1、 计算机测量与控制 （） 算法 、设计与应用 收稿日期 ：；修回日期 ：。基金项目 ：上海市科委科研计划项目 （）。作者简介 ：袁卫文 （），男 ，高工 ，博士 ，主要从事测控通信总体技术方向的研究 。文章编号 ：（） 中图分类号： 文献标识码：基于的室内无线视频语音通信系统的设计和实现袁卫文 ，蒯震华 ，吕振彬（上海航天测控通信研究所 ，上海）摘要 ：根据半导体照明与可见光通信 （）相融合的无线接入方式 ，提出了一种新型室内无线视频语音通信系统 ；可见光通信提供了从室内接入点到室内终端之间的无线互联 ，该接入点由照明光源组成 ，室内终端由用户终端组成 ；在需要安装 系统的地方对照明系统进行合
2、适的改造，在照明光源和用户终端之间搭建了一个采用编解码 调制方式的最简 系统；介绍了全双工的实现技术及 的组网方案等 ，讨论了室内可见光通信中提高系统整体性能的若干关键技术 ，并通过试验验证了该系统的可行性 。关键词 ：可见光通信技术 ；室内无线视频语音通信 ；全双工 ； ， ，（ ， ，）： （） （） ， ， ， ： ； ； 引言可见光通信 （， ）是随着技术的兴起而产生的一种极具发展潜力的无线光通信技术 。这种技术基于以 为光源的照明系统 ，将信息加载到照明光上 ，在提供照明的同时可传输数据 。与射频通信相比 ，技术具有一些特殊的优势，如带宽更宽 ，不与射频信号相互干扰等 。同时 ，其非
3、穿透性不仅具有很好的空间复用性 ，极大地拓展了网络的覆盖面 ，又为通信的安全性提供了有力保障 。它不对人眼造成损害 ，一般无需限制其发射功率 。从 照明系统中获得无线通信能力的可能性已经从试验得到证明 ，并首次实现了超 的通信速率。技术正获得越来越多的关注和应用 。现阶段主要应用是设计基于白光 的室内可见光无线通信系统和网络以及室外智能交通系统 ，用以探讨整个通信系统的性能 。目前虽然整体系统已有实现 ，但系统的整体设计分析和应用还不完善。本文提出了一种基于可见光通信技术的新型室内无线视频语音通信系统 。本文介绍了相关的系统架构 ，全双工的实现技术及 的组网方案等 ，并对室内可见光通信中提高系
4、统整体性能的若干关键技术进行了讨论 。试验验证了系统的可行性 。为改善白光 通信系统性能提供进一步努力的依据 。 系统构架及组网方案基于 室内光无线通信具体承担的是从室内接入点到室内终端之间的无线互联 ，如图 所示 。该接入点即由 照明光源组成 。在需要安装 通信系统地方对 照明系统进行合适的改造 ，使每个照明光源具有收发功能 。每个照明光源下行采用基于 阵列的发射机 ，上行采用基于光电二极管的接收机 ，还包括与以太网连接的接口 ，与所述接口连接的以太网控制器 ，运行有 应用层程序 。室内终端即由用户终端组成 ，用户终端也具有收发功能 。每个用户端上行采用基于 阵列的发射机 ，下行采用基于光电
5、二极管的接收机 ，还包括与以太网连接的接口 ，与所述接口连接的以太网 控 制 器 ，运 行 有 应 用 层 程 序 。如 图 所示 。在该可见光通信系统室内场景中 ，照明光源的高度为，用户端被置于距地面高的平面上。照明光源和用户端可实现全双工通信 。每个照明光源中的发射机和在其覆盖区第 期 袁卫文 ，等 ：基于 的室内无线视频语音通信系统的设计和实现 图 基 于 协议的室内无线视频语音通信系统图 照 明光源 用户端架构图 下行通信链路可见光通信原理示意图域 内的用户端光收发器中的接收机组成下行通信链路 ，每个照明光源中的接收机和在其覆盖区域内的用户端光收发器中的发射机组成上行通信链路 。每个照
6、明光源和在其覆盖区域内的用户端光收发器能够在通信链路上双向发送数据帧从而实现全双工通信 。图 所示下行通信链路的工作过程的流程图 ，上行通信链路的工作过程的流程图反之亦然 。照明光源和用户端之间搭建了一个采用 编 解码 调制方式的最简 通 信系统 。因为 光 源发出的是非相干光 ，无法提供稳定的载波 ，所以目前 链 路主要采用光强调制 （）和 直接检测 （）的 方法 。由于以照明光为载体的通信系统通常可以同时接收到混合在一起的直射信号和漫发射信号 ，所以该系统可认为是工作于复合传输模式。在考虑减少系统的复杂度的基础上 ，通信链路选择 直射式数据连接 。并且假设用户由于在照明光源覆盖的区域内运动
7、而改变了它的位置时 ，将出现物理的移动性 ，不需要切换。每个照明光源通过以太网接口连接至路由器形成以太网子网，一 台具有公网的服务器通过路由 器连接到该以太网子网 ，并为之分配相应的子网 。每个照明光源通过读 写来自 去向内或外部网络的数据帧以及对网络的配置和管理 ，实现局域网多址接入方式 ，同时使得不同用户间的通信可以高效完成 。基于该 系 统 ，用户端计算机通过 协 议具有上传视频图像和语音的功能 ，并可通过 协 议下载其他用户上传的视频和语音 。与传统的广播式室内可见光通信 网 络相比 ，网络的吞吐量大幅提高 。系统典型参数设计值如下 ：）波长 （蓝光 ）：；）调 制速率为的 通信速率；
8、）调制方式 ：；）照 明光源阵 列发射功率：；）照明光源可见光发射机出射角 ：；）用 户端阵 列发射功率：；）用 户端光照 ：；）调 制深度：；）通 信距离 ：；）误 码率 ：。 系 统关键技术针 对室内无线视频语音通信系统 ，本节对均衡技术拓展调制带宽 、空间光强分布 、信号的调制深度等几个方面对系统性能误码率的影响分别进行讨论 。 均衡技术拓展调制带宽借助均衡技术 可提高 的 调制带宽 ，相应地 ，系统的误码率特性也得到了改善。在 使用作为光源的可见光通 信系统中 ，使用蓝光 发 光激发表面的荧光物质 ，产生黄光从而获得肉眼所需的白光 光 谱 。同时在蓝光波段 ，背景光对系统产生的影响也相
9、对较小 目前由蓝光激发磷光体发射白光的 其 有效调制带宽才 ，通 过在接收设备中采用模拟均衡技术 ，并在接收端窄带滤光 ，可以提高调制速度 。图 所示为均衡后 距 离 调 制发送接收波形 。图 均 衡后 距 离 调制发送接收波形 空 间光强分布在室内 系 统中 ，光源的布局是影响系统性能的一个关键因素 。当使用多个 灯 或 阵 列 ，可以降低在光照度方面 “阴影 ”效应 ，同时接收功率大大增加 ，但多个不同的计算机测量与控制第 卷光 路径会使得 越 严重 ，因此 ，在达到室内照明标准的同时也要考虑 的 影响 ，通过两方面的合理布局为整个室内范围提供高质量的 无线信号覆盖均匀性及均匀光照率。室内
10、光源一般有效照射范围不大 ，直射光起主导作用 ，且可 通过 的 合理布局减小光程差的影响 ，只有在高通信速率时 才会对系统造成严重影响 ，通常通信速率在 以 下时 ，对 的 影响不大 。另外 ，对于不同信号在光照交叉区域中出现相互干扰的问题 ，可通过改变 的 调制深度 ，使得 输出的交叉信号幅 值小于终端的判决器上的有效光强阈值而被认为无效信号来解决。 调 制深度用于视频和语音信源码流传输的白光 高 速调制驱动电路设计方案如图 所示 。驱动电路必须首先满足照明 ，也就是不能感觉有明显的闪烁 ，当采用交流市电供电 ，必须先进行和 两 步转换，模块作为驱动电源，为提 供工作电流，构成恒流源驱动电路
11、 ，实现恒定电流输出 。如果 采 用并联的方式 ，功率场效应管需要控制的电流大大增加 ，会消耗大量无用功率 。将白光 进 行串联 ，可以降低无效功耗 ，但可靠性降低 。因此 ，采用串并共用既降低无效功耗 ，又可增加可靠性 。其次要在此基础上加载电信号 。因此该电路设计的思想是在直流电流上加载交流信号 。图 白 光 驱 动硬件框图图 调制深度示意图在 系 统中 ，交流信号与直流电流之比为调制深度 。调制深度主要影响 交 流信号大小 ，如图 所示 ，在流经的 正向电流值 一 定时，增大调制信号最小振幅值，将减小交流信号的 幅值 ，但会略微增加 的 照射功率 。发射端的调制深度关系到信号的有效广播范
12、围以及 的 光谱偏移特性 ，且会对接收端信号的信噪比产生较大影响。 试 验结果及分析为了验证系统功能的可实现性 ，首 先使用 软 件构建最简编码 、解码系统 ，在实现基本的编解码功能后 ，接入可见光链路 ，如图 所示 。数字视频信号源通过发射端的计算机监视器实时显示 ，便于接收终端计算机的液晶显示屏中的视频图像进行比较 ，观察到图像传输的质量好坏 ，判断图像是否出现了延时 、丢帧等现象 。试验测试表明 ，当采用上述系统典型参数设计值时 ，该系统在 的通信距离内能正确识别大功率发 射的可见光调制信号，成功实现了高清视频和语音信号的发送和接收功能 ，并可满足室内在照度和信号覆盖区域的基本要求 ，是
13、一种新型而有效的室内视频语音通信系统 ，具有良好的应用前景 。图 试验系统结构图 （上 下行对称 ） 结 束语白 光 照 明的实现在节约能源的同时 ，更为高速 、宽带的光无线接入提供了一种新途径 ，也为解决现有无线电频带资源严重有限的困境提供了一种新思路 ，可见光通信将很有可能成为光无线通信领域的一个新的增长点 。因而可见光通信技术具有极大的发展前景 。虽然国内外已经对可见光通信开展了从理论到实验的研究 ，但都还处于初级阶段 ，在实现其高速 、高可靠的通信性能道路上还有许多实际问题需要相关科研人员做更加深入的研究 。参 考文献 ：徐子轩 ，梁海莲 ，钟镇 ，等 基于 的 无线导览系统的设计和实
14、现 光通信技术 ，（）：傅倩 ，陈 长缨 ，洪岳 ，等 改善室内可见光通信系统性能的关键技术 自动化与信息工程 ，（）：曹 家年 ，刘卓月室内照明通信系统中的角度分集技术哈尔滨工程大学学报 ，（）：吴 承治可见光通信技术及应用初探现代传输，（）：杨宇 ，刘博 ，张 建昆 ，等 一种基于大功率 照 明灯的可见光通信系统 光电子 激光 ，（）：潘 仕彬 ，何铮 ，何为民 以太网与测控设备的并口联接 计算机测量与控制 ，（）：孙旭 ，孙瑜 ，孙 道层 基于 协议的网络通信模式研究商 洛学院学报，（）：丁 举鹏 ，黄治同光无线通信研究方向及技术优化初析数字通信世界 ，（）：刘 宏展 ，吕晓旭 ，王发强白光 室 内可见光通信的现状及发展 光通信技术 ，（）：骆 宏图 ，陈长缨 ，傅倩 ，等 白光 室内可见光通信的关键 技术 光通信技术 ，（）：
