【文章內(nèi)容簡介】 活以及易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。 FSO可在一定程度能彌補(bǔ)光纖與微波的不足。雖然它的容量與光纖較相近，但是價(jià)格卻低得多。并且它可以直設(shè)在屋頂，在空中傳送。不但不需申請(qǐng)頻率執(zhí)照，而且也不用敷設(shè)管道挖掘馬路。在使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的系統(tǒng)，當(dāng)確定發(fā)收兩點(diǎn)視線不受阻擋的通道以后，通?？稍跀?shù)小時(shí)以內(nèi)安裝完畢，并投入運(yùn)行。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?。 VLC是一種以白光 LED做光源的新興無線光通信技術(shù)。和傳統(tǒng)的射頻通信以及 FSO相比， VLC有發(fā)射功率高，且無電磁干擾以及節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)。由于實(shí)現(xiàn)簡單， VLC系統(tǒng)大多數(shù)設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)系統(tǒng)，用曼徹斯特編碼以及開關(guān)鍵控 (OOK)調(diào)制方式。在 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(huì)接收到來自各個(gè)方向上的光信號(hào)，因此不會(huì)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。 與 FSO和射頻通信相比較， VLC具有下列突出的優(yōu)點(diǎn)： 1)可見光對(duì)人類相當(dāng)安全。 VLC系統(tǒng)可以用室內(nèi) LED照明燈發(fā)送數(shù) 據(jù)。 2)VLC到處都有。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。 3)發(fā)射功率 較 高。 因?yàn)?對(duì)紅外通信而言，受人眼安全限制，發(fā)射 的 功率較低，系統(tǒng)性能會(huì)受到較嚴(yán)重 影響 。 就 射頻通信而言，射頻信號(hào) 也會(huì) 對(duì)人體 造成傷 害， 并 不能 沒 限制增加它的發(fā)射功率。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。 5 4)不要無線電 的 頻譜認(rèn)證。因?yàn)?如今 無線電 的 頻譜資源比較有限， 可用來 分配的無線電頻率 及其 不足。 5）沒電磁干擾。 能 應(yīng)用于醫(yī)院以及飛機(jī)等對(duì)電磁干擾較嚴(yán)格限制 的場合。 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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及紅外無線局域網(wǎng)通信的技術(shù)。紅外線是介于 7501000nm范圍內(nèi)的電磁波。通常紅外數(shù)據(jù)通信用紅外波段 中近紅外線 部分 ，波長 是 介于 800900nm間 的 ， 經(jīng) 紅外發(fā)射 機(jī) 和接收 機(jī)進(jìn)行 紅外信號(hào) 接收和發(fā)射 。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(hào)調(diào)制成一系列脈沖信號(hào)，然后用該脈沖序列來驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射管，即以光脈沖的形式發(fā)射紅外脈沖。紅外通信 通常 為 38kHz頻率紅外信號(hào)。在接 收端紅外接收 機(jī) 是從空間接收 到 紅外光信號(hào)然后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，即將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過均衡，判決，解碼等相關(guān)處理后，恢復(fù)出原始二進(jìn)制電信號(hào)。 光無線通信技術(shù)中，一般紅外光通信系統(tǒng)對(duì)外界干擾抑制能力較強(qiáng)，但是由于它指向特征也比較強(qiáng)，因此當(dāng)通信線路遭遇物體介入時(shí)，就很及其容易因阻擋影響信號(hào)的正常傳輸，因此紅外光通信的有效距離范圍相對(duì)較短。并且紅外線可以透過角膜使晶狀體吸收，同時(shí)也可能會(huì)被虹膜以及睫狀體吸收，一部分會(huì)到達(dá)視網(wǎng)膜從而引起視網(wǎng)膜的損傷。紅外線會(huì)對(duì)眼球產(chǎn)生損害，損害角膜上皮。然而可見光即便輸出功率高 為幾十瓦也不會(huì)給眼睛帶來損傷。 下一代照明光源會(huì)采用發(fā)光二極管陣列來實(shí)現(xiàn)，它會(huì)使獲得同樣照度需求時(shí)消耗的功率大大降低 。 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】 。 表 11 紅外光與白光用作室內(nèi)通信時(shí)的比較 典型特征 紅外光 可見光白光 信號(hào)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(shí)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(gè) LED燈消除陰影效應(yīng) 6 LED有發(fā)光強(qiáng)度與發(fā)光功率這兩個(gè)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(hào)光源，用以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線通信的數(shù)據(jù)傳輸。由于紅外光會(huì)對(duì)人眼睛傷害等原因，選用 LED白光源用作室內(nèi)無線通信比紅外光有 著許多優(yōu)勢(shì)。 綜上所述表明 LED可見光通信已成為全球光通信專家研究的熱點(diǎn)問題。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)。因此 VLC必將成為無線通信領(lǐng)域的發(fā)展的趨勢(shì) 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(shí)介紹了 OFDM技術(shù)的理論，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)；最后講述了 LED光源包括室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括可見光發(fā)射端，接收端設(shè)計(jì)，和基于 OFDM的室內(nèi) VLC系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析。 2 室內(nèi) LED 光源 發(fā)光二極管 (Light Emitting Diodeled即 LED)是一種將電能轉(zhuǎn)化 成 光能 的 半導(dǎo)體 。其不同于 白熾燈鎢絲發(fā)光 以及 節(jié)能燈三基色發(fā)光原理，采用 電場 發(fā)光。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。 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(diǎn)，它被視作下一代節(jié)能且環(huán)保型的照明產(chǎn)品。白光 LED另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是響應(yīng)靈敏度較高，因而可以用 LED來進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)通信。 在可見光通信系統(tǒng)中， LED光源具有照明及通信雙重作用?；谡彰髟蛲ǔＰ枰惭b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。因?yàn)椴煌墓庠床季直囟▽?dǎo)致室內(nèi)不光功率的分布不同，所以需要對(duì)光源的布局進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，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。合理的 LED光源布局將會(huì)較容易滿足 室內(nèi)所有區(qū)域的照明以及通信要求，并且能有效消除該通信系統(tǒng)中陰影效應(yīng)的影響。這一章分析了白光 LED發(fā)光原理、相關(guān)特性及室內(nèi) LED照明燈的布局設(shè)計(jì)方法，例如房間內(nèi)的四個(gè) LED照明燈的最優(yōu)化布局設(shè)計(jì)。 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。當(dāng)電極上加正向偏置電壓時(shí)，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(huì)以輻射光子的形式把多余的能量轉(zhuǎn)化成光能。 LED基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光半導(dǎo)體材料，把它置于一個(gè)帶引線的架子上，再在四周用環(huán)氧樹脂密封 起來，達(dá)到保護(hù)內(nèi)部芯線的目的，因而 LED的抗震性能較好。在 90年代初期，發(fā)紅光和黃光的 GaAIlnP以及發(fā)綠和藍(lán)光的 GalnN兩種新材料的研發(fā)成功，使 LED的光效得到較大幅度的提高。下圖為 LED的結(jié)構(gòu)示意圖 【 2】 。 圖 LED的結(jié)構(gòu)圖 其實(shí) 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。把微小的半導(dǎo)體芯片封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂中，當(dāng)電子通過此芯片時(shí)，帶負(fù)的電子向帶正的空 穴區(qū)域移動(dòng)到并且與之復(fù)合，在電子與空穴消失時(shí)產(chǎn)生光子。電子與空穴之間能量（能隙）越大，產(chǎn)生光子的能量會(huì)越高。然后光子的能量反過來將會(huì)和光的顏色相對(duì)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。因?yàn)椴煌牟牧暇哂胁煌芰?，因此?huì)發(fā)出不同顏色光。 LED 光源的相關(guān)特性 LED是采用化合物的材料制成 PN結(jié)光學(xué)器件，因?yàn)樗邆?PN結(jié)器件的相關(guān)特性，所以較適合用來做室內(nèi)通信系統(tǒng)中的光源。 8 1）響應(yīng)時(shí)間。 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(dòng)或 電調(diào)制時(shí)顯得非常重要。響應(yīng)時(shí)間是指輸入正向電流 LED開始發(fā)光（上升）和熄滅（下降）的時(shí)間。 LED的上升時(shí)間隨著電流的增大近似按指數(shù)規(guī)律衰減。直接躍遷材料（如 GaAs1xPx）的響應(yīng)時(shí)間僅為幾納秒，而間接躍遷材料（ GaP）的響應(yīng)時(shí)間則為 100ns。 從使用角度來說，就是 LED的點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間。 LED的響應(yīng)時(shí)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。不同材料的的 LED響應(yīng)時(shí)間各不相同，如GaAs,GaAsP,GaA1As LED的響應(yīng)時(shí)間小于 109ns,GaP LED為 107ns。因此它 們可以應(yīng)用到10100MHz的高頻系統(tǒng)。 2）發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布。 LED發(fā)光強(qiáng)度用于表征 LED某個(gè)方向上發(fā)光的強(qiáng)弱。由于 LED不同空間角度上的光強(qiáng)相差很大，因此分析和研究 LED的光強(qiáng)分布特性具有實(shí)際意義，它可以直接反應(yīng) LED光源的最小觀察角。 （ 1）發(fā)光強(qiáng)度（法向）是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能參數(shù)。 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。 （ 2）發(fā)光強(qiáng)度的角度分布。發(fā)光強(qiáng)度的角度分布用于描述 LED發(fā)出的光在空間的各個(gè)方向上的光強(qiáng)分布。它主要取決于 LED的封裝工藝。 3）光通量。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 。Φ為 LED各個(gè)方向上發(fā)光能量的總和，它 和 工作電流 有著 直接 的 關(guān) 系 ，即隨著電流增大，LED光通量增大。 LED光通量的單位流明（ Lm）。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)。 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。 4）發(fā)光亮 度。亮度是評(píng)價(jià) LED的 發(fā)光性能的 另外 一重要參數(shù)具有很強(qiáng)的方向性。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)。晴朗藍(lán)天 與 熒光燈表面亮度 大概是 7000cd/m2。 LED亮度與 和 加電流 的 密度 相 關(guān)，通常 LED的電流密度增大， L0也近似增大。 此 外亮度也與溫度有關(guān)， 當(dāng) 環(huán)境 的 溫度升高 時(shí) ，復(fù)合率 會(huì) 下降， L0減小。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)。 白光 LED 目前白光 LED主要由兩種方法產(chǎn)生。一是由藍(lán)光 LED芯片與熒光粉組成 ,此類型白光9 LED的工作原理是：在 InGaN藍(lán)光 LED上涂一層 YAG熒光物，當(dāng)此種芯片開始供電后，芯片就會(huì)發(fā)出藍(lán)光，用發(fā)射出的藍(lán)光來照射此類熒光物，從而產(chǎn)生和藍(lán)光相互補(bǔ)的黃光，然后用透鏡原理把互補(bǔ)的黃光和藍(lán)光進(jìn)行混合 ,即可得到肉眼所看到的白光，此類單芯片結(jié)構(gòu)白光 LED如圖 下圖 (a)所示 【 3】 。 圖 兩種白光 LED 另一種是用紅藍(lán)綠三基色混合而成白光。它的原理為這三種顏色 LED同時(shí)發(fā)光就會(huì)產(chǎn)生白光，稱這種方法為多芯片白光 LED。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。對(duì)于照明而言，人們更需要的是白色的光源。早在 1998年白光 LED就已研發(fā)成功，它是把 GaN芯片與 YAG(釔鋁石榴石 )熒光粉封裝在一塊做成的。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(huì)發(fā)出黃 色光，它的為峰值 550nm。把藍(lán)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。其中 LED基片發(fā)出的部分藍(lán)光被熒光粉吸收，而另一部分藍(lán)光和熒光粉發(fā)出的黃光相混合，就會(huì)得到白光。對(duì)于 InGaN/YAG 圖 兩種白光 LED的光譜 的白光 LED，是通過改變 YAG熒光粉的化學(xué)組成以及熒光粉層厚度，將會(huì)獲得色溫350010000K的各類白光。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(duì)不同10 芯片數(shù)目的白 LED進(jìn)行了比較 【 4】 。 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(lán)色 LED InGa/YAG InGa 的藍(lán)光與 YAG 黃光 相 混合 為 白色 藍(lán)色 LED InGa/熒光粉 InGa 藍(lán)光激發(fā)的紅綠藍(lán)三 種 基色 的 熒光粉發(fā) 出 白光 藍(lán)色 LED ZnSe 由薄膜層發(fā)出的藍(lán)光 與 基板上激發(fā)的黃光 相 混合 為 白色 藍(lán)色 LE