【正文】 ，壽命長 等 特點。由于 LED光源具有特殊性能特點，使得 LED可見光通信大勢所趨。他將上述這種系統(tǒng) 用于交通系統(tǒng)中，采用電壓控制振蕩器調(diào)制驅(qū)動了 441個超亮度的紅光 LED陣列，它的載頻為100kHz，通過發(fā)送濾波來驅(qū)動 LED交通燈。波士頓大學(xué) Thomas Little又提出可以用 LED來替代 自熾燈，并且預(yù)測到未來 15年內(nèi) LED廣泛應(yīng)用 必將 勢不可擋。其中用 7個 LED來發(fā)射信號和一個光電接收器，發(fā)送接收裝置間的距離為 12cm，同時分別測量了紅綠藍LED的 3dB帶寬。而改進電路以后，即將 LED安裝成 5 2矩陣，光通信鏈路距離可達 90cm，傳輸速率是 20 Mb/s。其中 Toshihiko Komine做的研究最為突出。他還研究多個 LED發(fā)光的系統(tǒng)陰影效應(yīng)，下行鏈路用 TDMA，當(dāng)傳輸速率在 800 Mb/s時，通話會被人行陰影中斷，而采用 3個 LED照明會提高系統(tǒng)通信質(zhì)量。 Brien在 2021年提出可以用 LED既來替代白熾燈以及熒光燈 進行 照明，又可以用它來傳輸信息的想法 。 德國的海因里 希赫茲 和 弗朗禾費通信研究所提出了用白光 LED來 進行信息傳輸，他首先提出大功率 的 白 光 LED由于調(diào)制帶寬 的 有限 因此 限制 其 傳輸速率 ，從而 他的研究重點在于怎樣 使 調(diào)制帶寬 能夠 提高 。 在國內(nèi)基于白光 LED 可見光通信系統(tǒng)起步較晚。這個通信系統(tǒng)通信距離是 20cm，傳輸速率為 10MHZ，并保證了頻率信號的正確傳輸。 在 光發(fā)射機 中把 電信號調(diào)制 到 光源 上 ，并且通過 用 光學(xué)望遠鏡作成的 天線 ,可以將光信號 經(jīng)由 大氣信道 做媒介 傳 至 接收端光學(xué)望遠鏡?？紤]到 1550nm的光波對于霧具有更強的穿透力，并且人眼更安全，因此 1550nm波長的 FSO具有更為廣闊的應(yīng)用前景。并且它可以直設(shè)在屋頂，在空中傳送。 VLC是一種以白光 LED做光源的新興無線光通信技術(shù)。 與 FSO和射頻通信相比較， VLC具有下列突出的優(yōu)點： 1)可見光對人類相當(dāng)安全。 3)發(fā)射功率 較 高。 5 4)不要無線電 的 頻譜認證。 可見光與紅外通信相比較 紅外通信技術(shù)是一種以紅外光作為通信載體，可實現(xiàn)點對點以及紅外無線局域網(wǎng)通信的技術(shù)。紅外通信 通常 為 38kHz頻率紅外信號。紅外線會對眼球產(chǎn)生損害，損害角膜上皮。 表 11 紅外光與白光用作室內(nèi)通信時的比較 典型特征 紅外光 可見光白光 信號光源 紅外 LED、紅外 LD 白光 LED 工作波長 典型波長 800900nm 380780nm 調(diào)制帶寬 幾十 KHz幾百 MHz（ LED） 幾十 KHz幾百 GHz（ LED） 幾十 KHz幾百 MHz 信道速率 理論速率 100Mb/s，以實現(xiàn) 16Mb/s 最初設(shè)限速率 10Mb/s 室內(nèi)布局 需另外架設(shè)紅外通信光源和線路 簡化了室內(nèi)線路布局 陰影效應(yīng) 容易受替它遮擋物影響 多個 LED燈消除陰影效應(yīng) 6 LED有發(fā)光強度與發(fā)光功率這兩個基本特性參數(shù)，使白光 LED不僅能提供室內(nèi)照明，而且可以作為信號光源，用以實現(xiàn)室內(nèi)無線通信的數(shù)據(jù)傳輸。因此 VLC必將成為無線通信領(lǐng)域的發(fā)展的趨勢 論文研究的主要內(nèi)容 本篇論文首先介紹了基于 LED的室內(nèi)可見光無線光通信研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及 可見光與自由空間光通信及紅外通信的比較；再次討論了室內(nèi) LED光源，其中介紹了 LED光源相關(guān)理論，白光 LED發(fā)光原理， LED光源的布局方法；再次可見光通信基本理論，包括室內(nèi) VLC基本原理和鏈路，以及分析信道模型，存在的多經(jīng)效應(yīng)；同時介紹了 OFDM技術(shù)的理論，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)缺點；最后講述了 LED光源包括室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)計，包括可見光發(fā)射端，接收端設(shè)計，和基于 OFDM的室內(nèi) VLC系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析。 高亮度的白光 LED燈具有低功耗、小尺寸、長壽命、綠色并環(huán)保等優(yōu)點，它被視作下一代節(jié)能且環(huán)保型的照明產(chǎn)品。因為不同的光源布局必定導(dǎo)致室內(nèi)不光功率的分布不同，所以需要對光源的布局進行合理的設(shè)計，使室發(fā)射功率 需限制發(fā)射功率，即距離受限 通常情況下無需限制 7 內(nèi)接收光功率的分布趨向均勻化。當(dāng)電極上加正向偏置電壓時，電子與空穴將分別注入 P 區(qū)與 N 區(qū)，在非平衡少數(shù)載流子和多數(shù)載流子復(fù)合過程中，會以輻射光子的形式把多余的能量轉(zhuǎn)化成光能。 圖 LED的結(jié)構(gòu)圖 其實 LED 的發(fā)光過程分為：在正向偏壓下的載流子注入和復(fù)合輻射以及光能傳輸這三部分。因為不同的材料具有不同能量，因此會發(fā)出不同顏色光。響應(yīng)時間是指輸入正向電流 LED開始發(fā)光（上升）和熄滅（下降）的時間。 LED的響應(yīng)時間主要取決于載流子的壽命，器件的結(jié)電容以及電路阻抗。 LED發(fā)光強度用于表征 LED某個方向上發(fā)光的強弱。 （ 2）發(fā)光強度的角度分布。光通量Φ用 來表示 LED光 的 輸出輻射能量，它標(biāo)志著其間的性能 好壞 。 當(dāng)今 單色 LED光通量大 概是 1Lm，白光 LED的Φ 是 Lm，由 1mm?1mm的功率芯片制成的白光 LED的 光通量 18Lm。晴朗藍天 與 熒光燈表面亮度 大概是 7000cd/m2。 白光 LED 目前白光 LED主要由兩種方法產(chǎn)生。這類多芯片白光 LED的結(jié)構(gòu)如上圖 (b)所示，下圖 LED光譜示意圖。把藍光 LED基片安在碗狀反射腔里，再覆蓋混有 YAG樹脂薄層，它的厚度約為： 200500nm。 表 21 白光 LED的種類和原理 芯片數(shù) 激發(fā)源 發(fā)光材料 發(fā)光原理 1 藍色 LED InGa/YAG InGa 的藍光與 YAG 黃光 相 混合 為 白色 藍色 LED InGa/熒光粉 InGa 藍光激發(fā)的紅綠藍三 種 基色 的 熒光粉發(fā) 出 白光 藍色 LED ZnSe 由薄膜層發(fā)出的藍光 與 基板上激發(fā)的黃光 相 混合 為 白色 藍色 LED InGaN/熒光粉 InGaN 的紫外光激發(fā)紅黃藍三基 色熒光粉發(fā)白光。并且單芯片 的 白光 LED顏色重現(xiàn)方面也有欠缺，因為顏色重現(xiàn)是指忠實的再現(xiàn)原來的顏色，同時所重現(xiàn)顏色亮度 也是相當(dāng)重要的。 在 使用多芯片白光時，通過同步調(diào)制紅綠藍三色 LED就 能 實現(xiàn)光學(xué)的無線通信。照明度被用來表示 LED照明設(shè)備的明亮程度。 燈光布局 在實際系統(tǒng)中，要取得通信效果最佳，應(yīng)該使室內(nèi)的光強分布保持不變，并 且盡可能避免盲區(qū)的產(chǎn)生，找出最佳照明效果光源布局規(guī)則，因此應(yīng)該布置多個 LED光源。因此當(dāng)接收功率分布達到變化最小值時，就可以被認為是 LED最佳典型布局方案 [5]。平面效果如下圖 。 表 22 模型設(shè)置數(shù)據(jù)參量 LED 芯片發(fā)光強度 LED 燈大?。拷M） (m) LED 中心發(fā)光功率 20(mW) 接收視角（ FOV） 60（度） 半功率半角 70（度） PD面積 (cm2) LED 離墻面距離 1(m) 光電轉(zhuǎn)換效率 (A/W) 12 發(fā)光二極管（每組） 3600(6060 個 ) 光集中器折射率 發(fā)光二極管（間隔） (m) 光濾波器增益 1 如圖 ，四個燈正下方照明亮度最強是 Lx，而房間中間照明亮度其次，但房間四角照明亮度最低只有 Lx，房間中照明度最高與最低之差是 877 Lx。假設(shè)共有四只 LED燈，它們在天花板上對稱分布，接下來分析平面 z=h上接收功率的分布情況。5,5(),。,(),( 41 yxfyxfyxfyxfyxvufPyxP jiNir ????? ??? (29) 13 室內(nèi)平面 z=h上每點的平均功率表示為： ? ? ?? ? ????41 ),。 本章小結(jié) 具有照明和通信的雙重作用的 LED光源在在可見光通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用 。 VLC發(fā)射端根據(jù)傳遞的資料把電信號變調(diào)后，再用 LED轉(zhuǎn)成光信號發(fā)出去； 接收端先用接收光元件來接收光信號后，再把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過解調(diào)作為信號資料來讀取。反向鏈路包 含發(fā)射以及接收。因為白光 LED光源發(fā)出的可見光，并且發(fā)散角較大，因此對人眼睛幾乎無害、沒有電磁波傷害等優(yōu)勢。室內(nèi)光信號被 PD轉(zhuǎn)換成電信號，再對電信號實行放大以及處理，最后恢復(fù)出和發(fā)端相樣的信號。前向鏈路與反向15 鏈路的每部分都包括發(fā)射以及接收。天花板上安的 PD收來自用戶光信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號送到可見光集線器。而室外的光通信光信主要為點對點通信，信號傳輸距離比較遠，通常在百米以上，因此發(fā)射器應(yīng)該用光束擴散比較小激光器；但是室內(nèi)光通信決定了通信距離不會很遠，通常為幾米到十幾米范圍內(nèi)，因此可采用發(fā)光二極管。就發(fā)射機來而言，若其發(fā)射光束發(fā)散角較小，則發(fā)出光束幾乎平行，就稱它為定向發(fā)射機。也有一種鏈路混合定向和非定向的特點，即發(fā)射機和接收機中一個為非定向的而另一個為定向的，這種鏈路稱之為混合鏈路。如下圖 【 10】 。 2)傳輸光束很窄。并且它也是紅外數(shù)據(jù)協(xié)會所選來用于非中心對稱網(wǎng)絡(luò)鏈路方式，而這些對稱網(wǎng)絡(luò)通常為移動終端所組建，兩個終端間距不超過 lm，數(shù)據(jù)速率為 4Mbps。信號傳輸過程中會經(jīng)過墻壁或者天花板反射，會產(chǎn)生多徑傳輸，同時增大路徑損耗，將直接影響 PD接17 收到的光功率。它的缺點是信號路徑損耗較嚴(yán)重，特別是當(dāng)接收機旁有人或者障礙物時，損耗更為嚴(yán)重。但是此種鏈路嚴(yán)格要求發(fā)射機和接收機間保證對準(zhǔn)，否則容易被障礙物遮擋而造成通信鏈路中斷，使得產(chǎn)生接收盲區(qū)。 室內(nèi) VLC 信道模型 室內(nèi) VLC信道和紅外無線通信信道及其相似，因此對 VLC信道研究參考紅外通信信道，18 紅外無線通信系統(tǒng)中，無論是直視方式還是漫射方式信道，其中紅外線發(fā)射和反射特性通常采用朗伯輻射源近似。接收端，光信號將被 PD轉(zhuǎn)換為和它成正比的電信號。 X(t)是光源 LED瞬時光強值，而接收信號 Y(t)是探測器內(nèi)的瞬時光電流值。若 PD靈敏度是 R，那么： 19 )s in()( tAPPPRtY mra mbr ????? （ 33） 這里假設(shè)圖 (a)所示接收機中使用 PD作光電探測器，則接收機噪聲主要是由前置放大電路而引入電路噪聲和背景光以及信號光電流所引起散彈噪聲構(gòu)成。從而整個 VLC系統(tǒng)就可當(dāng)作是一個線性系統(tǒng)，表達式為： Y(t)=RX(t)? h(t)+N(t) (34) 上式中 ? 表示卷積， R為光電探測器響應(yīng)效率， Y(t)與 PD表面接收的瞬時光功率積分成比例。 VLC信道中光噪聲包含自然噪聲的太陽光以及人為干擾的熒光燈光等，可在信息傳輸通道加入光學(xué)濾光片和聚光鏡等來解決。 多經(jīng)干擾 室內(nèi) VLC系 統(tǒng)中，為了確保通信可靠性，安裝于天花板上 LED光源一般是由多個發(fā)光 LED陣列構(gòu)成，且具有很大發(fā)射表面積，從而接收機會將不會由于物體遮擋而產(chǎn)生了接收盲區(qū)。 20 圖 不同光路徑引起的多經(jīng)效應(yīng) 可見光系統(tǒng)中，多徑干擾將是產(chǎn)生碼間干擾最主要原因。若 VLC系統(tǒng)使用 OOK調(diào)制方式，可將非歸零碼 NRZ． OOK編碼方式換成歸零 RZ． OOK方式。它的設(shè)計原理是把一些相互獨立，并且指向不同的接收機組合起來，組成一個多通道光學(xué)接收系統(tǒng)。這種經(jīng)不同路徑信號光匯聚在探測器不同點上，將能實現(xiàn)對信號光的分集接收。 以上三種解決由多徑干擾而引起的碼間串?dāng)_問題的方法。 本章小結(jié) VLC基本理 論支撐室內(nèi) VLC系統(tǒng)的設(shè)計。 4 OFDM 技術(shù)簡介 OFDM是一種相對高效的傳輸數(shù)據(jù)方式，基本思想是：在頻域內(nèi)把給定信道分為許多正交子信道，并對每個子信道用一個子載 波來進行調(diào)制，且各子載波是并行傳輸。 OFDM 概述 在 上世紀(jì) 60年代，就已提出頻率復(fù)用以及多載波并行傳輸?shù)睦砟睢? 直到 90年代， OFDM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到無線通信中。如今由于 OFDM技術(shù)在帶寬利用率和傳輸速率以及抗多徑干擾方面的優(yōu)勢，使得它已成為寬帶無線接入中的核心技術(shù)之一。為解決此問題，可在每個 OFDM傳輸信號前插入一個保護間隔，它是由 OFDM信號周期擴展得到。發(fā)送部分，先調(diào)制信息 Sn ， 經(jīng)串并變換變成 N路并行比特流，即對應(yīng) N路不同子載23 波，接著根據(jù)信道情