《无线光通信技术-从理论到前沿》课件-第3章

第3章可见光通信3.1概述3.2考虑光照约束的调制技术3.3室内可见光系统的性能提升技术3.4可见光通信标准3.5基于成像传感器的可见光通信系统本章小结

3.1概述使用VLC的新兴应用包括:①在室内通信中,通过智慧城市理念扩展WiFi和蜂窝无线通信;②在物联网通信中,作为无线链路使用;③作为智能交通系统(IntelligentTransportSystem,ITS)中通信系统的组成部分之一;④作为医院无线通信系统;⑤用于实现玩具和主题乐园娱乐设施中的交互式行为;⑥通过智能手机摄像头提供动态广告信息。

由于同一场景下可能需要同时使用多台无线设备,例如智能手机、平板、智能手表、智能眼镜、可穿戴设备、便携式电脑等,并且同一通信网络中每增加一台设备,每台设备所拥有的数据速率就会降低,因此利用VLC来增强WiFi和蜂窝无线通信越来越迫切。基于现有基础设施安装VLC系统来提高数据传输速率便于实现。图3－1为VLC无线网络示例。

图3－1VLC无线网络示例

其中,VLC的下行链路包括照明LED、以太网电力线通信(PowerLineCommunica_x0002_tion,PLC)、调制解调器和LED驱动器,它们作为设备的一部分,通过专用或加密的接收机接收信号。

上行链路的配置主要包括:

①一个WiFi链路;

②一个红外IRDA链路;

③如图3－2所示的调制逆反射器。

图3－2基于调制逆反射器的无线通信网络

智能交通系统的使用,可提高道路安全、减少道路交通事故以及提高交通效率(如图3－3所示)。VLC技术已被提议用于智能交通系统,为车辆之间、车辆和交通灯之间或车辆和广告牌之间等道路基础设施之间建立单向或双向短距离无线通信链路。VLC技术可以使用现有的车灯、交通灯及广告牌等发光设备作为接收机或发射机,从而降低系统成本。例如图3－3中将交通信号灯作为发射机。

图3－3基于VLC的智能交通系统

VLC在玩具和主题公园娱乐设施中也被广泛运用,这主要聚焦于VLC技术的两个特点(如图34所示)上。

其一是VLC通过视线或半视线进行通信的能力,也就是说通信只能在特定区域进行。基于这个特点,商家可以基于观众位置给观众发送不同的信息,如AR或VR技术让观众仿佛置身于商家提供的场景中。

其二是VLC技术的低成本,例如玩具的LED可以同时作为发射机和光电二极管接收机来降低玩具升级的成本。

图3－4主题公园娱乐设施中的VLC

通过智能手机摄像头捕捉动态广告是VLC技术的一个新的应用领域,它通过广告牌和照明设施来传输由摄像头检测到的信息,然后通过适当的算法从视频中提取通信数据。

这种技术为街道、购物中心和地铁的广告添加了额外的信息层。

3.2考虑光照约束的调制技术由于涉及光照约束这一新的约束,可见光通信系统的物理层设计将不同于标准射频通信的物理层设计。光照约束实际上是对光发射的平均强度和闪烁进行限制。由于光脉冲在200Hz或更高频率闪烁时,对人眼感知的影响很小,所以本节主要讨论平均强度约束。在无线光通信中,这种约束通常被表示为不等式,在VLC中则表示为等式。此外,与射频通信相比,在信号功率的平方值被限制的情况下,信号电平本身的强度也会受到限制。换句话说,光照约束是根据信号的均值(一阶矩)而不是方差(二阶矩)来定义的。

本节将讨论几种平均强度约束方法。为了满足以平均强度约束为代表的光照约束,提出了信号电平偏移、及时补偿和改变符号电平分布等方法。其中信号电平偏移和及时

补偿方法实现简单,而改变符号电平分布方法则可提高通信中的数据吞吐量。

(1)信号电平偏移是最简单的方法之一。

(2)及时补偿时间上的强度差是另一种可以简单实现的方法。

一些基于PWM的研究也提出了简单的解决方法以提高边际速率。例如,①PWM可以与OOK和PPM叠加以支持调光。②可变脉冲位置调制(VariablePulsePositionModulation,VPPM)是另一种使用PWM的方法。这种调制结合了2-PPM和PWM的调光控制方法,如图3－5所示。③脉冲双斜率调制作为VPPM的一个变形,提供了改进闪烁抑制的方法。

图3－5调光控制的PPM

(3)改变符号电平分布是一种复杂的方法,但可带来额外的速率提升。

典型的LED照明是白光。然而,一些应用需要多种颜色的LED,例如光疗、显示屏和高显色指数的照明。在这样的应用中,照明的要求并不只是对标量平均强度给出约束,而

是给出平均颜色和强度的矢量。这里将讨论两种处理有色情况的方法:①色移键控(ColorShiftKeying,CSK)分开考虑了颜色和强度。它一方面使光照强度固定在目标强度上,另一方面利用颜色的瞬时变化进行数据传输。如图3－6所示,信号星座位于一个强度相同的二维彩色空间中。②颜色强度调制(ColorIntensityModulation,CIM)会同时改变颜色和强度,因此这种方法可以利用CSK增强吞吐量。

图3－6在CIEXYZ颜色空间中包含三个符号的CSK星座

下面着重介绍三种方法,即逆源编码、多级传输和颜色强度调制。在执行这些方法时应考虑:VLC需要照明的瞬时变化能避免对人眼造成影响,因此需要符号变化得足够快。

此外,还应注意LED照明的物理色温和色度偏移。这主要是由LED的输入电流水平和温度的变化引起的,而多级传输易受这种偏移的影响。

3.2.1可调光VLC中的逆源编码

1.NRZ-OOK的逆源编码

首先介绍一种用于二进制调制的ISC方法。设d表示调光目标,为了达到调光目标的二进制OOK调制,需要分别按d和1-d的比例使用ON和OFF符号,形成OOK调制。如果使用该调制进行通信,则数据速率受限于二进制熵上限,该二进制熵为

为了在调光目标d中实现最大的传输效率(数据速率),应该调整消息符号的组合,使ON符号和OFF符号在单个数据帧中分别以概率d和概率1-d出现。由于源编码操作(也被称为压缩操作)用于尽可能均匀地改变符号的组成来最大化熵,因此该操作的逆运算可应用于将符号的组合调整为任意比例。这种操作称为逆源编码(或调光编码),并且可以如图3－7所示合并到VLC系统的发射机中。

图3－7具有反向信源编码的VLC系统的发射机

图3－8ISC带来的效率提升

下面讨论信源编码与逆源编码之间的冲突。以序列00011011为例,编码操作的流程如下:

(1)输入顺序:00011011。

(2)逆霍夫曼编码序列:010111011。

(3)被干扰信道破坏的序列:000111011。

(4)用于恢复的序列:000111011。

(5)恢复序列:0000001011。

2.M进制PAM的逆源编码

在采用OOK调制的逆源编码中,通过调整数据帧的占空比以及ON和OFF符号的比例,调光目标可以直接确定二进制码元概率。然而,非二进制调制,如脉冲幅度调制等,可以采用不同的调制方式来调光,每一种调制方式都对应着不同的频谱效率。基于此背景,本小节考虑了令光谱效率最大化的非二进制码元的分布。当提及光谱效率时,就需要考虑到熵(平均信息量)。M-PAM的熵可以表示为

因此,选择一对可行的(λ1,λ2)参数可以很好地定义符号概率分布{pi},并使熵达到全局最大值。为了能够实现通信所需分布,本节采用了逆霍夫曼编码。图3－9展示了逆源编码(ISC)和时间复用调光(TimeMultiplexing)。可以观察到:逆源编码始终优于时间复用调光方案。对于M进制PAM的逆源编码,无论M取何值,归一化熵的趋势都大致相同,即逆源编码对任意M值都是有效的。

图3－9归一化熵

3.逆源编码与可调光VLC容量比较

图3－10描述了符号间最小距离相等时的4-PAM逆源编码(ISC)、3-PAM逆源编码(ISC)和3-PAM混合调光(HybirdDimming)的熵。

图310逆源编码和混合调光的熵

假定不同调光方法在高斯白噪声下(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)进行比较:

图3－11为调光目标取值0.5时,分别使用2-PAM、3-PAM、4-PAM、8-PAM调制的逆源编码的调光容量。

图3－11调光目标为0.5时M-PAM的容量比较

此外,本小节还将对逆源编码、模拟调光和混合调光的调光性能进行对比,调制方式分别为2-PAM、3-PAM、4-PAM、8-PAM、16-PAM。图3－12描述了随着A/σ和调光目标的变化而变化的调光容量。图3－13描述了随着A/σ和调光目标变化而变化的最优调光方法(即可以产生最大容量的调光方法)。当归一化直流漂移(强度漂移)为0时即代表选择逆源编码调光方法,为1时即代表采用模拟调光方法。调光目标达到97%时,除A/σ>20dB和A/σ≈11.5dB,逆源编码都具有较好的调光性能。对于A/σ>20dB,如果允许较高的调制阶数,那么逆源编码仍然是最好的调光方法。

图3－122-PAM、3-PAM、4-PAM、8-PAM、16-PAM下的调光容量

图3－13最优调光方法的选择

对于A/σ≈11.5dB,是不允许采用4-PAM~8-PAM等调制方式的。图3－14显示了当A/σ≈11.5dB且调光目标为97%时,

如何确定图3－13中的y轴坐标。当调光方法为逆源编码或6-PAM时,可以相应产生最大的调光容量。除6-PAM外,具有轻微直流漂移的4-PAM(即混合调光)也可以产生最大调光容量。然而,在这种情况下,逆源编码和4-PAM混合调光之间的调光容量差异可以忽略不计。因此,当所有调制阶数都可用时,逆源编码是最优调制方式;当只有部分调制阶数可用时,逆源编码的性能类似于或优于其它调制方式。

图3－14当A/σ≈11.5dB且调光目标为97%时最优调光方法的选择

3.2.2可调光VLC中的多级传输

本小节将针对支持调光控制的可见光通信系统,介绍一种多级传输的方案。为了实现多级调制方案的调光控制,可将不同脉冲幅度调制的符号进行级联,从而得到与调光要求

相匹配且具有平均振幅的整体信号。该方案通过调整不同调制符号的级联来实现自适应调光。为此,可将该问题转换为线性规划问题,从而最大化传输数据速率并满足调光要求。

为提高频谱效率,研究人员引入了多电平调制方式,如PAM,并设计了可调光VLC中的多级传输方案。

1.多级传输机制

本小节将介绍一种多电平传输模型方案,并通过线性优化得到该方案的最佳配置。在这一方案中,每个数据帧由N个信息符号构成,并在M-1种不同的PAM调制方式(二进

制PAM~M进制PAM)中选择其中一种。假设所有调制方式的电平间距都是均匀的,也就是说,PAM的任意两个相邻量化电平差都是相同的。在不损失通用性的情况下,调光目标d在[0,0.5]内取值,即d∈[0,0.5]。图3－15为多级传输方案的一个示例。

图315多电平传输方案

2.渐进性能分析

通过各种配置,例如使用连续进制的幂,可以解决多级传输方案的性能问题。为了公平比较,对于(i+1)-PAM,通过将每个符号的平均比特除以lb(i+1)来评估归一化容量,如图316所示。

图3－16归一化频谱效率(容量)

图3－17容量提升

图3－18M-PAM

3.仿真结果

本小节将分析未编码和编码传输方案的仿真结果。假设A和M分别是最高阶PAM的最大电平强度和阶数,即A是M-PAM的第M个电平的强度。在统一PAM符号级别后,(i+1)-PAM的第k级表示为未编码(i+1)-PAM的符号错误概率为

图3－19调光目标为0.1的频谱效率

图3－20调光目标为0.4的频谱效率

3.2.3多色VLC的颜色强度调制

1.颜色空间与信号空间

下面将介绍颜色空间的特征,及其与信号空间的差异。为了简要描述多色系统的模型,需要使用N个不同的LED和具有不同波长特性的光检测器。

图36为使用三个LED实现CSK的示例,分别由LED1、LED2和LED3表示。

图3－21CIEXYZ颜色空间

2.颜色强度调制

为提高给定约束下的频谱效率,本节提出了颜色强度调制。为此,选择信号空间中的子空间(或点),与满足颜色约束的颜色空间子空间相关联。对于该信号空间的子空间,可以通过确定符号的位置以最大化频谱效率,但是频谱效率还受限于子空间的符号加权平均值。为了控制符号的平均强度,一般情况下使用PAM调制,无论平均强度如何,在PAM调制中都具有相同的带宽。但在这里通过两种不同的方法,使用M-PAM和逆源编码来实现平均强度。在图3－22和图3－23中,这两种方法以A/σ为8dB和调光目标为0.8来说明。图3－23所示的第二种方法通过同时控制消息符号的位置和概率,性能可提升1.3%。

图3－22当A/σ为8dB、调光目标为80%时具有0.9373位/符号互信息的最佳等距符号

图3－23当A/σ为8dB、调光目标为80%时具有0.9494位/符号互信息的最佳等距符号

图324给出了关于A/σ和调光约束的一维互信息。当在子空间中选择最佳点时,I(Si;Vi)的总和是CIM容量的上限。此外,图325是A/σ分别为8dB和6dB时的一个二维示例,并且每个维度的调光目标分别为0.8和0.5。两个轴表示在发射机和接收机之间通信的信号。互信息是.9494+0.9385=1.8879比特/符号,符号数为4×3=12。因

此,容量的上限为1.8879。三维扩展如图3－26所示,照明约束为A/σ=5dB,调光目标为0.3。因此,互信息等于0.9494+0.9385+0.6945=2.5824比特/符号。

图3－24单个颜色信道的互信息

表3.3比较了CIM和CSK的互信息。除了第一信道条件与图3－26所示的情况相同,信道R1的调光目标为0.2,而不是0.8。获得CSK1和CSK2的结果是分别在未考虑和考虑

信道增益的情况下,通过最大化三个符号之间以外的最小距离得到的。以下三种CIM方案以不同方式将符号放置在三维空间中。CIM1以目标点为中心放置8个等概率符号,这组

符号形成一个长方体。CIM2如图3－26所示,在矩形平行六面体的角上放置具有不同概率的8个符号。CIM3如图3－26所示。

最后,考虑非正交的多色信道。由于在接收机处接收的信号不是独立的,因此得到的信号子空间分别在二维和三维信号空间中形成平行四边形和平行六面体。图3－27给出了第一个接收机可以响应第二个发射机的情况。第一个接收机处的接收信号可写成R'1=R1+R2。由于R1和R2之间出现2dB差异,因此从R'1获得的最大数据速率为1+10-0.2≈1.63,而不是2,相应的互信息是1.9258比特/符号。图3－28显示了第二个接收机以一半的响应度响应第一个发射机的情况,即'2=0.5R1+R2,此时,相应的互信息等于2.0458比特/符号。

3.3室内可见光系统的性能提升技术3.3.1接收平面倾斜技术在VLC系统中,接收机的位置可能被设置在距LED很远的地方,与距LED较近的位置相比,较远位置处接收机的接收信号的SNR会大大降低。随着接收机与光源之间距离以及入射角的增加,接收信号的SNR也将逐渐减小。本节将介绍可用于提高室内VLC系统性能的接收平面倾斜技术。假设房间的尺寸为长5m、宽5m、高3m。本节将对接收平面倾斜以及不倾斜情况下的SNR性能进行分析比较。由于室内LOS通信占主导地位,为简单起见,在分析SNR时不考虑墙壁对光的反射作用。

1.基于单LED的VLC系统SNR分析

图3－29描述了仅在天花板上部署一个LED时,室内VLC系统的几何图。表3.4给出了本小节所用的VLC系统参数。假设LED位于天花板的中间,其坐标为(2.5m,2.5m,3m),光检测器(接收机)位于高0.85m的桌子上。设辐射角φ是LED平面法向量与收发器连线之间的夹角。假设LED光具有Lambertian辐射模式,可表示为

图3－29VCL系统中LED和光检测器(接收机)的几何图

利用公式(3.36)可以计算出将接收机置于高0.85m的桌面上时,接收信号的SNR分布。在计算SNR分布的过程中使用了表3.4给出的参数。图330绘制了LED位于天花板中心、发射功率为5W时相应的SNR分布。如图3－30所示,当接收机位于LED的正下方时,SNR将达到最大值28.93dB;当接收机位于室内一角时,可得到SNR的最小值6.23dB。因此,SNR的峰谷差为22.70dB。

图3－30将一个LED放置在天花板中心位置时室内VLC系统的SNR分

图3－31将接收平面倾斜后LED和光检测器(接收机)的几何图示

利用牛顿算法(能够找到f(β)最大值的一种快速算法)可以确定最佳倾角β。得到最佳倾角后,可计算出每个接收机位置对应的最大光功率。图332给出了改善的SNR分布,

SNR的最大值仍为28.94dB,但当接收机处于房间角落时,对应的最小SNR增加至11.92dB,与未倾斜接收平面相比,此时SNR的峰谷差减小了5.69dB。

图3－32将一个LED放置在天花板中心位置并将接收平面倾斜时的室内VLC系统的SNR分布

2.基于多LED的接收平面倾斜技术

图3－33当在天花板上部署4个LED时室内VLC系统的SNR分布

3.谱效率

如图334所示。

图3－35(a)和(b)分别给出了部署1个和4个LED时对应的平均SE。图3－35LED的部署

3.3.2LED排列技术

在室内VLC系统中,需要保证整个房间内的信号都具有一致的SNR和BER性能,尤其是当室内有多个用户时,这一条件更为重要。正如3.3.1节所讨论的,在一个典型房间内,通常将LED放置在天花板的中心位置(称之为中心LED排列)。中心LED排列法会使室内不同位置的SNR相差很远,从而严重影响信号的接收质量。

1.LED排列

为了证明LED排列技术的有效性,首先在天花板的中心位置部署16个相同的LED。该情况下,相邻LED之间的间隔为0.2m,每个LED的发射功率为125mW,因此16个中心LED的总发射功率为2W。表3.4给出了本小节所用到的VLC系统中的相关参数。在室内共取了100个样点位置,这些位置均匀地分布在光检测器所处的平面上。为了计算房间中每个位置所接收到的信号质量,引入参数QSNR并将其定义为

图3－36所示较差的SNR性能是由中心LED排列方式造成的,此时,位于房间角落的用户与LED之间的距离要远大于位于房间中心位置的用户与LED之间的距离。

图3－36LED的总功率为2W时室内VLC系统的SNR分布

图3－37将12个LED围成圆形并将4个LED放置在角落的排列方式

为了使SNR变化达到最小,可以改变LED所围成圆的半径、角落处LED与距其最近的墙之间的距离。表3.6和表3.7给出了相关结果。

2.BER分析

如前文所述,12个圆形LED和4个角落LED的排列方式可以提供近似均匀分布的SNR,且与用户在室内的位置无关。然而,由于接收机将收到来自所有LED的光信号,而这些LED与接收机的距离相差很大,因此会导致ISI的增加,从而降低BER性能。如果不考虑反射作用,在该排列方式下,不同LED发出的光束到达角落处接收机的最大时间差为15.9ns;但若将16个LED置于天花板的中间,最大时间差仅为2.34ns。图3－38给出了速率为100Mb/s的双极性OOK信号的BER性能。

图3－38当接收机位于角落时速率为100Mb/s的双极性OOK信号的BER性能

图3－38当接收机位于角落时速率为100Mb/s的双极性OOK信号的BER性能

3.容量分析

对于具有噪声的通信信道,其信道容量定义为信道的输入和输出之间的最大互信息量。对于离散输入和连续输出的VLC信道,信道容量可以表示为

图3－39描绘了布署12个圆形LED以及4个角落LED的场景下,分别使用或不使用ZF均衡时100Mb/s双极性OOK信道容量与LED总功率之间的关系。

图3－39布置12个圆形LED和4个角落LED的场景下100Mb/s双极OOK信号的信道容量

3.3.3光照强度控制技术及其在VLC系统中的性能

在VLC系统中,LED的两个主要功能是照明和通信,LED的亮度可根据使用者的要求和舒适度进行调整。此外,调低LED的亮度还可以节约能源。脉冲宽度调制技术(PWM)作为一种常见的调光控制技术而被广泛应用,通过调整PWM信号的占空比,可以改变LED的亮度,且不会影响LED的电流值。

如图340所示,LED的电流由PWM调制,在整个周期内可通过改变通电时间来控制亮度。

图3－40调光控制

在PWM信号的整个调制周期中,灯光会变暗。数据仅在接通时间内被调制到灯光上,如图341所示。图3－41具有调光控制的信号波形(占空比为0.6)

1.基于调光控制的双极性OOK信号

与无调光控制的情况相比,采用调光控制可以缩短PWM调光控制周期(T)内的数据传输时间。虽然在采用PWM调光控制信号时,BER性能在特定调制格式下保持不变,但是在整个PWM周期中传输的比特数会减少,这实际上降低了平均数据速率。为了解决这个问题,当LED变暗时,数据传输速率应当适当提高,这样才能保证传输的比特数保持不变。这就意味着,应满足下面的等式关系:

图3－42OOK调制下M-QAM性能

2.基于调光控制的M-QAMOFDM信号

本小节将分析并讨论在调光控制方案下的自适应M-QAMOFDM信号的性能,其中M代表信号星座点的数量。由于M-QAM信号的一个字节承载lb(M)个比特,因此传输

的比特总量可以通过增加码元速率或者使用更高级的M-QAM来保持传输比特总数的恒定。假定M0是信号星座中的初始点数,M1是信号星座中的自适应点数,便可得出

与预期结果一致,M1的值随着占空比的减少而增加。图3－43(a)中描绘出了自适应数据速率R1和占空比之间的关系。

当占空比小于0.3时,自适应数据速率较高,这样才能够保证通信的质量。当占空比为0.1时,最高自适应速率是原始数据速率的2.5倍,这与占空比为0.4时的OOK信号相同。因此,与OOK信号相比,M-QAM信号的数据速率增加是适度的。图3－43(b)描绘出了LED所需的功率与占空比之间的关系。

图3－43M-QAM性能

3.4可见光通信标准

3.4.1VLC标准的范畴

1.服务区域的兼容性在不同的照明空间区域能够提供可见光通信服务,这个照明空间区域可以是博物馆、购物中心、走廊、办公室、餐厅等。VLC照明服务又可划分为两种不同的VLC服务,其中一种用于特定的区域,例如公司或者一个集团所在的位置,在该位置可以使用专用设备;另一种则是公共区域,在该区域内,通信设备必须与通信标准兼容。

但研究人员为特定区域进行设计时,不需要任何VLC标准。特定VLC的设计很容易完成,而且没有任何限制,这是因为该设计基于专有的技术,而不是按照图3－44中(4)所定义的标准来实现。

通过专有技术设计出的VLC具有第一阶段快速部署、廉价的优点,但是缺乏VLC服务区域的兼容性,如图344的(2)、(5)、(6)。再如图3－44中的(1)和(3),研究人员需要一个标准来保证VLC服务区域与其它类型的服务区域之间的兼容性,国际标准可以是IEEE802.15.7和PLASAE1.45。

图3－44VLC服务区域兼容性示例

2.照明兼容性

研究人员制作了具有多种照明功能、固定装置和颜色的LED。它们的功能和形状因预期的用途而不同。虽然LED照明系统的种类繁多,但可见光通信标准必须与各种LED系

统相兼容。因此,研究人员需要了解IECTC34中的LED照明标准,以便于开发新的标准。其中包括LED照明中的VLC组件标准,如图3－45所示。

图3－45VLC照明兼容性

3.供应商兼容性

目前有很多的LED照明供应商可以自由引进和回收LED照明产品,但需要注意以下问题:①照明端随时可能会停止运行或达到最长工作寿命;②所设计的VLC必须与其供

应商所提供的装置兼容。通常情况下,相关人员可以选择LED照明和接收终端,无须选择特定的供应商或产品,并可随时更换产品、制造商和供应商,如图3－46中的(1)和(2)。在图346(3)所示的情况中,由于缺少供应商的兼容性,会引起一系列的问题。

图3－46VLC供应商兼容性

4.标准兼容性

可见光通信有IEEE802.15.7VLCPHY/MAC、IECTC34LED照明、PLASAE1.45DMX512-AVLC和LED光源Zhaga发动机几个标准。IEEE802.15.7VLCPHY/MAC在

2011年发行,它涵盖了VLCPHY内部的LED照明和VLCPHY接收机,见图3－47。

图3－47可见光通信标准兼容性

3.4.2调制标准

1.VPPM

由于VLC需要一种与调光照明控制相兼容的策略,因此引入了可变脉冲调制(VPPM)。

VPPM可以结合2-PPM与PWM进行调光控制,VPPM中的比特“1”和“0”由脉冲位置来区分,而脉冲宽度由调光比决定。图3－48为VPPM的原理。

图3－48VPPM原理

2.线路编码

常用光纤线路码,如4B6B线路码,其特点是将原始的每4位编码块扩展为具有DC平衡的6位编码块,DC平衡特性意味着在6个编码块的每个块位中总是包括3个0和3个1。

3.4.3VLC传输标准

可见光通信的数据传输类型有两种,即固定数据类型和可变数据类型。其中,可变数据类型可以根据有线传输协议或无线传输协议来实现数据的变化。

1.有线传输协议

常用的有线可见光通信数据传输协议有两种:即PLASAE1.45DMX512-AVLC和IEC62386DAL

2.无线传输协议

无线传输协议有ZigBee、IrDA、Buletooth和无线LAN等。由于可见光通信是单工通信,因此需要额外的无线通信技术来弥补缺点。

ZigBee在IEEE802.15.4中定义,可在250kb/s传输速率的安全网络中应用。ZigBee还可以用于无线灯的开关以及调光控制。

3.4.4VLC照明标准

1.LED光源接口

Zhaga国际联盟致力于制定接口规范,以使不同制造商生产的LED光源之间具有互换性。Zhaga制定了一系列的规范(称为规格书),描述了LED灯具和LED光引擎之间的接口。这将有利于LED照明解决方案在市场中的应用。

虽然可见光通信技术采用LED作为光源,但是人们还没有把Zhaga的LED模块规范充分地应用于可见光通信中。但是,在开发可见光通信的物理层和应用层服务时,必须把Zhaga的LED模块规范考虑在内。

2.设施接口

IECTC34一直在制定有关灯具规格的国际标准,其中包括LED灯、灯头和灯座、灯的控制装置、灯具的标准化工作以及其他技术委员会项目中未涉及的相关设备。

3.LED智能照明接口

2014年1月,IECTC34智能照明系统特设工作组举行了首次面对面的会议。其会议的主要目的是研究如何在传统照明行业与信息通信技术(InformationandCommunications

Technology,ICT)之间创造出新型的融合技术。因此,在LED照明功能中引入了ICT的应用,例如无线通信、有线通信和可见光通信,如图349所示。

图3－49LED系统光引擎与可见光通信

4.VLC服务标准

在IEEE802.15.7、IECTC34、PLASACPWG、TTAVLCWG、VLCC和ITU-TSG16中提出了对可见光通信标准化的规范和要求。

3.5基于成像传感器的可见光通信系统

3.5.1成像传感器成像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备,它广泛地应用在数码相机、相机模块、录像机和其它成像设备中。正如后面内容所要涉及的,成像传感器也可用于VLC接收机。

1.CCD

图3－50为CCD成像传感器框图。图3－50CCD成像传感器框图

2.CMOS

图351为CMOS成像传感器框图。图3－51CMOS成像传感器框图

3.CCD、CMOS和PD的比较

表3.10比较了CCD成像传感器、CMOS成像传感器和PD。

相对于CCD成像传感器,CMOS成像传感器具有较高的产品集成性。这一优势,使得单片相机具有时序逻辑、曝光控制和模拟到数字转换等功能;此外,也能让通信像素与传

统图像像素之间具有集成性。现在,计算机和其它电子产品中的大多数芯片都是使用CMOS技术制造的。即使建立芯片制造厂需要花费数百万美元,但是如果生产的芯片数量足够多,那么每片芯片的最终价格会非常低,尤其是在与其它技术相比时。因此,只要市场对这种芯片的需求很高,即使对于高帧率CMOS成像传感器来说,成本也可能大幅降低。

3.5.2成像传感器用于可见光接收机

CMOS成像传感器可用作VLC接收机。由于其具有大量可用的像素,因此使用CMOS成像传感器的一个独特优点是它能够在空间上分离源。这里的源包括噪声源(例如太阳、路灯和其它环境光)以及传输源(例如LED)。

空间上分离源的特性也为VLC提供了一个附加的功能,即接收和处理多个发射源的能力。如图352所示,接收机可以同时捕获从两个不同LED发射机发送的数据。此外,如果一个光源由多个LED组成,则可为每个LED采取单独的调制来实现并行数据传输。

图3－52基于成像传感器的VLC的优势

再如:一个配备了CMOS成像传感器的接收机可获取到VLC信号及其空间(X,Y)的位置或实际像素行和列的位置。这表明VLC信号不仅可以用时域信号来表示,还可以由从发射机到接收机的输入矢量方向来表示。因此,通过全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)或其它位置估计系统获得的位置数据可以采用VLC进行数据传输。

1.时间采样

香农采样定理,又称奈奎斯特采样定理,是一个应用于与时间相关的信号的基本定理。该定理表明,如果LED发射机产生具有时间间隔为Ts的离散时间信号,其数据速率为Rs=1/Ts,同时要求成像传感器的帧率必须大于或等于2Rs。如果帧率小于2Rs,频谱会发生混叠,从而造成信号的失真,使原始信号无法准确恢复。

图353为一个采用OOK调制的LED发射机和一个采用成像传感器作为接收机的示例。因此,对于由多个LED组成的发射机,只要LED产生的发射信号相同,就可以使用该系统。

图3－53单一LED发射机和成像传感器接收机

2.空间采样

在空间中分离源的特性为VLC提供了一个附加的功能,即接收和处理多个发射源的能力。如图352所示,接收机可以同时捕获多个LED(例如数据1和数据2)传输的数据。在这样的系统中,使用单独的调制方法,可使包含多个LED光源的数据并行传输。

图3－54为采用OOK调制3×3LED阵列发射机的示例。该系统中每个LED发射出的信号不同,因此可以通过单独调制每个LED来实现并行数据传输,这是使用成像传感器作为VLC接收设备的优点之一。

图3－543×3LED阵列发射机和一个成像传感器接收机

3.最大可实现数据速率

3.5.3设计基于成像传感器的可见光通信系统

1.发射机

在设计基于成像传感器的VLC系统时,可以使用一个或多个LED发射机(即LED阵列)。此处主要关注的对象是LED阵列。数据包格式如图3－55所示。当数据包为一特殊

序列排布时,则可用于其它功能设定,如Baker码序列就可以用于时间同步。