可见光通信!230

可见光通信!230 室内可见光通信系统设计 前言 在21世纪高速数据通讯在人们生活中将起到至十分重要，即人们会需要在任何时间，任何地点快速得到大量多媒体信息。由于在工作中，团队合作至关重要，对办公室的通信系统要求以及多媒体信息的共享需求将会快速增长。随着电器设备的无线化以及家庭无线连接的应用，人们可以在家里任何一处登录全球信息网。由于宽带资源有限，在改良设计系统时应考虑其它方式.可将光通信技术是一种以白光LED技术为基础发展起来的，新兴的无线电通信技术。 可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)是指利用半导体LED响应速度快的发光响应特性，将信号调制到LED可见光上进行传输，使可见光通信与LED照明相结合构建出LED照明通信两用基站灯，也为光通信提供了一种全新的的宽带接入方式。可见光通信可分为室内可见光通信和室外可见光通信两大类。白光LED 具有功耗低、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。和传统照明光源相比，白光LED 又具有响应时间短、具备高速调制的特性。基于白光LED 的室内可见光无线通信系统和网络，可以实现照明和通信的双重作用。目前，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但与可见光通信的实用还有一定的距离，系统的各项性能有待进一步优化。 本文正是基于这样一个新的光通信技术而成，全文共分5章。第1章主要介绍了基于LED的室内可见光无线光通信研究的意义，国内外研究现状，以及可见光与自由空间光通信及红外通信的比较。第2章 可见光通信基本理论，主要介绍了室内可见光通信基本原理和可见光通信链路以及可见光通信系统中存在的多经效应和码间干扰，最后确定信道模型。 第3章 室内LED光源布局设计，主要介绍了LED光源相关理论，单芯片LED和多芯片LED的比较，以及LED内部LED灯的个数。第4章 LED光源室内可见光通信系统设计，主要讲述了可见光发射端，接收端系统设计，以及相关的关键技术的选择。 本篇在写作过程中参阅了许多国内外研究资料，也借鉴了很多前辈大量的研究成果。由基于作者水平所限，本书本篇论文难免有错误或不当之处，敬请各位老师批评指正。 目 录 第1章 绪论 1.1引言 1.2 可见光通信历史及现状 1.3 常用无线光通信的比较 1.3.1 可见光与自由空间光通信相比较 1.3.2 可见光与红外通信相比较 1.4 论文研究的主要内容 第2章 可见光通信基本理论 2.1 室内可见光通信基本原理 2.1.2 室内VLC基本原理 2.1.2 室内VLC系统简介 2.2可见光通信链路 2.2.1 室内可见光通信基本链路 2.2.2 室内可见光通信信道模型 2.2.1 多经效应 2.3 本章小结 第3章 室内LED光源布局设计 3.1 LED光源相关理论 3.1.1 LED光源发光原理 3.1.2 LED光源相关特性 3.2 不同数目芯片的白光LED 3.3 光源布局 3.4 本章小结 第4章 室内VLC系统设计 4.1 OFM技术 4.1.1 OFM技术简介 4.1.2 基于OFDM的室内VLC系统 4.2可见光发射端设计 4.2.1 ED电路驱动方式 4.2.2 LED高速调制驱动电路 4.3 可见光接收端设计 4.3.1 VLC接收端器件的选择 4.3.2 前置放大电路 4.4 本章小结 第5章 结论 1 绪论 1.1选背景和意义 20世纪末期，随着全光接入技术的发展以及人们对无线宽带通信的要求，一种大信息容量、部署灵活、维护便利、安全保密的无线光通信技术得到了人们广泛的关注。它为无线宽带接入的部署提供一种更为灵活的解决，其应用范围已从军用和航天步入民用领域。无线光通信是一种无线宽带接入技术，是光通信和无线通信技术相结合的产物，它是以光信号为载体，通过大气作为传输媒质来进行光信号传送。当前无线光通信技术有以下几种:自由空无线光通信(FSO)、室内红外线通信和可见光通信(VLC)。FSO一般是利用波长为850nm或1550nm的红外光;室内红外通信一般是利用LED红外光;而VLC则是利用LED可见光。无线光通信是以大气为传输媒质进行光信号传送的，只要在收发两端机之间存在不遮挡视距的路径和足够的光发光射功率，通信即可进行。 无线光通信技术主要分为室外无线光通信和室内无线光通信技术。其中室内无线光通信技术是指将无线光通信应用在室内计算机网络及办公设备通信，室内无线光通信与室外无线光通信主要区别在于信道的不同。地面无线光通信的信道主要收到太阳等自然背景光及大气的影响，大气对光通信的影响主要大气湍流所引起的闪烁以及天气现象所引起的衰减(雾、雨、云等自然现象)。而室内无线光通信的信道主要受到人造光源的影响，比如荧光灯、同光灯等，还有一个对室内高速通信影响比较严重的是由于室内墙壁对光源的反射所引起的对接收信号造成的多径问题，这样对高码率通信会出现码间串扰(ISI)。 如今，高速数掘通信在人们生活中已经扮演着非常重要的角色，人们对高速数据通信的需求在未来将会不断增加，高速数据通信在办公室和家罩将会有广泛的应用，因此人们对于无线室内连接(WHL:Wireless Home Link)的概念已经开始进行研究并正在引起人们的广泛关注。在二十一世纪，电子设备将会向无线连接的方向进行发展，使用WHL人们将能够在任何地方访问因特网?。 近几年来，被誉为“绿色照明”的半导体(LED)照明技术发展迅猛，特别是白光LED正吸引更多人的注意，他们被认为是下一代照明光源。通过三种基本的颜色(红。绿，蓝)构造出的白光LED具有光照强，效能高和寿命长的特点。它最终会替代目前在办公室和家庭广泛使用的白炽灯和萤光灯。利用半导体(LED)器件高速点灭的发光响应特性，将信号调制到LED可见光上进行传输，使可见光通信与LED照明相结合构建出LED照明和通信两用基站灯，可为光通信提供一种全新的宽带接入方式。 如果对该类照明光用以人眼无法感测的速度进行闪烁的脉冲来进行发光强度调制，而又不使光照度的波动被人眼感觉到，那么，则有望给传统的照明系统增加数据传输能力。基于这种思想，只本庆应大学中朋i1-(雄和SONY计算杌科 学研究所的春山真--fig在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统，开辟了采用照明光进行数据传输的研究方向。 面对用户的迅速增加及人们对高速、宽带多媒体通信的需求，电磁波的可用频带范围已变得越来越有限，而LED可见光无线通信使用光频段传输信息具有宽广的通信带宽，避免了电磁干扰冲突又无需申请频段使用执照，能满足下一代多媒体通信的要求。随着具有节能、环保、使用寿命长等优点的LED照明灯的普及，以及各种关键技术的不断进步和完善，LED可见光无线通信有望成为新钓通信传输方式及下一代室内无线通信技术，LED可见光通信是一个有待大力进行研究并具有极大应用价值的领域。 该选题是基于可见光通信(VLC)的理论为基础，并结合LED可见光相关特性，最终建立切合实际的室内LED可见光通信系统。由于LED光源具有特殊性能特点，使得LED可见光通信大势所趋。 该选题通过对LED特性以及室内可见光通信中的某些关键技术的探讨和研究，从而为进一步改善LED可见光通信系统性能做努力。 1.2 可见光通信历史及现状 最早提出可见光通信概念的是香港大学的Grantham Pang，他于1999年提出了可见光通信技术的雏形，用100kHz的载波频率将CD音乐、电话等信号发送到个人耳机。此方法无透镜接收的传输距离为40 cm，有透镜接收的距离为200 cm。Grantham Pang将上述系统用于交通系统，通过VCo(Voltage Controlled Oscillator)调制驱动441个超亮度。红光LED阵列，其载频为100 kHz，通过发送滤波器驱动LED交通灯。他同时提出用LED进行语音广播、数据传输、交通灯控制，其室外传输距离可达20 m。2001年。他将该技术用于便携式设备的光无线数据通信链，采用192个超亮LED其数据发送比特率达19(2 kBaud,s，接收波特率为 57(6 kBaud,s，传输曼彻斯特码速率达到28(8 kbit,sD。1。”]。2003年Shogo(Kitano，Shiniehiro(Haruyama，Masao(Na—kagawa为减少交通拥塞现象，采用模拟调制方法，提出将LED用于交通智能传输系统，认为这种通信是可行的，且优于红外光通信。他们提出了LED道路照明通信系统的设想，该系统既能提供道路照明，可以完成高质量数据通信。波士顿大学的Thomas Little提出用LED取代自炽灯，并预测在未来的15年LED的广泛应用是不可避免的，它将主要 用于高清晰媒体、高速数据流传输，汽车间通信、室外数据传输试验、无线医疗监测系统。 可行性方面研究最多的是韩国人Chung Ghiu Lee和Jung-Hun Kim。2006年他们用实验的方法证明高亮度照明LED光无线信道通信的可行性[1“，并用7个LED发射信号、一个光电接收器，发送接收装置相距12 cm，分别测量了红、绿、蓝LED的3 dB带宽。获得了传输速率分别为1 Mb,S，5 Mb,s，10 Mb,s的眼图， 在lO Mb,s的情况下，误比特率小于8×10一，证明高亮度LED通信的可行性。其实验系统采用PIN探测，其有效接收面积为0(8 mm2，波长响应范围200 nm,1i00 nm，峰值响应750 am，光电转换效率为0(45 A,W，小信号的通带带宽为50 MHz。没有改进电路前，Chung Ghiu Lee用7个LED单行阵列组成调制系统，调制带宽为18 MHz，通信距离为30 cm，传输速率为10 Mb,S。改进电路后，-将LED安装成5×2矩阵，光通信链路距离为90 cm，传输速率为20 Mb,s。并为无误码传输。其研究结果表明用大功率LED作为室内可见光通信是可行的，但是大功率LED限制了通信的调制速率。 日本科技工作者是该项技术的首创人之一，他们在该技术的贡献率最大。他们对室内LED可见光通信存在的问题做了较多的研究，这些问题如传输的多径效应、阴影效应、码间干扰(ISI)等做了较多的研究。其中，Toshihiko Komine所做的研究最突出，他采用数个LED灯在实验室既用于照明，又用于光无线通信。他们研究了光信道的多径效应、阴影效应，并与其它的方法进行比较，他认为反射和码间干扰是影响通信质量的主要因素，而系统的码间干扰依赖于接收系统的FOV(半视场角)和通信传输速率，并预计高速数据传输可达1 Gb/stl“。Toshihiko Ko—mine从通信信道出发，用仿真法研究了信道的信噪比分布情况，实验表明在电功率为8.64 W，光强度为1(56 cd时，传输速率达到100kb/s(Toshihiko Komine 还研究了多个LED发光系统阴影效应，下行链路采用时分复用(TDMA)，当传输速率的在800 Mb/s时，通话易被人行阴影中断，用3个LED照明可以提高系统通信质量。Toshihiko Komine研究最小均方算法设计出的自适应均衡器，可以减少码间干扰(ISI)。当数据传输速率为400 Mb/s，采用反馈判决均衡和有限脉冲滤波器较有效，当传输速率为500 Mb/s(用反馈判决均衡法来抗码音干扰更为有效。Toshihiko Komine还研究LED照明通信的多径效应，分析了通信系统的反射效应，当通信系统靠近墙壁位置时，由于反射信号增强，串扰信号因此增强，系统采用8-PPM，FOV为50。，靠墙位置传输速率为60 Mb/s，不靠墙位置的传输速率为90Mb/s。他还提出了用电力载波线性数据传输 牛津大学工程系的Dominic O’Brien小组对该技术的研究较晚，主要集中在发送、接收均衡，多输入多输出系统及成像通信技术，并肯定了大功率LED调制速率仅有数兆的观点。Brien于2008年提出LED既可以替代白炽灯、荧光灯照明，又可以用于传输信息的观点。并对光源，接收装置、可见光信道进行了研究，通过采用光学滤波、发送均衡、接收均衡技术、光学多输入、输出技术来提高数据传输速率，通信传输速率有能力达到数兆比特每秒。并预测传输速率可以超过100 Mb/s。他们提出的多输人多输出通信，发射、接收均衡有较大的实际使用价值。 德国柏林的海因里一希赫兹、弗朗禾费通信研究所的Gelena Grubor，Klaus—Dieter Langer提出用白光LED进行宽带信息传输，他们首先提出了大功率白光 LED因调制带宽有限而限制了传输速率。因而他们研究的重点在于如何提高调制带宽，提出了多电平调制方法，该观点比较切合实际。Bremen大学的Hany Elgala主张采用强度调制方法对LED进行调制(同样提出了正交频分复用(OFDM)技术用于可见光通信。 南洋理工大学的Damon W(K(Wong，George Chen从光源的模型出发提出了白光LED的布局存在最优分布的观点，并且设计出实验系统既可以照明又可以发射1 kHz正弦信号，实验表明接收信号的信噪比边11(8 dB( 在国内，基于白光LED的可见光通信起步较晚。当前对VLC研究的单位有西安理工大学(承担陕西省“火炬"项目。)，桂林电子大学，杭州电子大学，暨南大学。其中暨南大学的陈长缨，胡国永提出基于白光LED室内照明的可见光通信技术，设计并实现了点对点的通信系统。此通信系统通信距离20cm，能使在10MHZ的传输速率下，保证频率信号的正确传输。2008年该研究组在前期研究工作基础上利用白光LED矩阵光源解决通信距离短，无法达到照明等要求。实现了实用照明的室内可见光通信系统即成功实现4Mb/s带宽的数字视频信号传输，信号传输距离超过了2.5m。 1.3 常用无线光通信的比较 1.3.1 可见光与自由空间光通信相比较 自由空间光通信(FSO)在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜。将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500run的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。 FSO与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点;与 有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、运行成本低、易于推广等优点。FSO可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之例视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完毕，投入运行。在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到99(9,的可用性。 VLC是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光LED具 有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，在VLC系统中，白光LED具有通信与照明 的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁，因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。由于实现简单，VLC系统大多设计成光强度调制,直接系统，采用曼彻斯特编码和开关键控(OOK).调制方式。在IM,DD系统中，由于存在多个光源，每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号，因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断，保证了通信的可靠性。 与FSO和射频通信相比，VLC具有以下突出优点: 1)可见光对人类非常安全。VLC系统可以使用室内的LED照明灯发送数据。 2)VLC无处不在。用于通信的照明灯可以安装在任何地方，通过照明灯，可以很 方便地实现高速无线数据通信。 3)发射功率高。对于红外线通信，由于受到人眼睛安全的限制，发射功率很低， 系统性能受到严重限制。对于射频通信，射频信号对人体有害，也不能无限制地增加 发射功率。在VLC系统中，由于发射的是可见光。故发射功率较高。 4)无需无线电频谱认证。由于目前无线电频谱资源有限，当前能够分配的无线电 频率严重不足。 第3章 无电磁干扰。可以用于医院、飞机等对电磁干扰严格限制的场合。 1.3.2 可见光与红外通信相比较 红外通信技术是一种采用红外线作为通信载体，可以实现点对点及红外无线局域网通信的技术。传输介质红外线是一种波长范围在0(75pm,1000pm频谱范围的电磁波。一般而言，红外数据通信采用红外波段内的近红外线，其波长范围介于0(75pm一25pm之问，由红外发射器、通信信道、红外接收器来完成红外信号的收发。目前，常用红外通信方式的基本原理是在发送端采用脉位调制方式，将基带二迸制信号调制为一系列的脉冲信号，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外脉冲。红外通信一般选择38kHz频率的红外信号。接收端的红外接收器从空间接收红外光信号并进行光电变换，将光脉冲信号转换成电信号，并经过均衡、判决、解码等处理过程，恢复成原始的二进制电信号。 在光无线通信技术中，通常红外光通信对外界干扰的抑制能力较强，但由于其指向特征也很强，因此一旦通信途中遭遇物体介入，就很容易因阻挡而影响信号的证常传输，故红外光通信的有效距离范围就相对较短。并且红外线可透过角膜被晶状体吸收，也可被虹膜和睫状体吸收，其中一部分可达视网膜而引起视网膜的损伤。紫外线可对眼球产生损害，主要损害角膜上皮。相反，可见光即使输出功率高达几十瓦也不会给眼睛带来危害。下一代照明光源将采用发光二极管(LED)阵列来实现，它将使获得同样照度的需求时消耗的功率大大降低 。下表1-1为红外光与白光用作室内通信时的比较。 表1-1红外光与白光用作室内通信时的比较 典型特征 红外光 可见光白光 信号光源 红外LED、红外LD 白光LED 380--780nm 工作波长 典型波长800--900nm 调制带宽 几十KHz--几百MHz(LED) 几十KHz--几百MHz 几十KHz--几百GHz(LED) 信道速率 理论速率100Mb/s，以实现16Mb/s 最初设限速率10Mb/s 室内布局 需另外架设红外通信光源和线路 简化了室内线路布局 阴影效应 容易受替它遮挡物影响 多个LED灯消除阴影效应 发射功率 需限制发射功率，即距离受限 通常情况下无需限制 LED光源有发光强度和发光功率两个基本特性参数。白光LED不仅提供室内照明，并作为信号光源用以实现室内无线数据传输。考虑到红外光对人眼睛的伤害等因素，LED白光用作室内无线通信的信号光源比红外光有着许多自身的优势。 以上所述表明LED可见光通信已是全球光通信方面专家研究的热点问题。由于与自由空间光以及红外光通信相比而言VLC通信具有发射功率高，无电磁干扰，无电磁辐射，不占用无线电带宽，节能环保，以及能够同时实现照明和通信的双功能特点。因此VLC通信必将成为无线通信领域未来的发展的趋势 1.4 论文研究的主要内容 本篇论文首先介绍了基于LED的室内可见光无线光通信研究的意义，国内外研究现状，以及可见光与自由空间光通信及红外通信的比较;再次可见光通信基本理论，其中主要介绍了室内可见光通信基本原理和可见光通信链路以及可见光通信系统中存在的多经效应和码间干扰，最后确定信道模型;再次讨论了室内LED光源布局设计，其中主要介绍了LED光源相关理论，单芯片LED和多芯片LED的比较，以及LED内部LED灯的个数;最后讲述了 LED光源室内可见光通信系统设计，其中主要讲述了可见光发射端，接收端系统设计，以及相关的关键技术的选择。 2 可见光通信基本理论 2.1 室内可见光通信基本理论 2.1.2 室内VLC基本原理 可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)是指利用半导体LED响应速度快的发光响应特性，将信号调制到LED可见光上进行传输，使可见光通信与LED照明相结合构建出LED照明通信两用基站灯，也为光通信提供了一种全新的的宽带接入方式。可见光通信可分为室内可见光通信和室外可见光通信两大类。 白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，园此可以用来进行超高速数据通信。可见光数据通信发射端是根据传递资料将电信号变调，再利用LED转换成光信号发送出去，接收端利用受光元件接收光信号，再将光信号转换成电信号，经过解调当成信号资料读取。在波长方面因为是采用可见光，所以波长从蓝光的380nm一直到红光的780nm范围。 传统的光通信是利用可见光来进行通信传输，大多是采用波长较长的红外光，在这一部份，已经相当成熟(而相匹配的标准也广被业界所采用。可见光数据通信会限制收信区域，LED点光源可见光无线通信器完全排除传统高频无线电磁波对人体与周边电子机器干扰的疑虑，非常适合应用在道路诱导、展示导游、智能型道路交通系统OTS)、医院、室内信息传输等限定空间的资料传输等领域。 2.1.2 室内VLC系统简介 VLC作为一种无线的光通信方式，其系统包括前向链路和反向链路两部分。反向链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路。白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗，但是由于LED光源个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起所谓的码间干扰。由于白光LED光源发出的是可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点，因而发射端可以具有较大的发射功率，使得系统的可靠性大大提高。 该系统的接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号，然后对电信号进行放大和处理，恢复成与发端一样的信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED 组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。 室内VLC系统的一种典型设计如下图l所示:由终端、可见光通信适配器、可见光通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信号处理单元组成。前向链路和反向链路每部分都包括了发射和接收部分。发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成(而接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组成。 图2-1 室内可见光通信系统组成 可见光无线集线器是可见光通信网络中的核心组成部分，接收来自终端用户的信息(同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。可见光通信适配器包括了前向链路的自光LED光源和反向链路的光电接收器，集合了发射和接收功能，负责将终端用户的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号，并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经过可见光通信集线器的简单处理后，调制到白光LED光源上变成光信号(以广播的方式发射出去。在接收端(终端的可见光适配器将发给自己的信息解调出来送人终端用户，实现了局域网内的无线通信。 2.2可见光通信链路 2.2.1 室内可见光通信基本链路 室内无线光通信与室外无线光通信的不同点主要在于两者的信道不同，室内光通信要考虑室内房顶、墙壁、地面以及其他物品如桌子对光束的反射和吸收。 室外光通光信主要是点对点通信，信号的传输距离较远，一般在百米以上，这样发射器就应该用光束扩散较小的激光器;而室内光通信就决定了通信的距离不会很远，一般在几米到十几米的范围内，这样可以采用发光二极管。 室内无线光通信系统的链路方式有很多种，根据以下两点就可以很容易的将他们区分开来。第一点就是看发射机和接收机是否定向。所谓定向，其实是一个角度问题。对发射机来讲，如果其发射的光束发散角很小，发出光束近乎平行，则称其为定向发射机。同样，如果接收机的视场角范围很小，则称其为定向接收机。若发射机和接收机均为定向，接发两端对准时就建立了一条链路，这条链路就称为定向链路。相反，非定向链路使用的是大角度的接收机和发射机。还有一种链路混合了定向与非定向的特点，也就是说，发射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的，我们称之为混合链路。区分链接方式的第二点是看发射机与接收机之间是否存在未受干扰的视距(LOS)。视距链接中接收机接收到的光除存在由发射机发出的大角度的光经其他物体反射回来的光外，还存在直接由发射机发射过来未经反射的光;而非视距洲(LOS)链接通常是发射机对着天花板发射光信号，接收机接收到的光信号中不存在直接从发射机射过来的光。根据以上分析，可以将室内无线局域网的链路方式分为以下几种:定向式视距链路:混合式视距链路;非定向式视距链路;定向式漫反射链路;混合式非视距链路;非定向式漫反射链路。 图2.2 室内无线光通信连接方式 如图2(2所示，每个方框代表一个房间，定向式视距链路的发射机安装在天花板上。该链路可实现较高的功率利用率。其主要特点有: 1)路径损耗较低，从而对发射机功率的要求也比较低，发射光源一般采用平均功 率为几十毫瓦，发射半角为150(30。的LED(发光二极管)。 2)传输光束很窄，几乎没有多径散射问题，背景光对其影响也很小，这使得传输速率很高，一个简单的设计通常可以达到100Mbps的信息传输速率。该种链路方式的不足在于，通信时需要发射机和接收机之间始终保持一种直线式的视距链路，因此很容易因为一点阻碍而断开。这种链路更适合于单点对单点的通信，而不太适于单点对多点的广播式通信，这样就限制了其灵活性。 定向式视距链路在实际中应用较多。其常用于短距离低速率通信，例如各种电器的遥控器等。而且，它也是红外数据协会选用的用于非中心对等网络的链路方式，这些对等网络一般为移动终端而组建，两个终端间的距离不超过lm，数据传输速率在9(6Kbps到4Mbps之间。非定向式视距链路是通过固定在天花板上发射机发出的大发散角光束和接收机的较大的接收视野来达到增加覆盖面积的目的，使得收发两端不需要严格对准便可进行通信。由于信号在传输过程中可能要经过墙壁或天花板的反射，这就产生了多径传输问题，并增大了路径损耗，直接影响到光电探测器接收到的光功率。该种链路更适用于单点到多点的广播式通信系统，例如，在一个房间的天花板上安置一个接入点(AP)，处在该接入点发出光的覆盖范围内的多个终端可以同时接收到接入点发出的信号，而且各个终端问还可以通过接入点束进行通信。非定向式漫反射链路中，发射机的发射端一般对着天花板发射较宽的红外光束，漫反射后的光覆盖面积很大，因此，漫反射式链路不需要对准，也不需要视距路径。该链路方式应用更灵活，既可用于对等网络，亦可用于中心网络。其缺点是信号的路径损耗严重，尤其是当接收机附近有人或障碍物时，损耗更严重。另外，多径传输也是影响其传输速率的一个重要因素。尽管如此，考虑到灵活性问题，许多研究机构仍对漫反射式链路产生了浓厚兴趣。 在室内可见光通信系统中，白光LED因提供室内照明所以必须固定在天花板上，所以根据LED光源和接收机终端的指向，可以把LED通信链路分为直射式视距链路和漫射式链路两种基本类型，如图2.3所示。 直射视距连接 漫散射链接 图2.3 室内LED链路方式 在直射链路中，接收机须始终指向LED光源发射机，因此直射链路的光源功率利用率高，容易实现高速的数据传输。但是这种链路要求发射机与接收机之间必须保证严格的对准，容易被障碍物所遮挡而中断通信链路，产生接收盲区;而在漫射链路中，接收机的接收角一般较大，接收到的光信号除有直射光外还有经过其他物体反射过来的光，所以系统不会存在接收盲区。但是在漫射链路中系统受到多径效应的影响严重，从而引起码间干扰。 2.2.2 室内可见光通信信道模型 由于室内可见光通信信道与红外无线通信信道非常相似，所以对可见光通信信道的研究可以参考红外无线通信信道，在红外无线通信系统中，不管是直视方式信道还是漫射方式信道，信道中红外线的发射及反射特性常用朗伯辐射源来近似。由于光信号的反射、散射及背景光噪声的影响，红外无线数字信道中存在多径干扰，这是提高信道质量以及进行高速率应用时应解决的主要问题。 室内可见光通信系统也采用强度调制和直接检技术。在发射端，幅度变化的电信号经由驱动电路直接对光源进行调制，转换成强度变化的光载波信号;在接收端，光信号被光电探测器转换成与之成正比的电信号。如图2.4(a)为采用IM—DD技术的可见光通信系统模型。图2.4(b)是室内无线光通信系统的脉冲响应为和h(t)的线性基带传输模型。 图2.4 室内可见光通信系统信道模型 图2.4中的信道是一个简单的线性基带传输系统，其中，X(t)为光源LED的瞬时光强值，接收信号Y(t)为探测器内瞬时的光电流值。由于可见光通信是对LED PX(t),P(1，Asint),光源进行调制，所以瞬时发射光功率为正值，大小为。为ttm发射光平均功率，则: T1 (2-1) P,X(t)dttIim,2T,,T,T P设入射到探测器上的背景光功率为。，则探测器接收到的光强度可表示为: amb R(t),P(1，Asint)，P, (2-2) rabm P其中，只为入射光的平均功率。如果PD的灵敏度为R，则: r Y(t),R(P，P，P,Asint), (2-3) rambrm 这里我们假设图2.4(a)所示的接收机中使用PD作为光电探测器，那么接收机的噪声主要由前置放大电路引入的电路噪声、背景光及信号光电流而引起的散弹噪声组成。把这些噪声看作是与信号无关的加性高斯噪声;同样，接收机前置放大器的噪声也可看作是高斯噪声。 因此，也可以把图2.4(b)所示的可见光通信基带传输模型中的信道噪声看作是与信号无关的加性高斯噪声N(t)。这样，整个可见光通信系统就可以看作是一个线性系统，系统的表达式为: Y(t)=RX(t) h(t)+N(t) (2-4) 式中@表示卷积，Y(t)跟光检测器表面接收到的瞬时光功率的积分成比例关系。室内无线光传输信道的基带模型的脉冲响h(t)应经常用以下形式: Nj,tnh(t)=a(t,t)e (2-5) ,,nn,1n at,这里的，，分别代表振幅，传输延迟和相位;N是多径信道的径数。nnn 使用冲击函数(t)作为系统的基本函数。因此，室内可见光信道可以看作是, 附加高斯噪声的多径信道。 可见光通信信道中的光噪声主要包含自然噪声太阳光及人为干扰荧光灯灯光等，可以在信息传输通道中加入光学滤光片、聚光镜等加以解决。它们的作用包括整形、滤波、视场变换、频段划分等。例如，可用透镜对发射光进行聚焦，利用光学滤光片滤除杂散光，利用透镜扩大光接收器的视场，还可利用光学元件进行链路的频分复用等。这些都将有利于提高信道质量，满足信息传输需求。 2.2.3 多经效应 在室内可见光通信系统中，为了保证通信的可靠性，安装在天花板上的LED灯通常是由多个发光LED的阵列组成，而且具有较大的发射表面积，这样接收机会就不会因为物体的遮挡而产生接收盲区。但是，经过反射后不同路径的光信号都能够被光电探测器接收，这样在时域上将引起相邻信号间的重叠，产生信号延迟。这种由多径效应引起的码间干扰会严重的损害系统的性能。如下图2.5所示为两条不同光路径引起的延迟。 图2.5 不同光路径引起的多经效应 在可见光系统中，多径干扰是产生码问干扰的主要原因，如何消除或减弱码间干扰的是实现LED可见光通信的关键技术之一，因此应该尽量减轻多径效应的影响。我们可以通过以下几种方法来降低由多径效应引起的码间干扰。 (1)改变编码方式。如果可见光通信系统使用简单的OOK调制方式，可以将非归零码NRZ(OOK编码方式换为归零RZ(OOK方式。RZ(OOK方式的相邻脉冲间具有一定的保护间隔，只要多径延迟小于这个间隔就不会产生符号间干扰。但是通过这种改变编码方式来降低码间干扰的效果一般，同时还会降低系统的带宽利用率。 (2)采用OFDM调制技术。OFDM调制技术具有很强的抗多径干扰的能力可以应用在可见光通信中，这是因为一方面OFDM技术将高速的串行数据转换成低速的并行的数据，减少了码间干扰的可能性;另一方面，由于循环前缀的存在，相当于在OFDM信号间加入了保护间隔，可以进一步减弱由多径效应引起的码间干扰的影响。将OFDM技术应用到可见光通信中是本文所讨论的可见光通信的关键技术，将将会在第四章进行详细的论述。 (3)优化光学接收机。图2.6(a)所示为一个角度分集式接收机，其设计原理是将一些独立的指向不同的接收机组合在一起，构成一个多通道的光学接收系统。如果采用适当的信号合成技术，那么这种光学接收装置就可以有效解决由多径效应引起的码间干扰问题，同时还可以提高了光接收机的接收面积。 (a)角度分集式接收 (b)成像分集式接收 图2.6光学接收机系统设计模型 同样，如图2.6(b)所示，设计一种成像分集式光学接收机也可以抑制由多径效应而引起的码间干扰。其原理是利用光学透镜将入射角度不同的信号光集中在一点上，相当于扩大了接收机的视场角。这样经由不同路径的信号光汇聚到探测器不同的点上，实现了对光信号分集接收。由于接收到不同路径的光信号之间相互独立，成像分集式接收机也可以解决由多径干扰而引起的码间干扰对系统的影响。 2.3 本章小结 本章主要是通过对可见光通信基本理论的擅术，讲述了可见光通信的一些基本概念。首先讲述了室内VLC的基本原理以及对室内VLC系统的概述;其次从室内可见光通信链路入手，讨论了两种通信链路的性能;重点研究了可见光信道的系统模型;接着讨论了由多径干扰而引起的码间串扰问题以及解决办法。 3 室内LED光源布局设计 LED(Light-Emitting-Diodeled中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150 lm/W。高亮度白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为下一代节能环保型的照明产品。白光LED的另外一个突出优点是响应灵敏度非常高，因此可以用LED进行高速数据通信。可见光通信是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术，与传统的射频通信和其它光无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、高速数据传输、对人体无害、无电磁干扰、无处不在、节约能源等优点，因而可见光通信技术具有极大的发展前景，也引起了人们的广泛关注。 在可见光通信系统中光源(LED照明灯)具有照明和通信的双重作用，由于照明的原因一般需要安装多个LED灯，因而光源的布局是影响系统性能的一个关键因素，不同的光源布局必然会导致室内不同的光功率分布，因此必须对光源的布局进行合理的设计使得室内接收光功率的分布趋向均匀。根据国际化标准，普通办公室照明要求光照度为2001x一10001x。可见合理设计LED照明灯的布局很容易满足室内全部区域的照明和通信要求，并能有效消除无线通信系统中阴影效应的影响。本章分析了白光LED的发光原理、基本属性、室内LED照明灯的个数及内部LED的个数与排列、室内LED照明灯的布局设计与接收光功率分布的关系，给出了房间内的四个LED照明灯的最优化布局设计。 3.1 LED光源相关理论 3.1.1 LED的发光原理 LED的结构主要由PN结芯片，电极和光学系统组成，当在电极上加正向偏置电压时，电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。 LED它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。90年代初，发红光、黄光的GaAIlnP和发绿、蓝光的GalnN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。LED结构如图3.1所示。 LED发光过程包括三部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负的电子移动到带正的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时并产生光子。电子和空穴之间的能量(能隙)越大，产生的光子的能量越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝光紫光携带的能量最多，橙光、 红光携带的能量最小。由于不同的材料具有不同的能量，从而能过发出不同颜色 的光。 图3.1 LED的结构图 3.1.2 LED光源的相关特性 LED是利用化合物材料制成的PN结光学器件，由于它具备PN结器件的一些相关特性，比较适合做室内通信系统的光源。 1.响应时间 LED的是标志反应速度的一个重要参数，尤其是在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。响应时间是指输入正向电流LED开始发光(上升)和熄灭(下降)的时间。LED的上升时间随着电流的增大近似按指数规律衰减。直接跃迁材料(如GaAsP)的响应时间仅为几纳秒，而间接跃迁材料(GaP)的响应时间则为100ns。 1-xx 从使用角度来说，就是LED的点亮与熄灭所延迟的时间。LED的响应时间主要取决于载流子的寿命，器件的结电容以及电路阻抗。不同材料的的LED响应时间 -9-7各不相同，如GaAs,GaAsP,GaA1As LED的响应时间小于10ns,GaP LED为10ns。因此它们可以应用到10--100MHz的高频系统。 2.发光法向光强及其角分布 LED发光强度用于表征LED某个方向上发光的强弱。由于LED不同空间角度上的光强相差很大，因此分析和研究LED的光强分布特性具有实际意义，它可以直接反应LED光源的最小观察角。 (1)发光强度(法向)是表征发光器件发光强弱的重要性能参数。LED采用的是圆柱、球形封装，由于凹凸境的作用，具有很强的指向性。 (2)发光强度的角度分布。发光强度的角度分布用于描述LED发出的光在空间的各个方向上的光强分布。它主要取决于LED的封装工艺。 3.光通量 光通量Φ用于表征LED光输出的辐射能量，它标志着其间的性能优劣。Φ为LED各个方向上发光能量的总和，它与工作电流直接相关 ，即随着电流的增大，LED的光通量增大。LED光通量的单位为流明(lm)。光通量与芯片材料、封装工艺水平以及外加恒流源电流大小有关。目前单色LED的光通量大约为1 lm，白光 LED的光通量为1.5--1.8 lm，由1mm1mm的功率芯片制成的白光LED光通量18 lm。 ， 第5章发光亮度 亮度是评价LED发光性能的又一重要参数具有很强的方向性。亮度是指在某 2个方向上发光体表面投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/. m (3-1) L,I/A00 若光源表面时是理想的漫反射面，则亮度与方向无关为常数。晴朗的蓝天和 2。LED的亮度与外加电流密度有关，通常LED的荧光灯的表面亮度约为7000cd/m 电流密度增大，L也近似增大。另外亮度也与温度有关，环境温度升高，复合率0 下降，L减小。当环境温度不变时电流增大足以引起PN结温度升高，亮度呈饱和0 状态。 3.2 不同数目芯片白光LED 白光LED现在主要由两种方式产生。一种是由蓝光LED芯片和荧光粉构成。这种类型的白光LED工作原理是在InGaN蓝光LED上涂上一层YAG荧光物质，当这种芯片开始供电时，芯片发出来蓝光，然后通过发射出来的蓝光照射此类荧光物质以产生与蓝光互补黄光，再用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合(便可得出肉眼所需的白光，这种单芯片结构的自光LED如图3.2(a)所示。另外一种是由红蓝绿这三种基色混合成的自光，这种方法产生白光的原理是这三种颜色的LED同时发光产生自光，我们称这种方法是多芯片类型白光LED，这种多芯片白光LED结构如图3.2(b)所示，图3.3是两种白光LED的光谱示意图。 图3.2 两种白光LED 图3.3 两种白光LED的光谱 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功，这种LED是将GaN芯片和YAG(钇铝石榴石)荧光粉封装在一起做成。GaN芯片发蓝光 3+(λp=465nm)，高温烧结制成的含Ce的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，厚度约为(200--500nm)，LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得自光。现在，对于InGaN,YAG白光LED，通过改变YAO荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500—10000K的各色白光。表3-1列出了目前白光LED的种类及其发光原理，并对不同芯片数目发白光的LED进行比较。 表3-1 白光LED的种类和原理 芯片数 激发源 发光材料 发光原理 InGa/YAG 蓝色LED InGa的蓝光与YAG的黄光混合成白色 蓝色LED InGa/荧光粉 InGa的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 1 ZnSe 蓝色LED 由薄膜层 发出的蓝光和基板上激发的黄光混合成白色 蓝色LED InGaN/荧光粉 InGaN的紫外光激发红黄蓝三基色荧光粉发白光。 InGaN, 蓝色LED 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白光LED 2 GaP 黄色LED 蓝色LED InGaN, 3 黄色LED 将发三原色的三种小芯片封装在一起，构成个白LED。 AIInGaP 绿色LED 单芯片白光LED具有低成本和高亮度输出的特点，但是不适合高速数据传输。这是因为在单芯片LED中，荧光物必须被蓝色LED芯片照射后才能产生与蓝光互补黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合(才能得到相应的白光，这种方式产生的白光就比多芯片产生的白光速度低。而且单芯片白光LED在颜色重现上也有所欠缺，颜色重现是忠实再现原来颜色的一种措施，但是所重现颜色的 亮度也是非常重要的。在这一点上，单芯片白光LED在实际使用中面临着困难。因此，多芯片结构相对于单芯片结构更加适合于可见光通信系统。通过改变三种基色所占比例的不同，犹们可以得到不同种类的颜色，并且我们也可以用做照明使用。当我们使用多芯片白光时候，通过同步调制红色、绿色和蓝色LED可以实现光学无线通信。 白光LED在室内可见光数据通信中起着非常重要的作用，LED照明设备有照明和数据传递两个基本特性，并且它和被照物体表面的照明度有关。此时，能量通量在可视范围是正常的。照明度被用于表示一个LED照明设备的明亮程度。另一方面，传递的光能表示一个LED总的辐射能量的能力，并且从光通信观点来看它是一个参数。下式表示的是照明度: d, (3-2) I,d, 式中的Φ是一个照明量，它可以由能量Φ。通过下面公式推出: c 780 (3-3) ,,KV(,),(,)d,me,380 式中V(λ)(轴是标准光度曲线，K表示最大的可见度，并且最大可见度在m λ=555nm，照明效率大约为683 Im/W。传递的光学能量P如下式: t max (3-4) P,,d,d,te,,min 式中的min和max一是由光学二极管的敏感性曲线确定的。 3.3 灯光布局 在LED室内可见光无线通信系统中，由于照明的需要，要安装多个LED灯，因而光源的布局是影响系统性能的关键因素之一。另外由于各个房间的大小以及室内设施不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房问内同一水平面上分布的光功率变化虽小。即当接收功率分布变化最小时，可以认为是LED的最佳典型布局方案。 典型室内环境模型为5.0m(长)X5.0m(宽)X3.0m(高)的空房间，作为发射端的LED灯安装在离地面2.5m处，灯的边缘距离周围墙面lm，平面效果如图3.4所示。根据图3.4所示。在四个灯的正下方照明灯最高为11883Ix，房间中间其次，房间的四角亮度最低，只有311231x，房间内照明度最高和最低之差为8771x。根据国际标准，房间的照明度符合标准，能保障照明需求，照明度在300Ix(1500Ix范围之间。 另外考虑桌子的高度是1m，用户接收终端在桌面上。在信号发送端的房顶上装有四个LED灯，每个灯包含多个LED芯片。每个LED芯片之间的距离是lcm，LED芯片的发射半角是70度。LED芯片中心的发光强度是0(73cd，中心发光功率是 20.0mw。在桌面接收机侧的接收视角FOV(field—of—view)为60度，接收机探测 2器PD的表面积为1.0cm，光电转换效率为0.53A/w，光集中器折射率为1(5，光滤波器的增益为1(0，这些参量数据如表3-2所示。 图3.4 灯的布局 图3.5 光源布局示意图 LED芯片发光强度 0.73cd LED灯大小(每组) 0.59×0.59(m) LED中心发光功率 20(mW) 接收视角(FOV) 60(度) 2半功率半角 70(度) PD面积 1.0(cm) LED离墙面距离 1(m) 光电转换效率 0.53(A/W) 发光二极管(每组) 3600(60×60个) 光集中器折射率 1.5 发光二极管(间隔) 0.01(m) 光滤波器增益 1 在实际应用系统中，为了使通信效果达到最优，须使房问内的光强分布大致不变，而且要尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。要达到这个目的，必须根据不同的房问形状和大小以及分布设旌的情况，合理的安排灯的布局，以期达到最好的通信性能。以上典型室内灯光碲局模型和参数具有一定的代表性。 单个LED发光强度和发光功率都比较小，利用其提供室内照明和通信时，LED照明光源应设计为多个白光LED组成的阵列。为满足基本照明需求，在系统设计中应首先考虑室内光照度的分布。室内可见光通信系统中，由于各个房间的大小以及室内设施的不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房间内的光强分布大致不变，尽量避免盲区(光照射不到的区域)的出现。要达到这个目的，必须根据不同的房问，合理的安排LED灯的布局。 以一房间为例，该房间尺寸为L×W×Z。，设终端设备均放置在高度为h的平面上，并建立如图3.5所示坐标系。设共有四只LED灯，在天花板上对称分布，下面分析平面z=h上的接收功率分布情况。当接收功率分布变化最小时，即可认定LED灯的布局最佳。设平面z=h上任意一点(x，Y，h)的接收功率为: N (3-5) P,PH(0),1rt,1i N为LED灯的个数，设四只LED灯的坐标分别为(X，Y，Z)，(X，Y，Z)，(X，11h22h3Y，Z)，(X，Y，Z)，则H(0)为: 3h44h1 m，1Z,hHH(0), (3-6) 13m，2,2222((Z,h)，(x,u,X)，(y,y,Y))1111H 由于LED灯是对称分布，故坐标关系满足X=XX=XY=YY=YX=L-X13 24 ， 12 ， 3 4 ， 21 Y=W-Y31 (3-7)f(uv;x,y),H(0) 1,11 ,,,,u,0,L,v,0,W 设每只LED灯的发射功率相P=P则上式变为: t1 t 11 ,4N (3-8) P(x,y),Pf(u,v;x,y),f(0,0;x,y)，f(0,5;x,y)，f(5,0;x,y)，f(5,5;x,y),rij,1i 室内平面z=h上每点的平均功率为: N,4P1t (3-9) P,P(x,y)dd,f(u,v;x,y)dd,rtxyijxy,,,,ssi,1LL S为房间内平面z=h的面积，L代表这个区域。我们用接收功率的方差D束表示平面z=h上各点功率的“平均偏离”程度，则 N,41122 (3-10) D,(P(x,y),P)dxdy,(f(uv;x,y),P)dxdy,rr1,1r,,,,ssi,1LL ,D,D** 对上式分别求X，和Y的偏导,当时可取到最优的XY和一即,,0111,1,X,Y11 可确定最佳的LED灯布局。 3.4 本章小结 本章通过对白光LED光源相关特性的讨论，最终得出可见光通信系统光源的合理布局。首先讲述了LED光源发光原理及其相关特性;其次擅术了LED发白光的原理，以及不同数目芯片LED白光光源进行比较得出多数目芯片LED白光光源比较适合做可见光通信系统光源;最后通过举例了典型的室内光源布局，找出室内光源布局的解决方法。 4 基于OFDM的室内VLC系统设计 早期对可见光通信系统的研究，调制方式主要采用OOK、PPM和SC(BPSK。但是随着研究的深入，这些调制方式的数据传输速率不能满足通信要求，而且由多径干扰而引起码间干扰问题也损害了系统的性能，因此在可见光通信中引入了OFDM调制技术。这样既可以降低了码元传输速率，又能够减轻由多径效应引起的码间干扰(ISI)的影响。本章将对可见光OFDM系统的一些关键技术进行详细的研究和讨论。 4.1 OFDM技术 正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)用是一种多载波调制技术，早在二十世纪六十年代就有了使用并行传输和频分复用的思想来传输数据。 4.1.1 OFM技术简介 OFDM的真正应用是在本世纪六十年代，主要是用于军事高频通信方面。但是，由于系统实现的复杂性限制了OFDM技术的进一步发展。直到1971年，Weinstein和Ebert将离散傅立叶变换应用到OFDM的调制和解调中，这样就可以通过使用硬件执行快速傅立叶变换(FFT)来实现OFDM技术，因此，OFDM技术因此得到了快速的发展。 到了90年代，OFDM调制技术已经被广泛地应用到无线通信系统中。相比于传统的调制方式，OFDM在无线高速宽带通信的技术优势非常明显，传输速率及带宽利用率都是其他调制方式所无法比拟的。而且技术本身所存在的缺点也可以利用一些新技术去修正和弥补。因此，OFDM技术在数字音频广播系统(DAB)、数字视频广播系统(DVB)、本地无线局域网等民用通信系统中都得到了广泛的应用。目前，由于OFDM在传输速率、带宽利用率及抗多径干扰方面的优点，已经成为了宽带无线接入的核心技术之一。同时，作为第四代移动通信(4G)的核心技术也正在被人们广泛的关注和大量的研究。 OFDM技术的原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行信号，并对不同载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径干扰的性能。传统的FDM系统中各个子载波的频率是互不重叠的，需要大量的发送滤波器和接收滤波器，这样大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减少各个子载波之间的串扰，子载波之间必须保持一定的频率间隔，这样会降低频率利用率。现代FDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字处理算法完成，极大简化了系统的结构，同时提高了频谱利用率，使各个子载波上的频率互相重叠，但这些频率在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真的复原信号。当传输信道出现多径传播时，接收子载波之间的正交性就会被破坏，使每个子载波上的前后传输符号间以及子载波间出现互相干扰。未 解决这个问题，可以在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径延时不超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。 相比于其他调制方式，OFDM具有很多独有的优点: (1) 频谱利用率很高。这是因为OFDM子载波之间是正交的，允许频谱相互重叠。对于给定的信道带宽，其频谱利用率比单载波系统提高近一倍。 (2)抗多径干扰能力强，由于在OFDM符号中插入了循环前缀(CP)，相当于每个子载波上都有了一个“保护时间"，在多径信道中，噪声可以被保护间隔吸收，从而消除了由多径干扰而引起的码间干扰的影响。 (3)有效对抗窄带干扰。如果OFDM子载波的位置准确，保证OFDM的频谱波形平坦及子载波间的正交性，那么就可以克服窄带对子载波的干扰。 (4)实现简单。由于OFDM技术采用快速傅立叶变换(DFT)来实现调制和解调，用DSP就可以实现。 但是，由于OFDM技术自身的特点，也存在一些缺陷: (1)系统对同步误差敏感。OFDM系统对时间和频率同步的要求比单载波系统更高，微小的同步误差都会引起码间干扰和信道间干扰。 (2)系统的峰均功率比过高。OFDM所输出的信号是由多个子载波叠加的组成的，如果这些子载波的相位一致，那么叠加后的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致出现较大的峰均功率比(PAFR)，这样就会对发送端的功率放大器的线性要求很高，降低了系统的性能。因此，如何降低PAFR是OFDM技术实现的关键技术。 4.1.2 基于OFDM的室内VLC系统 基于OFDM的室内VLC系统统的原理框图如图4.1所示。从图中可以看出，信源发出的数据，首先经过串并转换，将高速的串行数据流转换成并行低速的数据流，并分别对各个子载波进行正交幅度调制(QAM)。同时，为了实现OFDM系统的采样时钟同步和进行信道估计，将导频序列插入到OFDM符号中。然后利用快速傅立叶反变换(IFFT)实现调制，经D,A转换将输出的已调制的信号传送到光源LED发送出去。 由于可见光通信是对光源调制，因此所有的OFDM的时域信号必须为正值，这就需要将时域内为负值的OFDM符号都变为正值，常用的办法是在LED加上一个直流偏置(DC bias)。 经过室内无线光信道，在接收端利用光电检N--极管(PD)将接收到的光信号进行光电转换，经过A,D、串并转换，再通过快速傅立叶变换、QAM解调，还原出原始电信号，从而实现信息数据的传输。 图4.1 基于OFDM的VLC系统框图 1.OFDM的调制模块 调制器主要完成OFDM的调制。数据从PC送出后，通过RS232串口进入FPGA，经过串并转换、QAM映射、添零、共轭、IFFT、添加CP等处理后，送往D/A ，经过数模转换和低通滤波后，通过发送端的白光LED阵列发送。发送端模块和功能划分如图4.2所示: 数据数据 QAM IFFT RS232 D/A 接收输出 调制 模块 模 块 模块 模块 整体控制模块 图4.2 发送端功能模块 (1)数据接收模块。接收PC通过RS232串口送入的数据，接收进来的数据首先需要进行串并转换。串行数据先经过一个4位的移位寄寄存器，然后进入一个4位的锁存器，锁存信号由时钟信号CLK的四分频控制产生。这样，就能保证每进来4个数据向外发送一次，完成了串并转换。数据接收模块的功能是，将PC发送过来的串行数据接收、并行转化后存储在RAM中。 (2)QAM、添零、共轭模块。从RAM中读出数据，经过QAM映射后，按照规定的格式进行添零和共轭处理。 (3)IFFT模块。将通过QAM、添零、共轭处理的数据做IFFT变换，完成OFDM的调制。 (4)数据输出模块。输出数据模块接收调制好的数据，并且按照设定好的帧 (5个周期的PN序列。数据段为10格式将数据连续匀速的送往D,A。同步头为2 包调制好的数据。 (5)整体控制。协调控制各个子模块的工作。 OFDM的调制器N个子信道都采用16QAM的信道调制。为了使用基带传输，进行 倍。经过共轭扩展后，采用512点的IFFT进行OFDM调制。添零处理，使频带扩展1 调制器的电路板设计采用RS232串口输入数据，用FPGA完成数据的编码和调制，最后以1Mbps的速率由D,A送出。 2. OFDM解调器的功能模块 解调器对接收AID采样来的数据，进行同步，找到帧头后，接收数据进行OFDM解调，去除添加的零和共轭产生的冗余信息，最后经过16QAM的解调后，还原成原始数据，通过RS232串口，送往PC。整个接收端主要分为以下几部分:同步模块，FFT解调模块，16QAM解调模块，数据输出模块，整体控制模块。结构如图4.3: A/D RS232 QAM 同 步 FFT数据 解 调 模 块 模 块 发送 模 块 模 块 整体控制模块 图4.3 接收端功能模块 (1)同步模块接收A,D采样的数据。可分为两个部分:粗帧同步和细帧同步。粗帧同步负责捕获帧头，确定有帧到达，帧头捕获后，细帧同步开始工作，确定帧的精确位置。 (2)FFT模块对接收到的数据包，去除循环前缀后，做FFT变换。完成OFDM信号的解调。FFT与IFFT的算法几乎完全相同。 (3)QAM解调模块将解调出来的OFDM信号，去除添零、共轭所产生的冗余信息，对剩下的数据进行16QAM的解调。QAM的解调主要有3部分组成。计算距离测度。判决:找出输入数据距离星座图上最近的点。映射:根据判决出的点，将输入的数据映射为对应的2迸制数据。 (4)数据发送模块接收经过FFT和QAM解调后的数据，当接收完一帧数据的解调信息后，经过并串转换后通过RS232串口，将数据送往PC。 (5)整体控制。协调控制各个子模块的工作。 4.2 可见光发射端设计 白光驱动电路的设计对于改善基于自光LED的VLC系统的调制频率至关重要， 通过优化调制驱动电路，可以最大限度的利用现有已经商品化的白光LED实现高速数据传输。与常见的射频通信不同，光通信信道中常采用光强度调制一直接检测(IM-DD)技术。光强度信号随输入信号电流变化，发送信号波形为非负的。在规定的直流正向工作电流下，对白光LED进行数字脉冲或者模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。 4.2.1 LED电路驱动方式 白光LED的电学特性具有很大离散性，且电学参数的温度特性也很不稳定。白光LED的发光亮度由驱动电流决定，当LED两端的电压发生变化，驱动电流由此也会产生变化，造成发光质量下降。 目前，白光LED驱动电路按照负载连接方式分为:并联型、串联型和串并混联型，从提供的驱动类型分为:电压驱动型，电流驱动型。通常白光LED驱动类型是结合上述两种分类类型，分为四种常用的电源驱动方式:1)电压源加镇流电阻驱动;劲电流源加镇流电阻驱动;3)多路电流源驱动;4)磁升压方式驱动串联LED驱动。串联驱动与并联驱动的优缺点如下表4-1所示: 表4-1 串联驱动与并联驱动的优缺点 并联方式驱动自光LED 串联方式驱动自光LED 低驱动电压(4.1V-5V) 高驱动电压(通常高于16V) 低EMI辐射，低噪声 高EMI辐射，高噪声 流过每个LED的电流不相同 流过每个LED的电流恒定 需要预先考虑LED离散性对亮度的影响 无需考虑LED正向导通电压离散性 开关电容式DC,DC转换器，无需电感，面积DC,DC磁升压转换器，需要电感，面积小，成本低 大，成本高 当一个LED失效，其他LED仍发光 当一个LED失效，所有LED都不发光 LED需要多个连接端引出 仅需两个到LED串的连接端 LED亮度控制可以单独完成 所有LED具有相同亮度 LED效率低 LED效率高 目前LED照明灯普遍采用串并联结合的方式，既拥有串联电路的优点又有并联 电路的优点。 4.2.2 LED高速调制驱动电路 调制带宽是衡量LED的调制能力的参数(关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小阁。其定义是在保证调制度不变的情况下(当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(一3dB)所对应的频率。从微观结构分析影响白光LED高速调制有两个因素:载流子寿命和结电容。LED因受两者的限制.其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化驱动电路。LED也可以用于高速通信系统。 由于实现简单(VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测系统。白光LED高速调制驱动电路图如下图4-4所示。该设计能够达到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂(以及光功率补偿等目的。可以用于数字视频信号源码流传输。晶体管BGl和BG2组成发射极耦合式开关(BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，为LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作。即使输入端过激励时。其仍没有达到饱和(所以开关速率更高。理论上可传输300Mb/s以上的数字信号。 图4.4 高速调制驱动电路 LED的数字调制驱动电路主要用来传输二进制数字信号，LED驱动器要能提供几十甚至几百毫安的电流，因此需要采用电流放大电路。与传统的高速LD调制技术相比，白光LED无阀值、温度稳定性好，调制技术简单，驱动电路不需要设计自动功率控制电路、温控电路、限流保护电路以及各种告警电路。 4.3 VLC接收端设计 在白光LED通信系统中，光接收机的主要任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出经由无线光信道传输后光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个可见光通信系统的性能。本节将从光电探测器的选择出发，设计出适用于VLC的光接收机的前端放大电路。 4.3.1 VLC接收端器件的选择 1.VLC系统接收端应注意的问题: (1)光探测器。光探测器处接收到的光强和其自身的有效接收面积成正比。在忽略反射损耗的情况下光探测器的有效信号接收面积如式4-1，其中A为探测器的实际物理面积。 ,,,,Acos,0,,,,2A,eff (4-1) ,,,0,,,2, 可见减小探测器表面信号光的入射角和增加探测器物理面积将有益于增加探测器的有效接收面积。但增加探测器物理面积价格昂贵，同时会减小接收机带宽、增大接收机噪声。 无线光通信信道中的主要噪声源是背景光。虽然可以在探测器端使用光滤波器除去低频和高频光信号，但由于LED白光处于可见光波段光谱宽度在几十纳米左右，因此利用带通滤波器抑制背景光有一定的难度。在强背景光条件下合理选择滤波器带宽以达到对信号光最佳接收是系统设计中应权衡的问题。 (2)光集中器。接收机端可使用光集中器以提高探测器有效接收面积。理想的非成像光集中器的光增益系数为: 2,n,,0,,FOV,2,()g, (4-2) sinFOV, ,0,,,FOV, 式4-2中FOV是探测器接收视角，n为光集中器折射率。考虑到光滤波器增益T(ψ)和光集中器增益g(ψ)，探测器的有效接收面积可表示为: f 2,n,,cos,0AT,,FOV,f2,()A,sinFOV,eff (4-3) ,0,,,FOV, 由式4-3可知，在直射式视距链路中，通过增加光集中器折射率或减小接收机视角可以增加探测器的有效接收面积，从而提高信道增益。对于直射式视距链路，减小接收机视角可以效减少背景光对链路的干扰。对于漫射链路，可以通过增加探测器面积和提高光集中器增益来提高信道增益。由漫射链路的设计特点可知，在漫射链路中应该通过增加光集中器折射率，而不是减小接收机视角来增加集中器增益。另外，很多情况下合理设计LED光源的光功率朗伯分布也可优化直流信道增益。 2.光电探测器的选择 光电探测器处于光接收机电路的最前端，它的选择是决定整个通信系统性能的关键因素之一。对于室内环境的散光，可能会随有用信号的光束同时进入检测管，使噪声增大，针对这个问题，我们可以在光电检测器前面安装可见光滤波器。选择光探测器时应考虑以下几个方面: (1)光电探测器的光谱范围应该足够宽，工作波段应处于380nm--780nm的可见光波长范围; (2)光电转换效率高、对于一定的入射光信号功率，光电检测器应能输出尽可能大的光电流; (3)响应速度快、线性度好、频带宽。光电二极管的响应速率是指它的光电转换快慢，常用响应时间来描述。影响光电二极管响应速度的主要因素有:零场区光生载流子的扩散时间、光载流子在耗尽层中的渡越时间、二极管极电容、内阻及其负载电阻决定的RC时间常数。提高光电检测器的有效面积可以实现对信号光的最大强度接收，因此在受光面积较大的场合，RC时间常数成为限制光电检测器响应速度的主要因素; (4)信号失真小; (5)检测过程中带来的附加的噪声尽可能小; (6)可靠性要高，寿命长、工作电压低。 白光LED可见光通信中最常用的光电检测器是PIN和APD，二者各有有缺，因此选用的时候主要从带宽、灵敏度、噪声和价格等方面综合考虑。PIN光电检测器具有好的光电转换线度，不需要高的工作电压，响应速度快，而且相对APD来说价格低廉，容许较大温度起伏，而且在工作时只需提供较小的偏压功率。在灵敏度方面，PIN光电检测器没有APD光电检测器的灵敏度高，但可以通过增加发射机功率和优化接收机天线来弥补，而且使用PIN光电检测器作为光探测器能简化光接收机的电路。APD检测器主要有点是低噪声，如果采用PIN检测器，前端放大器的噪声将是主要的，设计的重点将是降低噪声，需要价格较高的低噪声放大器件，甚至需要进行补偿，以满足带宽需求。 由于室内LED的光强度较强，距离较短且信道干扰较小，因此可以选择使用PIN光电检测器。LED照明灯发出的是可见光，因此需要选择硅光电探测器。因此综合考虑本文将采用硅PIN光电检测器作为光探测器。接下来讲述PIN光电检测器相关理论。 4.3.2 前置放大电路 1、 PIN 光电检测器 PIN工作原理。在半导体材料上，当入射光子能量h，超过带隙能量Eg时，每当一个光在半导体材料上，当入射光子能量h、超过带隙能量E。时，每当一个光子被吸收就产生一个电子一空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子与空穴就在半导体中渡越形成光电流。其电流大小与入射光功率成讵比，比例系数称为响应度。一个反偏的PN结就构成了PN光电二极管。刚光电二极管工艺简单，但其响应速度较低，为克服这个缺点，在PN结中插入一层非掺杂或轻掺杂半导体，就可增大耗尽层宽度，减小了扩散运动的影响，提高了响应速度，这种改进型的PN光电二极管即为PIN光电二极管。 衡量PIN性能优劣的几个重要物理参数有:量子效率、响应度、暗电流、结 电容、灵敏度等。量子效率、响应度反映了PIN的光电转换效率。当没有光信号照射光检测器时，外界的杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光电二极管也会产生一些电流，这也会产生随机噪声，降低系统的信噪比。结电容直接影响到PIN的响应速度，结电容越小，器件响应速度越快，频带越宽。 2 前置放大电路 光探测器不是对任何微弱信号都能够正确接收的，这是因为信号在传输、检测和放大过程中总会受到一些干扰，并不可避免的要引进一些噪声。虽然来自坏境或者空间无线电波所产生的电磁干扰能通过屏蔽的方式减弱或防止，但随机噪声是接收系统内部产生的，是信号在检测过程中引进的，我们只能通过电路设计和工艺措施尽量减小它，却不能完全消除它。虽然放大器的增益可以做得足够大，但在微弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪声淹没。前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用。 在白光照明通信系统中，信道中存在强烈的背景光噪声，因此置放大器应被设计为低噪声放大器。前置放大器的噪声对光接收器的灵敏度影响很大，前置放大器噪声取决于放大器件的类型，而不同的放大器件类型以及放大结构又有着不同的频带特性。因此设计中根据系统的要求，应兼顾噪声和频带两方面因素适当选择前置放大电路的形式。由光电二极管与前置放大器构成的前置接收放大电路的频带主要由分布电容。和前置放大器的等效输入阻抗。因此，本文设计的基于白光LED可见光通信系统中，接收机的前端电路采用互阻抗前置放大结构，放大器件采用增强型的CMOS场效应管，如图5.6。 图 4.6 前置放大器电路 4.4 本章小结 本章主要讲述了基于LED光源的室内VLC系统设计。首先在OFM技术的基础上，讲述了基于OFDM的室内VLC系统的整体框图及其各部分功能;其次是可见光发射端设计，包括 ED电路驱动方式和LED高速调制驱动电路;再次讲述了可见光接收端设计，包括 VLC接收端器件的选择和前置放大电路;最后对本章进行总结。