)N與色差的關(guān)系。實驗利用分光光度計對積分球混出的白光進行測試并計算色差。仿真及實驗結(jié)果如圖6所示，可以看出，隨著N的增加，色差逐漸變小。

圖6 時隙數(shù)N與色差關(guān)系Fig.6Slot times N versus chromatic aberration

圖7 混光結(jié)果Fig.7Result of light mixture

取N=64時，理論色差為Δu'v'=0.001 2，小于人眼分辨范圍(CIE1976色坐標體系根據(jù)式(5)、式(6)各路MPPM調(diào)制一幀包含脈沖個數(shù)和調(diào)光系數(shù)為，紅：W=35，γ=0.546 9；橙：W=33，γ=0.5156；綠：W=31，γ=0.484 4；藍：W=29，γ=0.453 1。實驗測試LED混白光結(jié)果及色度學參數(shù)如圖7所示，實驗測試實際色差為Δu'v'=0.001 8。圖7(a)Pr715探測的實際混光色品坐標，圖7(b)積分球混光結(jié)果照片。

2.3 多光譜通信實驗

MPPM調(diào)制系統(tǒng)的核心器件采用Xilinx公司的Spartan-6 LX45 FPGA，主要由串并轉(zhuǎn)換模塊、寄存器模塊、MPPM編碼模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊、時鐘系統(tǒng)組成；解調(diào)系統(tǒng)由信號預處理電路、判決系統(tǒng)、同步系統(tǒng)組成，如圖8所示。

圖8 MPPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖Fig.8Block diagram of MPPM modulation and demodulation

根據(jù)混光實驗取N=64對4路信號分別設(shè)計MPPM映射。各路MPPM的時隙率為1 MHz，各路傳輸速率分別為：紅：1.883 Mb/s；綠：1.883 Mb/s；藍：1.895 Mb/s；橙：1.895 Mb/s；系統(tǒng)總速率為7.556 Mb/s。利用不同濾光片濾出各路光信號，用示波器(Agilent MSO7104A)觀察解調(diào)出的MPPM波形，如圖9所示。

圖9 各路信號時域波形(a)紅；(b)橙；(c)綠；(d)藍Fig.9Wavelength of each channel(a)Red;(b)Orange;(c)Green;(d)Blue

圖10 各信道誤時隙率與信噪比關(guān)系Fig.10Time slot error rate of each channel versus SNR

3 結(jié)論

市場上RGB白光LED僅包含R、G、B色，因此一般波分復用可見光通信系統(tǒng)只有三通道。本文提出的多光譜混白光通信系統(tǒng)在保證白光照明的前提下，擴展了可見光系統(tǒng)的信道個數(shù)，釋放了可見光波段的光譜利用潛力。MPPM巧妙的將調(diào)光和通信相結(jié)合，通過改變一幀所包含的光脈沖個數(shù)來控制各信道光亮度，實現(xiàn)各光譜分量按比例輸出。實驗利用4種單色LED驗證了多光譜混光通信系統(tǒng)的性能。

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AMultispectral Mixed White Light WDM-VLC System Combining Color Domain with Time Domain

CUI Lu，TANG Yi，ZHU Qingwei，HUANG Heqing，ZHANG Xuebin
(Key Laboratory of Photo-electronic Imaging Technology and System,Ministry of Education, School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Since rare multi-primary white LED,traditional Wavelength Division Multiplexing(WDM)visible light communication(VLC)system only has R,G,B three channels.In view of the WDM technology restricted by white LED device in VLC,a method of multispectral mixed light optical communication is proposed.According to the color characteristic of LED light,feature of multi-pulse position modulation(MPPM)and the approach of mixing light,a MPPM dimming modulation is designed for each channel,which uniforms the color and time domain that can realize communication and white light output in the meantime.A multispectral mixed light optical communication system is built using four single-color LEDs.The experimental results show that a white color,5500K color temperature,is obtained when four channels parallel communication,and chromatic aberration is indecipherable for human eyes(CIE 1976 Δu＇v＇＜0.005).Multispectral mixed light optical communication is feasible.

optical communications;visible light communication;multispectral mixed white light;wavelength division multiplexing(WDM)technology;multi-pulse position modulation(MPPM)

TN929.1

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.07.013

1003-501X(2016)07-0079-06

2015-07-13；

2015-11-26

國家973計劃(2013CB329202)；國家自然科學基金(61571067)；工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)項目(J312012B002)資助

崔璐(1991-)，男(漢族)，河北石家莊人。碩士研究生，主要從事無線光通信方面的研究。E-mail：cuiladgxx@126.com。

唐義(1977-)，男(漢族)，吉林白山人。博士，主要研究方向是紫外成像光譜技術(shù)、紫外光通信技術(shù)、紫外光學薄膜。

E-mail:tangyi4510@bit.edu.cn。