1. 引言
随着无线通信技术不断发展，用户对于无线互联网的需求也在不断增长，更快、更可靠、更低时延的5G技术将会是移动通信技术解决方案。然而随着5G技术将采用更高的频段，剩余可用的无线电频谱资源将越来越少，新型的可见光通信(Visible Light Communication, VLC)技术由于具有宽频谱、低成本、高保密性、绿色环保、无辐射等优点，可对无线通信覆盖盲区(地铁、隧道、矿井、机舱)作补充，未来可与Wi-Fi形成技术互补，因此该技术一直是高校、研究院和企业的研究热点 [1] [2] [3] [4] 。而照明系统作为现代生活环境的基础性设施，可在照明的同时利用光通信技术为光源提供通信的附属价值。对此，本文针对照明LED的室内可见光通信系统展开研究。
2. VLC系统
2.1. VLC系统简介
VLC系统是利用光作为信息载体的一种无线通信方式，即光源光强随着控制信息的变化而改变，当光强变化频率高于人眼的闪烁临界频率时，则光源可同时满足照明与通信服务 [5] [6] 。一般来说，VLC系统由信源、调制解调器、光源驱动电路、光源、信道、光电探测器、小信号放大电路等组成 [7] [8] ，整体结构如下图1所示：
Figure 1. Principle structure of the VLC system transceiver terminal
图1. VLC系统收发终端原理结构
VLC系统通过网口进行对外数据交换，上下行链路则是通过调制光信号进行数据传输。在上行链路中，数据源数据格式转换完成后得到原始基带数据，然后通过数字信号处理模块实现信道编码及算法调制，再通过驱动电路将调制信号叠加到光源的直流供电中，最后将数据以调制光信号的方式发射出去；在下行链路中，首先由光电探测器将光信号转换为电信号，然后经过信号处理单元完成微弱信号放大和滤波，再进行解调和信道译码后得到原始数据，最后将数据转换成TCP/IP包通过网口传输出去。
对此，本文针对室内照明环境下设计一套VLC系统，通过对照明光源进行改装，实现照明与通信功能，并在此基础上粗略探究不同光源对实际通信速率的影响，进而得出适合室内VLC系统的光源。以下为系统实现的主要模块设计过程。
2.2. 数字信号处理模块
数字信号处理模块为整个VLC系统的核心，包括了信道编解码、调制解调、校验与纠错等过程，此处选用电力载波芯片。该芯片是一颗高性能、低功耗、高集成度的32位MCU芯片，内置Cortex M0内核，主频高达125 MHz，内置256 Kbyte SRAM，支持RTOS操作系统、TCP/IP协议栈和各种复杂协议及算法，频率范围2 MHz~28 MHz，自适应跳频，有效避开电力线噪声；物理层传输速率最高可达240 Mbps；可实现实时多路高清视频的传输。同时又具有丰富的对外接口，如多达48个GPIO、SPI、UART、A/D、I2C、I2S、PWM、SDIO、Ethernet等接口。可通过4线SPI接口连接外置的SPI Flash，支持在Flash上直接运行程序，节省SRAM，并通过16 Kbyte指令Cache实现高速、零等待的程序运行。其内部结构如图2(a)所示，基带信号处理模块如图2(b)所示：
Figure 2. Baseband signal processing module. (a) CR600 structure diagram; (b) Module physical map
图2. 基带信号处理模块。(a) CR600芯片结构图；(b) 模块实物图
2.3. 光电探测器
此处的光电探测器选用灵敏度较高、响应速度快、光谱响应范围大的PIN管，PIN管相对于APD管和PMT光电倍增管来说，其成本较低、使用方便，其性能也满足一般VLC系统的通信要求，实物如图3(a)所示。该光电探测器是一种高速、低暗电流的硅PIN光电二极管，频谱响应范围为400 nm~1100 nm，响应时间为1.2 ns，频谱响应曲线如3(b)所示。
2.4. 小信号处理单元
小信号处理单元主要完成微安级电流—电压信号的转换，以便后续信号处理。另外在一定的光照范围内，距离和位置改变时，调制光信号存在强弱差异，因此需要设计AGC自动增益调节。电路基本结构如图4所示。
2.5. 驱动与光源
驱动电路主要实现将已调制好的数据信息加载到光源驱动上，使得数据可以光的形式发送出去，因此采用如图5(a)的类Bias-Tee结构，即交流信号负责传信息，直流电负责光源供电。光源选用常见的筒式白光LED，电功率为7 W，光源头可以上下左右调节，方便对准。改装后的灯具如图5(b)所示，灯具左侧为光源，右侧为探测器。
Figure 3. Photodiode. (a) PIN; (b) Relative spectral sensitivity vs. Wavelength
图3. 光电探测器。(a) PIN管实物；(b) PIN管频谱响应曲线
(a) 
(b)
Figure 5. Light source. (a) Bias-Tee structure; (b) Retrofit lamp
图5. 光源。(a) 驱动电路结构；(b) 改造后灯具
3. 系统测试与分析
3.1. 测试平台搭建
VLC系统设计完成后，需要对其进行功能和性能测试。测试时，需要保持上下行链路中的光源与探测器中心位置在同一水平线。系统测试拓扑如图6所示：
3.2. 功能测试
此处的功能测试是用摄像头进行实时超高清视频传输，所有按系统测试拓扑连接，收发两端距离3 m。测试期间可用障碍物遮挡传输光路，并在PC上查看视频传输情况。测试连接和PC客户端结果如图7所示。
Figure 7. Real-time HD video transmission test. (a) System physical connection; (b) Client video
图7. 实时高清视频传输测试。(a) 系统实物连接；(b) 客户端视频
经过测试，该套VLC系统具备数据上传与下载功能，当有障碍物遮挡传输光路时通信中断，障碍物移除后通信恢复，符合VLC系统的特点，且满足系统设计功能要求。
3.3. 性能测试
性能测试是对数据传输速率测试。为测试实际的数据传输速率，此处采用PC直连收发终端网口进行端到端测试，测速软件为JPref，一台PC做服务端，另一台做客户端。JPref测试时走TCP协议，缓冲区长度设置为2 MBits，TCP窗口大小设置为56 KBytes，MSS设置为1 KBytes。分别对白光和混色金黄光两种光源测试6次，每次10 s，测试结果如图8、图9所示。
Figure 8. Curve: White LED speed test
图8. 白光LED测速结果曲线
Figure 9. Curve: Golden light LED speed test
图9. 金黄光LED测速结果曲线
3.4. 结果分析
以上结果可以看到，光源为金黄光时，其整体平均传输速率要比白光高，大概为75 Mbps。由于金黄光是由黄绿光与红光混色而成，其PIN管的整体响应要比蓝光激发荧光粉产生的白光更好，因此整体传输速率更快是符合原理的。
4. 结论
本文针对照明LED设计了一套室内可见光通信系统，经过实测，系统平均传输速率为75 Mbps，可满足短距离的室内无线通信需求。
基金项目
上海市经信委软件和集成电路产业发展专项(170550)资助项目。
NOTES
*通讯作者。