1 引言

随着科学技术的发展和人类生活质量的提高,人们对通信信息的需求也在不断扩大。目前,绝大多数的无线通信系统仍然是射频无线电通信系统。随着无线电频谱资源的日趋紧张,无需频谱资源许可的无线光通信技术备受人们的青睐。

可见光通信(VLC)是无线光通信的一种,利用白光LED的照明快速开关特性,将基带信号调制到白光LED发出的光波上,使白光LED在照明的同时能够进行数据传输^[1]。Rahaim等^[2]提出了将Wi-Fi与可见光通信系统相结合的方案,使用其作为可见光通信系统中的上行链路,从而使下行可见光链路的通信速率达到10 Mbit/s,而上行射频的通信速率达到30 Mbit/s。张浩等^[3]分析了室内可见光通信中信道的障碍成因,将可见光信道障碍分成大气障碍、非完全障碍、完全障碍三大类,并提供了每一类信道障碍的解决方案,所得结论为提高室内可见光通信系统的可靠性提供了参考。Tsonev等^[4]使用调制带宽为60 MHz的砷化镓发光二极管,采用正交频分复用(OFDM)的调制方式,结合预均衡技术和自适应数据加载技术,首次在单个LED发光二极管上实现了通信速率为3 Gbit/s的可见光通信系统。Cossu等^[5]展示了可见光与红外波段组成的混合通信方案,该方案以可见光作为下行链路,以红外光作为上行链路的波分双工通信系统,上下行链路均采用离散多音频调制(DMT)技术,在通信距离为2 m的条件上实现了400 Mbit/s的双工通信。Mossaad等^[6]针对可见光通信中OFDM调制技术的高峰均比(PAPR)的问题进行研究,提出在发射端将高PAPR的OFDM信号分割为多个低PAPR信号并分别通过多个LED进行传输,减少了LED光源的非线性对PAPR过大信号的影响。关伟鹏等^[7]设计了一种采用双重调制技术的可见光通信系统,该系统中LED发射端对信号进行了脉冲振幅调制和脉冲宽度调制,在提高通信速率的同时保持了光照强度的恒定,并且该调制技术可以按照室内照明的需要控制光通量以适应不同的应用场合。樊养余等^[8]结合离散正弦变换和离散余弦变换技术提出了一种新型的DST/DCT直流偏置—离散多音频调制方案,并分析该方案不同调制阶数以及峰均功率比和限幅噪声等对误码率的影响,通过仿真证明该方案能够有效地拓展离散多音频调制方式中独立子载波的个数,提高了可见光通信系统中的数据传输速率。Basnayaka等^[9]设计了一种结合射频与可见光通信技术的室内可见光通信系统,用以解决室内可见光通信系统中,光照度不均衡所引起的室内可见光通信信号覆盖不均匀的问题。通过仿真验证,可以有效地减少室内可见光通信系统的覆盖盲区。武梦龙等^[10]通过时分复用方式,并以LED作为接收端和发送端设计了可以在不同收发仰角下实时双向可见光通信系统,可以实现2 m以上的 8 Mbit/s速率的可见光通信。

随着新型材料的出现与光电子技术的发展,逆向调制技术也备受关注。Jenkins等^[11]基于微机电系统(MEMS)研制了一种光学相位调制器,该调制器由一个球型透镜和MEMS阵列调制发射结构组成,调制速率达到了400 bit/s。Ziph-Schatzberg等^[12]利用MEMS变形镜设计了一种光学逆向语音通信系统。在角反射器的一个反射平面上设置了电驱动的MEMS变形镜,通过调制信号控制变形镜的反射率从而实现对激光信号的逆向调制,在200 m的通信距离上实现了1 kbit/s的保密语音信号传输。张来线等^[13]详细介绍了逆向调制自由空间激光通信技术的原理以及“猫眼”逆向调制终端的结构,在国内外猫眼逆向调制自由空间激光通信技术在调制器特性、“猫眼”光学系统和技术应用等方面的研究现状。Geng等^[14]提出了一种对单向光源两次调制的方案,使用逆向调制器实现全双工的激光无线通信系统。该系统中正向链路使用脉冲位置调制(PPM)方式,逆向链路使用通断键控(OOK)调制方式,主动端的激光束的调制频率为20 Hz,逆向OOK调制信号调制到下行的PPM信号上并反射回询问端,实现单光源的双工通信链路。徐山河等^[15]利用声光调制器和光学元件搭建了逆向通信系统,通过对同一光束采用内调制和外调制实现了单向光源全双工通信,其中下行通信速率为30 kbit/s,上行通信速率3 Mbit/s。邱灏等^[16]提出一种采用单光源的全双工逆向调制系统,将逆向传输信号加载到下行光信号的包络上,利用包络检波技术从返回信号的幅度中检测出上行链路信号,该系统的询问端调制速率为2.048 Mbit/s,逆向端的调制速率为2.0 kbit/s。张鹏等^[17]提出一种使用双波长发射方式的全双工通信系统,使用两种不同波段的激光分别作为正向链路和逆向链路的通信光源,其光信号间互不干扰,提高了逆向链路的通信速率。任建迎等^[18]对“猫眼”光学系统的优化方法、多量子阱电吸收型调制器以及MEMS型调制器的特点进行了介绍,重点对MEMS型调制器进行了分析和测试。

本文采用可见光通信技术和逆调制技术,分别构建了室内VLC中的下行和上行通信链路,实现了单光源的全双工通信系统。

2 系统设计原理

LED可见光通信系统通常由上下两条通信链路构成,其中由主动端到逆向端的通信链路为下行通信链路,信号加载到LED的驱动电路上直接对LED发出的光强进行调制;而由逆向端到主动端的通信链路为上行链路,其中下行链路采用四进制差分相移键控(DQPSK)调制,上行链路采用频移键控(FSK)调制。

系统利用“猫眼”逆向调制器对下行光信号进行两次调制,将上行信息调制到下行光信号上并反射回主动端,再由主动端进行接收,是以下行光信号作为载波的逆向通信链路,其原理如图1所示。

3 下行链路设计

输入的电压信号通过LED驱动电路转换成电流信号用以控制LED发光,最终生成调制的光波信号。LED驱动电路由直流偏置电路、预均衡电路^[19]、放大电路和Bias-T电路4部分组成。LED驱动电路的整体结构如图2所示。

图 1. 可见光全双工通信系统框图

Fig. 1. Visible light full duplex communication system block diagram

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图 2. LED驱动电路原理图

Fig. 2. Schematic of LED drive circuit

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在上述电路中,直流偏置电路的目的是点亮LED并在线性区域工作。预均衡电路的作用是通过对信号中衰落的分量进行补偿,减少LED在高频段响应强度不足而导致的信号失真问题,以提高LED的调制带宽,在设计中选取了BUF634T缓冲芯片作为核心芯片。图2中,第一路驱动模块为低频段输出,电阻R₁的作用是限制低频段电流,从而减少LED的低频段响应;第二路为中频段加重,电阻R₅的作用是降低中频段电流,同时与电容C₁₃协作,平坦LED的中频段响应;第三路针对高频段进行加重。整个预均衡电路的响应带宽由C₁₄决定,电路的谐振频率^[20]为f=1/(2π LC14),式中L为LED在高频工作状态时引入的等效电感。通过设置合理的电路参数,使3支路的频率特性互相补偿,从而提高LED的等效带宽。放大电路的设计选取了AD8066芯片作为核心放大器,具有很强的带负载能力,非常地适合系统中3路缓冲电路的前端输入。其作用是对输入的交流信号的幅度进行放大,其整体放大倍数为β=1+R₄/R₃。Bias-T电路的主要功能是将交流调制分量加载到偏置直流上。利用Bias-T电路将调制电流和偏置电流相叠加后,通过输出端输出,在调制电流和偏置电流的共同作用下,LED输出的光信号既达到了照明的效果,也包含了调制信息。

4 上行链路设计

4.1 “猫眼”逆向调制器原理

采用了具有视场角大、结构简单的离焦型“猫眼”逆向调制器作为系统的逆向调制器^[13]。离焦型“猫眼”逆向调制器在“猫眼”光学系统的焦平面处放置反射镜,当该平面镜的位置在轴向改变时,则反射回的光波强度也将发生变化。结合信号处理电路,并利用下行光信号的逆向通信链路,实现了上、下行通信链路间无干扰,保证了单光源全双工通信的效果。离焦型“猫眼”逆向调制器模型如图3所示。

根据焦平面处反射镜的移动方向不同,“猫眼”逆向调制器具有前向离焦和后向离焦两种状态,前向离焦是反射镜往靠近透镜的方向振动,后向离焦的振动方向则与之相反。前向和后向离焦的原理如图4所示。

在采用LED作为光源的逆向调制系统中,设主动端LED的发射功率为P,其环氧树脂封装的透光率为τ_tra,光束发散角为θ;接收器的聚焦透镜口径为D_rec,透光率为τ_rec;“猫眼”结构的聚焦透镜口径为D_mr,透光率为τ_mr,焦距为f;逆向调制器中反射面的反射率为ρ_mod,其离焦量为d,逆向通信链路的通信距离为r。前向离焦时,“猫眼”结构的反射光斑半径为^[21]

Rq=Dmr2-Dmrdrf(f+2d)。(1)

图 3. 离焦型逆向调制器模型

Fig. 3. Defocused model reverse modulator

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图 4. “猫眼”逆向调制器原理图。(a)非离焦型;(b)离焦型

Fig. 4. Cat eye reverse modulator principle diagram. (a) Non-focal type model reverse modulator; (b) defocused model reverse modulator

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后向离焦时,“猫眼”结构的反射光斑半径可表示为^[21]

Rb=Dmr2-(f-r)Dmrdf2。(2)

4.2 逆向调制器驱动电路设计

由于数模转化(DAC)产生的调制信号不足以驱动压电陶瓷片,因此还需要将信号的幅度进行放大。如图5所示,驱动电路选用OPA4228作为压电陶瓷片的驱动芯片,其特点是噪声低、驱动能力高和带宽大等。

OPA4228作为同相输入负反馈电路,可以通过改变R₂和R₃的大小调节放大倍数,其放大倍数β为

β=1+R2/R3。(3)

4.3 接收电路设计

接收端电路主要作用是从光电探测器输出的信号中分出逆向端调制的上行链路信号,进行放大然后再对其解调。图6为采用AD8066放大芯片以及外围电阻电容(RC)元件构成了带通滤波器的原理图。

图 5. 驱动放大电路模块图

Fig. 5. Driving amplifier circuit module

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令S=jw,则一级低通滤波器的传输函数可表示为

H(S)=ALPF/(R5R6C1C2)S2+(1/R5C2+1/R6C1+(1-ALPF)×R6/C1)×S+1/R5C2R6C1,(4)

图 6. 有源带通滤波器的原理图

Fig. 6. Active bandpass filter principle diagram

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式中A_LPF为低通滤波器的通带增益,A_LPF=1+R₈/R₇。由(1)式推导出归一化传输函数为

H(Sl)=ALPFSl2+Sl/Q+1,(5)

式中Q为电路品质因数。低通滤波器的截止频率为f_c=1/(2π R5R6C5C6)。

由AD8066B及外围R₃、R₄、R₇、C₃和C₄共同组成二阶高通滤波电路,令S=jw,则传输函数H(S)为

H(S)=ALPF/(R3R7C3C4)S2+1/R3C3+1/R3C4+(1-ALPF)×R7/C3×S+1/R3C4R7C3,(6)

式中A_HPF为高通滤波器的通带增益,A_HPF=1+R₄/R₃。由公式推导出归一化传输函数H(S_l)为

H(Sl)=AHPFSl2+Sl/Q+1。(7)

5 硬件性能测试

5.1 实验平台组成

在完成系统各个子系统设计后搭建实验平台。实验中所需要的设备包括:LED驱动电路板、光电接收板、现场可编程门阵列(FPGA)主控核心板、逆向调制器驱动电路、信号处理电路、光学透镜、示波器、摄像头以及计算机等。测试软件平台VLC视频播放器和Wireshark网络分析软件等。实验平台由主动端和逆向端组成。主动端包括摄像头、视频编码器、FPGA主控核心板、LED驱动电路和信号处理电路。逆向端由逆向调制器、FPGA核心板、光电接收板以及计算机等组成。表1和2分别为系统的主动端和逆向端的实验参数,图7和8分别为系统的主动端和逆向端实物图。

5.2 下行链路电路测试

完成硬件电路的设计后,绘制电路印制电路板(PCB)板并打样焊接,制作LED驱动电路模块。图9为LED驱动电路模块。

图 7. 系统主动端实物图

Fig. 7. Diagram of active terminal

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图 8. 系统逆向端实物图

Fig. 8. Diagram of reverse terminal

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图 9. LED驱动电路图。(a) PCB图;(b)模块

Fig. 9. LED driver circuit diagram. (a) PCB diagram; (b) module

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光电接收电路的PCB设计如图10(a)所示,焊接元件后的光电接收模块实物如图10(b)所示。

图11为对硬件电路进行测试的效果图。其中,图11(a)为对LED驱动电路进行测试的效果图。由信号发生器产生正弦载波信号并发送给LED驱动电路,在接收端通过光电探测器接收LED发出的光强信号。可以看出,LED的驱动电路信号在5 MHz的频率范围内都能获得良好的调制效应,验证了均衡电路的性能。图11(b)为光电接收电路在LED驱动电路发出5 MHz正弦波信号时输出的波形。可以看出,在5 MHz的正弦波的速率下,光电接收电路输出的信号完好,没有产生畸变,说明该光电接收电路完全能满足使用要求。

图 10. 光电接收电路图。(a) PCB图;(b)模块

Fig. 10. Photoelectric receiving circuit diagram. (a) PCB diagram; (b) module

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图 11. 硬件电路测试图。(a) LED驱动电路;(b)光电接收电路

Fig. 11. Hardware circuit test diagram. (a) LED drive circuit; (b) photoelectric receiving circuit

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5.3 上行链路硬件测试

完成硬件驱动和接收电路设计后,将硬件电路的PCB进行打样并焊接,如图12所示。

图13是对设计好的压电陶瓷片驱动电路进行测试的效果图,对其输入3 kHz,幅度为5 V的正弦波信号。可以看到,调制电路输出的信号幅度为15 V,该信号已经满足压电陶瓷片驱动需要。

图 12. 逆向调制器驱动电路图。(a) PCB图;(b)逆向驱动电路图

Fig. 12. Reverse modulator drive circuit diagram. (a) PCB diagram; (b) reverse drive circuit diagram

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图 13. 压电陶瓷驱动电路测试

Fig. 13. Piezoelectric ceramic driver circuit test diagram

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5.4 误码率分析

对系统进行了0.5~4.0 m的通信测试,测试时间分别选择了下午和晚上,系统实现了下行5.0 Mbit/s的通信,上行2.0 kbit/s通信。共测试105个码元,将接收到的数据与发送数据对比求得误码率(BER),如图14所示。

由图14(a)可知,由于白天和夜晚的背景光不同,所以室内的背景光噪声强度也不同,但在1.0~4.0 m的通信距离内,下行链路的误码率基本不受背景光强度影响。这是因为电路中设置了相应的处理模块,有效地抑制了背景光的干扰,证明了本系统逆向端的光电接收电路性能较好,达到了设计要求。下行链路的通信误码率<7.4×10^-7。

而图14(b)中,在上行链路的测试时,上行通信链路白天和晚上误码率出现了不一致的情况,其中白天的误码率较高。这是因为上行链路的光信号非常微弱,需要在主动端的接收机中设置较高的灵敏度,放大了室内背景光噪声的影响,导致接收机输出信号的信噪比下降。随着通信距离的增加,上行链路误码率也急剧上升。从实验结果来看,在3.0 m的距离内,上行链路误码率<4.2×10^-4,基本满足了通信需求。

图 14. 系统误码率测试。(a)下行链路;(b)上行链路

Fig. 14. System error rate test. (a) Downlink; (b) uplink

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6 结论

通过构建了单向光源条件下的全双工通信信道模型,开发了采用逆向通信链路作为室内可见光通信上行链路的单向光源全双工通信系统,为解决室内可见光通信的上行链路提供了新的思路。结合单光源全双工的背景要求,设计了室内全双工可见光通信系统。应用硬件预均衡技术设计了大功率白光LED驱动电路以及光电接收电路。实验结果表明,驱动和接收电路性能良好,能够满足通信需要,可以实现在3.0 m的通信距离内主动端到逆向端5.0 Mbit/s的传输速率,逆向端到主动端2.0 kbit/s传输速率的稳定全双工通信。