摘 要： LED照明与可见光通信技术相结合，构建出基于LED的可见光无线通信系统。本文介绍了白光LED的光源特性，分析了均衡技术可以克服LED较低调制带宽和提高信噪比的特性。详细介绍了不同调制体制的高速可见光无线通信系统，并比较了它们的优缺点，最后介绍了高速可见光通信系统的组网，通过对通信链路和系统信道模型进行分析讨论，指出了照明设计和接收机设计时应考虑的因素。

　　关键词： 高速可见光通信系统；LED光源；均衡技术；调制体制；组网

0 引言

　　基于LED的可见光通信(Visible Light Communication，VLC)作为一种照明和光通信结合的新型模式推动了一种拓宽频谱资源、绿色节能、可移动的接入方式的发展和技术进步，给传统接入网技术带来了巨大的考验。

　　LED可见光无线通信分室外通信和室内通信两大类。室内LED可见光无线通信技术主要利用室内LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。室外LED可见光无线通信技术目前主要应用在智能交通系统(ITS)中，出现了LED交通灯与汽车前后LED灯之间构成的交通灯至汽车和汽车前灯至汽车尾灯这两类可见光通信系统[1]。

　　可见光无线通信系统开启了VLC宽带接入网物理层的基础问题的初步研究。通过关键技术研究和建立高速光通信系统掌握了可见光通信的信道特性、链路设计、发射驱动电路技术组网技术等一系列理论及工程实践技术。当今，可见光通信技术的研究在短短十几年间得到了迅猛的发展。从几十兆比特每秒到500 Mb/s再到吉比特每秒传输速率不断提升，从低阶调制到高阶调制，从离线到实时，从点对点到MIMO，技术发展一日千里[2]。

1 LED光源特性及均衡技术

　　可见光通信利用白光LED（WLED）作为信源 。连续光谱的白光不可能从单一的LED芯片获得，白光LED的实现途径大致分为两种[3]：一种是利用荧光粉吸收LED芯片发出的较短波长的光（如蓝光、紫外光），激发出较长波长的光（红、蓝、绿、黄光），吸收光谱与激发光谱有重叠部分。通过多色光的混合得到白光。另一种是利用三基色原理，将发射红、绿、蓝光的LED芯片集成封装在一起按比例混合得到白光。这种方法需要一定的电子电路来控制这些光色的混合比例而得到白光。

　　当要通过增加调制速率来实现高速通信时，由于LED 的响应特性等决定了可见光通信系统的调制带宽，直接关系到数据传输速率的大小，导致可见光通信系统将难以实现这种高速通信。LED光源中较低的调制带宽问题，在基于LED的光无线通信系统中是影响系统性能优化的主要因素。但均衡技术可以有效地扩展带宽，通过在发送和接收设备中采用均衡技术，并在接收端窄带滤光，可以提高调制速度。

　　均衡分为发射端预均衡和接收端后均衡 ，从实现方式又可以分为模拟均衡和数字均衡 。模拟预均衡有两种方式，见图1(a)。一种是使用电感与LED串联的方式，降低LED 的容抗；另一种是使用电阻、电容并联的方式降低低频信号通过比例，提高高频信号通过比例。模拟预均衡结构简单，但参数随器件变化。数字预均衡利用信号处理方式可以自动调整发射波形，如图1(b)。预均衡前后频谱和误比特率对比如图2。

　　接收端蓝光响应的幅频特性可以用一阶函数近似，模拟均衡可以采用简单的一阶RC电路，如图3(a)，均衡前后信道幅频响应如图3(b)，均衡前信道3 dB带宽约为15 MHz，均衡后提高到约80 MHz。

　　实验证明，借助均衡技术可提高LED的调制带宽，相应地，系统的误码率特性也得到了改善。沿着这一研究思路，适度增加均衡方案的复杂性，可以使系统的性能得到进一步的优化[4]。

2 高速可见光通信系统

　　由于可见光LED是非相干光源，只能采用直接调制技术。在无线光通信中，普遍采用强度调制/直接检测(IM/DD)系统。通过研究适合可见光通信的调制编码方式和各种信号处理技术，充分利用可见光通信的光谱资源，实现逼近容量的高速可靠传输。

　　2.1 OOK可见光通信系统

　　传统的调制方式是适合LED器件非线性特点的调制方式，如开关键控(OOK)等，见图4。这一类调制方式的特点是可以通过非线性开关器件实现，功率效率高，电路设计简单，不需要考虑器件的非线性。但缺点也很明显，即调制速率较低，不能充分利用信道容量，无法根据信道条件进行自适应，此外还受信道多径延迟的影响。为充分利用可见光频谱资源，需要在收发两端做均衡处理，这又带来较高的复杂度。

　　2.2 OFDM高速可见光通信系统

　　另一种研究较多的调制方式是多载波调制，即基于强度调制的OFDM，它把OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通过对称变换把多载波信号变换到实数域。OFDM技术在频谱利用率和克服多径干扰上性能很好。

　　多载波调制是一种线性调制，它的优势是可以把可用频谱资源分成多个窄带子载波，每个子载波都可以根据其信道条件单独调制，这样可以充分利用整个频段的资源实现高速调制。此外，多载波调制系统还可以很容易地根据信道条件的变化实现自适应调制。因此多载波调制技术结合相应的预处理和均衡技术目前广泛地应用于各种宽带通信系统中。如图5[4]。

　　然而在可见光通信系统中，应用OFDM调制还需要克服许多困难。比如OFDM调制多载波调制技术的劣势在于它的发射需要保持严格的线性，幅度不断变化的OFDM信号工作在大信号幅度时可能会驱动功放进入非线性区产生失真。这会极大地降低功率效率。

　　2.3 WDM高速可见光通信系统

　　要使系统容量进一步得到提升还需要采用波分复用技术（WDM），结合OFDM和均衡技术[2]，包括全光波分提取技术、自适应接收技术等。

　　一种WDM方案是利用三基色LED器件实现三通道的传输，数据速率可以容易实现三倍提升。在发射端信号调制在不同基色的LED上，通过控制施加在各个LED芯片上的电流，能够随意调出所需要的颜色，且色调、色温调整灵活，色域较宽。每个信道又采用正交频分复用技术OFDM，结合数字均衡技术实现最大容量。在接收端则通过选择不同的滤镜和PIN管可以实现整个光谱的波分信号提取。前端光学滤镜和光电PIN管的感光特性组成对光信号的滤波，去除各种光噪声，提取出有效的光信号转换成电信号再进行后续处理和解调，从而实现类似光纤通信中的波分效果。见图6。

　　这种传输方式需要解决的问题是“多路调制混合白化”问题——也即使得各路调制信号叠加之后，光的强度不要出现太大的波动，并且需要接近白光，以便起到照明的作用[5]。但不同LED芯片发光时的温度特性、电流特性皆不一致，随时间的衰减速度也不一致，易造成白光颜色的漂移，需增加光色反馈、热老化等控制系统，进一步增加了成本，系统的可维护性也下降。

　　2.4 MIMO高速可见光通信系统

　　光通信的空间区分度更好，光的波长很短，因此可以实现更多的MIMO传输通道。理论上通过这种多维信道的传输方式可以提高信息传输速率大约几十倍甚至上百倍。然而在实际中，由于器件的限制，能够实现多高的速率还需要进行进一步的研究。目前实现多通道传输的研究还处于起步阶段，已经有文献提出了利用成像透镜实现MIMO传输的方案，此方案在发射端采用多个发射阵列，光信号通过一个成像透镜分别到达接收端的多个PIN管。接收端需设计光学成像系统，将不同阵列发射的光线汇聚到不同的PD上，从而把多通道的光信号完全分开，互不干扰。这种MIMO传输方式通过光学成像系统把不同光源的光线分开在收发两端直射并且非移动状态下可以实现很好的多通道传输。然而目前这种方案还只停留在理论研究上，在实际应用中还有许多困难。比如它无法实现移动状态下的多通道接收，同时它的通道数受限于光学成像系统，当收发两端的位置和角度有偏差时无法聚焦成像，因此这种方案还需要进一步研究完善。但将会成为未来高速可见光通信的技术发展趋势[2]。

3 高速可见光通信系统组网

　　可见光通信系统组网网络拓扑的一种典型设计如图7所示。网关采用全双工协议与终端用户进行无线传输，远程互联网通过以太网，使用网关的IP地址与各个终端用户进行信息交换[6]。网关是可见光通信网络中的核心组成部分。网关通过LED路由中光电接收器接收来自终端用户的信息，同时分时段地将送给终端用户的信息通过LED路由中白光LED光源以TCP/IP方式及漫散射的方式发送出去[7]。终端用户包括了前向链路的白光LED光源和反向链路的光电接收器，集合了发射和接收功能，负责将终端用户的信息调制成光信号并接收来自反向链路的光信号[5]。在终端用户，只有在地址码相匹配的情况下，终端用户才可以解调出发送的信息。之后再经过相应的解调处理，恢复出发送的信息。

　　其中光链路的建立均采用方向性的直射链路(LOS-Light-of-Sight)和漫射链路。目前，关于可见光通信的信道测量和建模大多借用红外通信的研究结果，基于射线跟踪法的室内信道传播模型已经较为成熟。研究指出，直射光、第一次反射光、第二次反射光与总的接收光的比率分别为95.16%、3.57%、1.27%。这表明,在可见光组网中通信的性能主要受直射光的影响[8]。但对背景光、散射等未作分析。因此建立恰当的传输模型将有助于对系统展开深入的研究[1]。

　　在LED可见光通信系统中存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰,同时随着传输距离的加大，接收机接收到的信号十分微弱，常常会导致接收端信噪比小于1。为了精确地接收信号，需要选择灵敏度高、响应速度快、噪声小的新型光电探测器；对所接收的信号进行前置处理,需采用高效的光滤波器，以抑制背景杂散光的干扰，对信号进行整形和去噪声[9]。此外采用自适应接收技术通过检测光信号的变化特征自适应调整接收端的视角广度和方向以及滤波器带宽优化接收端的信噪比。

　　要获得更高的传输速率，必须重视码间干扰（ISI）的问题。对光无线通信来讲，多径传播是引入码间干扰的主要原因。在VLC系统中，采用光OFDM方式可以降低ISI的影响[10]。当数据传输速率大于100 Mb/s时,OFDM调制技术优于OOK_RZ调制技术，当数据传输速率在100 Mb/s以下时，这两种调制技术都是可行的[1]。另外，在移动环境中进行高速通信还需要解决双工多址、覆盖、切换等几大问题。

4 总结与展望

　　由于LED工业的迅猛发展，基于LED照明设备的可见光通信技术现在正处于即将产业化的大好时机。我国的科研院所和企业实体应该在改善和增强可见光通信的各项性能指标上实现技术突破，未来工作的重点和突破在于[11]：⑴白光LED光源的带宽拓展技术；⑵反向链路的实现技术，真正实现全双工通信；⑶电力线通信与VLC的融合技术；⑷VLC技术在城市车辆的移动导航及定位上的应用。积极跟进和参与目前正在如火如荼进行的国际标准化工作，从而推动该技术产业的快速发展。

参考文献

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　　[2] 迟楠. LED可见光通信技术[M]. 北京：清华大学出版社，2013.

　　[3] 张锦华，朱大庆，王加贤.三芯片高显色指数白光LED的研究[J].半导体光电，2012,33(5)：667-671.

　　[4] 丁举鹏，黄治同.光无线通信研究方向几技术优化初析[J].数字通信世界，2009(8)：66-68.

　　[5] 骆宏图，陈长缨，傅倩，等.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011(2)：56-59.

　　[6] 扬宇，刘博，张建昆，等.一种基于大功率LED照明灯的可见光通信系统[J].光电子?激光，2011,22(6)：803-807.

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　　[8] 刘宏展，吕晓旭，王发强，等.白光LED照明的可见光通信的现状及发展[J].光通信技术，2009(7)：53-56.

　　[9] 臧景峰，朴燕，宋正勋，等.基于白光LED照明光源的室内VLC系统[J].发光学报，2009,30(6)：877-881.

　　[10] 丁德强，柯熙政.可见光通信及其关键技术研究[J].半导体光电，2006,27(2)：114-117.

　　[11] 徐春.基于LED室内光无线通信光源设计的比较及优化[J].计算机应用，2012,32(3)：819-822.