基于LED的室内可见光通信系统_论文模板

基于LED的室内可见光通信系统摘要:可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术,随着白光LED的发明及应用,可见光通信技术得到了良好的发展。白光LED不仅可以提供室内照明,而且可以应用到无线光通信系统中满足室内个人网络需求。在照明方面,白光LED的节能、环保等特点被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源,成为下一代固体照明光源。与此同时,白光LED又具有响应时间短,加之其具有高速调制特性,可以设计出基于白光LED的室内可见光无线通信系统。由此设计出的基于白光LED的室内可见光无线通信系统,与传统的红外和无线电通信相比,具有发射功率高、无电磁干扰和无需申请频谱资源等优点。论文主要对基于白光LED的室内可见光通信系统进行了研究。本文对白光LED的结构及发光原理,以及在其用作通信光源时的伏安特性、电光转换特性和光谱特性等物理特性做了较深入的分析。对白光LED用作通信时的辐射模式、光子出射机理及其数学模型等辐射特性做了理论上的探讨进而研究了通信系统的通信信道,对通信链路的构成进行了分析,给出了一种基于水平亮度和接收功率的光源布局方式。根据国际化标准,普通办公室照明要求光照度为300lx-1500lx。通过分析,本文给出的光源布局方式设计合理,符...关键词:白光LED;无线通信；可见光通信；无线光通信TheVisibleLightCommunicationSystemBasedonLEDAbstract:Visiblelightcommunicationtechnologyisanemergingwirelessopticalcommunicationtechnology.ThevisiblelightcommunicationtechnologyhasagooddevelopmentwiththeinventionandapplicationofLEDwhitelight.WhiteLEDcannotonlyprovideindoorlighting,butalsocanbeappliedtowirelessopticalcommunicationsystemnetworktomeettheindividualneedsoftheindoor.Inthelighting,whiteLEDhasenergy-saving,environmentalprotectionandotherfeatures,thatfluorescent,incandescent,andot...Keywords:WhiteLED;wirelesscommunication;Visiblelightcommunication;wirelessopticalcommunication1室内可见光通信技术日本是可见光通信技术研究的先行者，尤其以KEIO大学的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama为代表率先开展了一系列基础性的理论研究。2000年，他们提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统的思想，在接下来的几年里展开了多项研究分析。2008年，太阳诱电株式会社在“2008年日本电子高新科技博览会”上现场演示了采用自光LED的高速无线通信系统．但是最大传输距离仅为20cm左右。2008年，美国政府资助成立“智能照明”项目。它是一个投资1．85亿美元为期lO年期的计划，涉及多家学院的30多位大学研究人员，包括伦斯勒理丁学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。国内对基于自光LED的可见光通信研究起步较晚。2006年，暨南大学的陈长缨、胡国永等提出基于白光LED照明光源的室内无线通信技术,设计并实现了点对点的通信系统。该系统通信距离为20cm，能够在10MHz的传输速率下，保证频率调制(FM)信号的正确传输。2008年。该研究组在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题．实现了实用照明的室内可见光通信系统。系统性能得到了很大程度的提高．成功实现4Mb／s带宽的数字视频信号传输．信号传输距离超过了2．5m。1．1室内可见光通信系统介绍室内VLC系统的一种典型设计如图l所示：由终端、可见光通信适配器、可见光通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信号处理单元组成。系统分为前向链路和反向链路两部分．每部分都包括了发射和接收部分。发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成．而接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组成。可见光无线集线器是可见光通信网络中的核心组成部分，接收来自终端用户的信息．同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。可见光通信适配器包括了前向链路的自光LED光源和反向链路的光电接收器，集合了发射和接收功能，负责将终端用户的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号，并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经过可见光通信集线器的简单处理后，调制到白光LED光源上变成光信号．以广播的方式发射出去。在接收端．终端的可见光适配器将发给自己的信息解调出来送人终端用户，实现了局域网内的无线通信。1．2关键技术研究1．2．1高速调制驱动电路设计调制带宽是衡量LED的调制能力的参数．关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小阁。其定义是在保证调制度不变的情况下．当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(一3dB)所对应的频率。从微观结构分析．影响白光LED高速调制有两个因素：载流子寿命和结电容。LED因受两者的限制．其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化驱动电路。LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单．VLC系统大多设计成光强度调制／直接探测系统。白光LED高速调制驱动电路图设计如图2所示。该设计能够达到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂．以及光功率补偿等目的。可以用于数字视频信号源码流传输。晶体管BGl和BG2组成发射极耦合式开关．BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，为LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作。即使输入端过激励时。其仍没有达到饱和．所以开关速率更高。理论上可传输300Mb／s以上的数字信号。1．2．2白光LED照明光源布局设计单个LED发光强度和发光功率都比较小．为了同时实现室内照明和通信双重功能．LED照明光源应设计为多个自光LED组成的阵列。为满足基本照明需求，在系统设计中应首先考虑室内光照度的分布。要使通信效果达到最优．必须根据房间的大小以及室内设施不同合理布局，使房间内的光强分布大致不变．尽量避免盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡。会在接收机表面形成“阴影”．影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多．可以降低“阴影”效应，使得接收功率大大增加，但多个不同的光路径会他僻ISI越严重。因此．在达到室内照明标准的同时也婴孑虑ISI的影响．合理安排LED阵列光源的布局尤为关键。1．2．3信道编码技术数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪声干扰．导致传送的数据流产生误码．从而使接收端出现异常现象。比如：图象跳跃、不连续、出现马赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理．使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力．提高数据传输效寥，降低误码率．并最终提高数据的通信距离。暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术。通常来说．分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组．根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示．然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。常用的信道编码有182B(曼彻斯特码)、384B、586B、688B等。mBnB码的优点有：①功率谱形状较好；②连0连1个数有限，没有基线漂移问题；③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明．经过688B编码后．光信号在通信距离r=-0．5～2．5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用688B编码技术．可以保证本系统中数据高速传输的同时．使信号传输距离超过2．5m。而且．可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。如图3所示．以一个12bit的原始数据为例，介绍688B编码实现过程。1．2．4正交频分复用(OFDM)技术OFDM是一种应用于无线环境下的高速传输技术．具有很强的抗多径能力，已经在高速无线光通信中获得了广泛应用。早在2001年．日本庆应大学中川研究室就提出了为提高传输的数据率．在VLC中引入OFDM调制方式的必要性。OFDM技术的主要思想：在频域内将所给信道分成多个正交子信道．在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输。使得每个子信道相对平坦．并且在每个子信道上进行的是窄带传输．信号带宽小于信道的相干带宽IL81。因此．就可以大大消除ISI。在可见光通信OFDM系统中．首先要对信号源电信号进行OFDM编码．然后加一直流偏置对LED光源进行调制。由于在发射端将串行的高速数据并行地调制到多个正交的副载波上．降低了码速率．增加了信号脉冲的周期．减弱了多径传播引起的ISI的影II[句i9l。另一方面．可以通过在OFDM信号间加入保护隔．进一步减弱ISI的影响。然而，OFDM还存在这样的缺点：当数据信息在深衰落子信道传送．各子载波使用的相同的发射功率和调制方式时，这个深衰落子信道的误码率会增大。那么即使其它子信道的误码率很小．整个系统的通信性能会因其中的任何子信道的不良通信而恶化。2005年．西班牙的0．G0nzalez等人提出了一种利用自适应OFDM信号提高通信能力和减小多径效应的方案克服这个缺点。自适应OFDM调制可以根据当前信道状况调整各子信道分配的比特和功率．在信道条件好的子信道中传输较多的比特数和更多的能量。相反．在深衰落子信道中，系统将不传信息或减少该子信道的数据传输的比特数。实验表明，通过这样的自适应调整后有效地减弱无线光信道中噪声的影响．整个系统的传输效率会有很大的提高．1．2．5光码分多址(OCDMA)技术采用光码分多址技术141来区分不同用户的信息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源，因此不同的用户信号必须具有不同的特征，这样适配器接收时才能将不同用户信号分割开。OCDMA给每一个用户分配一个单独的地址码。数字信号在各自的地址码上进行编码．在接收机上通过相应的序列进行解码。采用OCDMA技术还能大大提高了系统的抗噪声能力。可以把信号从噪声很强的环境中检测出来．1．2．6分集接收技术分集接收技术的提出是为了提高VLC系统的信噪比。克服高速通信中码间干扰的影响。分集接收的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器。对多个探测器接收到的信号进行比较．选取信噪比最大的信号进行通信。在分集接收系统中．两个关键的下作是：信号的选取方式和光电探测器的布局。在信号的选取上，对于低速率的白光LED通信系统．直接将多个探测器接收到的信号通过一个加法器进行简单相加．然后将相加后的信号送进接收机进行滤波解调和解码等处理．大大提高了信噪比：当通信系统的传输速率高于100Mb／s时。由于码间串扰的影响．不能将信号直接相加。必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择。原理如图4所示。对各个探测器转换后的电压图4高速率分集接收探测器原理框图信号进行实时采集采样．再送入电压比较器进行比较．找出电压值最大的信道．此信道即为要进行通信传输的信道。同时．比较器输出控制信号将相应的信道选通。对于光电探测器的布局．在接收机的不同方向上安装多个光电探测器且均匀分布于一个半球面上，这样在减少探测器个数的同时又提高了接收效果。如此，只要不是整个接收机被遮住．通信就不会中断。关于探测器的个数和布局，需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。在高速通信中采用分集接收技术．系统的信噪比平均提高了2dB。并且有效克服接收机位置改变、室内人员走动和物体阴影对通信系统的影响。2可见光通信链路设计可见光无线局域网中采用的是主