车载可见光通信数据传输系统的新型应用探索

逍遥设计自动化

引言
可见光通信（VLC）是新兴的无线技术，利用LED传输数据。虽然VLC已在室内网络和车对车通信等领域得到应用，本文将介绍新用例 - 利用VLC进行车内数据传输。探讨新颖的系统，利用汽车的环境照明为乘客提供无线连接。
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系统概述车内VLC系统由两个主要部分组成：1. VLC发射器：集成在汽车天花板的环境照明系统中2. 移动VLC接收器：乘客用于接收数据的手持设备
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图1：VLC系统概览
如图1所示，VLC发射器使用3W RGB LED生成光，然后通过嵌入汽车天花板的500根光纤分配。这不仅提供环境照明，还能传输数据。VLC接收器使用光电探测器捕捉光信号并将其转换回数据。
VLC发射器设计该系统的主要创新在于使用光纤分配单个LED的光，而不是在整个汽车中使用多个LED。这种方法有几个优点：1.与使用多个LED相比，成本更低
2.简化了布线和电源分配
8 V& X1 t$ Q- g2 X; g+ J3.光纤照明的美学吸引力
# q1 i, t% o6 B  ^发射器使用1008 MHz ARM Cortex M7微控制器，通过开关键控（OOK）调制和曼彻斯特编码对数据进行编码。这确保了一致的光强度，避免了可见的闪烁。

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) t. h+ ~; e& Q" B9 c图2：车内光纤照明系统图2展示了车辆中光纤照明系统的最终实现。500根光纤在汽车天花板上创造了星光效果，同时也传输数据。
6 j, U" _& O, n2 W2 iVLC接收器设计移动VLC接收器使用PIN光电二极管检测光信号。主要组件包括：PDA100A2放大探测器，带宽11 MHz
IR滤光片，减少阳光干扰
放大和滤波阶段
1008 MHz ARM Cortex M7微控制器用于信号处理
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接收器可以达到250 kb/s的数据速率，并进行实时误码率（BER）分析。

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- G3 a+ ?% P1 m- z# h$ X9 N  u图3：提出的车内可见光通信系统示意图
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$ y# Y" h4 z. A2 U! ]* s0 `9 r9 @图4：车内环境光可见光通信发射器的硬件实现：（a） 在车顶安装光纤；（b） 调整车顶内的光纤；（c） 基于光纤分布式光的最终车内光无线数据传输系统

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图5：可见光通信接收器原型：（a） 集成光接收器前的侧视图；（b） 完整的VLC接收器原型
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图6：VLC信道直流增益估算示意图性能评估研究人员进行了广泛的测试来评估系统的性能。主要结果总结在表1中：表1：VLC系统性能总结

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该系统在距离高达80厘米时实现了250 kb/s的数据速率，误码率（BER）低于10^-7，这覆盖了从汽车天花板到乘客的典型距离。
1 _; `9 [+ t1 P1 B& _2 |, b+ i研究人员还分析了整个车辆的信噪比（SNR）分布：
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- r9 k( {4 h4 V2 q+ v; c图7：车内SNR分布如图7所示，整个车辆的SNR范围从17到26 dB，为所有乘客提供了良好的覆盖。

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% M* x: Z. b$ M9 O' R图8：光谱分析：（a） VLC发射器红光；（b） VLC发射器绿光；（c） VLC发射器蓝光；（d） VLC发射器白光

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  m- ?9 W/ Z+ ]7 m图9. VLC信道的光谱分析：（a） 室外下午条件；（b） 车内条件未来发展方向这个原型展示了利用VLC进行车内数据传输的可行性，但仍有几个需要改进的领域：1.提高数据速率：目前250 kb/s的数据速率可以通过波长分复用（WDM）或更先进的调制方案来提高。
4 }  |" l* ]5 r' U. m2.双向通信：添加红外上行链路可以实现双向通信。
/ g2 V7 h  @# }5 V3.多用户支持：系统可以扩展以支持多个同时用户。
4.与现有车载系统集成：VLC系统可以与汽车的信息娱乐系统或其他车载计算机集成。
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3 G0 Q7 d- `+ x% K% e3 q! @' c: r( \结论本文介绍利用可见光通信进行车内数据传输。通过利用汽车的环境照明系统，可以为乘客提供无线连接，而无需额外的功耗或显著增加成本。虽然在商业部署之前还需要进一步的开发，但这项技术在提升未来汽车的车内体验方面展现出巨大潜力。
参考文献[1]C. Beguni et al., "In-Vehicle Visible Light Communications Data Transmission System Using Optical Fiber Distributed Light: Implementation and Experimental Evaluation," Sensors, vol. 22, no. 18, p. 6738, Sep. 2022, doi: 10.3390/s22186738.
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