《可见光通信发端电路设计》设计论文

郑州航空工业管理学院毕业论文2013届自动化专业0906111班级题目可见光通信收端电路设计姓名王宝学号090611128指导教师陈建明职称教授二〇一三年五月二十二日内容提要随着科技的飞速发展和社会的不断进步，人们对信息的需求也是不断增加。从而使更方便、更快捷的无线通信技术得到了广泛应用。在现有的无线技术中，除了基于电磁波传输的传统射频通信，还有基于可见光的无线通信。可见光通信技术是基于LED照明光源的无线光通信技术，可在有严格限制电磁干扰的场合替代射频通信，比如机场、医院等，因此应用前景广阔。可见光通信技术己成为无线通信领域的研究的一个热点，结合LED照明技术和光通信技术，同时具备了抗电磁干扰、无需无线电频谱认证、安全可靠等优点。论文首先介绍了可见光通信技术的背景；还对可见光通信的关键技术进行了研究，尤其是在接收方面：分析了PIN探测器的工作原理和特性，从而选择出了性能高的光电探测器；研究了前置放大器，并设计出了采用跨阻抗前置放大电路，从而实现了高增益、低噪声的第一级放大。论文主要对可见光通信技术的光接收电路进行了研究和设计，实现信号的光/电转换和放大功能，最后，对影响系统性能因素进行了分析，并且针对性的优化系统性能。关键词以太网；可见光通信；光发射；LED；光接收；光电转换Visiblelightcommunicationreceiving-endcircuitsdesignAuthor：WangBaoInstructor：ChenJianmingAbstractWiththerapiddevelopmentoftechnologyandsocialprogress,people'sdemandforinformationisincreasing.Makingiteasierandmoreefficientwirelesscommunicationtechnologyhasbeenwidelyapplied.Inexistingwirelesstechnologies,inadditionbasedonelectromagnetictransmissiontraditionalradiocommunications,aswellasbasedonthevisiblelightwirelesscommunication.Visiblelightcommunicationtechnology,LED-basedlightingwirelessopticalcommunicationtechnologyinastrictlylimitedelectromagneticinterferenceoccasionsalternativeradiocommunications,suchasairports,hospitals,etc.,sotheapplicationprospect.Visiblelightcommunicationtechnologyfieldofwirelesscommunicationhasbecomeahotresearch,combinedwithLEDlightingtechnologyandopticalcommunicationtechnology,alongwiththeanti-electromagneticinterference,noradiofrequencyspectrumcertification,safeandreliable.Paperfirstintroducesthebackgroundvisiblelightcommunicationtechnology;alsovisiblecommunicationkeytechnologyresearch,especiallyinthereceivingareas:analysisoftheworkingprincipleandPINdetectorcharacteristics,therebyselectingahighperformancephotodetectors;researchapreamplifier,anddesignatrans-impedancepreamplifiercircuitusedtoachievehighgain,lownoisefirststageamplifier.Thesis,thevisiblelightcommunicationtechnologyresearchandreceivingcircuitdesign,andthesignalisoptical/electricalconversionandamplification,finally,thefactorsaffectingsystemperformanceanalyzedandtargetedtooptimizesystemperformance.KeywordsEthernet;visiblelightcommunication;opticaltransmitter;LED;opticalreceiver;photoelectricconversion目录第1章绪论.................................................11.1研究背景..............................................11.2课题提出和研究意义....................................11.3本论文研究内容........................................4第2章光电探测器及光接收机的研究...........................52.1光电探测器的工作原理及特性............................52.1.1PIN探测器的工作原理...............................52.1.2PIN探测器的工作特性...............................62.2光接收机设计..........................................82.2.1前置放大器..........................................92.3光接收机的误码率及灵敏度.............................12第3章电路设计............................................153.1光发射机电路设计.....................................153.2光接收机模块.........................................173.2.1前置放大电路设计................................173.2.2主放大电路设计..................................193.3光接收模块原理图.....................................21第4章总结与展望........................................224.1全文总结.............................................22致谢........................................................23参考文献：..................................................241第1章绪论1.1研究背景人们在生活和工作中，常常需要把一些信息从一个地方传到另一个地方，这种信息的传递与交换就是通信。通信使人们之间的交流，资源的分享得以加速，在社会生产、生活各个领域发挥着不可替代的作用，是人类社会文明得以蓬勃发展的基础。在日新月异的当今社会，人们对于数据传输有了更高的要求一一更方便，更高速，更环保。可见光通信技术的诞生，以其对人体无害、高速率、无需无线电频谱申请等的独特优势赢得了人们的青睐。在电磁波谱上，人的眼睛感觉到其中一段波段的光就称为可见光，其波长的范围在380-780纳米之间。可见光通信技术(VLC,VisibleLightCommunication)是以使用可见光LED照明系统的基础上发展起来，主要用于短途高速通信。它结合了射频通信系统的优点，而且在同一个系统上实现了照明和通信功能。1.2课题提出和研究意义射频通信、无线激光通信(FSO)和可见光通信是目前正在使用或正处于学术研究前沿的无线通信技术。射频通信广泛用于生产、生活的各个领域，是目前技术最成熟的无线通信，很大程度上改变了人们的生产和生活习惯。相信在未来的无线通信发展中，射频通信扔将继续起着重要作用。与射频通信相比，基于LED的可见光通信具有保密性强、对人体无害、无电磁干扰等优点，具体见表1-12表1-1可见光通信技术的优势属性射频通信可见光通信保密性能穿墙用窗帘即可阻止信号外泄:防窃听使用频谱需要申请无需申请可用带宽用户多时影响速度不受用户数量影响发射功率受限，影响通信距离通常情况下无需限制干扰因素同频干扰背景光多径衰落时延、相位变化干扰表现为背景光路径冗余多个接入点APLED阵列光源传输速率100Mbps1一几百Mbps无线激光通信技术(FSO)是基于激光的为基础，其工作原理和可见光通信技术相似，是通过把电信号调制到激光上传输到远方。无线激光通信技术是一种远距离点对点的通信技术，也是近几年的研究热点，基本组成部分为光发射器和光接收器，工作过程为:通过调制把信息加载到激光上，经大气的传输，再通过望远镜对准远端的接收机，然后通过接收机的光电转换还原成电信号。与FSO相比，可见光通信具有的优势如表1-2所示。表1-2可见光通信的优势属性FSO可见光通信3光源激光，价格高LED，便宜，功耗小，寿命长对准需要望远镜，对准难光源覆盖范围大，对准很容易组网方式点对点点对点、网络都可对人体安全性皮肤特别是眼睛容易受到伤害无伤害安装空旷，无阻挡处，一般在楼顶无处不在基于LED的可见光通信技术，主要优势总结如下：1.无需无线电频谱认证。射频通信发展到今天，可用的无线电频谱资源越来越少了。可见光通信利用的是可见光波段，无需频谱申请，因此拥有极大的应用前景。2.无电磁辐射。采用LED发出的可见光进行通信不会发射电磁辐射，对人体不存在伤害。这使得可见光通信技术可以应用在对电磁辐射要求苛刻的场合。3.安全性能好。射频通信的方式的一个无线接入点AP的传输距离一般可到达100米，可以穿透墙壁。在别处通过破解无线接入密钥就能够窥视你的信息。而可见光通信则只要拉上窗帘就能够控制好你的通信领域，具有良好的安全性能。44.系统搭建便捷、成本低。只要有LED照明系统的场所，无需在原有照明系统上重新布线就可搭建可见光通信系统，可以利用现有资源，节约了搭建成本，可以说是同时实现了照明和通信两大功能。可见光通信技术拥有巨大的应用潜能，只要有LED照明系统的地方，就能够构建接入网络。1.3本论文研究内容本论文的研究内容具体安排如下:第1章：绪论。介绍了可见光通信的研究背景、课题提出和研究意义。在这一章中通过与射频通信和激光通信作比较，总结出可见光通信的优势。第2章：光电探测器的研究。光电探测器是光接收机的第一级工作部件，是可见光通信系统实现光信号到电信号转换的功能器件，也是光/电转换的关键，在本章中对PIN光电探测器进行了分析，对PIN光电探测器的工作原理和工作特性进行了研究。研究了前置放大器，并分析了光接收机的误码率及灵敏度。第3章：电路设计。主要对前置放大电路、主放大电路、驱动调制电路设计。对LED无线光通信接收模块进行研究并。光发射模块和光接收模块是可见光通信技术的核心，在本章中只对这光接收模块的电路进行设计，实现光接收功能。第