可见光通信中曼彻斯特编码抗频闪研究.pdf

LED可见光通信系统（VLC）利用LED器件对亮灭状态能高速响应的特点，将LED点亮状态用“1”表示，将LED熄灭状态用“0”表示，通过快速切换亮灭进行信息传递。由于LED闪烁频率大于100 Hz以上时，人眼的感光细胞就难以分辨，并认为是持续常亮状态，因此，LED在用于传递信息的同时，亦不影响照明功能，且该技术具有传输数据速率高、不受电磁波干扰、频谱无需授权、保密性好等优势，目前，已成为无线通信领域的一个研究热点，得到飞速发展1-6。但该技术在全球引起众多关注的同时，也给予研究者巨大的挑战，其中之一即为可见光通信频闪效应带来的影响不容忽视。IEEE对LED等照明设备频闪有专门的评价，并在IEEE Std 1789-2015标准中规定了照明设备的频闪风险等级7-8。文献 9 指出照明设备的频闪控制不当会使人出现不适并造成错觉，甚至引发头痛、癫痫等症状。文献 10 对于有效改善频闪效应，提出一种基于8B/10B的信道编码解决方案，但由于8B/10B信道采用既定的查表方式，若可见光通信过程传输大量相同的码元段，则编码输出也相同，亦可能出现频闪。文献 11 提出一种基于4B/6B的信道编码方案，也采用查表方式，将从0000-1111的16种4B数据转为固定的6B数据，思路与文献 10 类似，因此也存在频闪可能性。为了改善可见光通信的频闪效应，文献 12 提出一种频域信号处理方法来削弱LED的闪烁，通过傅里叶变换提取370 Hz的低频分量，并逆向恢复，但该方法也因此增加了微控制器的代码复杂度。一、可见光通信的频闪现象LED可见光频闪现象（LED灯出现闪烁并被人感知到）产生的原因是发光二极管的PN结存在动态电阻和结电容。当LED端电压输入的高电位或低电位时间不均匀时，内部等效电容充电或放电的时间发生改变，即LED端电压上升/下降时间发生改变。也即LED驱动板的码元序列均匀传输“0”可见光通信中曼彻斯特编码抗频闪研究刘正翔（福州职业技术学院智能工程系，福州350108）摘要：为解决可见光通信中的LED频闪使人感到不适的问题，文章提出一种基于曼彻斯特编码的抗频闪改进方法，并搭建平台验证其可行性。通过高速摄像机对编码前后频闪现象进行录制，并随机截取550帧数据，使用Matlab分析每个帧图像的灰度对比。实验表明，编码前的帧图像灰度均值在55至70呈现毛刺状剧烈波动，而编码后该值稳定在6065，视频帧灰度值均化程度大大优于编码前的灰度值曲线。改进后的编码在传输速率增加至2 Kbps后，即便在摄像机下观察，也不会出现LED频闪现象，由此验证本方案的有效性。关键词：LED可见光通信；低闪频；曼彻斯特编码中图分类号：TE927文献标识码：A文章编号：2095-6584-（2024）01-0093-04收稿日期：2023-11-03基金项目：2023年福州职业技术学院科研项目“物联网中数据融合技术研究”（FZYKJJJYB202307）作者简介：刘正翔（1982-），男，福建福州人。副教授，硕士，研究方向：LED可见光通信系统。2024年2月第23卷第1期襄阳职业技术学院学报Journal of Xiangyang PolytechnicFeb.，2024Vol.23 No.193第23卷第1期襄阳职业技术学院学报2024年第1期和“1”电平时，LED端电压上升/下降的频率维持恒定，当该频率大于100 Hz以上时，人眼识别不出其闪烁状态，也对人体没有影响；若传输码元序列不均匀，出现连续多个的“0”或“1”，必然使得LED端电压出现持续的高或低电平状态，LED在此刻明显出现亮暗交替，即出现了LED频闪现象。二、曼彻斯特编码抗频闪原理由于出现频闪的原因在于发射码元序列出现多个连续的“0”或“1”，若将它们按一定规则，编码成均匀出现的“0”或“1”序列，即可消除频闪效应。曼彻斯特编码完美地“拆散”连续的“0”“1”序列，它将每个二进制码元用电平跳变的方式来表示，即将数据位“0”编码为电平从高到低的跳变：“高低电平”；将数据位“1”编码为电平从低到高的跳变：“低高电平”。如图1所示，把4个连续的“0000”编码成“10101010”。-4-1110000000011110图1曼彻斯特抗频闪编码曼彻斯特编码虽然设计简单，且有效解决频闪问题，但它将1个bit变成2个bit，也即要传输的码元序列由原来的N个变成2*N个，传输效率大大降低，仅为编码前的50%。三、本文编码的改进思路在LED可见光通信系统中，理论上同样的数据码元传输序列，传输速率越高，产生频闪现象的概率越低，一般通信系统的传输速率大于500 bps。本文为验证编码改进方案能否有效改善频闪效应，假定该系统码元传输速率仅约为500 bps，则该系统只要出现连续“0”或“1”的码元个数大于4，就可能导致LED闪烁频率在100 Hz左右，从而被人眼识别到频闪。现将LED要发送的码元序列按字节存储（软件设计以字节为单位发送），当要传输的下一个字节8bit中，若出现连续“0”或“1”的bit个数大于4，则将该字节进行曼彻斯特编码后再发送，其他情况均不做曼彻斯特编码，如图2所示。以传输100个字节数据为例（软件设计以字节为单位），若出现4个以上连续的“0”或“1”的字节数为5，则改进的曼彻斯特编码抗频闪方案一共传输的字节数为105个，传输效率约为95.24%，较曼彻斯特编码的50%，大大提高了传输效率。E173+LEDEA7E=4-EU图2抗频闪编码改进流程图四、抗频闪改进编码测试（一）实验装置搭建为验证本文改进方案对抗频闪效应的改善是否有效，搭建可见光通信中的LED发射测试平台，如图3所示。图3可见光抗频闪测试实验装置图图3为LED可见光抗频闪测试装置图，图中上方为普中STC89C52系列单片机开发板，晶振频率12 MHz，最小识别时间1 us，完全满足本实验发射频率要求。该单片机软件对数据进行编码，输出码元序列传输至LED发射模块。图中下方为LED可见光发射模块，其接收CPU传输来的码元序列，通过LED发射出去。该模块灯珠采用5 mm高亮LED，型号为NSPB500AS；驱动LED的三极管则采用高频功率管，其型号为MRF284，开关速度最高达到2 GHz，满足本实验发射频率要求。图中对94刘正翔：可见光通信中曼彻斯特编码抗频闪研究LED灯珠外加聚光透镜，以获得更好的聚光效果。（二）实验数据与分析为测试方案的有效性，实验降低传输速率，先用STC89C52系列单片机产生速率为500 bps、宽度2 ms的循环码元序列（固定5个字节，其中有1个字节连“0”个数超过4），这意味着未编码前LED发射频率可能小于100 Hz。根据IEEE Std 1789-2015标准，存在小于100 Hz的信号会引起高风险频闪现象，也即可能产生频闪效应，使人眼感觉不适。实际上，因本实验装置在编码前循环发送的码元序列存在4个以上连“0”或连“1”情况，肉眼即可辨别其存在明显频闪现象。为记录编码前后频闪现象的差异，本实地场景测试使用4K高速摄像机，以每秒超过300帧的速率进行高速摄影，对编码前后的LED频闪情况分别进行录制，将其视频文件截取约550帧数据进行分析，并将图像序列导入Matlab处理。Matlab读取MP4格式视频文件并计算帧的总数，将每个视频帧转为灰度图像，进而逐帧计算平均灰度值，取相同坐标点灰度值进行对比，即将编码前后的闪频与否情况，转化为灰度值的对比。出现频闪现象的LED视频必然出现图像画面的快速亮暗交替，导致视频帧转为灰度图像后，其灰度值出现快速波动变化，而频闪改善后的视频灰度值则相对稳定。图4编码前后视频灰度对比如图4所示，由于编码前的序列存在频闪现象，其灰度值的峰峰值呈现“毛刺”频繁出现，且灰度值在55至70之间上下波动剧烈。而编码方式改进后的序列中，对应的视频帧灰度值均化程度大大优于编码前的灰度值曲线，且灰度值大部分稳定在60至65的范围内，也不再出现大范围“毛刺”现象。由此得出，本系统的改进编码对抗频闪起到较好的抑制作用。图5编码前后录制视频的灰度对比为更好地测试改进编码效果，调整光照强度并编程将数据传输速率设置为1 Kbps，分别录制编码前后的视频并导入Matlab分析。如图5所示，测得编码前图像帧的灰度值依旧在22至27之间波动，但波动较为平稳。虽然肉眼无法察觉闪烁，但摄像头依旧可检测出其闪烁传输状态。而该速率下的编码改进效果较为明显，编码后的灰度值几乎稳定在2527。由此得出，编码后的LED可见光在该速率下传输信息非常稳定，不会造成LED端电压异常波动。进一步测试表明，当LED可见光通信传输速率从1 Kbps向2 Kbps增加过程中，图像帧灰度值在25至27范围的2个灰度值间波动，变到2 Kbps速率下时，几乎成为一条稳定直线。只有当约第80帧时出现轻微波动，如图6所示。由此可见，LED可见光通信中，以字节为单位的发射序列下，当传输速率超过2 Kbps后，使用本编码改进方法即便打开高速摄像机观察，也几乎可以忽略频闪现象，不会对人体造成不适。图6传输速率大于1 Kbps的灰度对比五、结束语本文通过分析现有的基于曼彻斯特编码的抗95第23卷第1期襄阳职业技术学院学报2024年第1期频闪编码方法，搭建LED可见光通信发射平台验证本文编码改进方案的可行性。通过高速摄像机录制编码前后的视频，导入Matlab进行分析图像帧的灰度值。实验表明，当传输速率在500 bps时，编码前的灰度值在5570间呈现“毛刺”状剧烈波动，即由频闪导致；而编码后视频帧灰度值均化程度大大优于编码前的灰度值曲线，该值稳定在6065，由此频闪现象得到改善。而该方法中，将传输速率增加至2 Kbps后，灰度值波动十分稳定，即便在高速摄像机下观察，也不会出现LED频闪现象，由此验证了本文编码改进的有效性。参考文献：1TANAKA Y，HARUYAMA S，NAKAGAWA M.Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home linksC/The 11th IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.London：IEEE，2000：1325-1329.2 施剑阳，牛文清，徐增熠，迟楠.面向6G的可见光通信关键技术 J.无线电通信技术，2021（6）：692-697.3 迟楠.LED可见光通信技术 M.北京：清华大学出版社，2013：1-7.4 Haruyama S.Visible Light Communication J.The Journal of The Institute of Image Information and Television Engineers，2010（9）：1337-1338.5 迟楠，卢星宇，王灿，等.基于LED的高速可见光通信 J.中国激光，2017（3）：7-18.6 迟楠，石蒙，哈依那尔，等.LiFi：可见光通信技术发展现状与展望 J.照明工程学报，2019（1）：1-9，14.7 王珏敏，赵威梓，阳帆.基于光谱分析的电光源频闪研究 J.激光与光电子学进展，2019（20）：328-333.8 IEEE.Recommended practices for modulating current in high-brightness LEDs for mitigating health risks to viewers：IEEE Standard：1789-2015 S.New York：IEEE Press，2015.9 陆世鸣，刘磊，俞安琪.照明产品的频闪分析及对功能性照明的影响 J.灯与照明，2014（4）：22-27.10 汪弈舟，黄明，张轩，等.一种改善室内可见光通信频闪效应的设计与实现 J.工业技术创新，2019（4）：61-65.11 陈汀，孙辰，杨辉.可见光通信中频闪现象的解决方法研究 J.光通信技术，2016（10）：29-32.12 王保柱.低频闪OOK可见光通信系统的研究 D.南京：南京邮电大学，2022.Research on Improving Anti-stroboscopic Coding in Visible LightCommunicationLiu Zhengxiang(Fuzhou Polytechnic,Fuzhou Fujiang 350108,China)Abstract：In order to solve the discomfort caused by LED stroboscopic in visible light communication,animproved anti-stroboscopic method based on Manchester coding is proposed,and a platform is built to verify itsfeasibility.Record the flicker phenomenon before and after encoding using a high-speed camera,and randomlycapture 550 frames of data.Use Matlab to analyze the grayscale comparison of each frame image.The experimentshows that the average grayscale of the frame image before encoding exhibits sharp fluctuations in a burr likemanner between 55 and 70,while the value stabilizes between 60 and 65 after encoding.The degree ofhomogenization of the grayscale value of the video frame is much better than the grayscale value curve beforeencoding.After the improved encoding increases the transmission rate to 2Kbps,even when observed under thecamera,there will be no LED flicker phenomenon,thus verifying the effectiveness of this scheme.Keywords：LED visible light communication;low flash frequency;Manchester Code（责任编辑：张英杰）96