1 引言

　　近年來， 被譽為“綠色照明” 的半導(dǎo)體( LED) 照明技術(shù)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED 不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調(diào)制性能好，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點。利用LED 的這種特性，它能用作照明的同時，還可以把信號調(diào)制到LED 可見光束上進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)一種新興的光無線通信技術(shù)，即可見光通信( Visible light communication，VLC) 技術(shù)。與傳統(tǒng)射頻無線技術(shù)相比，VLC 可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾，也無需相應(yīng)頻段的許可授權(quán)，能夠以較低的成本實現(xiàn)高帶寬高速率的無線通信接入。具有很好的空間復(fù)用性，極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，是對現(xiàn)有射頻技術(shù)的很好的補充。這些吸引人的特性，使得VLC 在世界范圍內(nèi)受到極大關(guān)注。

　　VLC 可以提供很多應(yīng)用，如LED 照明，信息廣播和M2M ( 機器到機器) 。LED 照明可應(yīng)用于辦公室/家庭照明，路燈和汽車燈。信息廣播可應(yīng)用于標(biāo)牌( 例如: 廣告牌) ，辦公室家庭照明和路燈。M2M 可應(yīng)用于移動手機到移動手機，汽車到汽車，汽車到交通信號燈和汽車到路燈等等。在實際研究方向上，LED 可見光通信分為室外通信和室內(nèi)通信兩類，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究小組率先提出了基于LED 的可見光通信( VLC) 系統(tǒng)，目前國內(nèi)國際的主要研究方向也大部分集中在此，主要包括室內(nèi)定位與導(dǎo)航及高速網(wǎng)絡(luò)連接。而室外可見光通信由香港大學(xué)G. Pang 等人在1998 年提出來，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在智能交通( ITS) 和室外廣告( Outdoor Advertising) 。ITS 應(yīng)用主要包括: 車到車雙向通信，車到交通設(shè)施雙向通信。

　　近幾年，國內(nèi)LED 路燈市場加速發(fā)展，為順應(yīng)這一形勢，本研究主要針對城市LED 路燈可見光通信的實現(xiàn)和基礎(chǔ)應(yīng)用探索，通過選擇合適的光調(diào)制解調(diào)方式，實現(xiàn)對LED 路燈基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及運行參數(shù)的現(xiàn)場VLC 讀取，驗證其可行性，并為城市LED 路燈開創(chuàng)新的智能化管理思路及發(fā)展方向奠定基礎(chǔ)。

　　2 研究內(nèi)容

　　2. 1 組成及工作原理

　　圖1 描述了一個基本的光通信系統(tǒng)組成，其主要包括信號發(fā)送部分和信號接收部分。在發(fā)送端，由編碼器編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)制電路轉(zhuǎn)換成發(fā)送電信號，然后驅(qū)動LED 路燈光源發(fā)送光信號經(jīng)自由空間光通路到信號接收端。在接收端，通過光傳感器和放大器檢出光信號并轉(zhuǎn)換成電信號。最終經(jīng)解調(diào)電路、解碼器獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

　　圖1 系統(tǒng)組成

　　2. 2 信號調(diào)制

　　光通信就是以光波為載波的通信，即用基帶信號對光波進行調(diào)制。常用的調(diào)制方式包括: OOK、CCM ( Color Code Modulation ) 、HHW ( HighHamming Weight) 、VPM、R-RZ 等。本研究采用相對簡單的強度調(diào)制直接檢測，即IMDD，屬于非相干通信系統(tǒng)。通常IMDD 系統(tǒng)分為二進制系統(tǒng)和多進制系統(tǒng)，此處選擇二進制系統(tǒng)，并采用OOK編碼。

　　由于LED 路燈本身肩負的照明職能，如果單純采用OOK 編碼，勢必導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時LED 路燈出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，這樣對正常照明是不利的，所以進一步優(yōu)化為二次調(diào)制模式。所謂二次調(diào)制，就是先將基帶信號調(diào)制到一個較低頻率的載波，模式為2FSK，載波本身為方波信號，然后再用調(diào)制后的方波信號再一次調(diào)制光波，模式為OOK。

　　例如，如果想傳輸數(shù)據(jù)1，則輸出方波信號f1，然后用f1 控制LED 燈開關(guān)，即LED 燈以f1 的頻率閃爍，如果傳輸數(shù)據(jù)0，則輸出方波信號f2，然后用f2 控制LED 燈開關(guān)，即LED 燈以f2 的頻率閃爍。一般情況下，當(dāng)閃爍頻率低于50Hz 以下時，人眼能夠識別光源的閃爍，當(dāng)光強以大于50Hz 的頻率工作時，人眼的反應(yīng)已經(jīng)跟不上光源的變化，大多數(shù)人將無法分辨出光源閃爍，此時的光源將發(fā)出穩(wěn)定、連續(xù)的光。例如: 人眼就察覺不到每秒100 次的閃爍( 100Hz) 的熒光燈的閃爍現(xiàn)象。因此當(dāng)f1和f2 選擇較高頻率時，人眼是無法觀察到LED 燈閃爍的。但是此時LED 燈的亮度會變化，變化程度根據(jù)f1，f2 方波的占空比而定。

　　信號調(diào)制電路如圖2 所示，基帶信號的1 選擇輸出f1 方波，信號0 選擇輸出f2 方波，然后將f1和f2 相加即得到調(diào)制后的2FSK 信號，然后將該信號轉(zhuǎn)換為LED 燈的調(diào)光信號輸出，為簡化設(shè)計，LED 燈工作于開關(guān)模式下。

　　圖2 信號調(diào)制

　　2. 3 信號解調(diào)

　　信號解調(diào)電路如圖3 所示，變化的光信號由光傳感器檢測出來后，通過“高通濾波器”濾掉直流和低頻( 主要是工頻) 成分后進行放大，放大后的信號輸出到解調(diào)電路，通過相干解調(diào)和低通濾波、抽樣判決得到所需數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)通信理論，減小判決中的誤碼率可從兩方面入手: 一是加大其輸入光功率; 一是提高信噪比。對于LED 路燈，由于LED 光源發(fā)出的是可見光，且發(fā)散角較大，對人眼睛基本無害、無電磁波傷害等優(yōu)點，其本身的大功率就已經(jīng)在一定程度上保證了系統(tǒng)的可靠性，最終結(jié)果將是接收端的信噪比決定全系統(tǒng)的通信性能。

　　圖3 信號解調(diào)

[NT:PAGE]

　　2. 4 Matlab 仿真( 圖4、圖5、圖6)

　　圖4 基帶信號，反碼信號，載波信號

　　圖5 基帶信號相乘，2FSK，疊加傳輸中產(chǎn)生的噪聲信號

　　圖6 相干解調(diào)與抽樣判決結(jié)果

　　將以上研究設(shè)計思路采用Matlab 進行仿真，基帶信號速率采用100bps，考慮到可選擇元器件的限制，f1 選擇800Hz，f2 為1000Hz，仿真結(jié)果證明該方案可行。

　　3 測試系統(tǒng)及驗證

　　3. 1 測試系統(tǒng)

　　如圖7 所示，現(xiàn)場測試系統(tǒng)的組成包括內(nèi)置光通信控制器的LED 路燈，光接收機，智能手機設(shè)備( 內(nèi)置讀取數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用程序) 。光接收機與智能手機間通過藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸，以確保在路燈現(xiàn)場測試的方便性。

　　圖7 現(xiàn)場測試系統(tǒng)

　　現(xiàn)場測試中，LED 路燈選擇某品牌大功率LED路燈，該路燈支持PWM 調(diào)光輸入的配套驅(qū)動電源。光通信控制器直接采用深圳市致燁科技有限公司的單燈控制器，其支持PWM 調(diào)光輸出，可實時采集LED 路燈的電壓、電流、有功功率、功率因素、溫度等實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)場測試驗證中LED 路燈工作于開關(guān)模式，且所選擇的信號調(diào)制工作速率較低，信號調(diào)制部分將由單燈控制器內(nèi)部軟件完成，直接輸出2FSK 信號控制LED 燈開關(guān)。由于所選器件所限，本文測試用的基帶信號速率為100bps，f1為800Hz，f2 為1000Hz，如果采用PIN 二極管，應(yīng)可工作于更高的頻率，當(dāng)然相應(yīng)的電路設(shè)計也將更為復(fù)雜。

[NT:PAGE]

　　3. 2 光接收機

　　光接收機設(shè)計為手持式，大小相當(dāng)手機，以便于現(xiàn)場操作及可移動性。光傳感器選擇有兩個關(guān)鍵性指標(biāo)，一是響應(yīng)的光波強度范圍，二是響應(yīng)速度。由于LED 路燈工作于室外，而室外充滿了各種各樣的其他可見光，同時白天及夜晚環(huán)境光亮度相差極大，因此在這種環(huán)境下工作的光傳感器需要具有極寬的響應(yīng)范圍以及較高的靈敏度。而由于LED 路燈以f1 和f2 高頻率閃爍，因此光傳感器的響應(yīng)速度應(yīng)高于該頻率。本測試系統(tǒng)采用歐恩光電的ON9658，其測量范圍: 0 ～ 1000lx，響應(yīng)時間達到Tr + Tf =4μS ( 圖8) 。

　　圖8 ON9658

　　考慮到路燈僅在夜間工作，光接收機僅設(shè)計為夜間工作，同時為避免其他可見光和相鄰路燈對于通信的影響，光接收機增加遮光罩設(shè)計，在實際應(yīng)用中僅需指向相應(yīng)路燈。

　　光接收機信號解調(diào)部分直接采用通用的FSK 解調(diào)芯片XR2211 完成相干解調(diào)，XR2211 為音頻鎖相環(huán)電路。

　　藍牙通信采用通用的藍牙轉(zhuǎn)串口通信模塊，方便將讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C設(shè)備中進行展示。配套的智能手機內(nèi)置程序基于安卓系統(tǒng)，采用JAVA 技術(shù)開發(fā)。

　　3. 3 測試與驗證

　　現(xiàn)場測試選擇在某人車較少的路段，共安裝已加裝光通信控制器的LED 路燈( 160W) 10 盞，路燈燈高11 米，路燈間距35 米。通過光通信要求實時讀取路燈數(shù)據(jù)包括: 該控制器UID、該路燈品牌、標(biāo)稱功率、配套電器品牌及類型、路燈工作電壓、電流、有功功率、功率因素、溫度( 圖9、表1) 。

　　圖9 現(xiàn)場測試示意圖

　　表1 光通信對路面照度的影響

　　開啟光通信時，LED 光源無人眼可識別閃爍，但路面照度下降到與調(diào)光50% 時一致，這是測試系統(tǒng)所采用調(diào)制方式功率利用率不高的原因造成的。當(dāng)采用更為先進的PPM，甚至是DPPMDPIM，將能夠獲得更好的功率利用率和頻帶利用率( 表2) 。

　　表2 讀取成功率與R 值的關(guān)系

　　經(jīng)測試，當(dāng)位于所測LED 路燈燈頭下方，所有路燈的數(shù)據(jù)讀取成功率均為100%，成功讀取時間小于1S。由于采用了遮光罩設(shè)計，在不斷增大R 值的同時始終指向光源位置，光接收機受環(huán)境光照或其他路燈的干擾情況可以忽略，其接收可靠性與光源的輻射功率密度以及光傳感器的接收靈敏度有直接關(guān)系。

　　由此可見，雖然在該實現(xiàn)方案中存在通信速率過低、影響路燈照度等方面的問題，但LED 路燈實現(xiàn)可見光通信完全可行。且針對日常路燈巡檢與管理，可見光通信方式無疑提供了一個簡單、快速了解路燈實時運行狀態(tài)的新思路和新途徑。

　　4 總結(jié)

　　可見光通信在國內(nèi)外還處于起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非?？春?。本研究通過采用相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，借由現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)備條件，快速驗證了LED 路燈實現(xiàn)可見光通信的可行性，并且通過光通信方式完成了對LED 路燈工作狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)傳送，為路燈智能化管理提供了一個新的思路和參考。同時隨著技術(shù)的進步與方案的優(yōu)化，LED 路燈實現(xiàn)光通信的意義將不僅限于此，其將徹底顛覆對于城市路燈的原有價值定義，路燈將不在局限于提供道路照明功能，而將作為一個遍布城市的通信接入點而存在，為智能交通、智慧城市的實現(xiàn)提供新的發(fā)展方向和動力。