基于fpga的led交通灯可见光通信系统-秦岭.pdf

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1、50 测控技术)2017年第36卷第11期基于FPGA的LED交通灯可见光通信系统秦岭12，宋科宁2，麻宏宇2，杜永兴2，李宝山2(1长安大学电子与控制工程学院，陕西西安710064；2内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010)摘要：在LED交通灯通信系统中，为了降低误码率和提高通信距离，将脉冲位置调制(PPM)技术应用在智能交通光通信系统中，并且在原有的调制技术上增加了同步帧头便于确定信息位的到来，从而实现在复杂环境下的LED交通灯与车辆的高质量通信要求。在此基础上利用Matlab对改进PPM进行仿真，使用Verilog语言进行硬件编程，运用ISE软件进行仿真，搭建外围硬件平台进行

2、室外实验验证。实验结果表明：该系统在室外光照强度为11 X 10Ix的环境下，实现了传输距离达到4 m并且误码率低于10。关键词：LED交通灯；脉冲位置调制；背景光；PPM中图分类号：TN92912 文献标识码：A 文章编号：10008829(2017)11005003LED Traffic Lamp Visible Light Communications System Based on FPGAQIN Lin91，2，SONG Kenin92，MA Hongyu2，DU Yongxin92，LI Baoshan2(1School of Electronic and Control Engi

3、neering，Changan University，Xian 710064，China；2School of Information Engineering，Inner Mongolia University of ScienceTechnology，Baotou 014010，China)Abstract：In order to reduce the bit error ratio(BER)and improve the communication distance in the LEDtraffic lamp communication system，the pulse position

4、 modulation(PPM)technology is applied to the intelligenttransportation system，and the synchronization frame is added to the original modulation technology to determinethe arrival of information bits then to achieve the high quality communication requirements between LED trafficlights and vehicles in

5、 a complex environmentOn this basis，Matlab is used to simulate the improved PPM，Using Verilog for hardware programming，ISE software to simulate，and a peripheral hardware platform for outdoors experiment verification is builtThe results show that the system achieves the transmission distance of 4m an

6、d the BER is less than 10in the environment of outdoor light intensity being 11105 lxKey words：LED traffic lights；pulse position modulation；background light；PPMLED光通信是利用LED灯传输信号的一种光无线通信技术。LED交通灯具有节能、寿命长、可靠性高且分布广泛等特点，利用LED交通灯发出的可见光，可以实现交通灯和车辆之间的实时通信。该系统不需要增加大型的发射接收设备，成本低且易于实现。同时通过交通灯发布的信息使司机及时地获取交通堵收

7、稿日期：20170327基金项目：国家自然科学基金项目(61501266)作者简介：秦岭(1979一)，女，内蒙古包头人，博士研究生，副教授，主要研究方向为无线通信系统；宋科宁(1992一)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为可见光通信；麻宏宇(1994一)，男，内蒙古赤峰人，本科，主要研究方向为可见光通信；通信作者杜永兴(1980一)，男，山西忻州人，博士，副教授，主要研究方向为无线光通信技术等；李宝山(1965一)，男，河北石家庄人，硕士，教授，主要研究方向为射频识别系统及其应用。塞信息、路况信息、天气状况等。这些特性使得利用LED交通灯对交通进行管理和服务成为智能交通技术的研究

8、热点。室外通信技术就目前来说主要应用在智能交通系统(ITS，intelligent traffic system)中，也逐渐在向海上交通安全过渡。201 1年，日本学者Sayaka Nishimoto等人采用叠加编码的方式，实现了高优先级数据3070m范围内的无错接收。2012年，吴方明等对高速短距离室内可见光通信的调制技术进行了相关研究，传输速度可达11 Gbitss-2 J。2013年，刘景龙等人通过采用强度调制、直接检测的OOK(onoff keying)调制方案，对不同天气条件下的系统性能、工作区内通信质量进行了仿真1。2016年，迟楠等对室外远程高速可见光通信应用中的复杂的室外环境和

9、环境噪声进行研究，实现了100 m以上的传输距离H o。然而，室外环境下由于强背景光的干扰、LED交万方数据基于FPGA的LED交通灯可见光通信系统 51通灯的固有发光功率以及光接收机与信号光源距离较远，所以造成背景光噪声会很强，严重时光信号会淹没在背景噪声中，导致信噪比降低，误码率(BER，bit e卜ror rate)升高，从而影响整个通信系统的通信质量。因此，对于可见光通信系统来说，可靠的信号调制解调是非常重要的环节。由于此系统是一个直接检测的光电检测模块，OOK这样原始的调制方式，很容易在工程中被实现J。但是这种调制方式使得可见光的功率和频带利用率有限，而且OOK的调制方式在室外通信系

10、统中很容易受噪声影响，产生很大的误码率。脉冲位置调制(PPM，pulse position modulation)技术具有平均功率高、抗干扰特性强的特点，所以PPM更适合应用在LED交通灯的可见光通信系统中-6 J。但是在PPM在解调过程中无法准确地判断信号的始端，很容易造成信息的丢失，因此本文在原有的脉冲位置调制的基础上加上了同步帧头来准确判断信息帧的到来，同时使用ISEl20进行了反复调试，通过实验验证了改进的PPM技术可以应用在室外LED交通灯的通信系统中。1 系统整体结构设计可见光模型的初步搭建，目的是将调制的信号能够高效、准确地发出，同时确保在发送成功的基础上，能够在接收端完成对很小

11、幅度值信号进行放大、采集处理，并且在FPGA采集的数据中保存，导人Matlab中进行算法处理。经过降采样、低通FIR滤波处理，以及自适应算法后，还原出原始发出的基带数据。系统的框图如图1所示。信源卜叫PPM调制卜_叫驱动电路卜刊LED光源光不容易被光电二极管检测到，所以在聚光检测器的前端或者光收集器上面安置了非球面聚光透镜。光驱动模块采用的是12 V输出的直流稳压电源供电。将信号驱动以及检测放大，达到采集的标准后采用美国AD公司的AD9650宽带模数转换器对其进行处理。它是一种高速且高性能的单片转换器，可将采集的信号保存处理。由于采用62 MHz的时钟频率，所以首先采用降采样处理，然后用低通滤

12、波器处理。由于信道的稳定性容易受噪声的影响，而且噪声是实时变化的，因此均衡阈值会使信号的判决受到影响，所以采用了自适应算法。自适应滤波器可以利用已经保存的一段时间内获得的信号参数，自动调节当前时刻的滤波器参数，使滤波器的输出和将要输入的未知信号的均方误差最小化，从而可以实现最优滤波旧J。此外，交通信号灯选定型号为AY-200rIYN一2YD的200 mm红绿圆灯。实验系统图如图2所示。羁2实验系统图丽丙赢“J再磊“J两孤赢高习 3 PPM调制技术图1系统的总体框图2硬件电路的设计可见光接收检测模块选用型号为PDAl0AEC的硅探测器，接收信号的频率范围为2001100 nm，同时具有180 M

13、Hz的带宽。光电模块由一个光电二极管和放大器组成，将这些元件都封装在一个外壳中，这样的结构外形使其可以应用于可见光的光路当中。光电二极管特性对2001100 nm的紫外到近红外光谱波段接收特性会很好。光电转换模块其所有接口和控制接口都与可见光的通信光路垂直，使可操作性大大提高【7|。模块的电压放大器可以实现模块放大的功能。输出口将放大的光信号输出。系统中将光电模块与滤波器一同使用可实现低通滤波的功能。由于可见PPM的优点在于：它仅需根据数据控制脉冲位置，所以只需要调节脉冲的位置，不需要进行脉冲幅值和极性的控制。记凡位数据组为M=(m，m：，m。)，这种映射关系可以用图3表示。4PPM的调制的真

14、值表如表1所示。司3时隙的映射关系万方数据52 测控技术2017年第36卷第11期表1 4PPM的调制的真值表输入(AlAo)输出(D3D2DlDo) 输入(AIAo)输出(D3D2DlDo)00 000l 10 OlooOl 00lO ll 1000首先，在通信质量可靠的目标下，设计人员应选择传输率比较高的调制方式。但是高速率调制方式与传输正确性可能会发生矛盾。LED交通灯系统为了满足实际需要采取了PPM的调制方式。随着通信距离的增加，PD检测器接收到的信号幅值会变小，不仅影响信号的检测，还会在后续的滤波和去除噪声中产生一定的难度。因此，在这个速率一定的LED交通灯的通信系统中，要求传输功率

15、小，或者说是效率尽可能高。PPM满足以上要求，PPM信号脉冲功率与OOK信号平均功率之比就会很高。因为PPM将可见光信号作为载波信号调制成为脉冲信号，连续的可见光信号受到FPGA的控制，脉冲的各个位置就发生变化。这样传递信息时PPM信号比OOK信号更能降低可见光辐射平均功率，从而可以有效地延长LED工作寿命归J。PPM在不同的天气条件下信噪比高于OOK，结果如表2所示。表2不同天气条件下PPM信号和OOK信号信噪比比较单位：dBPPM调制时发射端将n个二进制连续数字信号映射为个时隙，个时隙中某一个时隙的位置放置一个脉冲，即L=2n。表达式为卢=ul+2u2+241u。 (1)式中，卢为脉冲所在

16、时隙位置；U=(u。，u：，u。)，为n个二进制数。由式(1)看出n与J8是一一对应关系。一帧数据包括帧头和信息帧，帧头用于PPM解调时查找确定一帧信息的脉冲位置。本文帧头采用32个时隙，rt为8构成一帧288个时隙，288正好是8的倍数。32时隙含连续4个脉冲用于找第33288时隙之间带信息的脉冲，确定脉冲的位置。保护时段中帧头设计为32b0000_0000000000001 1 1 10000一oooo oooo。只要找到每一帧的帧头，确定信息帧到来，找到数据位，即找到光脉冲的位置，就可以解调原始的数据。PPM调制解调过程要考虑到帧同步问题，系统采用8位数据的PPM调制。编码器翻译后每一信

17、息帧带有32位标志位和256位数据位。标志位32b0000一oooo_oooo_oooo-1111_0000_00(0_0000，同时作为保护时段。本系统采用数据位单脉冲调制，根据每一帧的标志位，可以判断每一帧数据位的起始，完成帧同步要求。4 实验验证根据系统的模拟框图，将实验部分的系统框图搭建完成，在实验室内将系统的误码率测量出来。图4为示波器抓取的可见光信号，可知这个信号具有上述帧头的设计，图中双脉冲的位置为每一个信息帧的帧头，后面的单个脉冲为信息位。，_。I，D。m。V? 曰 西1雩婴J ll f l，：。璺釜一硒l一1 tT,lttut6Hz 2圃68blmmmmDC 1ndl；I ，

18、-Dr 00嘲曛阚赣罄鐾翱_甲一 装4霹黎悫图4通信距离2 m时示波器实时信号图5为信号图(可见光发射装置LED交通灯距离与接收机距离较远的位置)。即在通信距离较远的情况下进行信号抓取。此时的通信距离大约为4 m。I。i”璺叠 Illsj霪gl一1。甓。，IIKt *暗t目 t；*_霉 ?j。气=，罔5 通信m离4 m时示波；|；文时俯详细的实验误码率如图5所示，此时的光强为11 X 105 lx。由图6可知，利用FPGA软件能够准确地接收并存储信号。而且随着传输距离的增加，实验误码率也随之增加，但是误码率始终保持在10。之下，信息传输效果较好，说明带同步帧头的PPM能够很好地应用在室外的LE

19、D交通可见光通信中。(下转第56页)万方数据56 测控技术)2017年第36卷第11期面中完成4“3。人机接口(HMI)界面如图6所示。在工控机中的组态软件MCGS的设备窗口分别添加通用TCPIP父设备，并且在父设备下添加莫迪康ModbusTCP子设备完成4台低速真空轴承跑合实验台的集中控制。ri，-矗_-i_-_-，q。 -。-4 结束语由PLC、伺服电机、组态软件MCGS组成的低速真空轴承跑合实验台的控制系统具有结构简单、性价比高、操作方便、易于实现等优点。其中，PLC可以提高控制系统的稳定性、增强系统的抗干扰能力；伺服电机可以精确控制滚珠丝杆螺母副的运行，保证加载力控制的平稳、准确；MC

20、GS管理机可以直观显示和修改各种参数。与立式的轴承跑合跑合实验台相比，卧式轴承台能够同时跑合两套轴承，提高了轴承跑合的效率。参考文献：1 朱奎，史士财，司圣洁，等固体润滑轴承的变预载跑合系统设计与试验J轴承，2010(8)：35392 李江全组态软件MCGS从入门到监控系统应用35例M北京：中国工信出版集团，电子工业出版社，2015：5393 袁清珂，赵冲，林立仁基于PLC气动式机械手控制系统的设计与开发J仪表技术与传器，2015(11)：59614 吕帅帅，林辉，樊明迪电动加载系统多闭环复合控制J电机与控制学报，2015，19(9)：16225 吴明永，王国伟基于S7-200PLC的定量灌装

21、伺服控制系统J电气自动化，2012，34(6)：82846 吴明亮，潘佳月，张鸿强基于PLC的喷雾降温控制系统J化工自动化及仪表，2016(4)：435438口(上接第52页)图6各种距离下的实验误码率5 结束语根据室外环境下可见光通信的传输方式，建立了完整的基于FPGA的LED交通灯通信系统。将带同步帧头的脉冲位置调制技术运用到室外LED光通信中，通过实验验证得出该方案成功地实现了传输距离4 m误码率始终低于lO。的传输结果，不仅提高了误码率，还提高了信号的抗干扰性。参考文献：1 Nishimoto S，Nagura T，Yamazato T，et a1Overlay coding forr

22、oad-to-vehicle visible light communication using LED arrayand highspeed cameraC201 1 14th International IEEEConference on Intelligent Transportation Systems(ITSC)2011：17041709Wu F M，Lin C T，Wei C C11一Gbs white-LED-based visi-ble light communication employing carrierless amplitude andphase modulation

23、JIEEE Photonics Technology Letters，2012，24(19)：17301732刘景龙基于室外可见光LED交通灯的无线通信系统研究D哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013Wang Y G，Huang X X，Shi J Y，et a1Longrange high-speedvisible light communication system over 100一m outdoor trans-mission utilizing receiver diversity technologyJOpticalEngineering，2016，55(5)焦璐基于FPGA的无线光通信调制技术研究及实现D北京：北京邮电大学，2014丁德强大气激光通信PPM调制解调系统设计D西安：西安理工大学，2005王绪峰可见光通信中基于FPGA的信号处理技术研究与实现D北京：北京邮电大学，2014朱乐君，张江鑫基于FPGA的无线光通信PPM调制系统的设计J光通信技术，2006，30(12)：5759刘广君基于FPGA的LDPC编解码技术研究D长春：长春理工大学，2014口1J1J1J1IJ1J23456789心口Hb哆p万方数据