1 引言

可见光通信技术(VLC)因具有通信和照明双重功能而受到了广泛关注。近年来,国内外关于室内可见光通信的研究大多集中在点对点单向通信链路中的关键技术,如调制方式^[1]、编码方式^[2]、信道模型^[3]、光源布局^[4]和系统集成^[5]等。由于通信系统必须包含完整的双向通信链路,而现有的可见光上行链路解决方案主要集中在射频^[6]、红外光^[7]、可见光^[8]和无线激光^[9]等,这些解决方案大多结构复杂,且移动终端携带的移动光源会带来更多的干扰,引起人眼不适。

逆向调制技术利用逆向调制器对入射光束进行调制并使其沿原路返回到发射端,且数据发送端无需主动光源即可完成通信过程。常见的逆向调制器(MRR)有两种:角反射器MRR和猫眼MRR^[10]。角反射器MRR由角反射器和光调制器组成,通过在角反射器的入瞳处设置透射式光调制器,改变反射光信号的强度实现逆向调制。猫眼MRR由聚焦透镜和调制反射器构成,将调制反射器放置于猫眼逆向反射器的焦平面处,通过改变反射面的反射率或反射面的离焦量,控制反射光的强度实现逆向调制。2004年Shay等^[11]采用角反射器和液晶调制器搭建了全双工激光通信系统,其正向链路使用圆偏振(CPK)调制,逆向链路使用频移键控(FSK)子载波调制格式,在地面和卫星之间搭建了通信速率10 kbit/s的链路。2010年Goetz等^[12]报道了采用角反射器阵列作为逆向调制元件的调制系统,并讨论了该系统在危险物处理和无人机控制等领域的应用。2011年王静等^[13]使用1523 nm激光源和压电陶瓷伸缩材料的猫眼逆向调制系统实现了通信速率为600 bit/s的逆向激光通信链路。2015年邱灏等^[14]采用正向链路开关键控(OOK)和逆向链路幅度调制(AM)的调制方式进行了单光源全双工通信实验。2016年孙艳荣等^[15]研究了猫眼离焦结构参数与调制反射光斑半径和功率密度的关系。目前国内外对逆向调制光通信技术的研究大多集中于理论研究和通信链路仿真,并且主要应用于自由空间光通信(FSO)中,在室内可见光通信中使用逆向调制技术实现实时通信的研究报道较为鲜见。

本文利用离焦型猫眼逆向调制器构建室内VLC中的上行通信链路,设计了一套采用单向光源的全双工通信系统,简化了室内VLC上行通信链路的光源^[16],降低了系统实现的复杂度。通过实验证明:该系统数据传输稳定,上、下行链路间无干扰,有效地解决了室内可见光通信系统中数据回传的问题。

2 系统结构及原理

2.1 系统结构

室内可见光单光源全双工通信系统由主动端和逆向端两个部分组成。如图1所示,主动端由LED及其驱动电路、光电接收电路、信号处理电路、光学透镜组、下行链路调制器、上行链路解调器以及通信终端组成。逆向端由猫眼逆向调制器、光电接收电路、下行链路解调器、上行链路调制器以及通信终端组成,上行信号为FSK,下行信号为四进制差分相移键控(DQPSK)。单光源全双工通信系统的工作过程如下:下行链路数据经调制后加载到LED上,驱动LED发出调制光信号,在逆向端下行光信号由光接收电路接收后转换为电信号,由解调器解调出下行链路数据。逆向端在进行光接收的同时,利用猫眼逆向调制器将上行链路信号调制到下行光信号上并反射回主动端,主动端光接收电路接收到二次调制后的光信号,发送至信号处理电路,提取出上行链路信号,并由解调器解调,从而实现全双工通信。

图 1. 可见光单光源全双工通信系统框图

Fig. 1. Block diagram of visible light single-source full-duplex communication system

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2.2 猫眼逆向调制原理

本系统中所使用的逆向调制器为离焦型猫眼MRR,与角反射器MRR相比,具有视场角大、结构简单的优点,适用于室内可见光通信这种光束发散角较大的通信系统。离焦型猫眼逆向调制器由聚焦透镜和调制反射器组成,其中调制反射器使用镀反射膜的压电陶瓷片。通过给压电陶瓷片施加不同频率的驱动信号,控制反射膜在透镜焦平面的离焦量,对返回光信号强度大小产生影响,实现逆向调制。借鉴逆向调制自由空间光通信中回波信号功率计算公式,给出逆向调制室内可见光全双工通信系统中主动端接收到的回波功率P_rec的计算公式 ^[17],即

Prec=PDrec2Dmr2τtraτrecτmr2ρmodπ2r4θ2θ+2dDmrf22,(1)

式中,P为主动端LED发射功率;D_rec为接收光学系统口径;D_mr为逆向调制端光学系统口径;τ_tra为发射光学系统透光率;τ_rec为接收光学系统透光率;τ_mr为调制光学系统的透光率;ρ_mod为逆向调制器反射率;d为逆向调制器离焦量;θ为主动端光束发散角;r为通信距离; f为猫眼系统透镜焦距。图2为离焦型猫眼逆向调制器等效模型。

图 2. 离焦型猫眼逆向调制器等效模型

Fig. 2. Equivalent model of defocused cat eye inverse modulator

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2.3 单光源全双工通信原理

单光源全双工通信的原理是利用下行链路光信号作为载波,将上行链路信号通过逆向调制器加载到下行光信号上并反射回主动端,实现上行传输过程。整个过程涉及两次调制^[18-19],一是在主动端对光源进行内调制,将下行链路信号加载于光载波上;二是在逆向端利用逆向调制器对接收到的下行光信号进行再调制,将上行链路信号加载于逆向反射光束上。为了保证通信效果,上、下行链路应选择不同的调制方式及不同的载波频率,从而主动端根据频谱差异从二次调制信号中分离出上行链路信号^[20]。图3为一次和二次调制信号图,其中主动端发送DQPSK信号,逆向端发送FSK信号。图3(a)为一次调制信号,图3(b)为二次调制信号。从图中可以看出:上行FSK信号调制到下行DQPSK信号的幅度上,其载波正是下行链路信号。通过在主动端设置合理的带通滤波参数,从二次调制后的信号中提取出上行链路信号并解调,即可实现全双工通信。

图 3. 调制信号图。(a)一次调制信号;(b)二次调制信号

Fig. 3. Modulation signal diagram. (a) Primary modulation signal; (b) secondary modulation signal

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3 硬件设计

3.1 LED驱动电路设计

LED驱动电路的作用是将调制信号调制到LED上。商用大功率白光LED的调制带宽通常较低,驱动电路的一个重要作用是扩展LED的调制带宽^[21]。LED驱动电路包括偏置和调制两个部分。偏置电路由一个恒流源构成,通过设置恒流源输出电流的大小,控制LED的静态工作点,使LED稳定工作在线性区间,保证输出信号无失真。调制电路将现场可编程门阵列(FPGA)产生的信号放大并转换为电流信号,同时对调制信号进行预均衡,以提高LED调制带宽。从调制电路输出的交流信号和偏置电路输出的直流信号,通过Bias-T电路叠加到一起,共同驱动LED发光。图4为LED驱动电路原理图,C为电容,R为电阻。图4中由AD8066及其外围C1、R1、R2、R3等组成了同相放大电路,对输入的交流信号幅度进行放大。由BUF634缓冲器和外围C2、R4构成了电流放大电路,对交流信号的电流进行放大,提高了其驱动LED的能力。

图 4. LED驱动电路

Fig. 4. LED driver circuit

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3.2 光电接收电路设计

光电接收电路由光电二极管、互阻放大器、滤波电路和二级放大电路组成。图5为光电接收电路原理图。其中由S5971光电二极管、OPA847放大器及其外围电容电阻构成了光电转换电路,由C2和R2组成一阶无源高通滤波器,而二级放大电路采用THS3091及其外围附属元件构成。当光信号输入时,首先通过聚焦透镜将光信号会聚到光电二极管上,利用光电二极管将光信号转换为电流信号,在后级电路中采用互阻放大电路将该电流信号转换为电压信号。由于调制端偏置电流源和背景光的影响,电压信号中还存在直流分量干扰,利用高通滤波电路将该信号中的直流干扰滤除。经过滤波后的信号再经由二级放大器放大,发送给后级电路处理,完成光电接收。

图 5. 光电接收电路

Fig. 5. Photoelectric receiving circuit

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3.3 信号处理电路

主动端接收到的光信号是经过逆向端二次调制后的光信号,信号中既含有下行光信号,又含有逆向端返回的上行链路信号,需要从混合的信号中分离出上行链路信号。反射回主动端的光信号经过光电接收电路接收后,经过带通滤波器,滤除下行高速信号,得到只有上行分量的FSK信号。为了能在解调端获得更大的增益,还需要在滤波电路后增加电压放大电路,将信号放大。放大后的信号经模数转换电路采样后,由FPGA进行解调。图6为信号处理电路原理图。其中由两块LM358分别构成了两级放大电路,在两级放大电路间,由R1、C1、R4和C2构成二阶无源带通滤波器,用以从二次调制后的信号中提取出上行链路信号。

图 6. 信号处理电路原理图

Fig. 6. Schematic of signal processing circuit

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4 实验结果与分析

室内可见光单光源全双工通信实验平台如图7所示。主动端光源为额定功率3 W的商用大功率白光LED(Xlamp-Q5,CREE),实验中LED的偏置电流设置为400 mA,调制电流设置为100 mA。采用直径为25 mm、焦距30 mm的正透镜进行聚光发射,调整准直透镜和LED的相对位置,使发射光束的发散角在15°~35°间变化,以适应不同的通信距离。光电探测器选用固定增益光电探测器(PDA-10A型),响应波长为200~1100 nm,带宽为159 MHz。采用直径为50 mm、焦距为70 mm的正透镜对上行光信号聚焦。逆向端猫眼逆向调制器的聚焦透镜选用直径为70 mm,焦距为90 mm的正透镜,调制反射器使用直径为27 mm的压电陶瓷片,响应频率范围为2~20 kHz。光电探测器采用PIN光电二极管(S5972,滨松),响应波长为320~1000 nm,峰值波长为800 nm,带宽500 MHz,使用直径为50 mm、焦距为90 mm的正透镜对下行光信号进行会聚。

图 7. 逆向调制室内可见光全双工通信实验平台。(a)逆向端;(b)主动端

Fig. 7. Inverse modulated indoor visible light full-duplex communication system. (a) Reverse terminal; (b) active terminal

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作为室内可见光通信,既要满足通信要求,又要兼顾室内照明效果;同时,在通信实物系统中,成本也是一个关键的考虑因素。实验中下行链路使用DQPSK的调制格式,载波速率为5.0 MHz,数据速率为5.0 Mbit/s。与正交频分复用(OFDM)、离散多音调制(DMT)等高速调制技术^[22]相比,DQPSK具有便于实现、部署成本低的优点。由于其固有属性,压电陶瓷片对信号相位变化不敏感,对不同频率的驱动信号响应幅度也不同,上行链路信道中存在较多噪声干扰,FSK调制具有良好的抗噪声和抗衰减性能。为了提高上行链路的抗干扰能力,选择4FSK作为上行链路的调制格式。实验中上行链路使用4FSK的调制格式,采用4个不同频率的载波f₁、f₂、f₃、f₄代表不同的码元组合:00-f₁、01-f₂、10-f₃、11-f₄,其中f₁=4 kHz、f₂=8 kHz、f₃=16 kHz、f₄=20 kHz。数据速率为2.0 kbit/s。采用EP4CE22F17C6 FPGA(Cyclone IV系列,Altera公司)作为主控芯片,在FPGA中设计数字式DQPSK调制解调器和FSK调制解调器,结合模数和数模转换硬件模块,实现下行链路信号和上行链路信号的调制与解调,整个系统通过以太网接口与外部进行通信。由于LED发出的光束发散角较大,逆向端的光接收模块和逆向调制器并排放置在光平面上,使逆向端可以同时进行光电接收和逆向调制,简化了系统光路。

搭建实验平台后,在主动端利用摄像头采集视频信息并完成编码后,经下行通信链路发送给逆向端,逆向端完成解调后可以在计算机上实时看到摄像头采集到的视频。回传的数据由串口发送给逆向端,经逆向端调制后通过上行链路发送回主动端,在主动端解调出的回传数据在计算机的串口调试助手上显示,实现单光源的全双工通信。图8为应用该系统进行视频传输实验。

图 8. 视频传输实验

Fig. 8. Video transmission experiment

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实验中对上下行通信链路中的信号进行采集分析,图9为下行传输链路中的信号图。其中图9(a)为主动端发送的下行链路DQPSK调制信号;图9(b)为逆向端的上行链路调制信号。从图9中可看出:下行链路信号传输质量良好,完全满足逆向端解调需要。图10为经过逆向端二次调制后的信号及其功率谱(PSD),从图10(a)中可以看出:上行链路的信号已经调制到下行光信号的包络上,其载波正是下行高频信号。图10(b)为经过二次调制后信号的功率谱,可以看到经二次调制后的信号功率谱中包含了两个峰值,其中Downlink为下行链路高频信号的峰值,Uplink为上行链路信号的峰值。对该功率谱分析可知:在上行接收端可利用带通滤波器将高低频信号分离,滤除高频的下行信号分量,提取出低频的上行信号。图11为上行链路4FSK调制信号,其中图11(a)为逆向端加载到逆向调制器上的信号,图11(b)为主动端从二次调制的信号中提取出的上行链路信号。对比图9(a)、图9(b)、图11(a)和图11(b)可知:通过在主动端设置合适的带通滤波器参数,可以从二次调制信号中分离出上行链路信号,实现两条链路间无干扰通信。

在实验室环境中,分别在下午和晚上对可见光全双工通信系统在0.5~4.0 m的通信距离上进行测试,测试中上行链路通信速率为2.0 kbit/s,下行链路通信速率为5.0 Mbit/s。误码率(BER,R_BE)与通信距离的关系如图12所示。

从图12中可看出:当通信距离为3.0 m时,在白天和夜晚不同的背景光条件下,下行链路的误码率达到7.4×10^-7,上行链路误码率小于4.2×10^-4,满足了通信需求。图12中下行链路在通信距离小于0.5 m时误码率较高,这是因为近距离情况下光照强度过大,超过了光电探测器的饱和阈值,使探测器无法正常接收信号。通过调节主动端LED的偏置电流,改变下行光强度,即可正常接收信号。从上述实验结果可以看出:通过对单向光源进行两次调制,可实现上下行两条链路间独立无干扰的全双工通信,验证了采用逆向调制技术解决室内可见光通信中上行链路问题的有效性。

图 9. 下行通信链路信号。(a)主动端发送信号;(b)逆向端接收信号

Fig. 9. Downlink communication signal. (a) Active terminal sending signal; (b) reverse terminal receiving signal

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图 10. 二次调制后信号及功率谱。(a)二次调制后信号;(b)信号功率谱

Fig. 10. Secondary modulation signal and power spectrum. (a) Secondary modulation signal; (b) signal power spectrum

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图 11. 上行链路信号。(a)逆向端发送信号;(b)主动端提取出的信号

Fig. 11. Uplink signal. (a) Signal of reverse terminal; (b) signal of active terminal

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图 12. BER与传输距离关系

Fig. 12. Relation of BER and transmission distance

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5 结论

本文设计了一种基于逆向调制技术的室内可见光全双工通信系统,并搭建了实验平台。该系统采用逆向调制技术简化了室内可见光通信系统的上行链路,使其无需另外的光源,具有无需频谱许可、保证人眼安全等可见光通信的内在优点,且系统结构的复杂度大大降低。通过搭建可见光单光源全双工通信实验平台,实现了下行通信速率5.0 Mbit/s,上行通信速率2.0 kbit/s的全双工通信,验证了采用逆向调制技术实现可见光通信上行链路的有效性。受限于逆向调制器件的影响,实验中上行通信链路速率不高,在下一步工作中应采用更高调制带宽的逆向调制器件,提高上行通信链路速率,使采用逆向调制技术的可见光通信上行链路进一步实用化。