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圖像傳感器視域下的可見(jiàn)光通信技術(shù)分析

2022-08-17 05:28趙美勝
通信電源技術(shù) 2022年8期
關(guān)鍵詞:傳輸速率信道傳感器

趙美勝

(北京中興物業(yè)管理有限公司,北京 100053)

0 引 言

可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication,VLC)具有極高的可靠性和保密性,可以抵御電磁干擾,而且不需要頻譜認(rèn)證。白光發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)的帶寬相對(duì)有限,將會(huì)對(duì)傳輸速率造成直接影響,而VLC技術(shù)即便在此條件下依然可以利用空間復(fù)用達(dá)到高速通信的目的。

圖像傳感器負(fù)責(zé)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,也是數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分,尤其在數(shù)字電視和可視通信市場(chǎng)應(yīng)用廣泛。將光電探測(cè)器、集成電路加以整合,對(duì)比光敏二極管和三極管,發(fā)現(xiàn)圖像傳感器在光面形成光像的作用下可以劃分為若干個(gè)小單元處理、轉(zhuǎn)化光信號(hào)。在圖像傳感器基礎(chǔ)上應(yīng)用VLC技術(shù),選擇互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)卷簾快門(mén)圖像傳感器或者高速全局快門(mén)等作為關(guān)鍵的接收設(shè)備,憑借圖像傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可以增強(qiáng)抗干擾性與可靠性,并達(dá)到多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)的目的。為此,本文圍繞圖像傳感器基礎(chǔ)上的VLC技術(shù)展開(kāi)討論,探討VLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

VLC技術(shù)原理如圖1所示,以固態(tài)照明為驅(qū)動(dòng)力,這種固態(tài)照明的發(fā)光材料選擇固態(tài)半導(dǎo)體芯片,可以將電能轉(zhuǎn)換為光能光源。以白熾燈為代表的人造光源作為傳統(tǒng)技術(shù)手段,與之對(duì)比發(fā)現(xiàn)LED亮度更高,而且使用壽命也更長(zhǎng),進(jìn)一步優(yōu)化了調(diào)制帶寬、傳輸速率、數(shù)據(jù)安全性,降低了能源消耗[1,2]。憑借上述優(yōu)勢(shì),白光LED在照明、數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域成為最優(yōu)選擇,在室內(nèi)、室外均可兼容可見(jiàn)光源[3]。

圖1 VLC技術(shù)原理

光通信領(lǐng)域常見(jiàn)的探測(cè)方法有兩種,分別是強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(Intensity Modulation Direct Detection,IM-DD)和相干探測(cè)。其中,相干探測(cè)方法需要用到信號(hào)光和相干光,將其在探測(cè)器中混合形成拍頻信號(hào),測(cè)量光波頻率,獲取幅值相位數(shù)據(jù)。IM-DD在應(yīng)用中的操作比較簡(jiǎn)單,在VLC系統(tǒng)中也相對(duì)常用。VLC系統(tǒng)包括發(fā)射、傳輸信道、接收這3個(gè)部分,原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)提前進(jìn)行預(yù)處理,外加編碼調(diào)制具有LED的驅(qū)動(dòng)作用,使LED在控制下能夠發(fā)出強(qiáng)度不同的VLC信號(hào)[4]。光信號(hào)攜帶了信息后,在自由空間內(nèi)傳播,主要使用光學(xué)透鏡在接收部分上聚焦,利用光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換接收的光信號(hào),獲得電信號(hào)后解碼解調(diào)制,經(jīng)過(guò)還原便可獲得二進(jìn)制數(shù)據(jù)。原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)的預(yù)處理應(yīng)用預(yù)均衡技術(shù),增設(shè)直流偏置電壓等,可以補(bǔ)償元件參數(shù)導(dǎo)致的信道失真,并且有效提高系統(tǒng)帶寬和傳輸速率。

2 構(gòu)建可見(jiàn)光信道模型

在圖像傳感器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)VLC系統(tǒng),系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用需要深入掌握信道特性[5]。通信信道的表征為信道脈沖響應(yīng),以此了解信道失真帶來(lái)的影響。因?yàn)楣馔ㄐ判诺拦β蚀嬖趽p耗,導(dǎo)致?lián)p耗的原因包括路徑損耗、多徑衰落,所以高速鏈路的設(shè)計(jì)必須綜合分析通信距離極限值、室內(nèi)墻壁與天花板等物體表面光的反射情況等影響因素。室外光通信鏈路方面,建議采取物理配置法,如直接視距傳播、非直接視距傳播、非視距散射以及跟蹤定位。

VLC系統(tǒng)利用直接強(qiáng)度檢測(cè),有利于節(jié)約成本、降低復(fù)雜性??梢?jiàn)光光源驅(qū)動(dòng)電流,采用調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制,并以此改變光照強(qiáng)度,接收部分則是以波長(zhǎng)積分為依據(jù)形成光電流。在直接強(qiáng)度調(diào)制的光學(xué)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建的等價(jià)基帶模型為:

式中:R為探測(cè)器靈敏度;h(t)為基帶信道脈沖響應(yīng);n(t)為與信號(hào)無(wú)實(shí)際關(guān)聯(lián)的散粒噪聲;x(t)為功率。

3 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇高速相機(jī),考慮到應(yīng)用需求與性能,可以挑選Photron Fastcam Mini-AX 200。此型號(hào)相機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的下幀速率是6 400 FPS,分辨率為1 024×1 024,幀速率按照系統(tǒng)的基本要求最高可調(diào)整為900 000 FPS,相應(yīng)的分辨率為128×16。此外,相機(jī)可以同時(shí)連接千兆網(wǎng)線和PC,而且搭配分析軟件,提供時(shí)鐘信號(hào)、調(diào)整觸發(fā)模式,所以VLC測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)也獲得了諸多便利條件,不需要再額外時(shí)鐘提取電路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用2×2 LED矩陣,分析軟件內(nèi)可以實(shí)時(shí)顯示單信道幀數(shù)據(jù)。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)LED占據(jù)部分像素,為了使信道傳輸數(shù)據(jù)為“1”或“0”,需要計(jì)算目標(biāo)區(qū)域中心像素的平均值,并按照已知閾值做出判斷。4個(gè)信道采取相同的處理方法,便可達(dá)到MIMO通信的效果。操作過(guò)程中利用二進(jìn)制通斷鍵控(On-Off Keying,OOK)調(diào)制技術(shù),該技術(shù)本身具有簡(jiǎn)潔性,而且在IM-DD光通信系統(tǒng)中比較常見(jiàn)?!?”表示光學(xué)脈沖占據(jù)全部及部分位持續(xù)時(shí)間,“0”表示使用位持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)無(wú)脈沖,具體模式則分為歸零(Return to Zero,RZ)、不歸零(Not-Return to Zero,NRZ)兩種。NRZ使用脈沖持續(xù)時(shí)間和位持續(xù)時(shí)間相等的方式代表“1”,RZ范圍內(nèi)的脈沖只是占據(jù)部分位持續(xù)時(shí)間。如果OOK-NRZ、占空比是0.5,那么OOK-RZ單一映射平均功率,計(jì)算后可得到OOKNRZ包絡(luò)表達(dá)式為:

式中:Pr為平均功率;Tb為位持續(xù)時(shí)間。

3.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理,將LED當(dāng)作光源發(fā)射VLC信號(hào),同時(shí)利用圖像傳感器進(jìn)行接收,可以獲得圖像幀信息,處理信息后獲得原始數(shù)據(jù)。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)發(fā)射端應(yīng)用LED矩陣,而不是單一的白光LED,將通信道數(shù)量加以擴(kuò)充,每秒支持傳輸信息容量也隨之增加。此次設(shè)計(jì)采用全局快門(mén)相機(jī),這也表示傳輸速率的直接決定性因素是相機(jī)本身的幀速率,因此建議應(yīng)用高速相機(jī),并且搭配LED矩陣完成MIMO通信,同時(shí)還可以為系統(tǒng)傳輸速率提供保障。

3.3 設(shè)計(jì)成果與分析

分析VLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,需要通過(guò)2條評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),分別是能量效率、帶寬效率。如果考慮到對(duì)眼睛、皮膚的保護(hù),那么必須要控制無(wú)線光發(fā)射平均功率。雖然理論層面的光載波被認(rèn)為具備無(wú)限帶寬,但是在實(shí)踐中依然有諸多因素都會(huì)限制無(wú)線VLC系統(tǒng)帶寬,如接收區(qū)域的面積、電容等。利用多徑傳播、非定向視距無(wú)線傳輸(Line of Sight,LOS)傳播這兩種方法可以降低帶寬,調(diào)制環(huán)節(jié)必須重點(diǎn)分析帶寬效率這一因素。

如果散射噪聲位系統(tǒng)的關(guān)鍵噪聲源為信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR),且其與光探測(cè)器表面積為正比例關(guān)系,那么單一元件接收面積比較大,但探測(cè)面積大的情況下寄生電容也會(huì)隨之增加,反而會(huì)限制系統(tǒng)帶寬。選擇調(diào)制方法時(shí),應(yīng)該重點(diǎn)分析帶寬效率。OOK-RZ的帶寬應(yīng)在OOK-NRZ的2倍以上,實(shí)際上在直流條件下雙方都具有離散性,權(quán)重是Pr2。OOK-RZ在f=Rb位置顯示的脈沖用在恢復(fù)接收器時(shí)鐘信號(hào)這一環(huán)節(jié);OOK-NRZ位于比特率整數(shù)倍位置產(chǎn)生頻譜零點(diǎn),此時(shí)應(yīng)用非線性信號(hào)方可恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)OOK-NRZ、OOK-RZ位于直流分量、低頻分量?jī)蓚€(gè)位置時(shí),功率相對(duì)理想,代表高通濾波器無(wú)法起到規(guī)避附近光源、人造光源影響的效果,由于上限截止頻率會(huì)產(chǎn)生線性漂移。已經(jīng)確定平均發(fā)射光功率的情況下,OOK-RZ平均功率也會(huì)超過(guò)OOK-NRZ的2倍,經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到OOK-NRZ能量效率和帶寬效率。

OOK-RZ無(wú)法實(shí)現(xiàn)接收部分的采樣時(shí)鐘恢復(fù),主要是因?yàn)閭鬏敃r(shí)產(chǎn)生了長(zhǎng)周期低電平信號(hào),這就需要使用OOK-RZ展開(kāi)比特填充,減少帶寬效率。為此,建議在發(fā)射端應(yīng)用預(yù)均衡技術(shù),接收端則運(yùn)用藍(lán)光過(guò)濾技術(shù),安裝高速相機(jī)作為接收裝置,OOK-NRZ安裝于發(fā)射端,即便是調(diào)制帶寬受限,也依然可以獲得理想的效果。

4 結(jié) 論

VLC技術(shù)與圖像傳感器結(jié)合應(yīng)用,對(duì)于VLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。VLC系統(tǒng)不僅具有較強(qiáng)的抗干擾性與可靠性,而且還可以實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出。今后,VLC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該更加關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,通過(guò)與圖像傳感器的結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)VLC技術(shù)的穩(wěn)定性、保密性與抗干擾性,拓寬VLC技術(shù)的應(yīng)用范圍,為工業(yè)設(shè)計(jì)及其他行業(yè)提供先進(jìn)的技術(shù)支持。

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