双向交互式可见光通信系统的设计

摘 要：本文提出一种双向交互式可见光通信系统，此系统研究可见光识别信号（VLID）的编解码技术，以使系统中的信号满足基本通信需求；同时研究自由空间的抗干扰技术，解决可见光信号传输范围中重合干扰问题。

关键词：可见光通信；双向交互式；可见光识别信号

中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）12-0054-03

Design of the Bidirectional Interactive Visible Light Communication System

QIAO Qi

（Huaian Vocational College of Information Technology，Huaian 223003，China）

Abstract：This paper presents a bidirectional interactive visible light communication system. Research on codec technology of VLID，make the signal in the system meet the basic communication needs.At the same time，research on anti-interference technology in free space. The problem of overlapping interference in the range of visible light signal transmission is solved.

Keywords：visible light communication；bidirectional interaction；visible light ID

0 引 言

可见光通信技术是近年来飞速发展的一种新型的无线通信方式，是利用可见光作为信息的载体，直接传输信号的一种通信方式。其通常使用白LED灯作为信号的发送器件，给白LED灯装上微芯片，可以控制它以每秒数百万次的频率进行闪烁，LED灯亮就表示1，LED灯灭表示0。由于闪烁频率很快，人眼根本不会觉察到，但是光敏传感器却可以接收到这样的变化，将二进制数据快速地编码成通信信号，并进行有效传输。本文研究可见光通信系统中VLID编解码、信号重合干扰等，以实现在移动场景中的双向交互式通信。

1 可见光通信系统编解码技术

可见光通信系统中的白LED灯通常作为照明光源来使用，但要将其作为信号的发送器件，就需要系统采用适合的编解码技术，将灯光信号组成一定规律的编码序列。此外，接收端在接收到信号时还需要进行校验，如果发现错误则将收到的信号丢弃，不再进行下一步处理。

无线可见光通信系统中的每一个可见光发送端都要有独特的可见光标识，从而区分系统中的各个光源，尤其是相邻近的光源，这就需要研究可见光识别信号（VLID）编码算法。本文提出采用曼彻斯特编码方式，此种编码方式简单有效，可以满足可见光通信系统中信号通信的需求。

1.1 帧封装及编解码设计

本系统所采用的VLID编码器原理如图1所示。

采用二进制振幅键控方式进行调制信号，当脉冲值为1时，将LED灯点亮，当脉冲值为0时，将LED灯熄灭。发送数据帧时，插入数字1作为信号脉冲的起始位，之后发送数据帧。

在VLID广播设备中，脉冲信号的幅值用8比特二进制数值来表示，经过光发射器转换后，可以控制可见光信号的强度。

1.2 信号接收端的信号接收

为了避免信号在传输过程受到干扰，必须对信号进行处理，转为串行数字信号发送给FPGA。本文设计的光接收器，将信号进行隔直、运算放大之后得到的是反向脉冲信号，即脉冲信号值为0时表示光亮，脉冲信号值为1时表示光灭。

可见光通信系统对光接收器的抗干扰性能要求较高，如果在信号传输过程中存在大量噪声干扰，而光接收器不能有效滤除噪声，将会使得系统一直处于异常采样的错误状态。VLID解码器的原理框图如图2所示。

可见光通信系统的VLID解码器安装在移动终端上，用来识别接收的VLID信号，同时要完成信号的解码。判决器的输出接口连接至解码器的输入端，对经过两次数据采样后的信号进行曼彻斯特解码，再进行VLID信号的校验操作，将收到的错误信号丢弃，直到获取正确的VLID信号。

2 可见光通信系统抗干扰技术

LED的光照示意图如图3所示。Ф1/2为LED的半功率角，α为LED光线到某一反射点的光照角，β为反射光线到接收终端的光照角，Ψr为光线的入射角，D1为LED到反射点之间的距离，D2为反射点到接收终端的距离。

可见光通信系统中的LED首先要满足照明功能，LED的半功率角是确定光照覆盖区域的重要参数。为了使光照覆盖区域最大化，要求半功率角应该保持较大的角度。为了满足通信的基本要求，需要合理设置接收终端的视场角Ψc，该角度是从LED到接收终端可接收的光信号角度。对视场角的设置有视场角大于等于半功率角和视场角小于半功率角两种情况。本文仅研究Ψc≤Ф1/2的情况，此时接收器能够接收到信号的区域要小于LED光照覆盖区域范围。可见光通信系统中一般需要多个LED，用来满足照明需求，每一个LED发出的可见光识别信号（VLID）各不相同，那么相邻LED发出的信号会发生传输范围重叠的问题，如图4所示，那么重叠区域里的终端设备就会收到两个VLID信号，此时进行识别就比较困难。

我们有两种方法可以解决這样的问题：

（1）第一种方法是合理设置系统中设备的信号强度，如图5所示，设置可见光信号强度大小，灵活地改变可见光信号传输的有效范围，这样就可以解决相邻的LED发出的信号交叠的问题。

（2）第二种方法是在终端收到可见光识别信号时，加入校验机制，例如终端在一定的时间内必须接收到同一个VLID信号，否则认为是收到了错误信号，此时终端还需要反馈信息，告知系统此时出现了信号重叠。

3 双向交互式通信

目前大多数的可见光通信系统中信号传播方式是LED以广播的方式来进行的，这样的系统设计时比较简单，只有单一的下行通信链路。但是当需要维护系统中VLID信号数据时，只能通过外部接口进行操作，而LED通常安装在天花板上，这样就使得系统的管理和维护很不方便。本文提出建立可见光信号的上行通道链路，从而实现双向交互式通信，通过设置系统管理指令，使可见光通信系统具有LED灯光亮度调节、VLID信号管理及系统重置复位等功能，这样大大提高了可见光通信系统的可维护性和可扩展性。

双向交互式可见光通信系统主要设计可见光光源控制部分，接收终端以及管理设备，研发的技术路线如图6所示。

在上行通道链路中，完成管理设备与可见光光源控制部分之间的通信，当需要修改系统中某个配置参数时，管理设备将设置好的系统管理指令封装成数据帧形式，发送至可见光光源控制部分，完成相关参数的修改。为了便于设计和实现，系统中只有管理设备可以发送上行信号，其他的终端设备只能接受单向的下行信号。

4 可见光通信系统与无线传输系统的比较

现有的无线传输系统多采用GPS、蓝牙以及红外线等方式传输信号，与现有的系统相比，有以下两个方面的优势：

第一方面，可见光通信系统安全环保，因为在可见光通信系统中多采用白LED，白LED发出的光源对人体无害，而且在可见光信号传输过程也不会产生电磁干扰。

第二方面，可见光通信系统相对来说比较节约资源，可见光通信系统可以同时完成照明和通信两大功能，无须另外铺设线路，只需要对原有的LED进行改造，并利用原有照明线路给系统进行供电，就可以实现照明和通信两个功能。

5 结 论

本文提出一种双向交互式可见光通信系统，研究可见光识别信号（VLID）的编解码技术，将可见光信号组成一定规律的编码序列进行信号传输；同时研究自由空间的抗干扰技术，解决可见光信号传输范围重叠时相邻信号的干扰问题。下一步我们将着重研究在移动场景中，如何实现较高的链路质量和连接性能，并完成在移动场景中的链路切换。

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作者简介：乔琪（1983-），男，江苏淮安人，硕士，讲师。研究方向：光通信系统、智能信号与图像处理。