设计与实验验证：一款基于标准照明级LED的1 Gbps VLC（视频光通信）发射器

该研究设计并验证了一种基于商用LED的高速可见光通信（VLC）发射机，采用闭环PD控制架构实现LED电流精准调节，支持0.5和1Gbps的OOK调制数据传输，同时保持稳定照明。实验表明在1米范围内误码率低于10^-6和10^-4，系统带宽达300MHz，验证了商用LED在高速VLC与室内照明协同应用中的可行性。

　　

Rania A. Elsayed|Youssef A. Diab|Khalid F.A. Hussein|Asmaa E.A. Farahat|Azhar A. Hamdi

埃及扎加齐格大学电子与通信工程系

摘要

本文介绍了一种基于低成本、市售组件的高速可见光通信（VLC）发射机的设计、实现和实验验证。主要目标是利用原本用于普通照明的标准白光LED实现千兆级数据传输，同时保持实际的室内照明条件。为此，开发了一种定制的高速LED驱动器，该驱动器采用闭环比例-微分（PD）控制架构，能够精确动态地调节LED的正向电流。这确保了高频电信号的准确再现，最小化了波形失真、过冲和符号间干扰，并实现了亚纳秒级的上升和下降时间。数据传输采用开关键控（OOK）调制方式，而反馈控制则维持稳定的亮度以提供均匀的室内照明。实验验证表明，在1米半径的室内区域内，该发射器在0.5 Gbps和1 Gbps的传输速率下能够可靠运行，平均比特误码率分别为$1.6\; \backslash times\; 10^\{-6\}$和1.0 \times 10^{-4}。此外，包括驱动器、LED阵列、光通道和光电探测器在内的系统端到端频率响应显示其带宽约为300 MHz（带宽为-3 dB），支持观察到的千兆级性能。这些结果证实，当标准照明级LED与精心设计的高速驱动器结合使用时，可以同时提供高速光通信和实用的室内照明。总体而言，所提出的系统为将VLC集成到标准照明基础设施中提供了一个可扩展且可行的解决方案，实现了高速数据传输与实际照明需求之间的独特平衡，展示了使用市售组件进行千兆级VLC应用的可行性。

引言

可见光通信（VLC）作为一种高速室内无线网络的可行解决方案，通过利用可见光同时提供照明和数据传输而受到越来越多的关注。与传统射频（RF）系统相比，VLC具有未受监管的频谱可用性、抗电磁干扰能力、增强的安全性以及与现有照明基础设施的直接集成优势，适用于智能家居、办公室、医院和工业环境[1],[2],[3],[4]。为了满足对更高数据速率的需求，研究人员研究了多种高速VLC技术，包括正交频分复用、多输入多输出传输、非正交多址接入、基于均衡的方法以及深度学习辅助解调[5],[6],[7],[8]。尽管这些方法显著提高了吞吐量和鲁棒性，但其有效性最终取决于光发射器的带宽和瞬态性能。

在发射器层面，实现高数据速率（尤其是在使用简单且功耗低的调制方案如开关键控（OOK）时）对LED驱动器的速度、线性和稳定性提出了严格要求。驱动电路的瞬态行为直接影响调制带宽和信号保真度，从而限制了可实现的数据速率[9],[10],[11]。尽管已经报道了几种高速驱动器架构，但许多依赖于昂贵的定制组件或在实际室内应用中可扩展性有限[12]。最近的研究强调了LED器件特性在高速VLC性能中的关键作用。[13]中的综述讨论了高速LED的进展，而[14]中的实验研究分析了不同驱动条件下的LED上升和下降时间，揭示了半导体结构和封装带来的限制。这些发现促使选择了DURIS白光LED标准（第二代），它在发光效率和快速时间响应之间提供了良好的平衡，使得在室内VLC场景中可以实现高达500 Mbps的可靠数据传输。

本文介绍了基于市售照明级白光LED的高速VLC发射机的设计、实现和实验验证。所提出的系统采用定制的闭环LED驱动器，采用比例-微分（PD）控制，能够精确调节LED的正向电流，实现亚纳秒级的上升和下降时间，并减少符号间干扰。通过将平均照明控制与高速调制解耦，该发射器在1米范围内的室内区域内支持0.5 Gbps和1 Gbps的千兆级OOK操作，同时保持实际的照明水平[15],[16],[17]。频域测量结果确认其带宽约为300 MHz（带宽为-3 dB），与观察到的高速性能一致。实验结果结合仿真表明，所提出的架构为将高速VLC集成到标准室内照明基础设施中提供了实用、可扩展且经济高效的解决方案，同时兼容未来对更高级调制方案的扩展。

LED阵列驱动器和控制系统概述

本节描述了所提出的高速室内可见光通信（VLC）系统的架构、工作原理和光学发射器配置。该发射器旨在使用市售的照明级白光LED同时提供稳定的照明和千兆级数据传输。重点讨论了直接影响高速调制性能的系统级设计选择和器件特定考虑因素。

实验设置和测量方法

所提出的VLC系统的实验评估在受控的室内环境中进行，以确保光学和电气性能指标的可重复性和准确性。测试装置包括第2节描述的高速LED发射器、基于光电探测器的接收器以及用于信号采集和分析的高带宽测量设备。

实验在一个尺寸为$10\; \backslash times\; 12\; \backslash times\; 3$米的宽敞实验室室内进行，房间墙壁...

时域响应和系统延迟分析

可见光通信（VLC）发射器的可实现数据速率从根本上受到其时域响应的限制，包括上升/下降时间和整体系统延迟。对于基于OOK的调制方式，不足的时域响应会导致波形失真、符号间干扰（ISI）和比特误码率（BER）下降。因此，对所提出的LED阵列驱动器进行定量时域分析对于验证其是否适用于高速VLC至关重要。

LED正向电流对上升和稳定时间的影响

增加LED的正向电流可以有效加快VLC发射器的时域响应，因为载流子复合寿命和电气RC延迟都会随着电流的增加而减少。图8说明了这一关系，表明随着$I$值的增加，上升时间和稳定时间系统性地缩短。在低电流下，较长的复合寿命和RC引起的延迟限制了调制速度；而在高电流下，< />和< />的联合减少改善了调制速度。

实验结果

本节对所提出的高速VLC发射器进行了全面的实验验证。进行了电气、光学和时域测量，以表征DURIS白光LED和完整的驱动器-LED系统。结果包括LED的V-I特性、电流-光通量关系、闭环控制下的系统级动态响应以及端到端频率响应。这些测量结果共同证实了...

与近期相关工作的比较

与近期的高速VLC系统进行系统比较对于突出所提出发射器的新颖性和实际相关性至关重要。通过检查光源类型、可实现的数据速率、照明性能和覆盖范围等关键指标，读者可以清楚地了解通信速度与实际照明功能之间的权衡。这种比较将所提出的系统置于当前技术水平中，并展示了其独特的能力...

结论

本文介绍了基于市售照明级白光LED和定制高速驱动电路的高速室内可见光通信（VLC）发射机的设计、实现和实验验证。所提出的架构结合了开关键控（OOK）数据调制和闭环比例-微分（PD）电流控制，实现了高速光通信和稳定的无闪烁照明。通过动态...

资助

本文无需资助（本研究无资金支持）

利益冲突

作者声明本研究不存在利益冲突/竞争利益