（通信与信息系统专业论文）基于led照明灯的室内无线光通信双工系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 l e d 灯具有亮度高、寿命长、性能稳定、节省能源等优点，它将成为下一代的照 明工具。由于l e d 的高灵敏度和线性调制特性，因此l e d 照明系统具有传输信号的能 力。与传统的红外和无线电通信相比，l e d 可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、 无需申请频谱资源和室内不会出现数据泄漏等优点。l e d 照明灯无线通信能够在照明 的同时实现通信功能，既节能又减少了重复投资，因此，l e d 可见光通信系统具有显 著的研究意义和较大的发展前景，已被公认为一种新兴的短距离高速无线通信系统，并 引起了国内外一些大学和科研机构学者的关注和研究。 论文围绕典型室内l e d 照明灯无线光通信系统展开，主要对室内无线双工通信系 统的通信信道进行分析研究；通过对双工通信系统的上下行链路的信道分析、室内通信 中的多径效应与背景光干扰的研究，提出了抑制多径效应的调制方法，设计了基于l e d 照明灯的双工通信系统方案。主要完成的工作和研究成果如下： ( 1 ) 针对典型室内照明光通信分析了双工通信上下行双工链路。提出了下行链路 通信的非定向信道模型，并进行了仿真研究。分析了双工同波长通信时上下行链路之间 的干扰，研究发现下行链路的辐射光对上行链路光信号会产生一定的屏蔽，从而影响双 工通信的质量。 ( 2 ) 提出采用有保护间隔的正交频分复用o 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 n m u l t i p l e x i n g ) 抑制多径效应的方法。针对目前基于l e d 可见光室内无线通信遇到的多径 效应和背景光干扰进行了研究，发现多径效应干扰主要由于灯与接收机的距离差以及灯 光经过墙壁的反射引起的。将有保护间隔的o f d m 调制技术，引入基于l e d 的可见光 通信系统中，可以有效地抑制多径效应，仿真发现：相比其他调制方式，有保护间隔的 o f d m 调制的信噪比更高。 ( 3 ) 分别提出了偏振分光方式和并行方式l e d 照明灯双工通信系统方案。由于下 行链路辐射光对上行链路的屏蔽，导致很难实现双工通信，因此分别设计了两种采用光 学器件实现双工通信的方案。比较研究后发现两个系统各有优缺。偏振分光方式的双工 通信系统能够屏蔽干扰，但是需要更多的光学器件，结构也复杂，而并行方式的双工通 信系统并不能将干扰光完全屏蔽，因此在信噪比上会略逊一筹，但是结构简单，易于实 现。最后提出了改进的并行双工通信系统，将并行双工系统中上行链路接收端前的普通 江苏大学硕士学位论文 光学透镜改为球面透镜，这样可以在室内任何角度都能将照射过去的上行链路光聚焦到 光电检测器上。 ( 4 ) 通信收发电路的设计。在理论分析的基础上，设计了基于l e d 可见光通信收 发系统的电路，发射端将计算机中的信号通过串口的传入单片机，由单片机输出后经过 放大电路输出来驱动l e d ；接收端将光电二极管接收到的微弱的电信号进行放大，再 通过单片机，由串口传回到计算机中。 关键词：白光l e d ；可见光通信；多径效应；双工通信系统 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e c t e dt os e r v ei nt h en e x tg e n e r a t i o no fl a m p s ，l e do f f e r sa d v a n t a g e o u sp r o p e r t i e s s u c ha sh i 【曲b r i g h t n e s s ，r e l i a b i l i t y , l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o n gl i f e t i m e t h el e d l i g h t i n gs y s t e m ，b a s e do nt h ef a s ts w i t c h i n go fl i g h te m i t t i n gd i o d e sa n dt h em o d u l a t i o no ft h e v i s i b l e - l i g h tw a v e sf o rt h ef r e es p a c ec o m m u n i c a t i o n ，i sc a p a b l eo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n f r a r e da n dr a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，l e dv i s i b l el i g h t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sh i 曲t r a n s m i s s i o np o w e r , n oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，n o n e e df o rs p e c t r u mr e s o u r c e sa n di n d o o rn od a t al e a k a g e ，a n do t h e ra d v a n t a g e s t h e r e f o r e ， l e dv i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mp r o c e s s e sg r e a t e rs i g n i f i c a n c ea n dd e v e l o p m e n t p r o s p e c t s ，a n di th a sa l s ob e c o m ea ne m e r g i n gt r a n s m i s s i o ns c h e m ef o rs h o r t r a n g ea n d h i g h - d a t a 。r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e lf i r s t l y , w ei n v e s t i g a t eat y p i c a ll e d i n d o o rv i s i b l e - l i g h tc h a n n e lm o d e l ，b a s e dt h i s ，w ed i s c u s s e do o k 、p p m 、m p p mm o d u l a t e ， a n dw ea l s od i s c u s s e dt h ec o u r s eo fm u l t i 。p a t he f f e c t s ，a n dt h ea n a l y s i so ft h es y s t e ms h o w s t h i so f d mm o d u l a t i o ns i g n a lh a v et h ea b i l i t yi n s u p p r e s s i o no fm u l t i p a t he f f e c t s i nt h i s p a p e r ，w ea l s oi n v e s t i g a t es e v e r a ld u a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ew h i t el e d c h a r a c t e r ，w ec o m p a r e dt h e s es y s t e m s ，a n df i n dt h a tr e c e i v e r - e m i t t e r - a p a r ts y s t e mh a v e h i g h e s ts n r 。w ea l s od i s c u s s e dw h i t el e de l e m e n t s ，d r i v e r sa n dp i nc h a r a c t e r ，t h e n d e s i g n e dt h eh a r d w a r eo ft h ev i s i b l e - l i g h tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。 ( 1 ) d i s c u s s e dt h el e dc o m m u n i c a t i o nu p l i n ka n dd o w n l i n k b a s e do fs e tu po ft h e s y s t e mm o d e l ，a n a l y z e dt h el e dc o m m u n i c a t i o nr a d i a t i o n ，u p l i n ka n dd o w n l i n ki nr o o m ， t h e nd i s c u s s e dt h ed u p l e xl i n k s ( 2 ) d i s c u s s e dt h el e dc o m m u n i c a t i o np a t h s u c ha b o u tm u l t i p a t he f f e c t s ，b a c k g r o u n d l i g h td i s t u r ba n dm o d u l ec h a r a c t e r b a s e dt h e s e ，t h e nu s eo f d mt o s u p p r e s s i o nt h e m u l t i p a t he f f e c t s 。 ( 3 ) d e s i g n e dt h ed u p l e xc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e dl e di nr o o m s t u d yt h ed u p l e x c o m m u n i c a t i o ns y s t e mn o we x i s t s t h e nf o u n dt h e s es y s t e m sc a nn o tu s e di no u rs y s t e m w e d e s i g n e ds o m en e wk i n d so fd u p l e xc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tc a nb eu s e di nl e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nr o o m i i i 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) d e s i g n e dl e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i cs y s t e m w ed e s i g n e dt h el e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，t h e nb o u n dt h e mt o g e t h e r k e y w o r d s ：w h i t e - - l e d ；v i s i b l e - l i g h tc o m m u n i c a t i o n ；m u l t i - p a t he f f e c t s ； d u a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 。 学位论文作者签名：张互指导教师签名： 宰呷 二o o 年彤月p 日 9 年矿歹月，矿日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张二 日期：2 d 年。钥，p 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 “绿色照明 是2 0 世纪9 0 年代初提出的照明领域的新方向，它是从保护环境、 节约能源的角度提出的。绿色照明的质量和水平已经成为社会现代化程度的重要标 志之一，成为人类可持续发展的一项重要指标。发光二极管( l e d ) 是- - 种将电能转换 为光能的半导体发光器件，属固态光源，高亮度白光l e d 的成功开发，使得l e d 在照明领域得以推广应用，促使照明技术面临一场新的革命。l e d 属于典型的绿色 照明光源【1 】，与传统照明设备相比，l e d 具有使用电压低、功耗低、寿命长、易于 小型化等优点。l e d 的另外的突出优点是响应灵敏度高、调制性能好、发射功率大 1 2 - 4 ，适合用作中短距离高速无线光通信系统的光源。利用白光l e d 的发光特性，将 信号调制到可见光上进行传输，可以构成l e d 可见光无线通信系统。 可见光无线通信是建立在白光l e d 技术上的新兴光无线通信技术，与传统的射 频通信及其他的光无线通信相比1 5 - 8 】，可见光无线通信不占用频谱带宽，没有电磁波 干扰，以及可以在照明的同时实现通信功能，因此只要有l e d 照明灯的地方都能实 现通信。 目前室内无线光通信系统主要有两种，一种是传统的基于红外光的无线光通信 系统，还有一种就是基于白光l e d 的可见光通信系统。这两种系统有以下不同之处， 如表1 1 ： 表1 1 可见光通信与红外通信区别 类型红外光通信可见光通信 光源红外l e d 、红外l d白光l e d 工作波长 典型波长8 0 0 。9 0 0 r i m3 8 0 7 8 9 n m 调制带宽 几十k h z 一几百m h z ( l e d ) 几十k h z 几百m h z 几十k h z - 几百g h z ( l o ) 传输速率理论速率1 0 0 m b s ，已实现1 6 m b s1 0 0 m b s 室内布局需要另外架设红外通信光源和线路无需另外架设光源和线路 阴影效应容易受其他遮挡物影响调整室内l e d 布局，可消除阴影效应 发射功率须限制发射功率，故通信距离受限无需限制 江苏大学硕士学位论文 由上表可以看出，基于白光l e d 的可见光通信系统与红外无线通信系统相比有很 多优点。 在一些特殊的空间环境中，如医院中和飞机上，由于存在大量怕电磁波干扰的 电子仪器，防止干扰到仪器的正常使用，以至发生灾难性后果，因此一般禁止使用 无线电产品。但是由于现在社会的发展，人们对信息的依赖程度的进一步提高，在 这些特殊的场合也需要能够进行通信。而在这些环境中使用红外通信，由于人体和 自然界的多数物质对红外辐射具有较强的吸收特性，能在接受辐射后加剧其分子运 动，并立即转化为热能，使温度升高，因此现实应用中，往往需要限制红外的发射 功率，所以红外通信的速率往往较低，而且距离往往较短。 综上所述，在这些特殊场合中需要一种不产生电磁干扰，并且辐射对人影响较 小的室内通信方案。而白光l e d 照明灯无线通信恰好具有以上优点，因此在未来拥 有很大的市场空间。 1 2 国内外研究现状 自2 0 0 0 年以来，日本研究人员t a n a k ay u i c h i 等就室内白光l e d 的可见光通信 系统的信道进行了初步的数学分析和仿真，分析了白光l e d 用作照明系统的同时作 为通信光源的可行性【1 2 1 。随后，研究人员具体分析了白光l e d 用作室内通信的发 射光源时，信号脉冲之间的串扰、阴影效应和室内光线分布对通信性能的影响，并 讨论了解决方案。他们分别以o o k 、2 p p m 、4 p p m 、和8 - p p m 调制方式进行仿真， 结果表明，8 - p p m 调制性能最佳。在数据率小于6 0 m b p s ，接收视角小于5 0 。的条件 下，采用8 - p p m 调制方式能有效克服墙壁反射所引起的多径效应。但是针对光信号 延迟引起的码间串扰i s i ( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 对通信系统的影响，已有的研究还 只是考虑从调制和编码的角度入手解决。 2 0 0 3 年，无线通信技术国际学会w p m c ( t h e6 t hi n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo n w i r e l e s sp e r s o n a lm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ) 举行了一场专题研讨会，专门研讨了有 关使用白光l e d 进行通信的技术。同年，可见光通信协会v l c c ( v i s u a ll i g h t c o m m u n i c a t i o n sc o n s o r t i u m ) 在日本成立，使人们把更多的目光投到了可见光通信领 域。 2 0 0 4 年在日本召开的高新技术综合展会c e a t e c ( c o m b i n e de x h i b i t i o no f a d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ) - _ ，v l c c 会长m n a k a g a w a 教授正式公布了可见光通信技术， 2 江苏大学硕士学位论文 该技术在日本同时也得到了日本邮政署高级长途通信实验室、n i p p o n 电报电话公司 和s o n y 计算机科学实验室的大力支持【9 1 。 在日本公布v l c 技术后，德、英、荷兰等国觉察到它的重要性，竞相开展工作， 并成立了专业技术论坛，对v l c 进行广泛的交流与合作。在日本己取得的成果的基 础上，他们把重点瞄准如何提高通信性能的技术难题上，主要以德国不莱梅国际大 学、英国牛津大学、荷兰飞利浦实验室等科研机构为代表。牛津大学工程科学系的 o q 3 r i e n 所领导的研究小组对l e d 光源带宽窄的特性，重点研究多谐振均衡技术，把 光源的可用带宽提高到2 5 m h z ，而系统传输速率达到7 5 m b s 。飞利浦实验室提出一 种新的调制多址技术，即c t d m a p p m 。2 0 0 8 年，德国海因里希赫兹通信工程研究 所柏林股份有限公司的l a n g e r 等就1 0 0 m h z 的v l c 宽带接入网物理层的基础问题 进行了初步研究，同年g r u b e r 首次试验实现了白光l e d 可见光通信系统1 0 1 m b s 的通信速率。欧洲的科研人员对v l c 技术的研究向前推进了一步，他们致力于高速 编码调制传输技术理论研究的同时注重实验的验证，并首次实现了超1 0 0 m b s 的通 信速率。 2 0 0 8 年1 0 月，美国政府赞助的一项“智能照明( s m a nl i g h t i n g ) ”计划，该计划由 美国国家科学基金会( n s f ) 投资额一亿八干五百万美元、为期十年，有超过3 0 所大 学的研究人员参与【n 1 1 】。这项计划试图采用可见光光束来实现无线设备与l e d 照明 设备之间的通信。不仅如此，i e e e 于2 0 0 8 年成立了专门的可见光通信小组 i e e e 8 0 2 1 5 7 。 国内对无线光通信的研究较多，但集中于室外远距离空间准直光通信，并且研 究大气对其通信性能的影响，而基于l e d 的室内可见光无线通信尚处于起步的阶段， 主要还是关于室内通信系统的框架、室内通信链路和信道模型的初步研究【2 9 3 4 1 ，主 要集中在暨南大学的研究小组，目前随着世界各国的研究机构关于这方面的研究报 道的增多，国内有不少大学及研究机构也开始陆续开展这方面研究，并有单位己开 发出简单的样机。 基于l e d 的可见光无线通信现在还处于理论向实际产品推进阶段，还在进行大 量的理论研究，在实际的应用中还存在的难点和需要解决的若干关键技术： ( 1 ) 照明灯光布局的优化。 实际系统中，要使得通信效果最佳，必须使室内的光强分布大致不变，并尽量 避免盲区的出现，找到最佳照明效果的光源布局规则，因此必须布置多盏l e d 灯。 同时，不同的光源与接收机之间具有不同的光路径，多个不同的光路径会产生码间 3 江苏大学硕士学位论文 干扰，因此l e d 灯的数量越多，i s i 就越严重，所以必须合理选择l e d 灯的个数。 ( 2 ) 高性能编解码、调制技术。 对信源进行何种编码以及采用何种调制方式，将直接决定通信系统的通信性能。 为了实现简单，v l c 系统大多采用光强调制直接探钡i ( i m d d ) 系统，采用曼切斯特 编码和o o k 调制方式。二进制o o k 编码通过光学链路一次发送一个比特，传输慢。 曼切斯特编码虽然可以降低系统的误码率，但是要求频带比较宽。由于o f d m 具有 频谱效率高、带宽扩展强、抗多径衰弱、频谱资源灵活分配等优点，在v l c 中得到 广泛研究。 ( 3 ) 接收技术。 在l e d 可见光通信系统中，存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰，同 时随着传输距离的加大，接收机接收到的信号十分微弱，常常会导致接收端信噪比 非常小。为了精确的接收信号，需要有选择灵敏度高、相应速度快、噪声小的新型 光电探测器；对所接收到的信号进行前置处理，需要采用高效光滤波器，以抑制背 景光的干扰，对信号进行整形和去噪，还要经过放大器尽可能无失真的放大光电探 测转换后的电信号。 ( 4 ) 消除码间干扰技术。 在室内l e d 可见光通信系统中，l e d 光源通常由多个发光l e d 阵列组成，另 外为了达到较好的照明和通信效果，防止“阴影 影响，一个房间通常要安装多个 l e d 光源。由于l e d 单元灯分布的位置不同以及墙面的反射、折射及散射，不可避 免的产生码间干扰及多径效应，极大的降低了系统的性能，甚至导致不能正常通信， 因此如何消除码间干扰，对保证高性能的v i _ , c 通信至关重要。 1 3 论文研究内容 论文的主要研究目标是在室内通过l e d 照明灯实现双工通信。对该系统的研究 主要包括三个部分：双工信道分析部分、双工通信系统设计部分及多径效应抑制研 究。其中双工信道分析部分主要进行了在室内环境下的上下行链路分析；在双工通 信系统设计部分主要设计了两种基于室内l e d 可见光通信的双工通信系统，并进行 了比较与改进；多径效应抑制研究主要研究了多径效应产生的原因，并且寻找抑制 多径效应的方法。本文在深入分析可见光无线通信技术和无线光接收理论基础上， 主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 室内l e d 可见光无线信道分析。 4 江苏大学硕士学位论文 由于室内l e d 可见光双工无线通信的特殊性，从l e d 灯的物理特性出发，研 究典型的室内l e d 照明灯的布局对照明和通信的影响、辐射模型、多径效应以及背 景光干扰，对双工通信时下行链路，上行链路以及上下行链路同时进行时的信道进 行了研究。 ( 2 ) 多径效应干扰抑制研究。 由于室内照明的需求，所以室内需要安装数盏l e d 灯，而且室内墙壁等物会引 起灯光的反射、折射及散射，这些都会造成多径效应，严重影响了通信质量。在研 究了室内环境中多径效应产生的基础上，提出了采用有保护间隔的o f d m 来抑制多 径效应影响； ( 3 ) 室内l e d 双工通信系统模型。 由于下行链路信号使用照明灯作为发射端，所以下行链路的辐射光会对上行链 路的光产生干扰作用，因此需要屏蔽掉辐射的干扰光才能实现正常的通信，研究设 计l e d 双工通信系统，克服上述缺陷； ( 4 ) 设计发射端及接收端的电路。 分析l e d 特性及驱动电路，在此基础上设计发射端电路。在分析光电检测器和 前置放大器的基础上，设计出接收端的电路，并且将发射端和接收端整合到一个系 统中。 1 4 全文的组织安排 第一章绪论。主要介绍了基于l e d 的室内可见光无线光通信研究的意义，国内外研 究现状和该领域的一些关键技术，以及本课题研究的意义。 第二章l e d 室内无线双工通信信道研究。在讨论了l e d 的特性的基础上，研究了 典型的室内l e d 照明灯的布局对照明和通信的影响、辐射模型、多径效应、 背景光干扰，以及调制方式，并且研究了双工通信时的上下行链路的信道。 第三章基于l e d 室内可见光无线通信的双工系统。先介绍现有常见的通信方式所采 用的双工通信系统，在此基础上提出两种类型的双工通信系统，一种采用偏 振分光来实现双工通信，另外一种采用并行的方法来实现双工通信。 第四章l e d 室内可见光无线通信系统发射极设计。在研究分析l e d 的驱动电路后， 设计了发射端的电路。 第五章l e d 室内可见光双工无线通信系统搭建。搭建可见光通信系统的基本硬件构 架，在研究了光电检测器和前置放大器的基础上设计出了接收部分的电路， 5 江苏大学硕士学位论文 在此基础上将收发部分合为一体，并且组合在并行式的双工系统中，实现一 个完整的系统。 第六章总结与展望。总结了全文的研究结果，并根据当前的发展趋势提出未来进一 步的研究方向和研究对象。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章室内l e d 照明灯双工无线信道分析 室内l e d 可见光双工系统的分为上行信道与下行信道，在基于l e d 的室内双工 可见光通信系统中，上行通信和下行通信是同时进行的，下行信号由天花板上的l e d 灯发出，由于照明的需要，必须散射发出，而上行链路由上行终端的l e d 发出，不 需要提供照明的需求，因此可以采用准直式的光线，直接瞄准上方的上行接收端。 因为下行链路的l e d 照明灯的发射光是散射的，所以必然对上行链路接收端产生影 响，因此本章在分析室内l e d 可见光通信上下行链路的基础上，对进行双工通信时 的双工信道进行分析。 2 1 室内l e d 无线通信系统物理模型 室内l e d 无线通信系统如图2 1 所示，天花板上的l e d 照明灯作为下行链路信 号的发射端，由于照明的需要，发射端的l e d 照明灯发出的光将散射，以使室内达 到照明的国标。上行信道的发射端部署在室内的终端上，因为不需要提供照明需要， 将采用准直照射方式，直接瞄准最近的天花板上的信号接收模块。因为下行链路的 l e d 灯的发出的光发散角比较大，还有光的反射等原因，所以对上行链路信号的接 收端产生了影响。 叭影l e i 舸( a s ) 呵 起 、， 漱立鞯 i ， t l 终端 d l j 上 图2 1 上下行链路物理模型 7 江苏大学硕士学位论文 2 2 下行链路辐射模型分析 在基于l e d 的室内可见光无线通信系统中，下行链路由于在满足通信需求的同 时需要跟照明需求结合，因此比较复杂。 2 2 1 白光l e d 特性 自从出现发光二极管l e d 以后，人们一直在努力追求实现固体光源，随着l e d 制造工艺的不断进步和新型材料( 氮化物晶体和荧光粉) 的开发和应用，使得发白色光 的l e d 固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光l e d 的出现，使得l e d 应用 领域跨入高效率照明光源市场。所谓白光是多种颜色混合而成的光，以人类眼睛所 能见的白光形式至少需要两种光混合，如二波长光“蓝色光+ 黄色光) 或三色光b ( 蓝 色光一+ 绿色光+ 红色光1 ，目前已经商业化的产品仅二波长蓝光单芯片加上y a g 黄 色荧光粉，在未来比较看好的是三波长光，如图2 2 ，2 3 。 在技术方面白光l e d 目前主要分为两种发光方式，第一种是日亚化工( n i c h i a ) 以4 6 0 r i m 波长的i n g a n 蓝光晶粒涂上一层y a g 荧光物质，利用蓝光l e d 照射此荧 光物质以产生与蓝光互补的5 5 5 n s 波长的黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝 光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。白光l e d 开发基础在于蓝光技术，目前在 蓝光l e d 技术方面仍以日亚化工领先。第二种是日本住友电工开发的以z n s e 为材 料的白光l e d ，不过发光效率较差，但由于目前白光l e d 市场热销，仍呈现供不应 求的现象，l e d 的发光种类如表2 1 所示。 图2 2 两种白光l e d 8 江苏大学硕士学位论文 波长【n m 】 ( a ) 单芯片l e d 光谱 图2 3 两种白光l e d 的光谱 表2 1 白光l e d 的种类及发光原理 波长【a m 】 ( b ) 多芯片l e d 光谱 芯片数激发源发光材料发光原理 蓝色l e d i n g a nn 氏g i n g a n 的蓝光与y a g 的黄光混合成白光 蓝色l e di n g a n 荧光粉i n g a n 的蓝光激发的红、绿监三基色荧光粉发白光 1 蓝色l e d z n s e 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合 蓝色l e di n g a n 荧光粉 i n g a n 的紫外激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发白光 蓝色l e d将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成自光 2i n g a n 、g a p 黄绿l e d l e d 蓝色l e d 3 绿色l e d i n g a n 将发三原色的三种小芯片封装在一起，构成白光l e d a l i n g a p 红色l e d 表征白光l e d 光源辐射特性有发光强度和发光功率两个参数。发光强度和照明 度有关，它主要取决于封装的工艺( 包括支架、环氧树脂中添加散射剂) 。一般认发光 强度是指每一个立体角度( s o l i da n 醇e ) 的能量流的单位，它与发光体表面的照明度有 关，这里的能量流是可见度的规格化表示。发光强度用于表示l e d 发光的强弱，而 传输的光功率表示从l e d 中所辐射出的总能量，并且从光通信角度看，它是一个参 量。 9 江苏太学硕士学位论文 22 2 灯光布局 在l e d 摩内可见光无线通信系统中，由于照明的需要，要安装多个l e d 灯，因而光 源的布局是影响系统性能的关键因素之一。另外由于各个房间的大小以及室内设施 不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房问内同一水平面上分布的光功率变 化虽小。即当接收功率分布变化最小时，可以认为是l e d 的最佳典型布局方案1 。 本论文研究的热型室内环境模型为5 o m ( 长) x 5o m ( 宽) x 3 o r e ( 高) 的空房间，作 为发射端的l e d 灯安装在离地面25 m 处，灯的边缘距离周围墙面l m ，平面效果如图 z 4 所示。另外考虑桌子的高度是1 m ，用户接收终端在桌面上。在信号发送端的房 顶上装有四个l e d 灯，每个灯包含3 6 0 0 ( 6 0 x 6 0 ) 个l e d 芯片。每个l e d 芯片之间的距 离是l c m ，l e d 芯片的发射半角是7 0 度。l e d 芯片中心的发光强度是0 7 3 c d ，中心 发光功率是2 0o m w 。在桌面接收机侧的接收视角f o v ( f i e l d o f v i e w ) 为6 0 度，接 收机探测器p d 的表面积为1 o c 一，光电转换效率为0 5 3 a w ，光集中器折射率为1 5 ， 光滤波器的增益为1 0 ，这些参量数据如表22 。 在实际应用系统中，为了使通信效果达到最优，须使房问内的光强分布大致不 变，而且要尽量避免通信盲区( 光照射不到的区域) 的出现。要达到这个目的，必须 根据不同的房问形状和大小以及分布设旌的情况，合理的安排1 即灯的布局，以期 达到最好的通信性能。以上典型室内灯光碲局模型和参数具有一定的代表性，本论 文以此作为l e d 典型室内可见光无线通信的基本研究环境。 = = 2 i _ i dllg。-,ti d l i g h t jn x f m l 图24 灯光布局 江苏大学硕士学位论文 e d 芯片发光强度 肋中心笈光功率 功率半角 即灯离墙面距离 光二投管( 稼组) 发光一撮管间隔 表2 2 室内灯光布局参数 o ? 0 c d ( 国际烛光)l e d 灯大小( 每组) 05 9 0 0g 9 ( m ) 2 0 【胛】接收视角f o v6 0 ( 度) 7 0 ( 度)p d 的面积 10 ( c 哥) 1 ( m )光电转换效率 05 3 ( “劬 3 6 0 0 ( g o x g 0 个)光集中器折射率 0o “m )光滤波器增益 根据图2 4 所示的房间的照明度如图2 5 所示。在四个灯的正下方照明灯最高为 1 1 8 83 i x ，房间中间其次，房间的四角亮度最低，只有3 1 12 3 1 x ，房间内照明度最高 和最低之差为8 7 7 1 x 。根据国际标准，房间的照明度符合标准，能保障照明需求，照 明度在3 0 0 i x 1 5 0 0 i x 范围之间。 2 23 辐射模型 l e d 灯具有辐射特性，l e d 灯的发光强度随着辐射角度的变化而变化，因此接 收端在与l e d 灯成不同角度时接收到的光强度是不同的，因此在研究l e d 照明灯 室内通信系统之前需要研究l e d 灯的辐射特性。 l e d 光强度表达式为： ，：丝o i ) d q 其中。是空间角度，巾是光流量，它可以由能量流屯得出： 。一 黪意 _ 江苏大学硕士学位论文 西= 心e y ( 元扣。( 五) d 五 ( 2 2 ) 西= 心( y ( 元户。( 五) d 五 ( 2 2 ) 其中砂是标准化的发光曲线( s t a n d a r dl u m i n o s i t yc u r v e ) ，k i 是最大可见度，在 1 = 5 5 5 n m 时最大可见度大约为6 8 3 1 m w ( 流明瓦) 。 发光功率表征白光l e d 辐射的光能，是其作为通信光源时必需考虑的参量，其 大小影响到光接收机的信噪比，单个l e d 发射的光功率主要指中心发光功率。 对能量流。的积分表示所能发出的总的光能量p t ，表达式如下： 觑= er 石吨d o d 2 ( 2 3 ) 其中人i n i n 和人m 戕由二极管的敏感度曲线决定。 照明度可以描述为被照明物体表面的亮度，在角度下的照明度表达式为： ，( 矽) = i ( o ) c o s ”( 矽) ( 2 4 ) 水平照明度玩，表示在某一点0 ，y ) 处的亮度，可表示为： = i ( o ) 瓦c o s m ( ) 一( 甲) ( 2 5 ) 其中邶) 是l e d 中心的发光强度，如图2 6 所示：矽是发光角度，少是入射角度， 珧是l e d 到探测器表面或具体某一点的距离。在这里，假设一个l e d 芯片中只有 一种朗伯( k 咖b e n i a n ) 发光模式，因此，辐射强度取决于发光角度矽，m 是朗伯模式 的发光顺序，它取决于l e d 照明强度一半时的半角l 2 ，而m = l n 2 l n ( c o s o i r 2 ) 。例 如，西1 2 = 6 0 0 度，则相应的m = 1 。 l e d 量f 一一 半角夕 a l 发光半焦 i l m 的四面墙壁的反射。根据基于定点的无线信道 迭代算法，可以得到图2 1 2 。 1 1 噩1 1 辎 g 杂 谜 _ 传播时延( n s ) 图2 1 2k 次反射的脉冲时延 由图2 1 2 可见一次反射在总的反射信道归一化直流增益中占7 9 7 的贡献，二次 反射为1 3 4 ，三次反射为6 8 ，其他七种( k 大于3 ) 反射的和为0 1 ，由以上数据看 出在典型室内模型中，由于二次反射和三次反射对增益的贡献较小，而一次反射对 增益的贡献最大，因此在系统中只需要考虑一次反射的影响，忽略二次及三次反射 所造成的影响。 2 3 3 双向链路分析 当l e d 室内无线通信系统进行双工通信的时候，上下行链路同时存在，且波长 江苏大学硕士学位论文 又相同，此时，上下行链路通信是否会发生串扰需重点分析。 白光l e d 。 照明灯 图2 1 3 双向链路模型 如图2 1 3 所示，下行链路发射端采用白光l e d 照明灯，根据上文分析的照明灯 光的辐射特性，下行接收端在与其不同角度时，接收到的光功率变化会很大，因此 室内采用多盏l e d 照明灯，使室内平面各位置的光功率分布比较均匀。因此终端的 接收部分在室内任何位置都能很好的接收到下行链路的光信号。 当进行双工通信时，上下行链路同时存在时，由于上行链路发射端是准直照射 的，对其旁边的下行链路接收端不产生影响，因此上行链路的信道不影响下行链路 信道。而下行链路发射端采用的是照明灯，因此下行链路发射端光的强度远远大于 上行链路光的强度，由于照明灯的辐射角较大，下行链路信道会覆盖上行信道，因 此在上行链路接收端上行链路光信号会被其干扰。 上行接收端与l e d 灯的中心距离为l o c m ，辐射角度 6 0 。，参数如图2 1 4 所示， 由仿真图2 1 5 可见，接收端的信噪比随着接收光功率的减弱而减少，双工通信时， 由于有下行链路辐射光干扰，上行接收端的信噪比相对单工通信时大幅减少。 图2 1 4 接收端参数图 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 4 本章小结 s n r 接收光功帛( d b m ) 图2 1 5 单工及双工时上行链路信噪比 本章在建立的室内l e d 可见光双工通信模型的基础上研究了下行链路的辐射模 型，提出了一种最佳的灯光布局方案。接着进行双工通信的上下行链路信道的分析， 在分析双工通信时，当上下行链路同时存在的情况下，发现下行链路的辐射光会遮 蔽上行链路的光线。 1 7 江苏大学硕士学位论文 第三章室内l e d 照明灯无线通信双工系统设计 在基于白光l e d 的双工通信系统中，由于发射模块的l e d 灯光会对接收模块 接收的光信号产生屏蔽作用，因此目前还没有看到关于l e d 室内无线通信的双工方 面研究。本章将分别提出利用偏振分光和并行来完成接收光发射光分离，以实现双 工通信。 3 1 现有室内双工通信系统 室内无线通信般采用时分双工或者上下行链路采用不同频率来实现双工通 信。采用时分双工通信系统的主要有红外和蓝牙，它们的通信速率相对较低。 但在l e d 照明灯无线通信系统中，由于l e d 灯要提供照明的需求，当上下行 链路切换时，照明灯会发生闪烁，所以不能采用这种方案。目前也有文献提出下行 链路利用l e d 照明灯，上行链路利用红外l e d 的方式来实现双工通信。这种方法 比较简单，上下行链路不易干扰。但上行链路的发射端大都是电脑和其它设备，目 前红外通信在很多终端上已经不再使用，重新布置需要增加建设成本。 3 2 室内l e d 照明灯无线双工通信系统方案 目前还未见到关于基于l e d 室内可见光通信双工系统的报道，而现在的室内无 线通信系统中实现双工的方法也不能应用到l e d 室内可见光无线通信系统中，本节 提出两种基于l e d 的室内可见光无线双工通信系统来克服下行链路照明灯的光对上 行链路光的干扰。 3 2 1 采用偏振分光技术的双工系统 根据光的偏振特性，本节设计出采用偏振分光方式的双工通信系统，这种系统 的优点是采用偏振分光镜让发射光和接收光分离，以消除下行链路照明光对上行链 路光的干扰。 如图3 1 ，由于偏振分光镜可以让平行于它的入射面的光透过，垂直于它的入射 面的光反射，因为l e d 发出的光属于非偏振光，经过偏振片其偏，使其偏振化方向 1 8 江苏大学硕士学位论文 平行于分光镜的入射面，这样l e d 发出的光就能顺利通过后面的偏振分光镜，在分 光镜的后面，我们放入一个入4 波片，波片的o 轴或o 轴与偏振方向成4 5 。，另一 终端的光学系统结构与此完全相同，这样，偏振光两次经过入4 波片到达接收端后， 其偏振方向改变了9 0 。，垂直于分光镜入射面，从而被反射并汇聚到光电探测器。 产 u j 霍 4 “ 。，划 偏 网旦 偏l c 偏撰分光镜 鑫 一一，一 k j r ， e f 也e dj 一 1 9 h 波 振自光 片l _ 一 片 e 席 片 l e d 一 一一一+ + ” j g；! 黼 丫 1 厂光电嗣 l 测列 图3 1 收发合一双工系统 如图3 2 所示，白光l e d 发出的光为非偏振的，经过偏振片起偏，使其偏振方 向与偏振分光镜的入射面，偏振分光镜能够使偏振方向平行与其入射面的光通过， 垂直于其入射面的光被反射，再经过入4 波片使其偏振角度转变4 5 。光经过两次 入4 波片，其偏振角度转变9 0 。，因此经过接收端的偏振分光镜的时候就被反射到 光电检测器上。 图3 2 光在各位置的偏振方向 采用偏振分光方式实现双工通信的方法，优点是由于将光偏振化，能够屏蔽发 射光，只让接受光通过，因此噪声干扰很小；缺点是需要很多光学器件，而且由于 光经过偏振片起偏后会降低强度，所以为了满足照明的需求，l e d 照明灯需要更大 的发射功率。 1 q 江苏大学硕士学位论