汽车可见光通信新型传感器

汽车应用中可见光通信的新型接收传感器

Abstract

本文提出了一种易于使用的传感器，旨在用于基于可见光通信的交通安全应用。该领域的一个核心问题是设计一种合适的传感器，以增强信号调理能力，并避免环境条件引起的干扰。本文提出的可见光通信传感器解决了这些问题，实现了中短距离的可靠通信。本文重点介绍硬件方面和低层编码技术。通过对商用交通灯与传感器之间在距离达50米范围内的通信性能进行实验验证，结果表明，在户外配置下，使用两种广为人知的码（曼彻斯特和密勒）且未采用任何纠错码或复杂信号处理的情况下，误码率低于 10⁻⁷。该原型主要面向汽车应用，但通过略微调整系统设计，也可适用于其他户外配置。

Index Terms — 基础设施到车辆通信，鲁棒传感器，智能照明系统，车辆安全应用，可见光通信。

I. 引言

在过去的十年中，半导体行业提升了发光二极管（LED）的性能，推动了可见光通信（VLC）系统的发展。VLC应用的一个重要领域是汽车行业，其中车对车（V2V）和车对基础设施（V2I或I2V）通信对于提高高交通密度下车辆的效率和安全性至关重要，进而有助于改善交通规则和估计。这包括车辆之间关键数据的传输，例如有关车辆状态（例如制动、速度、加速度、发动机故障）或交通状况（例如交通信号灯状态、交通事故、交通拥堵、线路施工）的信息。智能交通基础设施的发展是未来的重要挑战。

VLC系统由于其高性价比、易用性以及能够利用现有的车辆/基础设施照明系统进行开发，因此非常适用于车对车通信和车对基础设施/基础设施对车通信。最近，大量研究工作致力于车辆与交通信号灯之间的通信系统[1–6]的开发，甚至扩展到大型基础设施的设计，例如配备智能交通信号灯的车载自组织网络（VANETs）[7]。该领域的主要挑战是提高数据传输速率并降低错误率，这一点在智能交通系统中的近期标准化努力中有所体现，例如 IEEE 802.11p[8]和IEEE 802.15.7[9]标准。

图1展示了可见光通信在高速公路配置中的一个应用示例。安全车辆在损坏的车辆附近行驶，并在此区域周围传输信息。邻近车辆使用光传感器接收数据，并通过自身的前灯/尾灯将数据进一步发送给下一个最近的邻近车辆。数据因此在整个高速公路上传播。交通基础设施也参与了信息的广播。此外，车辆之间还可以就其机械状态或其他问题进行通信，以增强交通安全性和安全性。

本文主要关注可见光通信接收模块。由于新一代车辆已经配备了用于行人和车道检测的摄像头，因此将这些嵌入式摄像头用作可见光通信接收模块是相当直接的。然而，汽车行业使用的相对低成本摄像头，其噪声性能低于独立的光电元件，并且每秒帧数（fps）有限。此类基于摄像头的可见光通信系统仅能在1–2米的距离内实现非常低的数据速率[10, 11]。当使用高速摄像头时可获得更好的结果[12, 13]，但它们对于在汽车行业的广泛普及而言仍然过于昂贵。另一方面，光电探测器在噪声性能方面表现良好，可用于长距离通信。然而，远距离通信需要对位置进行主动控制，而这又要求能够检测交通灯的位置。在[14]中，他们通过使用低成本摄像头实现了这一目标。另一种可能的解决方案是采用光电二极管阵列结合自适应波束成形算法，如[15]中所提出的方案。

尽管在理论发展方面已开展了大量研究工作[1–19]并取得了进展，但在各种环境条件下进行实验验证的可见光通信原型仍相当有限。本文提出了一种用于室外可见光通信应用的新型传感器模块，重点聚焦于硬件层，并采用低层编码技术。该研究的初步结果已在[20]中进行了总结。文中提供了所提出的可见光通信传感器的实验验证，测试条件接近预期应用中的实际环境，涵盖室内和室外场景。该传感模块已在传输链路上进行了测试，使用了标准曼彻斯特码以及适用于多输入多输出（MIMO）应用的米勒码，如[21]所述。实验结果非常令人鼓舞：在中等阳光照射下，未使用任何纠错码的情况下，中程通信链路的误码率低于 10⁻⁷。若采用基于直接序列扩频（DSSS）技术或伪噪声码的纠错码模块，如[1, 2, 22]所述，则最终误码率可达到 10⁻⁸–10⁻⁹甚至更低。

II. 所提可见光通信传感器的设计

所提出的传感器必须能够在考虑远距离室外可见光通信应用带来的两个主要限制条件下正常工作。第一个限制是接收功率受限。在这种情况下，发射功率仅取决于具体应用和人眼安全规范，因此增加发射功率并非可行方案。第二个问题是环境干扰对链路的影响。如[23, 24]所示，室外可见光通信信道受到人工光源和太阳辐射的显著影响。背景光不仅引入了强烈的直流分量，同时也是散粒噪声的主要来源。此外，强阳光可能导致光电元件饱和，从而中断通信。因此，针对这些问题，在所提出传感器的研发过程中，一个特别目标是提高对噪声的鲁棒性并防止饱和。

A. 接收器传感器的功能框图

所提出的传感器旨在为在各种环境条件下工作的中距离可见光通信系统提供一种相对低成本的解决方案。其功能框图如图2所示，包括一个光学收集系统、用于信号接收的电子前端、自适应模拟信号调理部分，随后是模数转换器和信号处理单元。输入信号可以是由LED交通灯在距离达50米处发送的红光或绿光。光学收集系统主要由一个用于减少来自侧面环境光的遮罩和一个将光线聚焦到光电二极管敏感区域的透镜组成。预计接收角度为±10°。采用一种低成本、响应速度快的硅PIN光电二极管作为光电探测器，并通过跨阻方案连接至一个低成本前置放大器，以对信号进行预调理。在此级，增益值经过计算，以防止即使在阳光直射条件下光电二极管发生饱和，这一点已通过实验验证。当入射光强度在不会使光敏元件饱和的范围内时，增益会增加。该前置放大单元可确保在通信距离达50米时，输入电信号幅度达到数十毫伏量级。其特征带宽低于100千赫，但如有需要，可通过更换光敏元件或运算放大器显著提升。然而，当前带宽已足够，因为设想的道路应用中所需传输数据速率通常低于100千比特/秒，同时背景光噪声的影响也因此受到限制。

光学收集系统，ii) 带有跨阻放大板的电子前端用于信号接收，iii) 带有微分部分的模拟调理信号，iiii) 数字转换和信号处理，具有自适应控制功能（增益、截止频率和触发）)

传感器的第二阶段是模拟调理电路板。模拟带通滤波器抑制了由于日光或人工光源扰动引起的偏移，并滤除了高频噪声。传感器的主要组成部分之一是自适应微分模块，该模块放大信号边沿，使得重建过程主要基于脉冲宽度而非脉冲幅度，如图3所示。重建信号时更多依赖于信号边沿而较少依赖于脉冲幅度，这一改进使所提出的传感器对输入信号的功率依赖性降低。这使其适用于汽车领域以及其他发射器–接收器距离波动从而导致接收功率变化的移动应用。所采用的信号处理技术基于传统方法，仍然使用带通滤波器。然而，在本例中，滤波器并非最佳匹配。最佳匹配带通滤波器确实能有效抑制直流分量，并去除高频散粒噪声和热噪声。除了去噪之外，这类滤波器还会使信号边沿变得圆滑，输出准正弦信号。但在低信噪比(SNR)情况下，所产生的正弦波质量会受到强烈噪声的严重影响。此外，考虑到编码信号（例如使用曼彻斯特码或密勒码），根据数据的不同，编码会产生不同宽度的脉冲。如第二节B部分所述并在第三节C部分通过实验所示，窄脉冲对应的频率是宽脉冲对应频率的两倍。在这种情况下，滤波对不同类型脉冲宽度的影响略有不同。因此，使用此类信号进行触发可能会影响脉冲的宽度。

另一方面，高通滤波微分法具有显著优势。该原型旨在适用于室外环境，在这种环境中，阳光是一个主要障碍，会引入高直流分量以及很强的散粒噪声分量。高通微分能有效去除直流噪声分量。此外，微分还有助于实现精确边沿识别。该方法在低信噪比下非常有效，因为它最小化了噪声对脉冲宽度的影响，限制了失真。该方法的主要目标是对边沿进行放大，而不是将噪声与信号完全分离。

接下来，自动增益控制(AGC)单元使传感器能够正确接收来自不同距离和信噪比（SNR）的信息。AGC提供一种互补增益，其值根据输入信号功率进行调整。自动增益控制级的输入是一个与先前导出信号幅度成正比的直流信号。信号调理阶段与信号处理阶段相连，持续传输有关信号幅度的信息。在此层级，传感器包含一个模数转换器 (ADC)和一个低成本8位微控制器（Microchip 18F2550）。根据信号的电平，微控制器使用精确算法来选择模拟调理板的参数值。根据幅度的不同，采用自适应增益和互补滤波被选中。

接下来，触发基于先前放大的边沿进行。生成的信号被传输到主信号处理单元，该单元根据脉宽测量执行消息解码。脉宽测量由微控制器基于高频时钟完成。此过程及决策算法在实验部分中详细说明，因为它们依赖于下一小节中介绍的编码。

B. 关于编码的讨论

已实现两种编码：双相位曼彻斯特编码和米勒码。选择曼彻斯特编码是经过充分论证的，因为它是IEEE 802.15.7标准[9]中规定的编码。根据该标准，曼彻斯特编码非常适用于室外低数据率应用，例如车辆间通信。尽管曼彻斯特编码具有诸多优点，但与其他编码相比，其带宽需求较大。基于这一事实，并考虑到未来对MIMO可见光通信应用的需求，我们还选择了实现并研究米勒码的性能。米勒码可由曼彻斯特编码简单构造而来，并具备曼彻斯特编码的大部分优点。此外，米勒码还具有带宽高效特性，为MIMO应用提供了可能。此外，如[25]中详细所述，米勒码引入的闪烁效应相当有限，使其在室外应用中使用更为安全。这两种编码均采用开关键控（OOK）配置，非常适合短距离或中距离单工通信，在此类通信中无需通过更复杂的频率或相位调制技术来提升信噪比（SNR）。开关键控调制也适用于数十千赫兹的数据速率，这对于预期应用而言已足够。

这两种编码的功率谱密度（PSD）S(f)分别由公式1和公式2表示：

$$
S_{\text{Manchester}}(f) = \frac{A^2}{2} \cdot \frac{\sin^2(\pi f T)}{(\pi f T)^2}
\tag{1}
$$

$$
S_{\text{Miller}}(f) = \frac{A^2}{2} \left[ 1 + 8 \cos(2\pi f T) + 2\cos(2\pi f T) + 2\cos(4\pi f T) + 2\cos(6\pi f T) + 2\cos(8\pi f T) \right]
\tag{2}
$$

其中 $ A $ 是信号幅值, $ T $ 是调制周期，$ f $ 是计算功率谱密度时的频率。

对应的频谱如图4a所示，针对两个选定的调制频率。为了便于阅读，曼彻斯特编码的曲线已被反转，因此呈现负值。根据信号幅度的不同，频谱可按因子K进行缩放，为简化起见，该因子已包含在功率谱密度（PSD）单位中。从图4a明显可以看出，米勒码所需的总带宽约为12千赫，显著小于曼彻斯特编码两个通道所需的27千赫。对于图4b所示的米勒码五个通道仿真，可以识别出总带宽低于150千赫，同时五个子载波可由带通滤波器轻松滤除。作为米勒码的一般规律，其功率谱密度（PSD）大约为调制频率的2/5。这两个图示说明了米勒码在信道利用方面的高效性，突显了其在未来多输入多输出（MIMO）应用中的前景。

在我们的原型中，微控制器可以在曼彻斯特和密勒编码之间切换，以测试不同的配置。这两种编码的时序特性对于检测板也非常重要，以便在不使用复杂解码算法的情况下设计电子电路。

传输的主要参数是数字位的基本时刻的宽度。对于曼彻斯特编码，只有两种符号（上升沿和下降沿），导致仅有两种宽度组合：要么一个基本位宽度，要么两个位宽度。对于米勒码，其记忆效应导致三种可能的组合：要么一个基本宽度，要么一个半宽度或两个宽度[26]。这些特性在第三节中进行了利用和详细说明。

C. 传动试验台描述

已开发出一个通用的可见光通信测试平台（见图5），包括前述的接收器和一个发射器，该发射器可以是汽车刹车灯（红灯）或商用交通信号灯——可在红灯或绿灯之间切换——并通过简单的数字开关进行功率调制。所有组件均以其低成本、紧凑性以及与工业原型的兼容性为选择依据。光源通过低成本微控制器（Microchip公司的18F2550）控制，采用开关键控调制进行电流调制，并依据前文所述的编码方式进行工作。数字帧的结构如图5所示，帧开头包含多个同步位，用于通知接收板即将接收消息已发送。帧的其余部分由起始位和停止位组成，并包含一个附加标志，用于提供数据帧长度的信息。发射器和接收器通过 USB 连接与 PC 接口。

III. 实验结果与讨论

实验测试在室内和室外进行，主要目的是在各种环境条件下验证可见光通信原型。接收器根据信号头中提供的码信息实时解码数据，并进行后处理和误差计算。

A. 实验1 – 灵敏度测定

在第一组实验中，使用接近IEEE 802.15.7标准最低值的调制频率（11.67 kHz）发送特定消息。图6展示了传感器预处理阶段的噪声敏感性，其中绘制了短距离（10米）室内通信中检测到的Miller编码信号的频谱与纯噪声频谱的对比。实验结果显示，在3 kHz以上的频率范围内具有良好的信噪比和约–80 dBm的灵敏度。由于该传感器设计用于接近标准最低频率（11.67 kHz）下工作，当频率升高至22 kHz以上时，灵敏度开始下降，导致信号幅度降至与噪声幅度相当的水平。在中间区域，数据信号的灵敏度足够高。关于噪声，可以观察到其幅度在整个相关频段内呈线性趋势。

B. 实验2 – 移动性评估

第二次实验的目的是测试自动增益控制级的功能。在这些实验中，改变了发射交通灯与接收器之间的距离，并监测了接收器的响应。在改变发射器与接收器距离的同时，微控制器实时计算增益值，并在板上命令选择相应的增益。图7展示了在某些距离下该增益值受影响的结果。

可以看出，该阶段的增益在最短和最长距离之间被放大了10倍。设置放大因子的目的是使信号幅度保持在阈值范围内。阈值是通过实验确定的。观察发现，当信号降低到其原始值的一半甚至更低时，信号重建过程仍不受影响。这是因为，正如前面所述，触发主要依赖于对上升沿和下降沿的识别，而非信号的幅度。因此，即使距离减小20倍，导致信号的幅度（在此点）降低，放大因子为10也足以将信号电平维持在最佳阈值范围内。

当执行自动增益控制（AGC）时，系统会实时响应输入信号强度的变化。这使得系统能够在整个服务区域（SA）范围内保持良好的误码率（BER）。实验结果表明，当禁用自动增益控制级时，若预设增益过低，则通信范围会减小；反之，若预设增益过高，则在短距离情况下系统将不适用，例如汽车过于靠近交通灯时，可能导致传感器饱和。

C. 实验3 – 脉宽测量

在第三组实验中，分析了脉冲宽度的分布情况。如II C节所述，曼彻斯特编码在统计上导致消息由两个主要的脉冲宽度组成，这两个脉冲宽度被前沿边沿分隔。在本例中，基本调制宽度约为400个微控制器时钟节拍。微控制器时钟的精度和稳定性足够好，因此无需进行发射器与接收器之间的同步。图8展示了使用曼彻斯特编码（a）和米勒码（b）发送约5000比特时测得的脉冲宽度实验分布。

在曼彻斯特编码情况下可观察到两组峰值，一组位于约400个时钟节拍，另一组位于约800个时钟节拍。由于触发阈值的不对称性导致低电平和高电平触发值的不同，每组又分为两个子组。尽管这种不对称性并非必需，但它提供了一种方便区分低电平和高电平值的方法。由于这两组峰值彼此分离，微控制器能够以较高频率计数脉冲宽度，从而轻松恢复数字信息。在米勒编码配置下，可见三组峰值，分别位于约800个、1200个和1600个时钟节拍处，每组同样分为对应于低电平和高电平触发值的两个子组。这些分布有助于调整嵌入式微控制器软件中检测阈值的容差参数。

曼彻斯特情况，b) 密勒情况。可以看出，曼彻斯特情况下的分布可明显分为两组（每组包含两个子组），而密勒情况下可分为三组（每组均包含两个子组）。数据以时钟节拍数量为基准绘制，其精度取决于微处理器时钟，且可通过更高的时钟频率加以提升)

D. 实验4 – 误码率（BER）测定

第四组实验用于测试误码率（BER）。通过重复发送64比特，获得包含一千万比特的数据集，并将接收到的比特与原始比特进行比较。测试交替使用红光和绿光进行，产生的误码率低于 10⁻⁷，适用于大多数道路应用。通过使用错误检测码、相关技术或冗余码，可进一步改善误码率。然而，我们的重点是评估传感器的性能。测试在室外和室内（走廊内有产生强100赫兹寄生信号的人工霓虹灯）进行，主要结果总结于表I。

室内测试在走廊中进行，由于可用空间有限，范围限制在20米内。目的是评估传感器相对于位于走廊内、接收器上方1.5米处的霓虹灯的鲁棒性。当灯开启时，光电探测器模块上残留的100赫兹信号被良好滤除，无任何影响导致误码率低于 10⁻⁷。当灯开启或关闭时，由于瞬态脉冲可能影响帧结构，可能会出现一些错误，但这些是次要缺点。红光和绿光表现出相同的性能。

户外测试已在不同的阳光照射条件下进行，测试距离最远达50米。在整个服务区域内，传感器能够将误码率保持在10⁻⁷以下，实现了稳定的通信，这主要归功于自动增益控制级。前端预处理级即使在中等强度阳光下也成功防止了饱和现象的发生。

该传感器对绿光的性能较低，相应的最大距离约为36米。这由三个因素导致：光电探测器对绿光波长的灵敏度低于红光波长 [23]；太阳光谱在绿色波段的干扰比红光波段更强；所使用的透镜经过轻微的色差处理，导致红光的透射系数更优。我们计划在未来通过采用更高增益或塑料滤色技术来改善这一点，以降低太阳光的影响并提高信噪比，即使对于绿光也是如此。最后需要注意的是，我们所使用的交通信号灯为商用型号，而非像其他研究中使用的定制模型 [1–5]。在使用定制交通信号灯的情况下，可调节光强、发光角度等参数，从而提升系统性能。

这些结果表明，该原型非常适合用于短距离或中距离达50米的数据传输。结果显示，对于发送的 10⁷比特数据，曼彻斯特和密勒编码均无错误。基于这些结果还可以得出结论：所提出的传感器适用于鲁棒性比数据速率更重要的应用场合，例如车辆通信。

与其他研究不同，本系统的性能及其在室外可见光通信中的适用性是通过密集实地测试而非数值分析或仿真来进行验证的。这使得所提出的传感器在未来工业项目中的应用具有更高的兼容性。

IV. 结论

本文提出了一种用于户外可见光通信的高效传感单元原型。该传感器在多种条件下进行了测试，以验证其在自然光和人工光源存在下的可靠性。从硬件部分来看，该原型在距离高达50米的情况下实现了低于10⁻⁷的误码率（BER）结果。这些结果非常有前景，因为在测试中未使用任何纠错码。需要指出的是，尽管目前已有少数其他系统与所提出的系统类似，但本系统的优势在于实现了最低的原始误码率之一。此外，它能够在整个服务区域范围内将误码率维持在10⁻⁷水平。在此情况下，传感器的性能受限于光电二极管检测灵敏度。这证明了所采用的技术即使在低信噪比（SNR）条件下也十分适用。关于这一问题，实验已表明无论是人工光源还是中等强度阳光，都不会影响通信。该研究项目的下一阶段涉及在实际道路配置中实施嵌入式系统。光学部分由法雷奥公司合作制造，同时也设计为多功能的，还可作为车辆间距传感器使用。