【導(dǎo)讀】術(shù)，LED不但能進行室內(nèi)照明，并且能應(yīng)用于無線光通信系統(tǒng)從而滿足了室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)需要。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,徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_。同時由于工作中的團隊合作至關(guān)重要，對辦公室通。信系統(tǒng)的要求以及多媒體信息共享的需求將會迅猛增長。家庭無線連接的應(yīng)用，人們可以在家中任何一處登錄全球信息網(wǎng)。合，構(gòu)建出LED照明通信兩用基站燈，也為光通信提供了一種全新的的寬帶接入方式?？煞肿魇覂?nèi)可見光通信以及室外可見光通信兩種類型。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，處在實驗階段，雖然整體系統(tǒng)已實現(xiàn)，但是和可見光通信的實際應(yīng)用還有相當(dāng)大距離，系統(tǒng)各項性能還需要進一步的優(yōu)化。第2章室內(nèi)LED光源布局設(shè)計，主要介紹了LED光源相關(guān)理論，見光通信系統(tǒng)中存在的多經(jīng)效應(yīng)，最后分析信道模型。第5章LED光源室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)計，

　　

【正文】 到的光除有由發(fā)射機發(fā)的大角度光中通其他物體反射回來的那部分光外，還有直接由發(fā)射機發(fā)來而未經(jīng)反射的光；但非視距鏈接一般是發(fā)射機朝著天花板發(fā)出光信號，而接收機收到的光信號中沒有直接從發(fā)射機發(fā)出的光。 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。如下圖 【 10】 。 圖 室內(nèi)無線光通信連接方式 在上圖 ，每個方框表示一個房間，定向式視距鏈路發(fā)射機安在天花板上，此鏈路擁有較高的功率利用率。它的主要特點有： 1)低路徑損耗較。因此對發(fā)射機功率要求也較低，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。 2)傳輸光束很窄。幾乎無多徑散 射問題，背景光對它的影響也較小，這使其傳輸速率很高，通常一個簡單的設(shè)計可達到 100Mbps的傳輸速率。 實際應(yīng)用中定向式視距鏈路較多。它常用于短距離且低速率的通信，如各種電器遙控器等。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。 此種鏈路方式的缺點是，通信過程需要發(fā)射機與接收機間始終保持直線式的視距鏈路，因而很容易因一點阻礙而斷開的。因此這種鏈路更適于點對點的通信方式，而并不適于單點對多點的廣播式通 信方式，會限制其靈活性。 非定向視距鏈路是以安裝在天花板上的發(fā)射機發(fā)出大發(fā)散角光束與接收機較大接收視野來實現(xiàn)增加覆蓋面積目的，使收發(fā)兩端不需嚴(yán)格對準(zhǔn)也可實現(xiàn)通信。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。此種鏈路適用于單點對多點廣播式通信系統(tǒng)，如在一個房間天花板上安一個接入點，處于此接入點發(fā)出的光覆蓋范圍內(nèi)多個終端能同時接收到此接入點發(fā)的信號，同時各個終端還能通過接入點束實行通信。 漫散射鏈接 定向視距連接 圖 室內(nèi) LED鏈路方式 在非定向的式漫反射鏈路中，發(fā)射機發(fā)射端通常對著天花板發(fā)出較寬紅外光束，漫反射后光覆蓋面積較大，因而漫反射鏈路不要求對準(zhǔn)，也不要求視距路徑。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)。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。此外多徑傳輸同樣是影響它傳輸速率一個重要因素。然而考慮到靈活性的問題，很多 研究機構(gòu)依舊對漫反射鏈路產(chǎn)保持濃厚興趣。 定向鏈路中，接收機應(yīng)該始終指向光源發(fā)射機，直射鏈路光源功率利用率很高，很容易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。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)。但是在漫射鏈路中，接收機接收角通常較大，接收到光信號除直射光外還包含通過其他物體反射來的光，因此系統(tǒng)不會有接收盲區(qū)的。但在漫射鏈路中，系統(tǒng)受到嚴(yán)重的多徑效應(yīng)影響，會引起碼間干擾。 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，白光 LED光源因要進行室內(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】 。 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?；诠庑盘柗瓷浜蜕⑸湟约氨尘肮庠肼暤扔绊?，紅外數(shù)字信道中有多徑干擾，它是信道質(zhì)量的提高和高速率應(yīng)用時需要應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。 VLC系統(tǒng)也采用光強調(diào)制 直接檢技術(shù)。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)換為強度變化的光載波信號。接收端，光信號將被 PD轉(zhuǎn)換為和它成正比的電信號。如下圖 （ a）是采用 IM— DD技術(shù)的 VLC系統(tǒng)模型。下圖 (b)為室內(nèi)無線光通信系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為與 h(t)的線性基帶傳輸模型 【 12】 。 (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)。 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。由于 VLC是對 LED光源進行調(diào)制，因此瞬時發(fā)射光功率是正值，大小表示為 )sin1()( tAPtX mt ??? 。 tP 是發(fā)射光的平均功率： dttXTP TTTt Iim ????? )(21 （ 31） 假設(shè)入射到探測器的背景光功率是 ambP 。，那么探測器接收到光強度為： abmr PtAPtR ??? )s in1()( ? （ 32） 上式中其中， rP 只是入射光平均功率。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。將這些噪聲當(dāng)作是和信號沒關(guān)的加性高斯噪聲。同理接收機的前置放大器噪聲也可看成是高斯噪聲 【 11】 。 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)。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。室內(nèi)無線光傳輸信道，基帶模型脈沖響 h(t)經(jīng)常表示如下： h(t)= tjNn nnta ???? ?1 )( （ 35） 上式中 na ， nt ， n? 分別表示振幅和傳輸延遲以及相位； N為多徑信道的路徑數(shù)。用沖擊函數(shù) ? （ t）作系統(tǒng)基本函數(shù)。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】 。 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。它們的功能包括整形，濾波，視場變換，頻段劃分等。例可以用透鏡對發(fā)射光來進行聚焦，用光學(xué)濾光片來濾除雜散光，用透鏡擴大了光接收器視場，也可用光學(xué)元件來進行鏈路頻分復(fù)用等。以上這些都會有利提高信道質(zhì)量，并滿足信息傳輸需求。 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)。但是，經(jīng)反射后不同路徑光信號都能被 PD接收，在時域上會引起相鄰信號重疊，從而產(chǎn)生信號延遲。此種由多徑效應(yīng)而引起碼間干擾將會嚴(yán)重?fù)p害系統(tǒng)性能。如下圖 兩條不同光路徑所引起的延遲 【 14】 。 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。如何消除或者減弱碼間干擾是實現(xiàn) LED可見光通信關(guān)鍵技術(shù)之一，因而應(yīng)該盡可能減輕多徑效應(yīng)影響?？梢酝ㄟ^下列幾種方法降低碼間干擾。 1)通過改變編碼方式。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。因為 RZ． OOK方式中相鄰的脈沖間有一定保護間隔，只要滿足多徑延遲小于此間隔將不會產(chǎn)生符號間干擾。但采用這種改變編碼方式來達到降低碼間干擾的效果比較一般，而且會降低系統(tǒng)帶寬利用率。 2)優(yōu)化光學(xué)接收機。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)。若采用恰 當(dāng)?shù)男盘柡铣杉夹g(shù)，則這種光學(xué)接收裝置將可以有效的解決，由多徑效應(yīng)而引起碼間干擾的問題，也提高了光接收機接收面積。 同理，設(shè)計出一種成像分集光學(xué)接收機也能抑制由多徑效應(yīng)引起碼間干擾。它的原理是運用光學(xué)透鏡把入射角不同的光信號集中在一點，等同于擴大接收機視場角。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。因為接收到的不同路徑光信號間相互獨立，因此成像分集式接收機也能解決由多徑干擾而引起碼間干擾對系統(tǒng)影響。 3)采用 OFDM技術(shù)。 OFDM調(diào)制具有很強抗多徑干擾能力，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信號中加入保護間隔，也可以更進一步的減弱由多徑效應(yīng)而引起碼間干擾的影響。 以上三種解決由多徑干擾而引起的碼間串?dāng)_問題的方法。通過改變編碼方式來降低碼間干擾的效果一般，同時還會降低系統(tǒng)的帶寬利用率；優(yōu)化光學(xué)接收機方式中，設(shè)備比較復(fù)雜。因此選擇采用 OFDM技術(shù)來解決碼間干擾。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)。 本章小結(jié) VLC基本理 論支撐室內(nèi) VLC系統(tǒng)的設(shè)計。本章主要通過對 VLC基本理論的擅術(shù)，講述了可見光通信的一些基本概念。首先講述了室內(nèi) VLC的基本原理以及對 室內(nèi) VLC系統(tǒng)的概述 ；其次從室內(nèi) VLC鏈路入手，討論了兩種通信鏈路的 特點 ； 著重分析 了可見光信道的系統(tǒng)模型； 再 討論了 因為 多徑干擾引起的碼間串?dāng)_ 的 問題 和 解決 方法 ，最總得出 OFDM技術(shù)最為合適。接下來講述 OFDM技術(shù)。 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。如此以來總信道是非平坦的，并具有頻率選擇性，但對每個子信道而言是相對平坦的，從而每個子信道上實現(xiàn)窄帶傳輸，信號帶寬比信道的相應(yīng)帶寬小，因而就可以消除信號波形22 間的干擾。 OFDM相對于其它的多載波傳輸取別是它準(zhǔn)許子載波的頻譜部分重疊，一旦滿足子載波間相互正交，就能從混疊的子載波中分離出所需信號。因為 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。 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?。在這 種并行系統(tǒng)里，把整個信號頻帶劃分成互不干擾的 M個子頻帶，并在每個子頻帶上進行數(shù)據(jù)調(diào)制。這種頻分復(fù)用的并行系統(tǒng)可對抗頻率的選擇性衰落，然而這種并行系統(tǒng)的代價比較明顯：要 M個調(diào)制器連同 M個解調(diào)器，它在硬件實現(xiàn)上將會碰到無法克服的困難。 在 1971年， Ebert與 Weinstein把離散傅立葉變換運用于 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來實現(xiàn) OFDM技術(shù)，從而 OFDM技術(shù)得以快速發(fā)展。 直到 90年代， OFDM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到無線通信中。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)制方式不能達到的。并且技術(shù)本身存在的缺陷可用一些新技術(shù)來修正或彌補。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。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。與此同時，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。 目前 OFDM系統(tǒng)所采用的數(shù)字信號處理技術(shù)，即各子載波產(chǎn)生以及接收全由數(shù)字處理算法來 完成，它極大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也提高頻譜利用率，使得各子載波上頻率互相重疊，但是這些頻率在整個符號周期內(nèi)是正交性，因此保證接收端可以不失真復(fù)原信號。但當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時，它的接收子載波間正交性就受到破壞，使得每個子載波上前后傳輸?shù)姆栭g以及子載波間會出現(xiàn)互相干擾。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。只要多徑延時小于過保護間隔，就會保證子載波間的正交性。 OFDM 的基本原理 如下圖 OFDM技術(shù)原理框圖。整個系統(tǒng)可 分為發(fā)送以及接收兩部分。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)信道情況選