光源速率测试

Optoelectronics光电子,2019,9(2),92-98PublishedOnlineJune2019inHans.
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hanspub.
org/journal/oehttps://doi.
org/10.
12677/oe.
2019.
92014文章引用:曾荣鑫,栾新源,孙兆田.
基于照明LED的室内可见光通信系统的设计与实现[J].
光电子,2019,9(2):92-98.
DOI:10.
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2019.
92014DesignandImplementationofIndoorVisibleLightCommunicationSystemBasedonIlluminatedLEDRongxinZeng*,XinyuanLuan,ZhaotianSunShanghaiAviationElectricCo.
,Ltd.
,ShanghaiReceived:May24th,2019;accepted:Jun.
6th,2019;published:Jun.
13th,2019AbstractVisiblelightcommunication,asanewtypeofwirelesscommunication,canmeettherequirementsofLEDlightingatthesametimetoprovidecommunicationfunctions,inlinewiththemodernconceptofenvironmentalprotectionandenergysaving.
Inthispaper,animprovedschemeisproposedbasedontheexistinglightingsystem,andasetofvisiblelightcommunicationsystemisdesignedandimplemented.
Throughtheactualtest,thesystemcancarryoutreal-timeHDvideotransmission;theaveragetransmissionrateofthenetworkportis75Mbps.
KeywordsVisibleLightCommunication,IlluminationLED,TransmissionRate,Photodiode基于照明LED的室内可见光通信系统的设计与实现曾荣鑫*,栾新源,孙兆田上海航空电器有限公司,上海收稿日期:2019年5月24日;录用日期:2019年6月6日;发布日期:2019年6月13日摘要可见光通信作为一种新型的无线通信方式,可在LED灯满足照明的同时提供通信功能,符合现代绿色环*通讯作者.
曾荣鑫等DOI:10.
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9201493光电子保的节能理念.
对此,本文在已有照明系统的基础上提出改进方案,设计并实现了一套可见光通信系统.
经过实际测试,该套系统可进行实时高清视频传输,网口端平均传输速率为75Mbps.
关键词可见光通信,照明LED,传输速率,光电二极管Copyright2019byauthor(s)andHansPublishersInc.
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).
http://creativecommons.
org/licenses/by/4.
0/1.
引言随着无线通信技术不断发展,用户对于无线互联网的需求也在不断增长,更快、更可靠、更低时延的5G技术将会是移动通信技术解决方案.
然而随着5G技术将采用更高的频段,剩余可用的无线电频谱资源将越来越少,新型的可见光通信(VisibleLightCommunication,VLC)技术由于具有宽频谱、低成本、高保密性、绿色环保、无辐射等优点,可对无线通信覆盖盲区(地铁、隧道、矿井、机舱)作补充,未来可与Wi-Fi形成技术互补,因此该技术一直是高校、研究院和企业的研究热点[1][2][3][4].
而照明系统作为现代生活环境的基础性设施,可在照明的同时利用光通信技术为光源提供通信的附属价值.
对此,本文针对照明LED的室内可见光通信系统展开研究.
2.
VLC系统2.
1.
VLC系统简介VLC系统是利用光作为信息载体的一种无线通信方式,即光源光强随着控制信息的变化而改变,当光强变化频率高于人眼的闪烁临界频率时,则光源可同时满足照明与通信服务[5][6].
一般来说,VLC系统由信源、调制解调器、光源驱动电路、光源、信道、光电探测器、小信号放大电路等组成[7][8],整体结构如下图1所示:Figure1.
PrinciplestructureoftheVLCsystemtransceiverterminal图1.
VLC系统收发终端原理结构VLC系统通过网口进行对外数据交换,上下行链路则是通过调制光信号进行数据传输.
在上行链路中,数据源数据格式转换完成后得到原始基带数据,然后通过数字信号处理模块实现信道编码及算法调制,再通过驱动电路将调制信号叠加到光源的直流供电中,最后将数据以调制光信号的方式发射出去;OpenAccess曾荣鑫等DOI:10.
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9201494光电子在下行链路中,首先由光电探测器将光信号转换为电信号,然后经过信号处理单元完成微弱信号放大和滤波,再进行解调和信道译码后得到原始数据,最后将数据转换成TCP/IP包通过网口传输出去.
对此,本文针对室内照明环境下设计一套VLC系统,通过对照明光源进行改装,实现照明与通信功能,并在此基础上粗略探究不同光源对实际通信速率的影响,进而得出适合室内VLC系统的光源.
以下为系统实现的主要模块设计过程.
2.
2.
数字信号处理模块数字信号处理模块为整个VLC系统的核心,包括了信道编解码、调制解调、校验与纠错等过程,此处选用电力载波芯片.
该芯片是一颗高性能、低功耗、高集成度的32位MCU芯片,内置CortexM0内核,主频高达125MHz,内置256KbyteSRAM,支持RTOS操作系统、TCP/IP协议栈和各种复杂协议及算法,频率范围2MHz~28MHz,自适应跳频,有效避开电力线噪声;物理层传输速率最高可达240Mbps;可实现实时多路高清视频的传输.
同时又具有丰富的对外接口,如多达48个GPIO、SPI、UART、A/D、I2C、I2S、PWM、SDIO、Ethernet等接口.
可通过4线SPI接口连接外置的SPIFlash,支持在Flash上直接运行程序,节省SRAM,并通过16Kbyte指令Cache实现高速、零等待的程序运行.
其内部结构如图2(a)所示,基带信号处理模块如图2(b)所示:Figure2.
Basebandsignalprocessingmodule.
(a)CR600structurediagram;(b)Modulephysicalmap图2.
基带信号处理模块.
(a)CR600芯片结构图;(b)模块实物图2.
3.
光电探测器此处的光电探测器选用灵敏度较高、响应速度快、光谱响应范围大的PIN管,PIN管相对于APD管和PMT光电倍增管来说,其成本较低、使用方便,其性能也满足一般VLC系统的通信要求,实物如图3(a)所示.
该光电探测器是一种高速、低暗电流的硅PIN光电二极管,频谱响应范围为400nm~1100nm,响应时间为1.
2ns,频谱响应曲线如3(b)所示.
2.
4.
小信号处理单元小信号处理单元主要完成微安级电流—电压信号的转换,以便后续信号处理.
另外在一定的光照范围内,距离和位置改变时,调制光信号存在强弱差异,因此需要设计AGC自动增益调节.
电路基本结构如图4所示.
2.
5.
驱动与光源驱动电路主要实现将已调制好的数据信息加载到光源驱动上,使得数据可以光的形式发送出去,因曾荣鑫等DOI:10.
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9201495光电子此采用如图5(a)的类Bias-Tee结构,即交流信号负责传信息,直流电负责光源供电.
光源选用常见的筒式白光LED,电功率为7W,光源头可以上下左右调节,方便对准.
改装后的灯具如图5(b)所示,灯具左侧为光源,右侧为探测器.
Figure3.
Photodiode.
(a)PIN;(b)Relativespectralsensitivityvs.
Wavelength图3.
光电探测器.
(a)PIN管实物;(b)PIN管频谱响应曲线Figure4.
Smallsignalprocessingunit图4.
小信号处理单元(a)(b)Figure5.
Lightsource.
(a)Bias-Teestructure;(b)Retrofitlamp图5.
光源.
(a)驱动电路结构;(b)改造后灯具曾荣鑫等DOI:10.
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9201496光电子3.
系统测试与分析3.
1.
测试平台搭建VLC系统设计完成后,需要对其进行功能和性能测试.
测试时,需要保持上下行链路中的光源与探测器中心位置在同一水平线.
系统测试拓扑如图6所示:Figure6.
Systemtesttopology图6.
系统测试拓扑3.
2.
功能测试此处的功能测试是用摄像头进行实时超高清视频传输,所有按系统测试拓扑连接,收发两端距离3m.
测试期间可用障碍物遮挡传输光路,并在PC上查看视频传输情况.
测试连接和PC客户端结果如图7所示.
Figure7.
Real-timeHDvideotransmissiontest.
(a)Systemphysicalconnection;(b)Clientvideo图7.
实时高清视频传输测试.
(a)系统实物连接;(b)客户端视频曾荣鑫等DOI:10.
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9201497光电子经过测试,该套VLC系统具备数据上传与下载功能,当有障碍物遮挡传输光路时通信中断,障碍物移除后通信恢复,符合VLC系统的特点,且满足系统设计功能要求.
3.
3.
性能测试性能测试是对数据传输速率测试.
为测试实际的数据传输速率,此处采用PC直连收发终端网口进行端到端测试,测速软件为JPref,一台PC做服务端,另一台做客户端.
JPref测试时走TCP协议,缓冲区长度设置为2MBits,TCP窗口大小设置为56KBytes,MSS设置为1KBytes.
分别对白光和混色金黄光两种光源测试6次,每次10s,测试结果如图8、图9所示.
Figure8.
Curve:WhiteLEDspeedtest图8.
白光LED测速结果曲线Figure9.
Curve:GoldenlightLEDspeedtest图9.
金黄光LED测速结果曲线3.
4.
结果分析以上结果可以看到,光源为金黄光时,其整体平均传输速率要比白光高,大概为75Mbps.
由于金黄光是由黄绿光与红光混色而成,其PIN管的整体响应要比蓝光激发荧光粉产生的白光更好,因此整体传输速率更快是符合原理的.
4.
结论本文针对照明LED设计了一套室内可见光通信系统,经过实测,系统平均传输速率为75Mbps,可曾荣鑫等DOI:10.
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9201498光电子满足短距离的室内无线通信需求.
基金项目上海市经信委软件和集成电路产业发展专项(170550)资助项目.
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