一种室内可见光通信去频闪效应技术的研究_高月芳.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349收稿日期：20220611；修回日期：20221116作者简介：高月芳（1995），女，山西朔州人，硕士，主要从事可见光通信研究，E-mail：。一种室内可见光通信去频闪效应技术的研究高月芳摘要：针对室内可见光通信过程中的频闪效应，首先介绍了可见光通信中频闪效应的产生机制和对人体健康产生的影响。其次，为此提出使用 MPPM 调制方式来减弱频闪效应，并且使用两种方法来对此进行仿真实验，仿真实验结果进一步验证了想法的正确性，即 MPPM 调制可以缓解室内可见光通信的频闪问题。最后，基于仿真软件 Multisim 14.0，设计了可见光通信系统的发射端电路和接收端电路。关键词：可见光通信；频闪效应；MPPM中图分类号：TN929.1文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.090（黑龙江大学物理科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150006）文章编号：1674-9146（2023）02090041室内可见光通信的频闪效应随着移动用户的增加以及大数据、物联网等技术的推广，射频通信作为目前最常用的无线通信方式，正面临着“频谱资源危机”问题1-2。而可见光通信技术作为一种近年新兴的无线通信技术，拥有无需授权的较高频谱资源，被认为是解决无线通信资源枯竭的方法之一。其主要思想是对波长范围为380780 nm 的白光发光二极 管（Light EmittingDiode，LED）进行驱动，发出人眼看不见的高速明暗闪烁的光信号，在满足人们通信需求的同时对周围空间进行照明2。可见光通信主要依托于 LED 开和关切换操作，其响应速度很快，大约只有几十纳秒，能够以极快的速度改变其亮度3-4。在通信过程中，当信号源的码流中连续输出的高电位与低电位比例不平衡时，LED 切换频率变慢，在一定频率范围内，则出现人眼可察觉到的明暗变化，也就是频闪现象。大量的研究证明，频闪现象不仅造成人眼和心理的不适，还造成视觉疲劳、偏头痛等健康问题5-6。针对简单的数字调制开关键控（On-Off Keyed，OOK）而言，当闪烁频率在 80 Hz 以下时，人眼能够感知到明暗变化的光闪烁，被称为频闪；当闪烁频率范围在 802 000 Hz 时，是肉眼无法察觉到的闪烁现象，被称为频闪效应，可导致人对空间物体位置移动的感知变化；当闪烁频率大于 2 000 Hz时，闪烁频率越高，即光输出变化得越快，闪烁现象越不明显，对于人眼的影响越小。目前，已经有研究表明，频闪效应主要受两方面因素的影响，包括频闪深度和频闪频率。此外，占空比及波形也会影响到频闪效应的强弱。根据IEEE Std 1789TM-2015 IEEE Recommended Practicesfor Modulating Current in High-Brightness LEDs forMitigating Health Risks to Viewers（IEEE 调节高亮度LED 电流以减轻观众健康风险的推荐做法），评价光源频闪效应的衡量指标主要包括闪烁百分比和频闪频率7-8。在系统硬件理想化情况下，LED 灯亮时为 1，熄灭时为 0，用一连串的 01 序列来表示信息的传输，那么系统的闪烁百分比始终为 1，对频闪效应的衡量只需要观察频闪频率即可。在室内可见光通信过程中，当信号源传输数据近似连 0 或连 1出现时，LED 闪烁频率降低，造成严重的频闪效应。采用多脉冲位置调制（Multi-Pulse PositionModulation，MPPM）混合调制方法来缓解室内可见光通信过程中出现的频闪效应。2多脉冲位置调制（MPPM）技术MPPM 是一种把脉冲强度信息映射为脉冲位置信息的调制技术9-11。它的原理是：在 N 个时隙组成的信息帧中，选择 a 个时隙来发送脉冲，同时把X b 信息映射到这发射光脉冲信号的 a 个时隙和不发射光脉冲信号的 N-a 个时隙所组成的 N个时隙上，因此一共有 CaN种不同的映射方式，从中选取2X 种方式来传输这 X b 信息，满足 xlog2CaN条件，记为（N，a）MPPM。而且，在相同条件下，N 越大，信息传输效率越高，但是，随着 N 取值增大，系统技术 创 新Technological Innovation-090-2023 年 2 月总第 349 期抗多径干扰能力减弱。当 N=6，a=3 时，即从 6 个时隙中取 3 个时隙来发送光脉冲信号并传输 4 b 信息。当信号源发出的一连串数据经过（6，3）MPPM调制后，信息流中 0 和 1 的数目相等且恒定，从而解决了信号源输出码流中长 0 或长 1 带来的频闪问题。进一步采用混合 MPPM 调制，将（N，a）MPPM 和（N，a+1）MPPM 结合起来，当 N=7，a=3 时，即从 7 个时隙中选择其中 3 个或 4 个时隙来发送光脉冲信号，其余时隙无光脉冲信号，从而传输 6 b 信息。设时隙周期=1 ms，当传输相同的 12 b 信息数据时，如采用（6，3）MPPM 调制，每传输 4 b 信息需要 6 个时隙，那么它的信息周期为 T=18 ms，则时间传输信息率为 K1=12/181 000 b/s。如果采用混合 MPPM 调制，那么它的信息周期为 T=14 ms，则时间传输信息率为 K2=12/141 000 b/s。显然，K1K2。对于室内可见光通信中由于数据流中连 0 或连1 而导致的频闪问题，一般采用曼彻斯特编码调制12，将信号源传输数据 0 编码为 01，将 1 编码为 10，每传输一个数据，就需要两位的符号，那么它的信息周期为 T=24ms，则单位时间 T（s）内传输的信息量 X，即时间传输信息率为K3=12/241000b/s。显然，K3K2。显然，虽然 MPPM 调制同样可以减少频闪问题，但是，采用混合 MPPM 调制在信息传输速率上更优于单独的 MPPM 调制，也更优于传统的曼彻斯特编码调制。3混合 MPPM 调制的仿真实验下面通过对混合 MPPM 调制进行仿真实验，进一步说明这种混合 MPPM 调制能够解决频闪问题。令 N=7，a=3，在 7 个时隙中选取 3 个或 4 个时隙来发送光脉冲信号，从二者所有的 70 种位置中选择 64 种位置来传输 6 b 信息（7064=26）。（7，3）MPPM 和（7，4）MPPM 的混合 MPPM 调制规则的部分编码数据见表 1。3.1混合 MPPM 调制的 Quartus II 仿真实验MPPM 编码调制系统的硬件结构见图 2，核心器件采用 Altera 公司 MAXII 系列的 EPM240T00C5。系统由串并转换模块、MPPM 编码模块、并串转换模块、LED 驱动电路模块、时钟模块组成。其中，时钟模块对串并转换模块、MPPM 编码模块、并串转换模块提供不同的时钟进行控制。整个系统完成将数字信号调制到 LED 上发出 MPPM 光信号的过程。对混合 MPPM 调制进行仿真实验，实验中将调制过程由 Verilog 语言编程仿真并通过现场可编程闸阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）实现。图 3 为混合 MPPM 调制仿真实验的软件截图。信号源输出 12 位串行数据 111111_111001，经过混合 MPPM 调制后得到 1011001_0101110。通过仿真实验图像，进行输入数据 a1_out 与输出数据 d的对比，可以明显观察到，与输入数据相比，经过编码后的输出数据中，0 和 1 数目基本比例均衡，从而缓解了对人眼造成强烈不适的频闪问题。在接收端的解调过程是调制过程的逆过程，并对 此 进 行 实 验 仿 真，将 14 位 串 行 输 入 数 据1011001_0101110 恢复为原始数据 111111_111001串行输出，达到解码的目的。图 4 为混合 MPPM 解调仿真实验的软件截图。进行输入数据 a1_out1 与输出数据 d1 的对比，完成了解调过程。3.2混合MPPM调制的Multisim 14.0仿真实验将可见光系统接收端的输出连接着示波器和人眼的仿真端。人眼的仿真端是 RC 积分电路，对此进行 Multisim 14.0 的仿真实验，调节电位器电阻，使其频率在人眼可辨别的闪烁频率范围（80 Hz）以内。其原理为：RC 积分电路的积分时间常数是图 3混合 MPPM 调制仿真实验的软件截图时钟模块串并转换数据输入MPPM编码并串转换LED驱动电路MPPM数据输出图 2MPPM 编码调制系统的硬件结构图 4混合 MPPM 解调仿真实验的软件截图表 1（7，3）MPPM 和（7，4）MPPM 的混合 MPPM 调制规则的部分编码数据序号6 b（7，3）MPPM（7，4）MPPM10000000100110101100120000011100001001111033禁码00010111110100序号12336 b111111111110禁码（a）101010（b）010101（c）100101图 1（6，3）MPPM 调制1 2 3 4 5 6时隙/个信号幅度10信号幅度时隙/个1 2 3 4 5 610信号幅度时隙/个1 2 3 4 5 610-091-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349电容 C 的充放电时间，以此来模拟人眼可以观察光源的时间。要对 MPPM 调制进行 Multisim 14.0 的仿真实验，先采用 Multisim 14.0 产生比特序列的信息发生器，设计采用两片十六进制计数器 74LS161 级联，十六选一数据选择器以及门电路组成 48 b 信息序列发生器。当传输 48 b 信息数据 111111_111100_000000_000000_111111_110101_101111_111110 时，将其连接到示波器进行波形的测量记录。经过混合MPPM 调制后，将数据选择器连接 2-4 译码器74LS139 得到调制后的 56 b 信息数据的信息序列发生器，将其连接到示波器进行波形的再次测量记录，对两次的波形做出对比。当信号源频率为 500Hz时，混合 MPPM 调制前后的信息序列的接收端示波器波形见图 5 和图 6。当信号源频率为 2 000 Hz 时，混合 MPPM 调制前后的信息序列的接收端示波器波形见图 7 和图 8。在图 5 图 8 中，矩形图线是调制前后的信号序列，其中的折线则是对应矩形图线时的人眼模拟曲线。可见，无论在任何频率，在人眼模拟观察下，与调制前相比，调制后不仅频率变大，而且光强度变化波动明显减小，闪烁百分比减小，频闪频率增大，充分证明了混合 MPPM 调制可以缓解室内可见光通信中的闪烁现象。可见，无论是通过 Quartus II 仿真实验还是通过 Multisim 14.0 仿真实验，对比调制前后的信息序列都能够明显看到，经过混合 MPPM 调制后的信息流，可以有效地缓解可见光通信中的频闪问题对人眼和身体健康造成的影响。4可见光通信系统的基本结构因为 LED 是非相干光光源，相位信息无法进行数据通信，可见光通信系统采用强度调制/直接检测调制方法13。可见光系统由三部分组成，包括发射端、信道和接收端。发射端进行信号调制和LED 驱动电路后驱动 LED 发光，电信号转化为人眼可见的光信号，在自由空间信道中传输；接收端通过光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，进行放大、滤波、判决再生等处理后，再进行解调，恢复为原始的电信号，完成通信。发射端的 LED 驱动电路是一个电压/电流转换电路，在放大电路中引入电流串联负反馈，可以实现电流/电压转换，将从前面调制模块出来的电压（FPGA 的 I/O 口输出电压为 3.3 V）转换为电流，驱动 LED 灯发光。图 9 为 LED 驱动电路。其中，U1B 构成同相求和运算电路，U2B 构成电压跟随器