可见光通信在室外LED路灯上的实现

1 引言

近年来， 被誉为“绿色照明” 的半导体(LED) 照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光LED不仅功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，更具有调制性能好，响应灵敏度高等优点。利用LED 的这种特性，它能用作照明的同时，还可以把信号调制到LED 可见光束上进行数据传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信( Visible light communication，VLC) 技术。与传统射频无线技术相比，VLC 可利用带宽高，具有更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰，也无需相应频段的许可授权，能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。具有很好的空间复用性，极大地拓展了网络的覆盖面，是对现有射频技术的很好的补充。这些吸引人的特性，使得VLC 在世界范围内受到极大关注。

VLC 可以提供很多应用，如LED 照明，信息广播和M2M ( 机器到机器) 。LED 照明可应用于办公室/家庭照明，路灯和汽车灯。信息广播可应用于标牌( 例如: 广告牌) ，办公室家庭照明和路灯。M2M 可应用于移动手机到移动手机，汽车到汽车，汽车到交通信号灯和汽车到路灯等等。在实际研究方向上，LED 可见光通信分为室外通信和室内通信两类，日本庆应义塾大学的研究小组率先提出了基于LED 的可见光通信( VLC) 系统，目前国内国际的主要研究方向也大部分集中在此，主要包括室内定位与导航及高速网络连接。而室外可见光通信由香港大学G. Pang 等人在1998 年提出来，其应用领域主要集中在智能交通( ITS) 和室外广告( Outdoor Advertising) 。ITS 应用主要包括: 车到车双向通信，车到交通设施双向通信。

近几年，国内LED 路灯市场加速发展，为顺应这一形势，本研究主要针对城市LED 路灯可见光通信的实现和基础应用探索，通过选择合适的光调制解调方式，实现对LED 路灯基础数据及运行参数的现场VLC 读取，验证其可行性，并为城市LED 路灯开创新的智能化管理思路及发展方向奠定基础。

2 研究内容

2. 1 组成及工作原理

图1 描述了一个基本的光通信系统组成，其主要包括信号发送部分和信号接收部分。在发送端，由编码器编码的数据经信号调制电路转换成发送电信号，然后驱动LED 路灯光源发送光信号经自由空间光通路到信号接收端。在接收端，通过光传感器和放大器检出光信号并转换成电信号。最终经解调电路、解码器获得相应数据。

图1 系统组成

2. 2 信号调制

光通信就是以光波为载波的通信，即用基带信号对光波进行调制。常用的调制方式包括: OOK、CCM ( Color Code Modulation ) 、HHW ( HighHamming Weight) 、VPM、R-RZ 等。本研究采用相对简单的强度调制直接检测，即IMDD，属于非相干通信系统。通常IMDD 系统分为二进制系统和多进制系统，此处选择二进制系统，并采用OOK编码。

由于LED 路灯本身肩负的照明职能，如果单纯采用OOK 编码，势必导致数据传输时LED 路灯出现闪烁的现象，这样对正常照明是不利的，所以进一步优化为二次调制模式。所谓二次调制，就是先将基带信号调制到一个较低频率的载波，模式为2FSK，载波本身为方波信号，然后再用调制后的方波信号再一次调制光波，模式为OOK。

例如，如果想传输数据1，则输出方波信号f1，然后用f1 控制LED 灯开关，即LED 灯以f1 的频率闪烁，如果传输数据0，则输出方波信号f2，然后用f2 控制LED 灯开关，即LED 灯以f2 的频率闪烁。一般情况下，当闪烁频率低于50Hz 以下时，人眼能够识别光源的闪烁，当光强以大于50Hz 的频率工作时，人眼的反应已经跟不上光源的变化，大多数人将无法分辨出光源闪烁，此时的光源将发出稳定、连续的光。例如: 人眼就察觉不到每秒100 次的闪烁( 100Hz) 的荧光灯的闪烁现象。因此当f1和f2 选择较高频率时，人眼是无法观察到LED 灯闪烁的。但是此时LED 灯的亮度会变化，变化程度根据f1，f2 方波的占空比而定。

信号调制电路如图2 所示，基带信号的1 选择输出f1 方波，信号0 选择输出f2 方波，然后将f1和f2 相加即得到调制后的2FSK 信号，然后将该信号转换为LED 灯的调光信号输出，为简化设计，LED 灯工作于开关模式下。

图2 信号调制

2. 3 信号解调

信号解调电路如图3 所示，变化的光信号由光传感器检测出来后