【導(dǎo)讀】術(shù)，LED不但能進(jìn)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(shí)由于工作中的團(tuán)隊(duì)合作至關(guān)重要，對(duì)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(huì)迅猛增長(zhǎng)。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(zhǎng)壽命、小。尺寸、綠色且環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為最終將會(huì)代替熒光燈和白熾燈這些傳統(tǒng)的照明光源，處在實(shí)驗(yàn)階段，雖然整體系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)，但是和可見光通信的實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)大距離，系統(tǒng)各項(xiàng)性能還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。第2章室內(nèi)LED光源布局設(shè)計(jì)，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(jì)，

　　

【正文】 到的光除有由發(fā)射機(jī)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(jī)發(fā)來而未經(jīng)反射的光；但非視距鏈接一般是發(fā)射機(jī)朝著天花板發(fā)出光信號(hào)，而接收機(jī)收到的光信號(hào)中沒有直接從發(fā)射機(jī)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(gè)方框表示一個(gè)房間，定向式視距鏈路發(fā)射機(jī)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(diǎn)有： 1)低路徑損耗較。因此對(duì)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。 2)傳輸光束很窄。幾乎無多徑散 射問題，背景光對(duì)它的影響也較小，這使其傳輸速率很高，通常一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可達(dá)到 100Mbps的傳輸速率。 實(shí)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(huì)所選來用于非中心對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)鏈路方式，而這些對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)通常為移動(dòng)終端所組建，兩個(gè)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(diǎn)是，通信過程需要發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間始終保持直線式的視距鏈路，因而很容易因一點(diǎn)阻礙而斷開的。因此這種鏈路更適于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，而并不適于單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播式通 信方式，會(huì)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(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(duì)準(zhǔn)也可實(shí)現(xiàn)通信。信號(hào)傳輸過程中會(huì)經(jīng)過墻壁或者天花板反射，會(huì)產(chǎn)生多徑傳輸，同時(shí)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)廣播式通信系統(tǒng)，如在一個(gè)房間天花板上安一個(gè)接入點(diǎn)，處于此接入點(diǎn)發(fā)出的光覆蓋范圍內(nèi)多個(gè)終端能同時(shí)接收到此接入點(diǎn)發(fā)的信號(hào)，同時(shí)各個(gè)終端還能通過接入點(diǎn)束實(shí)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(jī)發(fā)射端通常對(duì)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(duì)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(duì)等網(wǎng)絡(luò)，也能用于中心網(wǎng)絡(luò)。它的缺點(diǎn)是信號(hào)路徑損耗較嚴(yán)重，特別是當(dāng)接收機(jī)旁有人或者障礙物時(shí)，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(gè)重要因素。然而考慮到靈活性的問題，很多 研究機(jī)構(gòu)依舊對(duì)漫反射鏈路產(chǎn)保持濃厚興趣。 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。但是此種鏈路嚴(yán)格要求發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間保證對(duì)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(jī)接收角通常較大，接收到光信號(hào)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(huì)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(huì)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(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】 。 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(duì) 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?hào)反射和散射以及背景光噪聲等影響，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(shí)需要應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。 VLC系統(tǒng)也采用光強(qiáng)調(diào)制 直接檢技術(shù)。發(fā)射端，幅度變化電信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路來直接對(duì) 光源調(diào)制，轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化的光載波信號(hào)。接收端，光信號(hào)將被 PD轉(zhuǎn)換為和它成正比的電信號(hào)。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(shí)光強(qiáng)值，而接收信號(hào) Y(t)是探測(cè)器內(nèi)的瞬時(shí)光電流值。由于 VLC是對(duì) LED光源進(jìn)行調(diào)制，因此瞬時(shí)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(cè)器的背景光功率是 ambP 。，那么探測(cè)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。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(jī)中使用 PD作光電探測(cè)器，則接收機(jī)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(hào)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(hào)沒關(guān)的加性高斯噪聲。同理接收機(jī)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(hào)沒關(guān)的加性高斯噪聲 N(t)。從而整個(gè) VLC系統(tǒng)就可當(dāng)作是一個(gè)線性系統(tǒng)，表達(dá)式為： Y(t)=RX(t)? h(t)+N(t) (34) 上式中 ? 表示卷積， R為光電探測(cè)器響應(yīng)效率， Y(t)與 PD表面接收的瞬時(shí)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(yáng)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(chǎng)變換，頻段劃分等。例可以用透鏡對(duì)發(fā)射光來進(jìn)行聚焦，用光學(xué)濾光片來濾除雜散光，用透鏡擴(kuò)大了光接收器視場(chǎng)，也可用光學(xué)元件來進(jìn)行鏈路頻分復(fù)用等。以上這些都會(huì)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(gè)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(jī)會(huì)將不會(huì)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(hào)都能被 PD接收，在時(shí)域上會(huì)引起相鄰信號(hào)重疊，從而產(chǎn)生信號(hào)延遲。此種由多徑效應(yīng)而引起碼間干擾將會(huì)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(shí)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。可以通過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?yàn)?RZ． OOK方式中相鄰的脈沖間有一定保護(hù)間隔，只要滿足多徑延遲小于此間隔將不會(huì)產(chǎn)生符號(hào)間干擾。但采用這種改變編碼方式來達(dá)到降低碼間干擾的效果比較一般，而且會(huì)降低系統(tǒng)帶寬利用率。 2)優(yōu)化光學(xué)接收機(jī)。它的設(shè)計(jì)原理是把一些相互獨(dú)立，并且指向不同的接收機(jī)組合起來，組成一個(gè)多通道光學(xué)接收系統(tǒng)。若采用恰 當(dāng)?shù)男盘?hào)合成技術(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(jī)接收面積。 同理，設(shè)計(jì)出一種成像分集光學(xué)接收機(jī)也能抑制由多徑效應(yīng)引起碼間干擾。它的原理是運(yùn)用光學(xué)透鏡把入射角不同的光信號(hào)集中在一點(diǎn)，等同于擴(kuò)大接收機(jī)視場(chǎng)角。這種經(jīng)不同路徑信號(hào)光匯聚在探測(cè)器不同點(diǎn)上，將能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的分集接收。因?yàn)榻邮盏降牟煌窂焦庑盘?hào)間相互獨(dú)立，因此成像分集式接收機(jī)也能解決由多徑干擾而引起碼間干擾對(duì)系統(tǒng)影響。 3)采用 OFDM技術(shù)。 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(hào)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。 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(shí)還會(huì)降低系統(tǒng)的帶寬利用率；優(yōu)化光學(xué)接收機(jī)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(jì)。本章主要通過對(duì) 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(duì) 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(diǎn) ； 著重分析 了可見光信道的系統(tǒng)模型； 再 討論了 因?yàn)?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(jiǎn)介 OFDM是一種相對(duì)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(duì)每個(gè)子信道用一個(gè)子載 波來進(jìn)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(duì)每個(gè)子信道而言是相對(duì)平坦的，從而每個(gè)子信道上實(shí)現(xiàn)窄帶傳輸，信號(hào)帶寬比信道的相應(yīng)帶寬小，因而就可以消除信號(hào)波形22 間的干擾。 OFDM相對(duì)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(hào)。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(duì)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(gè)信號(hào)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。這種頻分復(fù)用的并行系統(tǒng)可對(duì)抗頻率的選擇性衰落，然而這種并行系統(tǒng)的代價(jià)比較明顯：要 M個(gè)調(diào)制器連同 M個(gè)解調(diào)器，它在硬件實(shí)現(xiàn)上將會(huì)碰到無法克服的困難。 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。 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(shì)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。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(bǔ)。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(shì)，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(shí)，第四代移動(dòng)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(hào)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(jiǎn)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(gè)符號(hào)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(hào)。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?hào)間以及子載波間會(huì)出現(xiàn)互相干擾。為解決此問題，可在每個(gè) OFDM傳輸信號(hào)前插入一個(gè)保護(hù)間隔，它是由 OFDM信號(hào)周期擴(kuò)展得到。只要多徑延時(shí)小于過保護(hù)間隔，就會(huì)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(gè)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(duì)應(yīng) N路不同子載23 波，接著根據(jù)信道情況選