【正文】 這篇 文 章 在對白光 LED用于 通信光源的光譜特性 以及 調(diào)制特性等 其它 物理特性 進(jìn)行 深入分析基礎(chǔ) 之 上，重點(diǎn)研究白光 LED光源通信系統(tǒng) 構(gòu) 成結(jié)構(gòu) 以及 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,并給出 一種 LED照明燈室內(nèi)布局方法。由于可見光通信使用開關(guān)鍵控調(diào)制方式限制了數(shù)據(jù)傳輸速度，因此 ,本文引入了一種基于正交頻分復(fù)用 (OFDM)調(diào)制與解調(diào)的方案，用于減弱高速通信時(shí)由多徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_。面對寬帶資源有限，在改良設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該考慮其它方式。白光 LED具有低功耗、長壽命、小尺寸、綠色 且 環(huán)保等優(yōu) 勢 ，被認(rèn)為最終將 會 代 替 熒光燈和白熾燈 這些 傳統(tǒng)的照明光源，將會成為下一代照明光源。 本文正是基于這樣一個(gè)新的光通信技術(shù)而成，全文共分 6章。第 4章主要介紹了 OFDM的一些基本概念以及理論；相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)。由基于作者水平所限，本書本篇論文難免有錯(cuò)誤或不當(dāng)之處，敬請各位老師批評指正。它以光信號為載體，大氣作為傳輸媒質(zhì)，來進(jìn)行光信號傳送。其中，室內(nèi) 的 無線光通信是 把 無線光通信用于室內(nèi) 的 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 和 辦公設(shè)備 的 通信，而室內(nèi) 的 無線光通信 和 室外 的 無線光通信 間的 主要區(qū)別 是 信道不同。 近年來 ，被譽(yù)為“綠色照明”的半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展迅猛，尤其是白光 LED吸引更多人的注意，他們被認(rèn)為是下一代的照明光源。 該選題是基于可見光通信 (VLC)的理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合 LED可見光相關(guān)特性，最終建立切合實(shí)際的室內(nèi) LED可見光通信系統(tǒng)。此方法中無透鏡的接收傳輸距離為 40cm，而有透鏡接收的距離為 200cm。 同時(shí) 提出 了 LED道路照明通信系統(tǒng) 的 設(shè)想，這個(gè)系統(tǒng) 不 但可進(jìn)行 道路照明， 同時(shí)又能 進(jìn)行高質(zhì)量 的 數(shù)據(jù) 傳輸 。 2021年他們曾用實(shí)驗(yàn)的方法已經(jīng)證明了高亮度照明 LED光的無線信道通信的可行性。在沒有改進(jìn)電路以前， Chung Ghiu Lee用 7個(gè) LED單行陣列構(gòu)成調(diào)制系統(tǒng)，調(diào)制帶寬是 18 MHz,通信距離是 30cm,傳輸速率是10Mb/S。他們研究最多的是室內(nèi) LED可見光通信系統(tǒng)存在的相關(guān)問題，這些問題包括傳輸中的多徑效應(yīng)和陰影效應(yīng)以及碼間干擾。他從通信信道出發(fā)，用仿真的方法研究了信道信噪比的分布情況，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)電功率為 W，且光強(qiáng)度為 ，它的傳輸速率可以達(dá)到 100kb/s。 牛津大學(xué)的 Dominic O’ Brien對這項(xiàng)技術(shù)的研究相對較晚，主要集中于發(fā)送以及接收均衡，還有多輸入多輸出系統(tǒng)，并且肯定 了大功率 LED調(diào)制速率僅為數(shù)兆的觀點(diǎn)。他提出的多輸 入 多輸出通信 以及 發(fā)射和接收的均衡 技術(shù) 都 將 有較大的實(shí)際 應(yīng) 用價(jià)值。 南洋理工大學(xué)從光源 的 模型 方面 出發(fā)提出 了 白光 LED有 最 佳布局 的觀點(diǎn)，而且設(shè)計(jì) 了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既可照明又發(fā)射 1kHz的 正弦信號，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn) 得到 接收信號 的 信噪比為 。其中暨南大學(xué)的陳長纓，胡國永設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)的通信系統(tǒng)。 4 常用無線光通信的比較 可見光與自由空間光通信相比較 自由空間光通信 在點(diǎn)對點(diǎn) 的 傳輸情況下，每一端都 包括 光發(fā)射機(jī) 以及 光接收機(jī)，從而可實(shí)現(xiàn)全雙工通信。光的無線系統(tǒng)一般用 850nm或者1550nm的工作波長。雖然它的容量與光纖較相近，但是價(jià)格卻低得多。在不考慮到當(dāng)?shù)貧庀髼l件時(shí)，光無線系統(tǒng)通?？傻玫剑サ目捎眯浴Ｔ?IM／ DD系統(tǒng)中，由于有多個(gè)光源，因此每個(gè)接收機(jī)都會接收到來自各個(gè)方向上的光信號，因此不會因?yàn)槟硹l光路徑被遮擋，而導(dǎo)致通信中斷，從而保證了通信的可靠性。用來通信的照明燈可安裝在任何地方，在照明的同時(shí)，也可以較方便的實(shí)現(xiàn)無線高速數(shù)據(jù)通信。而在 可見光通信 系統(tǒng)中，由于發(fā)射為可見光，因此發(fā)射功率比較高。 能 應(yīng)用于醫(yī)院以及飛機(jī)等對電磁干擾較嚴(yán)格限制 的場合。如今，常用的紅外通信基本原理是：在發(fā)送端用脈位調(diào)制方式，將基帶的二進(jìn)制信號調(diào)制成一系列脈沖信號，然后用該脈沖序列來驅(qū)動紅外線發(fā)射管，即以光脈沖的形式發(fā)射紅外脈沖。并且紅外線可以透過角膜使晶狀體吸收，同時(shí)也可能會被虹膜以及睫狀體吸收，一部分會到達(dá)視網(wǎng)膜從而引起視網(wǎng)膜的損傷。 表 11為紅外光與白光用作室內(nèi)通信系統(tǒng)時(shí)的比較 【 1】 。和自由空間光以及紅外光相比而言 VLC通信將具有發(fā)射功率高，沒電磁干擾，沒電磁輻射，不占無線電帶寬，節(jié)能且環(huán)保，以及可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明通信雙功能等特點(diǎn)。白光 LED光譜幾乎全 都 集中 在 可見光頻段， 發(fā)光效率超過 150 m/W。基于照明原因通常需要安裝多數(shù)目的 LED燈，因而光源布局是影響通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。 LED 的發(fā)光原理 LED 結(jié)構(gòu)主要由 PN 結(jié)芯片，電極以及光學(xué)系統(tǒng)三部分構(gòu)成。下圖為 LED的結(jié)構(gòu)示意圖 【 2】 。然后光子的能量反過來將會和光的顏色相對應(yīng)，即在可見光頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)光和紫光攜帶的能量是最多的，而橙光和 紅光攜帶的能量是最小的。 LED的是標(biāo)志反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其是在脈沖驅(qū)動或 電調(diào)制時(shí)顯得非常重要。 從使用角度來說，就是 LED的點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間。 2）發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布。 LED采用的是圓柱、球形封裝，由于凹凸境的作用，具有很強(qiáng)的指向性。 3）光通量。Φ與封裝工藝水 平和 芯片材料 還有 外加 的恒流源電流有關(guān)。亮度指在某個(gè)方向上發(fā)光體表面投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為 cd/m2. AIL /00 ? (21) 假如 光源表面是理想漫反射面，則亮度 和 方向無關(guān) 是 常數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度 保持 不變時(shí) ， 電流 的 增 也 大足以引起 PN結(jié)溫度升高， 使 亮度呈飽和狀態(tài)。它的原理為這三種顏色 LED同時(shí)發(fā)光就會產(chǎn)生白光，稱這種方法為多芯片白光 LED。其中 GaN芯片發(fā)出藍(lán)光 (λ p=465nm)，而高溫?zé)Y(jié)制成含 Ce3+的 YAG熒光粉受到此藍(lán)光激發(fā)后會發(fā)出黃 色光，它的為峰值 550nm。下表 21列出當(dāng)前白光 LED的種類與其發(fā)光機(jī)理 ，并且對不同10 芯片數(shù)目的白 LED進(jìn)行了比較 【 4】 。因?yàn)樵趩涡酒?LED得到相應(yīng)白光的這種產(chǎn)生方式比多芯片產(chǎn)生白光的速度低。它 經(jīng)由 改變?nèi)嫉谋壤?，可以得出不同種類顏色，同時(shí)我們也可用做照明。此時(shí)能量的通量在可視范圍內(nèi)是正常的。傳遞光學(xué)能量 Pt表達(dá)式如下式： 11 ? ?? maxmin ??? ddP et (24) 式中的 min和 max一是由光學(xué)二極管的敏感性曲線確定的。 因?yàn)槊總€(gè)房間的大小和室內(nèi)設(shè)施并不相同，因此要使通信效果達(dá)到最好應(yīng)該使房中在同一水平面上的分布光功率變化達(dá)到最小。 假設(shè)室內(nèi)環(huán)境典型模型是 (長 )(寬 )(高 )空房間，發(fā)射端的 LED光源安裝距地面高 ，并且燈的邊緣距周圍墻面 lm。參量數(shù)據(jù)如表 32【 5】 。假如終端設(shè)備均放置在同一高度且為h的平面上，建立如圖 。( 11,1 Hyxvuf ? (28) ? ? ? ?WvLu ,0,0 11 ?? 假設(shè)每只 LED燈的發(fā)射功率相同即 Pt1 =Pt 則上式可變?yōu)椋? ),。0,0(),。((1)),((1 (211) 對上式分別進(jìn)行求 X1，和 Y1的偏導(dǎo) ,當(dāng) 011 ?????? YDXD 時(shí)可以取到它的最優(yōu)的 X*1,Y1*即可確定最佳的 LED燈布局 【 8】 。 3 可見光通信基本理論 室內(nèi)可見光通信基本理論 VLC 概述 可見光通信（ Visible Light Communication，即 VLC）是采用半導(dǎo)體 LED的響應(yīng)速度14 快的發(fā)光響應(yīng)特性，把信號調(diào)制在 LED可見光來進(jìn)行傳輸?shù)模箍梢姽馔ㄐ藕?LED照明相結(jié)合，從而構(gòu)建出 LED照明且通信的兩用基站光源，同時(shí)也為光通信提供了全新寬帶接入方式。 室內(nèi) VLC 基本理論 VLC作為無線光通信方式，它的系統(tǒng)分為前向鏈路與反向鏈路兩部分。雖然室內(nèi)不會受到強(qiáng)背景光以及天氣的影響，光傳播幾乎不存在損耗，但以為 LED光源數(shù)目多，同時(shí)具有較大表面積，因此在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間會有多條不同光路徑，而不同光路徑到接收機(jī)時(shí)間不同，將會引起碼間干擾。包括把光信號還原為電信號光電探測器（ PD）和前置放大電路，以及將電信號轉(zhuǎn)換為可被終端識別的處理與輸出電路。 如下圖 VLC系統(tǒng)一種典 型設(shè)計(jì)包括：由終端，白光 LED光源，可見光集線器，可見光適配器，光電探測器（ PD）和相應(yīng)的信號處理單元組成。可見 光適配器包含前向鏈路光 LED光源以及反向鏈路光電接收器，集合發(fā)射和接收的功能，它負(fù)責(zé)把終端用戶信息調(diào)制為光信號與接收到來自反向鏈路光信號。 室內(nèi) VLC 基本鏈路 室內(nèi)的無線光通信和室外無的線光通信不同點(diǎn)主要是兩者信道不同，室內(nèi)光通信需要考慮室內(nèi)的房頂和墻壁以及地面等 其他物品例如桌子對光束反射和吸收。其中的定向其實(shí)是一個(gè)角度問題。反之，非定向鏈路是使用的16 大角度接收機(jī)與發(fā)射機(jī)。 綜合以上分析，可 將室內(nèi)無線局域網(wǎng)鏈路方式劃分為以下這幾種：非定向式視距鏈路；定向式視距鏈路；非定向式漫反射鏈路；定向式漫反射鏈路；混合式視距鏈路；混合式非視距鏈路。因此對發(fā)射機(jī)功率要求也較低，發(fā)射光源通常采用平均功率是幾十 mW，它的發(fā)射半角是 150300間的 LED。它常用于短距離且低速率的通信，如各種電器遙控器等。 非定向視距鏈路是以安裝在天花板上的發(fā)射機(jī)發(fā)出大發(fā)散角光束與接收機(jī)較大接收視野來實(shí)現(xiàn)增加覆蓋面積目的，使收發(fā)兩端不需嚴(yán)格對準(zhǔn)也可實(shí)現(xiàn)通信。此鏈路方式應(yīng)用更為靈活，既能用于對等網(wǎng)絡(luò)，也能用于中心網(wǎng)絡(luò)。 定向鏈路中，接收機(jī)應(yīng)該始終指向光源發(fā)射機(jī)，直射鏈路光源功率利用率很高，很容易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，白光 LED光源因要進(jìn)行室內(nèi)照明因此應(yīng)該固定于天花板上，所以依據(jù) LED光 源與接收機(jī)終端指向，把 LED通信鏈路分成漫射鏈路與定向視距鏈路兩種類型，如上圖 【 11】 。發(fā)射端，幅度變化電信號由驅(qū)動電路來直接對 光源調(diào)制，轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化的光載波信號。 (a) (b) 圖 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)信道模型 上圖 基帶傳輸系統(tǒng)。那么探測器接收到光強(qiáng)度為： abmr PtAPtR ??? )s in1()( ? （ 32） 上式中其中， rP 只是入射光平均功率。 所以，也可把圖 (b)表示的 VLC基帶傳輸模型中信道噪聲看成是和信號沒關(guān)的加性高斯噪聲 N(t)。室內(nèi)可見光的信道可看作是附加了高斯噪聲的多徑信道 【 13】 。以上這些都會有利提高信道質(zhì)量，并滿足信息傳輸需求。如下圖 兩條不同光路徑所引起的延遲 【 14】 。 1)通過改變編碼方式。 2)優(yōu)化光學(xué)接收機(jī)。它的原理是運(yùn)用光學(xué)透鏡把入射角不同的光信號集中在一點(diǎn)，等同于擴(kuò)大接收機(jī)視場角。 OFDM調(diào)制具有很強(qiáng)抗多徑干擾能力，也可以用在 VLC中，這是由于一方面 OFDM技術(shù)把高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成低速的并行數(shù)據(jù)，即減少碼間干擾可能性；另一方面基于循環(huán)前綴存在，就相當(dāng)于在 OFDM信號中加入保護(hù)間隔，也可以更進(jìn)一步的減弱由多徑效應(yīng)而引起碼間干擾的影響。將 OFDM技術(shù)應(yīng)用到可見光通信中是21 本文所討論的可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)。接下來講述 OFDM技術(shù)。因?yàn)?OFDM準(zhǔn)許子載波頻譜混疊，它的頻譜效率有了較大提高，因而是一種相對高效的調(diào)制方式。 在 1971年， Ebert與 Weinstein把離散傅立葉變換運(yùn)用于 OFDM的調(diào)制以及解調(diào)中，如此一來可以通過用硬件執(zhí)行 FFT來實(shí)現(xiàn) OFDM技術(shù)，從而 OFDM技術(shù)得以快速發(fā)展。因而 OFDM技術(shù)在本地?zé)o線局域網(wǎng)、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)以及數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)等民用通信系統(tǒng)中全都得到較廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時(shí)，它的接收子載波間正交性就受到破壞，使得每個(gè)子載波上前后傳輸?shù)姆栭g以及子載波間會出現(xiàn)互相干擾。整個(gè)系統(tǒng)可 分為發(fā)送以及接收兩部分。只要多徑延時(shí)小于過保護(hù)間隔，就會保證子載波間的正交性。與此同時(shí)，第四代移動通信的核心技術(shù)已經(jīng)得到人們廣泛關(guān)注以及大量的研究。相較于傳統(tǒng)調(diào)制方式， OFDM有較為明 顯的優(yōu)勢在無線寬帶高速通信技術(shù)中，它的傳輸速率與帶寬利用率是其它的調(diào)制方式不能達(dá)到的。在這 種并行系統(tǒng)里，把整個(gè)信號頻帶劃分成互不干擾的 M個(gè)子頻帶，并在每個(gè)子頻帶上進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。如此以來總信道是非平坦的，并具有頻率選擇性，但對每個(gè)子信道而言是相對平坦的，從而每個(gè)子信道上實(shí)現(xiàn)窄帶傳輸，信號帶寬比信道的相應(yīng)帶寬小，