【正文】 D InGaN/熒光粉 InGaN 的紫外光激發(fā)紅黃藍(lán)三基 色熒光粉發(fā)白光。 2 藍(lán)色 LED 黃色 LED InGaN, GaP 把 具有 互 補(bǔ)色關(guān)系兩 類 芯片封裝在一起，構(gòu)成白光 LED 3 藍(lán)色 LED 黃色 LED 綠色 LED InGaN, AIInGaP 把 發(fā)三 基 色三種小芯片封裝在一起 ,構(gòu)成個(gè)白 LED。 單芯片的白光 LED具有高亮度輸出及低成本的特點(diǎn)，但不適合高速率數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)樵趩涡酒?LED得到相應(yīng)白光的這種產(chǎn)生方式比多芯片產(chǎn)生白光的速度低。并且單芯片 的 白光 LED顏色重現(xiàn)方面也有欠缺，因?yàn)轭伾噩F(xiàn)是指忠實(shí)的再現(xiàn)原來(lái)的顏色，同時(shí)所重現(xiàn)顏色亮度 也是相當(dāng)重要的。然而在這一點(diǎn)，單芯片 的 白光 LED在 實(shí)現(xiàn) 中面臨困難。 綜上所述，多芯片相 較 于單芯片 的 結(jié)構(gòu)更適合可見光通信系統(tǒng)。它 經(jīng)由 改變?nèi)嫉谋壤?，可以得出不同種類顏色，同時(shí)我們也可用做照明。 在 使用多芯片白光時(shí)，通過(guò)同步調(diào)制紅綠藍(lán)三色 LED就 能 實(shí)現(xiàn)光學(xué)的無(wú)線通信。 白光 LED光源在室內(nèi)可見光通信中起著相當(dāng)重要的作用。 LED光源有照明以及數(shù)據(jù)傳遞兩個(gè)特征，并且它們都和被照物體的表面照明度相關(guān)。此時(shí)能量的通量在可視范圍內(nèi)是正常的。照明度被用來(lái)表示 LED照明設(shè)備的明亮程度。另外，傳遞的光能表示了 LED總的輻 射能量能力，并且從光通信觀點(diǎn)來(lái)看，它是一個(gè)參數(shù)。照明度表示為下式： ??ddI ? (22) 上式中的Φ為一個(gè)照明量，它由能量Φ c通過(guò)下面公式推出 : ?? 7 8 03 8 0 )()( ????? dVK em (23) 上式中 V(λ )是標(biāo)準(zhǔn)光度曲線，其中 Km為最大的可見度，且最大可見度約在λ =555nm，照明效率約為 683 Im/W。傳遞光學(xué)能量 Pt表達(dá)式如下式： 11 ? ?? maxmin ??? ddP et (24) 式中的 min和 max一是由光學(xué)二極管的敏感性曲線確定的。 燈光布局 在實(shí)際系統(tǒng)中，要取得通信效果最佳，應(yīng)該使室內(nèi)的光強(qiáng)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(gè) LED光源。與此同時(shí)不同光源和接收機(jī)之間會(huì)有不同光路徑，然而多個(gè)不同光路徑就會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。因?yàn)?LED燈的數(shù)目越多， ISI就更嚴(yán)重，所以我們必須選擇合理 LED燈的個(gè)數(shù)。 因?yàn)槊總€(gè)房間的大小和室內(nèi)設(shè)施并不相同，因此要使通信效果達(dá)到最好應(yīng)該使房中在同一水平面上的分布光功率變化達(dá)到最小。因此當(dāng)接收功率分布達(dá)到變化最小值時(shí)，就可以被認(rèn)為是 LED最佳典型布局方案 [5]。 單個(gè) LED發(fā)光強(qiáng)度與發(fā)光功率都較小 , 用其來(lái)進(jìn)行室內(nèi)照明通信時(shí) , LED光源要設(shè)計(jì)成多個(gè)白光 LED燈 構(gòu)成的陣列。當(dāng)接收機(jī)和 LED照明光源間距離 d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源的自身尺寸參數(shù) I時(shí) (d5I),探測(cè)器處光照度用下式來(lái)計(jì)算： 2)( dCOSIE L ??? （ 25） 上式中 )(?LI 是 LED光源沿著接收機(jī)方向發(fā)光強(qiáng)度 , ? 為 入射光相對(duì)探測(cè)器的表面法線的入射角。 假設(shè)室內(nèi)環(huán)境典型模型是 (長(zhǎng) )(寬 )(高 )空房間，發(fā)射端的 LED光源安裝距地面高 ，并且燈的邊緣距周圍墻面 lm。平面效果如下圖 。假設(shè)桌子高度 1m，且用戶接收終端置于桌面上。假設(shè)信號(hào)發(fā)送端屋頂上裝四個(gè) LED光源，每個(gè)光源包含多個(gè) LED芯片 ， 并且每個(gè) LED芯片間距是 lcm， 而 LED芯片發(fā)射半角 70度 ， LED芯片中心發(fā)光強(qiáng)度 ， 中心發(fā)光功率 ， 桌面接收機(jī)側(cè)接收視角 FOV是 600， 接收機(jī)探測(cè)器 PD表面積 ， 光電轉(zhuǎn)換效率 ， 光集中器折射率 ， 光濾波器的增益 。參量數(shù)據(jù)如表 32【 5】 。 表 22 模型設(shè)置數(shù)據(jù)參量 LED 芯片發(fā)光強(qiáng)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(gè) ) 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(gè)燈正下方照明亮度最強(qiáng)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。據(jù)國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)普通的辦公室照明，要求其光照度是 500lx；然 而會(huì)議室以及電腦工作室，要求光照度在 3001500 Lx之間 【 6】 。 圖 燈的布局 圖 光源布局示意圖 以一房間為例子，該房間尺寸假設(shè)為 LWZ。，假如終端設(shè)備均放置在同一高度且為h的平面上，建立如圖 。假設(shè)共有四只 LED燈，它們?cè)谔旎ò迳蠈?duì)稱分布，接下來(lái)分析平面 z=h上接收功率的分布情況。當(dāng)接收功率分布變化為最小時(shí)，即可認(rèn)定 LED燈的布局最佳 【 7】 。假設(shè)平面 z=h上任意點(diǎn) (x， Y， h)的接收功率表達(dá)為： ??? Ni tr HPP 1 1 )0( (26) 上式中 N為 LED燈的個(gè)數(shù)，設(shè)四只 LED燈的坐標(biāo)分別為 (X1， Y1， Zh)， (X2， Y2， Zh)， (X3， Y3，Zh)， (X4， Y4， Zh)，則 H1(0)表達(dá)為： 2 321121121 ))()()((21)0( ???????? ??? mHH YyyXuxhZ hZmH ? (27) 因?yàn)?LED燈是對(duì)稱分布的，所以坐標(biāo)關(guān)系滿足 X1=X3 ； X2=X4 ； Y1=Y2； Y3= Y4； X2=LX1；Y3=WY1 )0(),。( 11,1 Hyxvuf ? (28) ? ? ? ?WvLu ,0,0 11 ?? 假設(shè)每只 LED燈的發(fā)射功率相同即 Pt1 =Pt 則上式可變?yōu)椋? ),。5,5(),。0,5(),。5,0(),。0,0(),。,(),( 41 yxfyxfyxfyxfyxvufPyxP jiNir ????? ??? (29) 13 室內(nèi)平面 z=h上每點(diǎn)的平均功率表示為： ? ? ?? ? ????41 ),。,(),(1 Ni L yxjiL tyxtr ddyxvufsPddyxPsP (310) S是房間內(nèi)平面 z=h的面積， L表示這個(gè)區(qū)域。用接收功率的方差 D來(lái)表示平面 z=h上各點(diǎn)功率“平均偏離”的程度，即： yd x dPyxvufsd x d yPyxPsD Ni L rrL r ? ? ?? ? ?? ???? 41 21,12 )),。((1)),((1 (211) 對(duì)上式分別進(jìn)行求 X1，和 Y1的偏導(dǎo) ,當(dāng) 011 ?????? YDXD 時(shí)可以取到它的最優(yōu)的 X*1,Y1*即可確定最佳的 LED燈布局 【 8】 。 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 。本章首先講述了 LED光源發(fā)光原理；并且介紹了它的相關(guān)特性；其次擅術(shù)了 LED發(fā)白光的原理，以及不同數(shù)目芯片 LED白光光源進(jìn)行比較得出多數(shù)目芯片 LED白光光源比較適合做可見光通信系統(tǒng)光源；最后給出合理布局光源的方法。 了解了光源的重要性以及它的基本原理，接下來(lái)介紹可見光通信的基本理論。 3 可見光通信基本理論 室內(nèi)可見光通信基本理論 VLC 概述 可見光通信（ Visible Light Communication，即 VLC）是采用半導(dǎo)體 LED的響應(yīng)速度14 快的發(fā)光響應(yīng)特性，把信號(hào)調(diào)制在 LED可見光來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)?，使可見光通信?LED照明相結(jié)合，從而構(gòu)建出 LED照明且通信的兩用基站光源，同時(shí)也為光通信提供了全新寬帶接入方式。 VLC發(fā)射端根據(jù)傳遞的資料把電信號(hào)變調(diào)后，再用 LED轉(zhuǎn)成光信號(hào)發(fā)出去； 接收端先用接收光元件來(lái)接收光信號(hào)后，再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)解調(diào)作為信號(hào)資料來(lái)讀取。 傳統(tǒng)光通信是用可見光進(jìn)行通信傳輸，其中大多是用波長(zhǎng)較長(zhǎng)紅外光，而且這一部份已經(jīng)非常成熟，且相匹配標(biāo)準(zhǔn)也以廣被業(yè)界采用。但是可見光通信會(huì)限制收信的區(qū)域，而 LED光源可見光通信完全排除了傳統(tǒng)的高頻無(wú)線電磁波對(duì)人體以及周邊電子機(jī)器件干擾的疑慮，相當(dāng)適合應(yīng)用于展示導(dǎo)游，道路誘導(dǎo)，智能型道路交通系統(tǒng)，醫(yī)院，室內(nèi)信息傳輸?shù)取? 室內(nèi) VLC 基本理論 VLC作為無(wú)線光通信方式，它的系統(tǒng)分為前向鏈路與反向鏈路兩部分。反向鏈路包 含發(fā)射以及接收。其中發(fā)射部分主要是將信號(hào)源的信號(hào)轉(zhuǎn)換為利于光信道傳輸電信號(hào)的輸入與處理電路，即把電信號(hào)的變化調(diào)制為光載波的強(qiáng)度變化的 LED可見光的驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路。 LED光源發(fā)出的已調(diào)制光，以很大的發(fā)射角向空間中的各個(gè)方向傳播。雖然室內(nèi)不會(huì)受到強(qiáng)背景光以及天氣的影響，光傳播幾乎不存在損耗，但以為 LED光源數(shù)目多，同時(shí)具有較大表面積，因此在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間會(huì)有多條不同光路徑，而不同光路徑到接收機(jī)時(shí)間不同，將會(huì)引起碼間干擾。因?yàn)榘坠?LED光源發(fā)出的可見光，并且發(fā)散角較大，因此對(duì)人眼睛幾乎無(wú)害、沒有電磁波傷害等優(yōu)勢(shì)。 所以發(fā)射端可具有大的發(fā)射功率，提高了系統(tǒng)可靠性。 此系統(tǒng)的接收部分主要主要是對(duì)信號(hào)光源進(jìn)行最佳接收光學(xué)系統(tǒng)。包括把光信號(hào)還原為電信號(hào)光電探測(cè)器（ PD）和前置放大電路，以及將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被終端識(shí)別的處理與輸出電路。室內(nèi)光信號(hào)被 PD轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再對(duì)電信號(hào)實(shí)行放大以及處理，最后恢復(fù)出和發(fā)端相樣的信號(hào)。此系統(tǒng)前向鏈路和反向鏈路組成除了用的光源不同，其它沒有區(qū)別。前向鏈路用的光源由白光 LED構(gòu)成，只是發(fā)射面積較小，且發(fā)射角較小，在天花板上安的 PD接收來(lái)自用戶的信號(hào)。 如下圖 VLC系統(tǒng)一種典 型設(shè)計(jì)包括：由終端，白光 LED光源，可見光集線器，可見光適配器，光電探測(cè)器（ PD）和相應(yīng)的信號(hào)處理單元組成。前向鏈路與反向15 鏈路的每部分都包括發(fā)射以及接收。發(fā)射部分主要包括白光 LED光源以及相應(yīng)信號(hào)處理單元；而接收部分主要包括由光電檢測(cè)器以及相應(yīng)信號(hào)處理單元 【 9】 。 圖 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)組成 其中可見光無(wú)線集線器是 VLC網(wǎng)絡(luò)中核心組成部分，它接收到來(lái)自終端用戶信息，同時(shí)分時(shí)段的將接收到信息經(jīng)由主光源以廣播的形式發(fā)送出。可見 光適配器包含前向鏈路光 LED光源以及反向鏈路光電接收器，集合發(fā)射和接收的功能，它負(fù)責(zé)把終端用戶信息調(diào)制為光信號(hào)與接收到來(lái)自反向鏈路光信號(hào)。天花板上安的 PD收來(lái)自用戶光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到可見光集線器。電信號(hào)通過(guò)可見光集線器簡(jiǎn)單處理后，再調(diào)制到 LED光源上變?yōu)楣庑盘?hào)，再以廣播方式發(fā)射出。在接收端，終端可見光適配器把發(fā)給它的信息解調(diào)出并送人終端用戶，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)無(wú)線通信。 室內(nèi) VLC 基本鏈路 室內(nèi)的無(wú)線光通信和室外無(wú)的線光通信不同點(diǎn)主要是兩者信道不同，室內(nèi)光通信需要考慮室內(nèi)的房頂和墻壁以及地面等 其他物品例如桌子對(duì)光束反射和吸收。而室外的光通信光信主要為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，信號(hào)傳輸距離比較遠(yuǎn)，通常在百米以上，因此發(fā)射器應(yīng)該用光束擴(kuò)散比較小激光器；但是室內(nèi)光通信決定了通信距離不會(huì)很遠(yuǎn)，通常為幾米到十幾米范圍內(nèi)，因此可采用發(fā)光二極管。 室內(nèi)的無(wú)線光通信鏈路方式比較多，但是可以根據(jù)以下兩點(diǎn)很容易的將它們區(qū)分開。 第一點(diǎn)是：看發(fā)射機(jī)與接收機(jī)是否定向。其中的定向其實(shí)是一個(gè)角度問(wèn)題。就發(fā)射機(jī)來(lái)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(jī)。同樣若接收機(jī)視場(chǎng)角范圍較小，也稱它為定向接收機(jī)。假如發(fā)射機(jī) 與接收機(jī)均是定向，則接發(fā)兩端對(duì)準(zhǔn)后就建立一條鏈路，此鏈路可稱為定向鏈路。反之，非定向鏈路是使用的16 大角度接收機(jī)與發(fā)射機(jī)。也有一種鏈路混合定向和非定向的特點(diǎn)，即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中一個(gè)為非定向的而另一個(gè)為定向的，這種鏈路稱之為混合鏈路。 第二點(diǎn)是：看發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間是否有未受干擾視距。在視距鏈接中，接收機(jī)收