【導讀】used).Section4).IEEE(seeSection4).campus-area-works.

　　

【正文】 收器非定向 ：發(fā)射 器采用了廣泛的發(fā)射波束 ，而 接收器有一個寬 視角的鏡頭 。此外， LOS 的路徑是不需要的。因此， 擴散 性 系統(tǒng)也稱為非定向非視距系統(tǒng)。它非常適合于無線局域網(wǎng)應(yīng)用， 從認知 上說， 與其他通信設(shè)備的 按用戶位置調(diào)整 鏈接不同 。 C． 基礎(chǔ)和大綱 大多數(shù)無線紅外通信系統(tǒng)，可以模擬 其輸出信號 Y（ t）和輸入信號 X（ t），并得出其表達式 其中 表示卷積， c（ t）是在通道 N（ t）為加性噪聲 時的脈沖響應(yīng)。這篇文章圍繞該模型系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題 進行討論 。 在第 2 節(jié)中，我們考慮 下面幾個 問題。 紅外在什么樣的無線通信系統(tǒng)中適用 ？接收器和發(fā)送器的電 學 和光學特性 決定 怎樣的 c（ t）？接收器和發(fā)送器的大小和方向 如何確定 c（ t）的位置？ 光路中 X（ t）和 Y（ t） 有什么聯(lián)系 ？ 波長 X（ t） 的范圍是什么 ？ 需要怎樣的設(shè)備才能實現(xiàn) ？ 為什么會產(chǎn)生 N（ t）？是否有任何安全方面的考慮？在第 3 節(jié)中，我們考慮的通信設(shè)計問題。應(yīng)該如何 對 數(shù)據(jù)符號序列進行調(diào)制 得 到輸入信號 X（ t）？提取接收信號 Y（ t）的有關(guān)數(shù)據(jù)資料 的 最好的檢測機制是什么？ 如何 才能衡量和提高系統(tǒng)性能？在第 4 節(jié)，我們 會從 現(xiàn)有的標準 進行 設(shè)計制造，如 紅外線 和 的選擇。最后，在第 5 節(jié)，我們考慮這些系統(tǒng)在今后 將 如何改進。 A．調(diào)制解調(diào) 發(fā)射器發(fā)出的調(diào)制波攜帶有怎樣的特征信息？大多數(shù)通信系統(tǒng)是基于相位，振幅或頻率調(diào)制，或這些技術(shù)的結(jié)合。但是，對一個信號進行調(diào)制需要占用更大的帶寬 。一個有效的解決方法是使用強度調(diào)制，在調(diào)制信號 中 傳輸信號的強度 和功率 成正比 。 解調(diào)器（通常指的是光學系統(tǒng)探測器）可以提取 運載信息的混合光波中的信號 。 當有連續(xù)相位的信號時，使用相干解調(diào)是最好的 。然而，這可能很難實現(xiàn)，在非定向傳播中，它很難達到規(guī)定的混合效率。 此外 ，人們可以使用光電探測器直接檢測。該 探測器的電流 與 接收 到的 光信號強度成正比， 這便于強度調(diào)制，也就 是原始信號調(diào)制 。因此，大多數(shù)系統(tǒng)使用直接檢測（ IM/ DD） 中 的光強度調(diào)制來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。 在自由空間光通信系統(tǒng)中，探測器接收到的光可能有其它來源 。這些包括環(huán)境照明如自然光，日光燈光，白熾燈 光等 。 這些與 光傳輸無關(guān)的信號的變化， 會在接收器中產(chǎn)生噪聲分量。 我們可以寫出接收端的光 其中 R 是接收光電二極管（ A/ W）的響應(yīng)。請注意，電脈沖響應(yīng)的 C（ t）是簡單的 r 次的光脈沖響應(yīng) h（ t）。有些 人 使用（ t） 而另 一些使用 h（ t） 作為脈沖響應(yīng)，我們計算時要視 情況而定 。 B． 接收機和發(fā)射機 發(fā)射器將原始電信號轉(zhuǎn)化為光信號。典型的電光轉(zhuǎn)換器件是發(fā)光二極管（ LED）和半導體激光二極管（ LD）。 LED 擁有 自然寬傳輸模式，因此 它 適合于非直接 傳輸 。 對人眼來說 發(fā)光二極管比激光二極管更安全 ， 激光二極管 通常 具 有很窄的光束。 激光二極管的主要優(yōu)點是其高能量轉(zhuǎn)換效率，其高調(diào)制帶寬，和其相對窄的光譜寬度。雖然激光二極管比發(fā)光二極管適合開發(fā)，但目前大多數(shù)短期投資 的 商業(yè)系統(tǒng)仍使用 LED。 一個接收器或檢測器通過把檢測 到得 探測器表面的光子通量轉(zhuǎn)換成電流來計算入射光功率 。 硅 PIN 光電二極管完 美的應(yīng)用于紅外無線通信，是因為他們在這一過程中良好的量子效率和其便宜的價格（ 4）。這里不使用雪崩光電二極管，是因為主要的噪音源是回到地面 的 光致熱散粒噪聲，而不是電路的噪聲。 C．傳輸波長和噪音 如何去選擇一個傳輸波長是有效的，低成本的供應(yīng)源和探測器是最重要的。對在 800 納米至 1000 納米范圍內(nèi)工作的 LED 和硅光電二極管其可用性是選擇它們在這個頻段使用的主要原因。另一個重要的考慮因素是主要的噪音源 — 背景照明 的光譜分布 。 噪聲 N（ t）可以分為四個部分：光子噪聲或散粒噪聲，增益噪聲，接收電路或熱噪聲，周期性噪聲。增益噪聲 來源 是唯一 的， 來源于 典型的雪崩式設(shè)備，因此這里我們不會考慮。 光子噪聲是光子到達的離散的結(jié)果。 其起因是背景光源，如陽光，日光燈燈光 和白熾燈的光，以及依賴信號源的 X（ t） c（ t）。由于打在光檢測器上的背景光通常比信號光強，我們可以忽略 N（ t）對 X（ t）的 影響 ，并考慮光子噪聲是加性白高斯噪聲 ，其具有 雙面電譜密度，其中 q 為電子電荷， R 為響應(yīng)， PN是噪聲（背景光）的光功率。 接收機的噪聲起因是接收器電路的熱效應(yīng)，尤 其是對前置放大器的使用。通過精心的電路設(shè)計，相對于光子噪聲它可以忽略（ 5）。 周期性的噪音是變化的熒光燈中驅(qū)動燈管的鎮(zhèn)流器使用的結(jié)果。 這將生成一個有著 44 千赫根本頻率和幾個兆赫諧波的不相干的周期信號。 可以通過使用高通過濾與基線恢復組合或通過仔細挑選調(diào)制類型減輕周期性噪聲的影響（ 6），如 節(jié)討論。 D．安全 處理紅外線通信系統(tǒng)時有兩個安全問題值得關(guān)注。 眼睛安全 值得 關(guān)注是因為兩個效果組合：角膜是從近紫外到近紅外 變得 透明。因此，視網(wǎng)膜對光源發(fā)出的這些頻段的光的損害很敏感 。 然而，近紅外 光 超出了可見光范 圍，所以閉眼不會使眼睛免受損壞。按照 IEC 或 ANSI 標準（ 7,8）限制的強度發(fā)射波束可以保證人眼安全。 皮膚安全也 需要引起關(guān)注。 相對 人眼安全法規(guī)皮膚加熱可能 造成 短期的影響是（因為眼睛要比皮膚功率水平低）。長期暴露在紅外光 下 不是一個 值得擔心的事 ，隨著環(huán)境光源不斷提 高 我們的身體輻射水平 會 比這些通信系統(tǒng)更高。 實現(xiàn)無線紅外系統(tǒng)設(shè)計目標 最 重要的 解決 是通信問題。調(diào)制信號 編碼 與相應(yīng)的錯誤控制，對于實現(xiàn)功率效率是關(guān)鍵的。通道特性對 其 性能理解來說也是重要的。 A．調(diào)制技術(shù) 為了了解 IM/ DD 調(diào)制系 統(tǒng)，我們必須 分析 以下通道模型并考慮其具體特點。 首先，由于我們使用的是強度調(diào)制， X（ t）是信道輸入 的 光的強度，我們用 X（ t）表示。平均傳輸光功率 PT 是平均時間內(nèi)的 X（ t）。我們的目標是盡量減少所需的發(fā)射功率達到了一定的概率誤碼 Pe，也稱為誤碼率（ BER）。這對定義信噪比 SNR 是非常有用的 其中 H（ 0）為直流電流通道的增益，即它是 h（ t）的頻率在零時的傅里葉變換，因此 所傳輸?shù)男盘柨梢员硎緸? 序列 代表傳輸?shù)臄?shù)字信息，其中 是 L 的一個可能的數(shù)據(jù)符號其范圍從 0到 L 1。 函數(shù) Si（ t）代表 符號 L 在 時間符號 Ts 時間時的 脈沖形狀。數(shù)據(jù)速率（或比特率） Rb，位時間 T，符號率 R 和符號時間 Ts 相關(guān)如下： 常用的有三種類型的調(diào)制方案： 通斷鍵控（ OOK）和不歸零的脈沖， OOK 和標準寬度 歸零脈沖 ， 脈沖與 L脈沖位置調(diào)制（ L型的 PPM） 。 OOK和 比 L PPM更簡單的實現(xiàn)發(fā)射和 的 接收 。圖 3 介紹了這種脈沖調(diào)制技術(shù)。 典型短期數(shù)據(jù)序列所產(chǎn)生的 傳輸信號 X（ t）顯示在圖 4。 我們比較了功率效率和帶寬效率的調(diào)制方案如表 1。帶寬效率是由數(shù)據(jù)速率除以過零帶寬求得的。 帶寬效率 方案 有幾個優(yōu)勢，接收器和發(fā)送器電子產(chǎn)品便宜，調(diào) 制方案不太可能被多徑失真的影響。 電源效率是通過比較不同調(diào)制技術(shù)發(fā)射功率和誤碼率之后眼得出的。 和 PPM 比 OOK 更有效率，但它們占用更大的帶寬 。但是，對于一個給定的帶寬效率， PPM 比 更有效，所以 PPM 是最常用的。 需要的 數(shù)據(jù)速率非常高 ， 例如 100 Mb / s 或 更大時 OOK 最有用。 然后，多徑失真效果 變得更為 顯著，帶寬效率變得極為重要（ 9）。 錯誤編碼控制是提高任何數(shù)字通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要技術(shù)。我們集中在這里糾錯信道編碼，因為這特別涉及到無線紅外通訊 。信源編碼和 ARQ 編碼是不列入考慮。 格狀編 碼的 PPM 已被認為是一個有效的多路徑紅外通道的 方案（ 10,11）。關(guān)鍵技術(shù)是要認識到雖然在無失真通道，所有的符號和信號是正交的 ， 空間距離相等， 但它 不是真正的通道上的扭曲。因此，用網(wǎng)格分割編碼設(shè)計分隔相鄰符號的脈沖位置是一種有效的編碼方法。 dB 具有相同的帶寬已經(jīng)公布了 2 / 3編碼的 8PPM 編碼效益比未編碼編碼 16 PPM 高 （ 11）。 脈沖響應(yīng)特性指的是 方程 （ 1） 中的 C（ t） 如何 ， 取決于 它在脈沖系統(tǒng)中的位置 ， 大小和接收器與發(fā)送器的方向 。 有三種基本技術(shù)類實現(xiàn)這個目標：測量，仿真和建模 。 幾項研究描述 了 通道測量（ 9,12,2），這些構(gòu)成了理解通道屬性的基本依據(jù) 。一個特別的研究可能會為 i 產(chǎn)生成百上千的例子脈沖響應(yīng) Ci（ t） 。通過 看點散圖路徑損耗對距離，延誤散點圖與傳播距離，發(fā)射器和接收器的方向，魯棒性效果陰影 等的影響可以 測量收集脈沖響應(yīng) Ci（ t） 。 模擬方法已被用來允許計算一個特定的 傳播環(huán)境站點 上的脈沖響應(yīng)（ 13,14） 。發(fā)射器，接收器和反射面用于描述和產(chǎn)生一個脈沖響應(yīng)。 其基本假設(shè)是，大多數(shù)室內(nèi)表面反射光在彌漫朗伯模式 （即 所有入射光，不管入射角，方向和強度都與曲面法線的映像的余弦角度成正比 ） 的映像 。 現(xiàn)有方法的困難在于，需要準確模型和大量計算。 第三種方法是從實驗和簡單信道仿真模型去提取所需知識 。例如（ 15），一個模型使用兩個參數(shù)（一個用于路徑損耗，一個用于時延擴展）去提供所有彌漫紅外通道的一般特征。 給出 計算 模型詳細空間特性參數(shù)的方法， 使系統(tǒng)設(shè)計人員可以快速地估計 出 各種的信道特性。 參考文獻 ： Jeffrey B. Carruthers 著 ． 無線紅外通信 ． 威利郵電百科全書 [M]． 2020 年（預(yù)印本） .14 節(jié) .