吕 晖，马晓红，麻毓哲，赵华凤

自由空间可见光通信教学实验平台建设

吕 晖，马晓红，麻毓哲，赵华凤

（清华大学 电子工程系，北京 100084）

基于当前自由空间可见光通信应用研究热点，开发了一套结构开放的实验教学平台。该平台实现了模拟语音信号实时无失真传输、模拟视频信号实时传输及数字信号传输。平台的开放性使学生能够在可见光通信系统的调制方式、链路模型、通信性能、应用场景等方面进行研究和创新性开发，从而为综合型、研究型、探索型多层次教学提供有力支撑。

可见光通信；LED实验教学；开放性

自由空间的可见光通信（visible light communication，VLC）是当前通信和光学领域的研究热点，更是短距离无线接入的发展趋势。与目前广泛应用的无线保真(Wi-Fi)、蓝牙、近场通信（NFC）等传统射频技术相比，可见光通信有如下优势：（1）泛在性。其所使用的LED光源已广泛应用于各种生活场景，无须另外安装通信基础设施，更易实现任何时候、任何地点的通信。（2）无频谱使用限制。VLC所用的可见光波段无须使用许可申请。（3）抗电磁干扰：光波的传输不会对其他电子设备造成电磁干扰，可用于医院、飞机、加油站和矿井等特殊场景[1]。（4）安全保密性。可见光在传输过程中衰减快，不能穿透墙壁等固体，很难被截获，适用于保密通信[1]。目前这方面的研究主要集中于单向高速可见光通信，近年来有大量的相关文献报道[2-8]。

基于LED照明光源的光通信技术是从通信和光电两个专业交叉点发展起来的一项前沿新技术，具有很强的创新性，应用潜力深厚（如室内定位、物联网数据传输等），应用场景广阔（如博物馆、地下矿井、大型商场等），将对人类未来的生活和生产模式产生重大积极影响。笔者将这项技术引入实验教学，建成一套具有开放性的自由空间可见光通信教学实验平台。

1 原理介绍

自由空间光通信的基本模型如图1所示[9]，数字调制和相应的解调部分与射频通信类似，不同的是射频通信使用天线收发信号，可见光通信使用LED发射信号。可见光通信一般采用强度调制和直接检测方式（IM/DD）[1]，即LED发射光功率随传输信号变化，接收端使用光电探测器件，如光电二极管（PD）、雪崩二极管（APD）等检测信号，接收强弱变化的光强并转化成电流信号。

图1 可见光通信系统模型

2 系统结构

自由空间可见光通信技术是一种以可见光为载体、在空气中直接传输的通信方式，其基本原理是利用光的明暗来编码信息光源。为了让学生更好地掌握可见光通信系统的工作原理和各项工作参数对系统性能的影响，设计搭建了一个结构完全分立的可见光通信系统，系统原理图如图2所示。

图2 可见光通信实验平台原理图

2.1 光源

系统光源采用日常照明用的白光LED，其相较于传统照明光源除了光效高、耗能低、寿命长、价格低廉等优势外，还具有无可比拟的调制带宽，即具有良好的光通信能力[10-12]。这是可见光通信技术得以迅猛发展的基础。

要正确高效地利用LED，必须先掌握它的工作特性。为此，首先对所购普通家庭照明用白光LED光源进行与系统工作相关的性能测试。

2.1.1 光谱特性

发光光谱是指光强随波长变化的分布曲线，LED的发射光谱由半导体材料种类及发光中心结构决定。实验用白光LED为蓝光芯片加黄绿光荧光粉，使用350 mA的恒定电流驱动。

2.1.2 伏安特性测试

由于LED内阻较小，采取电流表外接法测量LED的伏安特性曲线，即用2个万用表同时测量LED两端电压和流经电流，得到曲线如图3所示。

2.1.3 光功率特性

LED的光功率-电流曲线（P-I曲线）可用来描述LED的调制能力。测试时光源距离光功率计约13 cm，光路中间不插入透镜，实验过程中保持光源和光功率计的相对位置不变，测得P-I曲线如图4所示。利用P-I曲线可以为光源选取合适的直流工作点，进而使调制深度最大。

图3 实验用LED光源的伏安特性曲线

图4 实验用LED光源的P-I曲线

设I0为偏置电流，ΔI为峰值电流与偏置电流的差，则LED的调制深度m定义为ΔI/I0。光调制度越高，接收端就越容易进行解调。为保证相同的传输效果下接收端所需的光功率最小，需选取合适的直流 偏置工作点，以保证光调制度最高。但是如果只追求高调制度则会导致调制带宽的降低，因此二者需要平衡。实验中LED光源的直流工作点最终选在300 mA 左右。

2.1.4 频率响应

实验所用LED光源为蓝光芯片加荧光粉结构，而荧光粉的响应速度较慢，限制了LED的调制带宽。从LED灯的频响曲线图5可以看到，高频信号明显衰减。但由于滤光片对光的衰减较大，本文后续实验中并没有采取这一方案。

图5 实验用白光LED频响曲线

2.2 驱动电路

实验平台采用模拟调制和数字调制2种方式进行信号传输。模拟调制的LED驱动电路按照负载连接方式分为并联、串联和串并混联型，或按照驱动方式则分为电压驱动型和电流驱动型。

由于LED是一种重掺杂的PN结二极管，当电压超过一定阈值时，才有较大电流通过，但是随着通过电流的增大，其电阻变小，所以LED的驱动电路需要维持稳定的驱动电流来保证LED的直流工作点。本文采用的驱动电路如图6，其发射端的电路由交流放大电路（放大器芯片OPA2614）和直流偏置电路组成，由交直流两部分电路并联驱动LED。

数字传输的驱动采用OOK调制，LED的OOK调制主要利用人眼无法辨别的LED高速点灭，在不影响正常照明的同时传输数字信号。OOK形式的驱动电路采取三极管开关电路，当输入电压超过三极管启动电压时进入导通区，输出12 V驱动电压加在LED两端，LED点亮；当输入电压低于三极管启动电压时进入截止区，输出电压为0，LED熄灭。系统所用OOK调制驱动电路的频响曲线如图7所示。

图6 LED模拟调制方式的LED驱动电路

图7 OOK调制驱动电路的频响曲线

2.3 光探测器

光电探测器是一种利用光电效应把光信号转换成电信号的器件，在可见光波段比较常见的是InGaN探测器和硅基PIN光电探测器。光探测器的灵敏度、响应速度和附加噪声都是在进行系统设计时需要考虑的参数。平台最终采用了美国Thorlab公司生产的PDA36A-EC硅基光电探测器，该探测器带有增益可调的前置放大电路，其核心是一个反向偏压的PIN光电二极管，后端配合一个增益可调的跨阻放大器。放大电路使用互阻抗放大器形式，增益和带宽将会相互影响，不能同时保证，其相互关系如表1所示。

表1 PDA36A-EC增益带宽表

3 系统实验

3.1 模拟信号传输

3.1.1 模拟语音信号传输

项目实验采用未加数字化的纯模拟音频信号作为系统输入，得到的输入输出波形见图8（下方为输出波形，上方为输入波形），传输效果良好。将输出接入音响，在人耳可辨别范围内，可以实现高保真。

图8 LED强度调制下音频传输的输入输出信号波形

3.1.2 模拟视频信号传输

由于模拟的视频信号频谱非常宽，而项目传输系统的带宽有限，这既有发射端荧光粉型LED自身频率响应限制因素，又有接收端跨阻放大器的带宽限制因素。因此，传输中视频信号的高频信息会丢失，这可由输入输出波形对比看出（见图9，下方为输出波形，上方为输入波形）。

实时传输的图像效果如图10所示。由于彩色信息处于传输波形的高频段，所以不能被接收端有效接收，从而变成了灰白图像，但是基本的亮度深浅和部分细节得以保留，使在人眼可辨别的范围内，能够分辨实时传输的视频图像。

图9 视频传输输入输出信号对比

图10 模拟视频信号传输系统和图像显示效果

3.2 数字化图像信号传输

系统采用串口输出的摄像头信号作为系统的输入，摄像头的图像传感器为CMOS型，规格为1/4 inch。它对每帧图像使用JPEG压缩编码后进行传输，通信方式为RS232。系统所用单片机为Arduino UNO R3，传输的视频信号分辨率为320×240，采用JPEG压缩格式，串口码率为38 400，解码后可以恢复传输图像。数字化视频信号传输系统框图见图11。

图11 数字化视频信号传输系统框图

4 实验教学应用

众多研究成果显示，当前的教学模式必须进行由以教师“教”为中心向以学生“学”为中心的转变，尤其对于实验教学，开设可以激发学生分析、综合、判断、应用等高阶认知能力的挑战性学习内容，对于教学质量的提升至关重要。

为了践行这一教学理念，以应用前沿研究为技术背景，开发了由独立器件有机组合而成的综合性实验平台。学生利用该平台可以从基础的LED光源、光探测器等光电器件特性研究入手，到光通信链路的分析和设计，再到通信性能探索及应用场景和交叉应用创新，进行由浅入深、由分立到综合的多层次研究性 学习。

基于该平台开设的开放型实验“自由空间可见光通信实验”，已在我校2016、2017年秋季学期的电子系限选课“光电子技术实验”和2017年春季学期的全校任选课“激光与光电子技术实验”上开设。

[1] KOMINE T. Visible light wireless communications and its fundamental study[J]. Toteyo 2005.

[2] LE M H, O'BRIEN D, FAULKNER G, et al. High-speed visible light communications using multiple-resonant equalization[J]. Photonics Technology Letters, IEEE 2008, 20(14): 1243–1245.

[3] HOA L M, O'BRIEN D, FAULKNER G, et al. 100-Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J]. Photonics Technology Letters, IEEE 2009, 21(15): 1063–1065.

[4] COSSU G, KHALID A, CHOUDHURY P, et al. 3.4 Gbit/s visible optical wireless transmission based on RGB LED[J]. Optics Express 2012, 20(26): 501.

[5] WANG Y, HUANG X, WANG Y et al. Demonstration of 3.75-Gb/s visible light communication adopting single carrier frequency domain equalization using a single RGB LED[C]//Asia Communications and Photonics Conference, Optical Society of America, 2013: AF2E. 4.

[6] VUCIC J, FERNANDEZ L, KOTTKE C, et al. Implementation of a real-time DMT-based 100 Mbit/s visible-light link[C]//2010 36th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC). 2010:19–23.

[7] TSONEV D, CHUN H, RAJBHANDARI S, et al. A 3-Gb/s Single-LED OFDM-based wireless vlc link using a gallium nitride μLED[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(7): 637–640.

[8] WANG Y, LI R, WANG Y, et al. 3.25-Gbps visible light communication system based on single carrier frequency domain equalization utilizing an RGB LED[C]//Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2014:Th1F.

[9] 沈年凤. 长距离双向可见光通信技术与实现[D]. 北京：清华大学，2014.

[10] KOMINE T, NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 2004, 50(1): 100–107.

[11] 李慧宇，陈雄斌，李洪磊，等.高速VLC系统中LED直流偏置对系统误码率的影响[J].半导体光电，2016, 37(4): 528–531.

[12] ELGALA H, MESLEH R, HAAS H. Indoor optical wireless communication: Potential and state-of-the-art[J]. Communications Magazine IEEE, 2011, 49(9): 56–62.

Construction of laboratory teaching platform for visible light communication in free space

LÜ Hui, MA Xiaohong, MA Yuzhe, ZHAO Huafeng

(Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China)

Based on the current research hotspot of visible light communication in free space, an open experimental teaching platform is developed. This platform realizes the real-time undistorted transmission of analog speech signal, real-time transmission of analog video signal and digital signal transmission. The openness of the platform enables students to carry out research and innovative development in the aspects of modulation mode, link model, communication performance and application scenario of visible light communication system so as to provide strong support for comprehensive, research-oriented and exploratory multi-level teaching.

visible light communication; LED experimental teaching; openness

G642.423

A

1002-4956(2019)11-0177-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.043

2019-03-08

清华大学实验室创新基金（02305）

吕晖（1983—），女，天津，工学硕士，工程师，主要从事光电实验教学及教学研究工作。E-mail: lvhui@tsinghua.edu.cn