（信号与信息处理专业论文）基于白光led的语音通信系统设计.pdf

摘要 iillll l ll f ll ll l fui i u i y 2 0 5 9 3 3 4 可见光通信技术是白光l e d 在照明领域得到应用后发展出来的一种短距离 无线通信技术。 论文对基于白光l e d 的室内可见光通信技术进行了介绍，分析了可见光通 信技术的国内、外发展现状。论文对白光l e d 在可见光通信中的伏安特性和调 制特性进行了深入研究，探讨了可见光通信的信道特性，并对可见光通信中常用 的调制方式进行了分析和仿真比较。 论文重点研究了基于白光l e d 的室内语音通信系统，完成了系统详细设计、 硬件实现和系统测试。系统主要由语音信号发射装置和终端接收装置组成。发射 装置用于将语音信号转换成可见光信号，主要包括语音信号输入和调理电路、调 制电路和l e d 驱动电路。终端接收装置用于将含有语音信息的可见光信号转换 成语音，主要包括光电转换和调理电路、滤波电路、解调电路和功放电路。最后， 对整体系统进行了测试，测试结果表明基于白光l e d 的室内语音通信系统设计 正确可行。 基于白光l e d 的室内语音通信系统使用o o k ( 开关键控) 调制方法，由多 径效应引起的码间干扰严重影响了其性能。o f d m ( 正交频分复用) 技术抗码间 干扰能力强、传输速率高，对提高可见光通信系统性能具有重要意义。但是由于 o f d m 算法复杂、运算强度大，使用通用处理器实现难度较大。本文使用v h d l 语言在x i l i n xi s e 软件平台上设计实现了o f d m 算法的关键模块，并在m o d e l s i m 平台中完成了仿真实验。实验结果表明，设计结果正确，实用性强，为下一步实 现高速可见光通信打下基础。 关键词：白光l e d ；可见光通信：语音通信；正交频分复用 a b s t r a c t v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o ni 8an o v e ls h o r tw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dd e v e l o p sw i t hw h i t el e d f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ei n d o o rv l c ( v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n ) b a s e do n w h i t el e d ，t h e na n a l y z e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n t t h et h e s i s a l s om a k e sad e e pr e s e a r c hf o rw h i t el e d sv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c sa n d m o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa n ds oo n t h e nt h ec o m m o n m o d u l a t i o n su s e di nv l ca r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d t h ek e yp o i n to ft h i st h e s i si st h ed e s i g no fa u d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e d o nw h i t el e d ，a c h i e v e st h ed e t a i ld e s i g no ft h es y s t e m ，h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n d s y s t e mt e s t i n g t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t st h ea u d i os i g n a lt r a n s m i t t e ra n dt e r m i n a l r e c e i v e r t h et r a n s m i t t e ri si n t e n d e df o rt r a n s f o r m i n ga u d i os i g n a li n t ov i s i b l el i g h t s i g n a l ，i n c l u d i n ga u d i os i g n a li n p u ta n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t , m o d u l a t i o nc i r c u i ta n d l e dd r i v e rc i r c u i t t h et e r m i n a lr e c e i v e ri si n t e n d e df o rt r a n s f o r m i n gv i s i b l el i g h t s i g n a li n t oa u d i os i g n a l ，i n c l u d i n gp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o na n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t , f i l t e rc i r c u i t ，d e m o d u l a t i o nc i r c u i ta n da m p l i f i e rc i r c u i t f i n a l l y ，t h ew h o l es y s t e mi s t e s t e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sc o r r e c ta n df e a s i b l e t h ei n d o o ra u d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nw h i t el e da p p l i e s o o k ( o n - o f fk e y i n g ) m o d u l a t i o n ，b u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi ss e r i o u s l y a f f e c t e dd u et ot h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e b e c a u s eo f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g yh a sg r e a ta n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dh i g ht r a n s f e r r a t e ，i tc a ng r e a t l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e h o w e v e r , o f d ma l g o r i t h mi s v e r yc o m p l e x ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h eg e n e r a lp r o c e s s o r t h i st h e s i sd e s i g n sa n d i m p l e m e n t st h ek e ym o d u l e so ft h eo f d ma l g o r i t h mb yt h ex i l i n xi s es o f t w a r e p l a t f o r mu s i n gv h d l t h e nt h es i m u l a t i o ni sf u l f i l l e di nm o d e l s i mp l a t f o r m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g n i sf e a s i b l ea n dp r a c t i c a l ，l a y i n gt h e f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dv l c k e yw o r d s ：w h i t el i g h te m i t t i n gd i o d e ；v i s i b l el i g h tc o m m t m i c a t i o n ；a u d i o c o m m u n i c a t i o n ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 学位论文的主要创新点 一、设计实现了一个基于白光l e d 的语音通信系统，在兼顾照明同 时，将可见光作为载体，实现了语音信号传输。 二、使用v h d l 语言设计实现了o f d m 算法的关键模块，实用性强。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 可见光通信系统及其关键技术 可见光通信( v i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n ) 是把无线通信和l e d 照明结合 在一起，组成通过白光l e d 传递信息的可见光无线通信系统。如今l e d 高速发 展，使这种无线通信技术具有很大的发展潜力。白光l e d 相比于传统照明灯具 有功耗低、发光效率高、使用寿命长等一系列优点，将会最终代替传统照明成为 未来照明的最佳选择。可见光通信的主要思想是以人眼无法感测的速度对l e d 灯发出的光信号进行直接检测和强度调制，在人眼毫无感觉的情况下进行数据通 信，使l e d 灯发挥出多重作用，那么这将大大增加照明系统的数据传输能力。 无线光通信技术按照应用位置不同可分为室内无线光通信与室外无线光通 信，二者的主要区别是他们具有不同的信道。室内无线光通信技术主要应用在室 内计算机网络或办公设备中，通信信道主要受到其他发光光源的影响，比如日光 灯、荧光灯等，室内墙壁或其他障碍物对光源的反射造成的多径问题码间干扰 ( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 也是影响系统传输速率的重要原因之一i l j 。室外 可见光通信信道主要受自然发光源( 太阳等) 所发出光的影响。 目前红外通信是室内无线光通信的主要方式【2 】。2 0 世纪末，随着人们对高速 无线宽带通信和全光接入技术的发展要求，对于无线通信的灵活性、方便性和安 全保密性提出了更高的要求，可见光通信正是因为这些优点受到了人们的极大关 注。它可以更加灵活的解决无线宽带接入的问题，可见光通信的出现是时代发展 的必然趋势。 进入2 0 世纪以来，半导体( l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 照明技术得到了迅 猛发展，被称为绿色照明。尤其是白光l e d ，通过三基色( 红、绿、蓝) 进行 合成发出的白光，具有功耗低、寿命长、光照强、节能、环保等特点，所以白光 l e d 以其卓越的性能和优势博得了众人的眼球，在不久的将来，它一定会取代 目前广泛使用的白炽灯和荧光灯，成为新一代的照明光源【3 j 。因为一般的半导体 器件都有响应速度快等特点，所以可以将信号进过调制后加载到l e d 灯上，转 变为光强信号进行传输，使l e d 发挥出照明和通信的双重作用，这将为以后的 宽带入网提供一种更加便捷的全新的接入方式【4 j 。 目前广泛使用的电磁波无线通信正面临着越来越严峻的考验。随着用户的快 速增加和对通信质量要求的不断提高，电磁波可用的频带范围已经很少，它的发 天津工业大学硕士学位论文 展受到了很大限制。而白光l e d 可见光通信则不需要考虑频带问题，避免了电 磁波中的频带和电磁干扰问题，无论在速度和质量上都可以取代电磁波满足无线 通信的要求，所以l e d 可见光通信在应用和研究方面都有极大的价值和意义。 室内可见光通信系统的关键技术主要有： 1 、白光l e d 光源的照明情况，室内光照度的分布，白光l e d 在室内最佳 的照明布局。 2 、可见光通信的信道问题，选择合适的调制方式，解决可见光通信的码间 干扰问题。 3 、将o f d m 技术应用到可见光通信中的实现问题，提高系统通信速度，降 低误码率和码间串扰。 1 2 可见光通信和传统通信方式的比较 白光l e d 与传统的照明设备相比具有使用寿命长、低功耗、效率高等一系 列优点，除此之外，白光l e d 响应时间极短，使超高速的信号通信成为可能， 因此可见光通信技术具有广阔的发展前景。 可见光通信技术和传统的射频通信比较有以下几种优点【5 】： ( 1 ) 可见光是一种自然光，它具有安全特性，在利用可见光进行通信时不 会对人们产生任何干扰。 ( 2 ) 可见光无处不在。只要有照明的地方，就可以进行高速的无线信号通 信。 ( 3 ) 发射功率高。因为传统的射频信号对人体是有害的，所以发射功率受 到了很大的限制，通信速度和通信质量都会受到影响。在可见光通信中，l e d 灯发出的是可见光，只要在人眼能够接受的范围内，就可以尽可能的增大发射功 率，提高通信的性能。 ( 4 ) 不受无线电频谱限制。在射频通信中，由于可利用频带较少，会受到 无线电频谱许可的限制，可以利用的无线电频带已经非常有限。 ( 5 ) 避免了电磁干扰。可见光通信非常适合用在对电磁干扰等级严格要求 的场合( 如飞机、医院等) 。 在光无线通信中，存在基于红外激光和可见光的无线通信技术，两者比较类 似，但不同之处也十分显著，如表1 1 所示。 第一章绪论 表1 1 无线通信中自光和红外光的异同点 典型特征白光 红外光 信号光源白光l e d 红夕hl d 和红夕hl e d 室内布局室内线路布局简化另外布置红外通信线路和光源 调制带宽 几十k h z 几百m h z几十k h z 几百m h z ( l e d ) 几十k h z 几百g h z ( l d ) 信道速率大约1 0 m b s可达到1 0 0 m b s 发射功率 在人眼可接受范围内无限制发射功率需限制在一定范围，通 信质量会受到很大限制 阴影效应通过安装多个l e d 灯来消除阴受其他障碍物影响较大 影效应 典型波长3 8 0 7 8 0 r i m 8 0 0 9 0 0 r i m 白光l e d 可用于室内照明，同时也可作为信号光源用来无线传输数据。从 表1 1 中可得出，红外光会伤害到人眼，因而白光l e d 更适合于用作室内无线 通信的信号光源。 1 3l e d 可见光通信技术现状 1 3 1l e d 可见光通信在智能交通系统中的应用 1 9 9 8 年，c t p a n g ( 香港大学) 等研究出了语音广播信号可通过l e d 交通灯 传递给车辆，使用l e d 光源加载调制后的语音信号，从而实现了低速的无线l e d 可见光传输功能【6 】。 2 0 0 3 年，日本的k i t a n o ( k e i o 大学) 等提出了将l e d 可见光通信系统应 用于公路照明。分析了在不同的接收方向和视角下的接收数据率和信噪比在一定 误码率下的关系。 随着可见光智能交通系统研究的深入，又出现了汽车前照灯尾灯( l e d 灯) 与其本身之间的通信和汽车前照灯尾灯与交通l e d 灯两者间的可见光通信系统 啊。 1 3 2l e d 可见光通信技术在室内无线宽带接入网中的应用 以h a r u y a m a ( s o n y 计算机科学研究所) 和t a n a k a ( k e i o 大学) 为代表 的科研人员在2 0 0 0 年提出了室内无线通信，主要是通过l e d 照明灯进行信号传 天津工业大学硕士学位论文 输。并假设l e d 光源满足朗伯照射形式，将传输信道分为直射信道和反射信道， 光调制形式为强度调制直接检测，对室内可见光通信进行了建模仿真，得出了数 据率、误码率以及接收功率等相关数据，并说明系统在数据传输速率为1 0 m b p s 以下时是可行的，影响系统性能的两大因素是多径效应和码间干扰( i s i ) i s 】。 2 0 0 1 年，t a n a k a 等以原来研究为基础，分别利用o o k 和o f d m 调制方式 仿真可见光系统，证明了在传送数据率低于1 0 0 m b p s 时这两种调制技术均是可行 的，在传送数据率高于l o o m b p s 时o f d m 调制技术相对o o k 调制技术表现出 了更大的优势【9 】。 k o m i n e 等人在2 0 0 2 年探究了l e d 可见光无线通信系统中由墙壁反射引起 的多径效应所产生的不良影响，分别仿真o o k 、2 - p p m 、4 p p m 、8 - p p m 调制 方式，得出8 - p p m 性能表现为最好。在低于5 0 度的接收视场角、小于6 0 m b p s 的数据率时，墙壁反射所引起的多径效应可以通过采用8 - p p m 的调制方式克服 b o o k o m i n e 和t a n a k a 等在2 0 0 3 年着手于l e d 可见光无线通信系统的具体分析， 分析内容包括光源属性、信噪比分布( 室内不同位置) 、噪声模型和信道模型等， 推算出l e d 单元灯系统要求的基本功率。然后又分别仿真分析了o o k 和m p p m 调制方式，得出了在不同条件下的误码率。 k o m i n e 等在2 0 0 4 年继续对l e d 单元灯的设计布局进行探讨，考究了码间 干扰、墙壁反射光、人的移动导致的反射阴影，可见光传播的直射信道和反射信 道等对系统性能的影响，并得出了不同数据传送率和接收视场角对系统性能的影 响曲线。 k o m i n e 等在2 0 0 5 年利用自适应均衡技术来克服码间干扰i s i ，采用最小均 方误差算法对系统进行了仿真，仿真结果显示当数据传输速率在4 0 0 m b p s 以下 时，利用f i r 和d f e 均衡器都可以达到降低码间干扰的目的。但当数据传输速 率达到4 0 0 m b p s 以上时，d f e 均衡器所表现出的性能要明显优于f i r 均衡器。 k o m i n e 等在2 0 0 6 年根据o f d m 技术在电力线系统中的应用，将l e d 可见 光通信结合窄带o f d m 电力线，对系统的性能进行了研究，通过分析综合得出 o f d m 系统信号对于照明功能没有影响。同年，德国的j g m b o 等人开始研究将 o f d m 技术应用于可见光通信系统。 h i d e m i t s us u g i y a m a 等在2 0 0 7 年提出一种可亮度控制的可见光系统方案， 此方案能够同时控制照明亮度与无线通信。其中包括调制深度( m o d u l a t i o nd e p t h ) 控制和脉冲宽度调制( p w n i ) 控制两种亮度控制方法，并分析了这两种亮度控 制方法的实用性和有效性。 同年，韩国的k w o n h y u n gl e e 等人在o f d m 调制方式中引入了传统的分组 第一章绪论 检测和训练序列方法，当信道为高斯自噪声信道时，在误码率为1 0 4 的情况下， 信噪比能够达到l l d b ，在多径条件下达到了3 0 d b 1 1 】。 2 0 1 0 年3 月，德国西门子公司开发出了带宽能够达到5 0 0 m b p s 的可见光无 线局域网设备。考虑到光在空气中传递时会有信号损失，仍能够保证在5 米之内 维持最高速度，带宽随着距离变长而下降时，也能够保证达到1 0 0 m b p s 。 l e d 可见光无线通信技术仍然在起步和探索阶段，但它具有很好的应用前 景，这种技术不但能够用在室内无线接入网中，还能为城市车辆交通控制和通信 链路提供一种全新的方法。 1 4 论文研究的主要内容 本文主要研究可见光语音通信系统，首先对室内最佳照明理论进行了分析， 研究了室内白光l e d 照明灯的布局，对可见光信道及信号的接收进行了详细论 述。针对可见光通信系统中常用的调制解调方式，进行了比较和性能分析。主要 对可见光通信系统中的语音通信进行了设计和实现。最后重点针对现在广泛使用 的o f d m 调制解调方式进行了研究和设计仿真。 本论文主要对以下几章分别进行论述： 第一章：绪论。介绍了可见光通信系统及其关键技术和国内外可见光通信的 发展现状。 第二章：白光l e d 的特性及可见光通信系统研究。首先对白光l e d 的发光 特性进行了分析；讨论了可见光通信的室内布局和可见光通信信道；计算影响系 统信噪比的主要因素：最后对可见光通信系统中常用的调制技术进行了探讨。 第三章：l e d 语音通信系统的设计与实现。首先对可见光通信的可行性进 行了实际验证，着重介绍了语音通信中所用到的模块及其实现电路，给出实际电 路图和示波器调试结果，并得出了信道频率响应和信噪比。 第四章：o f d m 可见光通信系统设计与实现。本章主要对可见光o f d m 调 制技术进行了理论研究，利用o f d m 技术可有效解决码间串扰和通信速度问题。 使用v h d l 语言在x i l i n xi s e 软件平台上设计实现了o f d m 算法的关键模块， 并在m o d e l s i m 平台中完成了仿真实验。 第五章：总结和展望。 天津工业大学硕士学位论文 第二章白光l e d 的特性及可见光通信系统研究 第二章白光l e d 的特性及可见光通信系统研究 在可见光通信中，白光l e d 的特性和可见光通信系统的研究是非常必要的。 本章首先对白光l e d 的三种特性进行了详细论述，重点分析了可见光信道特性， 得出信号传输过程中产生的码间干扰是影响系统性能的关键因素之一，并给出了 解决方案。最后对可见光通信中常用的调制方式进行了对比，讨论了不同方法的 性能。 2 1 白光l e d 的特性 白光l e d 的物理特性有发光特性、伏安特性以及调制特性等，对白光l e d 物理特性的研究是使用白光l e d 搭建语音通信系统的前提和基础。 2 1 1 伏安特性 l e d 芯片是一种由半导体无机材料组成的p n 结二极管。伏安特性( 即电压、 电流之间的关系) 能反应出p n 结性能的优劣，也是表征l e d 芯片p n 结性能的 主要参数。一般情况下，l e d 的伏安特性都具有单向导通、整流和非线性等特 点，当加正向电压时接触电阻很低，加反向电压时接触电阻很高。单芯片l e d 的伏安特性曲线如图2 - 1 所示。 电流( i ) jl ? 憾 一 。 枣f o 哒r 誉岖j 、， 正向死区 图2 1l e d 的伏安特性 电压( v ) 天津工业大学硕士学位论文 l e d 的伏安特性参数有正向和反向电压、正向和反向电流等。必须选择合 适的电压和电流来驱动l e d 正常发光。 当l e d 芯片通过额定正向电流时，正向压降为芷负两极之间产生的电压降， 如图2 2 ( a ) 所示v l 。当l e d 串联一个恒流源，经过调节恒流源输出电流，使 l e d 的恒定电流达到正向额定值，此时l e d 两端的电压即为正向压降，一般正 向压降比较小是因为l e d 正向电阻比较小。当l e d 芯片通过额定反向电流时， l e d 流过的电流为反向电流，如图2 - 2 ( b ) 中所示1 1 ，对稳压源进行调节使电 压表输出额定电压值，这时与l e d 串联的电流表的读数值即为反向电流i l 。 i v k 掸 7 0 k m h ) 车载通信时产生，而相对于静态的室内通信则不 予考虑 1 4 】。 ( 4 ) 远近效应：当接收机和发射机之间的距离发生相对变化时，因为发射 机和接收机的功率是一定的，接收机接收到的信号的瞬时功率就会不同，这一现 象即为远近效应【l 引。远近效应对于移动通信的影响是非常明显的，在室内可见 光通信中，由于目前发射和接收设备还不成熟，所以本文只讨论在接收机固定的 情况下语音通信，远近效应可忽略不计。 第二章白光l e d 的特性及可见光通信系统研究 通过上面分析可知，影响室内语音通信系统性能的主要因素是多径效应。由 于多光源的存在，虽然可以保证接收到来自不同方向和不同路径的光信号，避免 了阴影效应，但是接收机接收到的不同光路径信号会在时域上引起相邻信号间的 重叠，产生信号延迟。这种由多径效应引起的码间干扰会严重降低系统的性能。 如图2 - 6 所示为两条不同光路径产生的延迟示意图。 路径l 路径2 一 脉冲宽度 _ 卜一 脉冲延迟时间 图2 6 不同光路径产生的延迟 抑制码间干扰的影响是实现l e d 可见光通信的关键技术之一，因此应该尽 量减弱码间干扰的影响。减轻码间干扰的方法很多，结合本文，总结出下面两种 方法。 ( 1 ) 改变编码方式。在可见光语音通信中采用的是o o k 调制方式，将其中 的不归零码n r z o o k 编码方式变换为归零码r z o o k 方式。因为r z o o k 的 相邻脉冲间具有一定的保护间隔，只要产生的多径延迟小于这个间隔就不会产生 码间干扰。以这种方式降低码间干扰效果有限，因为增加了保护间隔，还会导致 系统带宽利用率降低。 ( 2 ) 使用o f d m 技术。因为o f d m 调制技术具有很强的抗多径干扰能力可 被应用在可见光通信系统中。o f d m 技术是将高速串行数据经过变换后变成较 为低速的并行数据，在很大程度上扩展了信号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落能 力。另外，在o f d m 符号中插入了循环前缀和保护间隔，进一步减弱了码间干 扰的影响。o f d m 技术在可见光通信中的应用是本文讨论的重点，将会在第四 章中详细论述。 天津工业大学硕士学位论文 2 4 可见光接收分析 高质量的通信离不开高速率和高可靠性的信道，而影响通信质量的发射端光 功率、光束形态以及接收端灵敏度、接收面积等参数均需要根据信道特性决定。 本系统采用直射式视距链路，即白光l e d 阵列直接指向光电转换器，以提高光 功率利用率。 强度调制和直接检测( 1 m d d ) 技术是指数据在发射端经编码调制后转变为 电信号并加载到驱动白光l e d 发光的电路上，然后把数据转换为光信号再次发 射出去。光信号在接收端通过终端设备中的光电探测器变为电信号，并解调使其 变回为原始的数据。 发射端的信号波形是白光l e d 的瞬时光强度值，用x ( t ) 表示，接收信号波 形是探测器内瞬时的光电流值，用y ( t ) 表示。 白光l e d 的输出信号为： x ( f ) = 只( 1 + 4s i n 耐) ( 2 - 5 ) 其中只是发射光的平均功率；4 表示正弦曲线的幅度。 因为室内都会有背景光，则探测器接收到的光功率为( 背景光功率用只表 示) ： p ( t ) = 只( 1 + 4s i n c o t ) + 圪( 2 - 6 ) 根据光强和光照度之间的关系，探测器接收到的光功率表示为： p = 4 ( 2 _ 7 ) 上式中么，为光电探测器的有效接收面积；，是光电探测器接收到的白光l e d 的辐照度。 无线光通信中的光电转换器通常采用光电二极管，光电二极管在反向电压下 工作，随光强度的变化而产生变化的光电流。假设光电转换器灵敏度为r ，在不 考虑多径和码间干扰的情况下，光电转换器输出电流值i ( 0 为： i ( t ) = r p = 尺e ( 1 + 以s i n q f ) + 尺弓 ( 2 8 ) 光电二极管端的主要噪声来自前置放大器等引入的电路噪声吒，和电流引起 的散弹噪声。所以可见光通信系统在传输速率为凰时的接收信噪比为： s n r ；呈：( 冬墨呈! ：( 生墨：墨2 ：( 2 9 ) n 一21 一z 一一 + 2 + 2 卵( e + 毋) 巩 其中，只为信号功率，只为噪声功率，云2 为电路噪声的平均功率值，2 为散 弹噪声功率，g 为引起散弹噪声的电子电荷，i 为散弹噪声带宽因子。当系统工作 在强背景光下时，公式( 2 9 ) 可简化为： 第二章白光l e d 的特性及可见光通信系统研究 姗：垒：垒兰 ( 2 1 0 ) 2 q p f l r b 由公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 可知，系统信噪比与光电转换器接收到的光功率平 方成正比，这就意味着要增大通信覆盖范围，就必须增大l e d 阵列发射光功率， 同时应该合理设计通信链路，尽量减小光信号传播过程中的能量损耗。而光电转 换器的接收光功率又与其有效接收面积相关。在忽略反射损耗的情况下，光电转 换器的有效信号接收面积为： r- l a c o s5 u ，0 y 幻( y ) 2 ， 卜专 ( 2 - 1 1 ) 其中么为光电转换器的实际物理面积，为光电转换器表面光信号的入射角。 可见，通过减小光电转换器表面光信号的入射角或增加其物理面积都将有益 于增加光电转换器的有效接收面积。但增加光电转换器物理面积价格昂贵，同时 会减小接收装置带宽，增大接收装置噪声。所以，通过减小光电转换器表面光信 号的入射角、提高发射功率的利用率是更加可行的方式。 2 5 可见光调制技术 在所有通信系统的发展中，调制解调技术的研究是非常关键的。针对不同的 系统，需要采用不同的调制技术来改善系统的通信性能。同样，在可见光通信系 统中，根据系统功能的不同要求，选择相应的调制技术。目前，在光无线通信系 统中，一般采用两种调制方案：一是简单的无载波调制，即无需载波调制，直接 发送基带脉冲实现数据传送。它的优点是实现简单，典型的实现方法为强度调制 直接检测( i m d d ) 。二是载波调制，即将基带脉冲加载到多个频率载波上进行 传送，这种方案虽然在实现方法上复杂些，但可以更好的改善系统的通信性能。 目前常用的有0 0 k 、p p m 、q a m 、b p s k 等载波调制技术。 2 5 1 k 调制 o o k 调制是最简单的一种数字调制方式，它的实现方法很简单。如图2 7 所示的两种实现方案。图( a ) 中采用载波在二进制调制信号l 或0 的控制下利 用通或断的方法传送数据，即当数据为1 时，传送数据，反之为o 时，停止传送。 图( b ) 中采用的是模拟幅度调制方法，将二进制数据作为输入信号，然后进行 幅度调制。在可见光语音通信系统中，使用的即为o o k 调制方式，可以有效降 天津工业大学硕士学位论文 低数据传输过程中的码间串扰【1 6 】。 出 ( a ) 键控法( b ) 调幅法 图2 7o o k 调制的两种实现方法 o o k 调制方式是指当信源比特率为r b 时，光发送器在间隔t 为1 氏中，用 “1 ”来表示发送光脉冲p ( t ) ，用“0 ”来表示不发光脉冲。占空比为“l ”时( 以 下分析均用此占空比) ，其带宽约为b o o k = r d 。发送光脉冲为“1 ”时的功率设为 p l ，假设l 与0 出现的概率相同，则其平均发射功率为p o o k = p i 2 。 调制：最典型的方法是利用一个电键控制载波振荡器的输出从而实现调制的 目的。 解调：可分为同步解调和包络解调。包络解调是非相干解调，方框图如图2 8 所示。 图2 80 0 k 解调器 使用m a t l a b 对o o k 调制方法进行仿真，可以很清晰的看到原始波形经过调 制以后的波形变化，如图2 - 9 所示。 摹：! 二： 一# 一。= = = = ， 一：晕1 三羹= 卜回 芒 臣二 一1 等 “ ( a ) o o k 调制的m a t l a b 仿真 ( b ) 示波器输出波形图 图2 - 9o o k 调制仿真波形 第二章白光l e d 的特性及可见光通信系统研究 2 5 2b p 涨调制 b p s k 即二进制绝对调相，其调制原理为：采用0 或1 二进制数字信号来控 制载波两个相反的相位，即当传送数据1 时采用一种载波进行调制，当传输数据 0 时就用与第一个相位相反的载波进行调制。在可见光通信系统中，假设白光 l e d 采用的光频率载波与传输比特率相等，和o o k 调制对比可知，经过b p s k 调制后信号带宽扩大了两倍【i7 | 。 使用m a t l a b 对b p s k 调制方法进行仿真，可以很清晰的看到原始波形经过 调制以后的波形变化，如图2 1 0 所示。 酸 二= ： 毳爹o _ 二乏三；_ 翼i r t - - 一 。量一二二一二卜二 t ，+ 一一i 。 = 一二一一 ( a ) b p s k 调制的m a f l a b 仿真 2 5 3p p i n 调制 ( b ) 示波器输出波形图 图2 1 0b p s k 调制仿真波形图 p p m 即脉冲位置调制，它是利用脉冲的相对位置达到传递信息目的的一种调 制方式。主要包括三种实现方法：差分脉冲位置调制、单脉冲位置调制和多脉冲 位置调制。p p m 的优点在于它不需要进行极性和脉冲幅度控制，仅需根据数据 符号控制脉冲位置即可，便于以较低的复杂度实现调制与解调，对通信系统性能 的提高起到很大作用。p p m 调制方法在光无线通信中得到广泛的应用，因为它 可以在最小平均光功率下，实现最高的数据传输速率【l 引。 单脉冲位置调制即l p p m ，它的实现方法最为简单，即将一段时间分成若干 时隙，只需在发射端的某一时隙发送单脉冲信号来实现数据的传送。 差分脉冲位置调制即d p p m ，可以说是单脉冲位置调制的变形。它的基本原 理为：在l p p m 码组基础上，将固定传0 或1 的数值变成可变的。将d p p m 和 l p p m 进行对比可知，在相同传输速率下，d p p m 调制所占用的信道带宽虽然 比l p p m 少，但实现复杂度增大。并且调制后的d p p m 信号数量是随机变化的， 所以差分脉冲位置调制并没有得到广泛的应用。 多脉冲位置调制的基本实现思想为：以排列或组合的方式把传输时间分成不 同的时隙，在多个时隙中进行数据的传送，不同的时隙传送的数据性质也不尽相 同。多脉冲位置调制是p p m 调制方式中实现最复杂的一种调制方式，所以一般 天津工业大学硕士学位论文 很少应用。 2 5 4 不同调制方式性能对比 不同的调制方法都具有各自的优缺点，本节将对比不同调制方式的性能。假 设采用的调制方式具有相同的传输比特率和平均光功率，来比较它们的光谱带宽 和误码率。以o o k 、4 p p m 、b p s k 三种调制方式为例来进行讨论。 1 、带宽性能分析 以o o k 和4 p p m 为例对二者的调制带宽进行比较。图2 1 1 所示为两种调 制方式的时域波形。图2 1 1 ( a ) 为o o k 调制，每比特的周期信号是2 或0 ，即 二进制的1 或0 ，使用完全平方脉冲表示。它所使用的这种调制方式，使可用带 宽减小，电光功率转化效率更低。图2 1 1 ( b ) 所示为4 - p p m 调制。在每个符号 周期内，脉冲在每个可能的1 4 时隙传输。比较两图可以明显看出，具有更长脉 冲的4 p p m 具有比o o k 更大的带宽。 6 5 4 瞽 罄 累、 0 51 0l 5 传输比特数 ( a ) o o k( b ) 4 - p p m 图2 1 10 0 k 和4 - p p m 调制的时域波形图 2 、误码率性能分析 假设光传播过程中噪音为高斯白噪声，光电二极管的转换效率为0 5 3 a w ， 背景光噪声功率忽略不计，光信道模型为指数式衰减模型。 在高斯白噪声信道中，o o k 、4 p p m 、b p s k 误码率与信噪比的关系如下列 公式所示【1 9 1 ： o o k ： b e r ：丢咖( 半) ( 2 1 2 ) 4 p p m b e r = 三咖( 拌) ( 2 - 1 3 ) 第二章自光l e d 的特性及可见光通信系统研究 b p s k ：b e r ：= le , f c ( s 4 t ： - ；) ( 2 1 4 ) 根据上述公式进行仿真，得到如图2 1 2 所示三种调制技术在相同条件下信 噪比和误码率的关系。 配 褂 匿 悠 信噪比( s n ) 图2 1 2 三种调制方式误码率和信噪比关系 通过以上分析，可以从实现方法、可用带宽、误码率、信道性能要求和接收 机要求五方面对这三种调制技术进行对比。 表2 - 2 可见光通信中常用调制方式性能比较 调制方式实现方法可用带宽误码率信道性能要求接收机要求 o o k简单较小较大很低低 牛p p m复杂较大较大较高高 b p s k较复杂较大较小低较高 通过前面分析和表2 2 可知，对于速率较低的小型室内l e d 可见光通信系 统，采用o o k 调制方式，可以降低装置的复杂度，在较低的成本下就能实现可 见光通信系统的设计。如果对通信系统的传输速度有较高要求，则需使用其他较 复杂的调制技术，如m p p m 或b p s k 调制等。而o f d m 技术在调制过程中可 以灵活的采用不同的调制方式，从而提高整个系统的吞吐量。此外，o f d m 还 天津工业大学硕士学位论文 具有很强的抗码间干扰能力，因此，相对于较为单一的m p p m 和b p s k 调制， o f d m 在高速可见光通信中具有很大的优越性。 第三章l e d 语音通信系统的设计与实现 第三章l e d 语音通信系统的设计与实现 l e d 语音通信系统作为可见光通信的一个分支，可适用于l e d 交通灯、l e d 广告牌、l e d 大屏幕等。本章对语音通信系统的发射和接收机进行了硬件设计， 并通过系统测试验证了设计的正确性。 3 1 系统总体设计方案 l e d 可见光语音通信的原理是：利用白光l e d 发出的光载波信号调制传输 语音信号，这种光载波信号具有肉眼察觉不到的高速率【2 0 】。在发射端，首先把 要传送的语音信息转换成频率信号，然后调制到l e d 阵列发出的可见光上，并 通过可见光发送出去；光电检测器将在接收端接收到的光信号转换成电信号，经 解调后恢复为原来的语音信息。可见光语音通信就是利用光波作为载波来传送语 音信息【2 1 1 ，以l e d 可见光作为传输介质实现信息传输达到无线通信目的的一种 最新通信技术。 该系统主要由语音信号发射装置和终端接收装置组成，系统总体结构框图如 图3 1 所示。语音信号发射装置主要包括语音信号输入和调理电路、调制电路和 l e d 驱动电路。接收接收装置主要包括光电转换和调理电路、滤波电路、解调 电路和功放电路。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 一一1 i ： i i i i i 强度信用 i 图3 1 可见光语音通信系统框图 天津工业大学硕士学位论文 3 2 发射机设计 3 2 1 发射机设计框图 l 语音输入眵 调制模块 图3 2 发射电路模块 图3 2 中，语音输入和音频放大模块可称作语音输入信号调理模块，负责语 音信号的输入和调理。实现过程为：使用麦克风作为语音输入，采集人发出的语 音信号，音频放大器将采集到的微弱信号进行放大，把语音信号调理到适合的电 压范围。调制模块使用的是压控振荡器，前面经过调理的语音信号作为压控振荡 器的输入电压控制端，使压控振荡器输出t t l 标准电平信号，实现对语音信号 的调频，载波频率范围为1 0 0 k h z - 士5 0 k h z 。驱动模块和l e d 阵列即调制输出调理 模块，负责对调制后的信号进行调理输出。调制后的信号需经过驱动电路才能驱 动l e d 发光，利用n m o s 管的开关特性，使l e d 通过高速闪烁的方法实现信 号的发射。下面对各个模块进行具体介绍。 3 2 2 语音输入信号调理模块 语音输入使用麦克风采集人的声音，将声音信号转换为微弱的正弦波电信 号。 实验中选用的麦克风为动圈式麦克风。作用是把声音转变为电信号，它是利 用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈( 叫做 音圈) 随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，产生感应电流( 电信号) ， 感应电流的大小和方向都变化，输入的声波决定了它变化的频率和振幅，从而实 现语音信号和电信号的转换。此类麦克风效果较好，不必额夕l q j n 电压信号，使用 方便。 麦克风输出电压很低，一般在几毫伏以下，所以后面必须要接音频放大器对 其进行放大。本设计中，麦克风阻抗为6 0 0 欧，设计的音频放大电路应该与所用 的麦克风实现阻抗匹配。6 0 0 欧时话筒平衡输入放大电路图如3 3 所示。 第三章l e d 语音通信系统的设计与实现 6 0 0 欧话筒 平均输入 图3 36 0 0 欧平衡话筒输入放大电路 输出 音频放大器的作用是将语音信号进行放大，并调节输出电压值，控制后面压 控振荡器的输出频率。 上面的放大电路选用的放大器为n e 5 5 3 2 ，它是一种双运算放大器，具有很 好的噪声性能、输出驱动能力和电源带宽，所以它特别适合应用于高品质和专业 音响设备、仪器和控制电路的放大器。 3 2 3 调制模块 语音信号调制模块选用的是压控振荡器