（电子科学与技术专业论文）基于白光led的可见光通信系统的研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c ho f v i s i b l el i 出c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a p p l i c a n t ：垒4 曼i 监i p i 堕g m a j o r ：星! 曼鱼! ! q n i 曼墨q i 曼n 坌曼垒垒鱼! 曼曼h n q ! q g y s u p e r v i s e r ：里! q 鱼墨墨q 旦曼n gh q 坠g g 坠i s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r j u n e ，2 0 1 1 s c h o o lo fp h y s i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：煎里犟日期：型年月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名玉卑导师签名晔缪吼逍链月丝日 中南大学硕士学位论文 摘要 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l e d 的发明 及应用，可见光通信技术得到了良好的发展。白光l e d 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l e d 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l e d 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l e d 的室内可见 光无线通信系统。由此设计出的基于白光l e d 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l e d 的室内可见光通信系统进行了研究。本文对 白光l e d 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l e d 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3 0 0 1 x 1 5 0 0 1 x 。通过分析，本文给出的光源布局方式 设计合理，符合国际对室内照明和通信要求。在对通信质量的研究上，研 究了码速率和接收机视角对通信质量的影响。最后给出了无线通信系统中 上行链路和下行链路中的调制方式，一种基于o f d m 和s c f d m a 的调制 方式。 本文研究了一种基于白光l e d 的无线通信系统，从白光l e d 自身特性 到运用到无线通信系统中的辐射特性及其在不同链路的调制方式进行了分 析，提出了一种运用到白光l e d 上行链路的s c f d m a 调制方式。 关键词：白光l e d ，无线通信，可见光通信，无线光通信 中南大学硕士学位论文 a bs 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 nt e c h n o l o g yi sa l le m e r g i n gw i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ev i s i b l el i g h tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sa g o o dd e v e l o p m e n tw i t ht h ei n v e n t i o na n da p p l i c a t i o no fl e dw h i t el i g h t w h i t e l e dc a l ln o to n l yp r o v i d ei n d o o rl i g h t i n g ，b u ta l s oc a r lb ea p p l i e dt ow i r e l e s s o p t i c a lc o m m u n i c m i o ns y s t e mn e t w o r kt om e e tt h ei n d i v i d u a ln e e d so ft h e i n d o o r i nt h el i g h t i n g ，w h i t el e dh a se n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n do t h e rf e a t u r e s ，t h a tf l u o r e s c e n t ，i n c a n d e s c e n t ，a n do t h e rt r a d i t i o n a ll i g h t i n g s o u r c e sw i l le v e n t u a l l yb er e p l a c e db yw h i t el e d ，w h i t el e dl i g h t i n gw i l l b e c o m et h en e x tg e n e r a t i o no fs o l i d m e a n w h i l e ，t h ew h i t el e da l s oh a sas h o r t r e s p o n s et i m e ，c o u p l e dw i t hi t sh i g h s p e e dm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w h i t e l e dc a l lb ed e s i g n e db a s e do nt h ei n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m v i s i b l e t h u s d e s i g n e d w h i t el e d - b a s e dv i s i b l e l i g h t i n d o o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a li n f r a r e da n dr a d i o c o m m u n i c a t i o n ，w h i t el e dh a sa d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ：ah i g ht r a n s m i t t i n g p 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 ea n dt h eo fs p e c t r u mr e s o u r c e sw i t h o u t t h en e e dt oa p p l ye t c i nt h i sp a p e r ，a ni n d o o rv i s i b l el i g h tc 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 e l e di s s t u d i e d ，w h i t el e ds t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e ，a n dw h e nu s e da sa c o m m u n i c a t i o ns o u r c e v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o - o p t i c a lc o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y 7 s i c a lc h a r a c t e r i s t i c ss p e c i a lt o d oam o r ei n - d e p t ha n a l y s i s m a d eat h e o r e t i c a l s t u d yo fr a d i a t i o no nt h e r a d i a t i o nm o d e ，p h o t o n se m i t t e dr a d i a t i o nm e c h a n i s ma n dm a t h e m a t i c a lm o d e l a n ds t u d i e dt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h e c o m p o s i t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nl i n ka r ea n a l y z e d ，g i v e nt h e l e v e lo f b r i g h t n e s s b a s e do np o w e rs o u r c ea n dt h er e c e i v e r l a y o u t a c c o r d i n gt o i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s ，g e n e r a l o f f i c e l i g h t i n gr e q u i r e m e n t s a r et h e 3 0 0 1 x 一15 0 0 1 x t h r o u g ha n a l y s i s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h el a y o u to ft h el i g h t s o u r c e ，i n l i n ew i t hi n t e r n a t i o n a l r e q u i r e m e n t s f o ri n d o o r l i g h t i n g a n d c o m m u n i c a t i o n s i nt h e s t u d y o fc o m m u n i c a t i o n q u a l i t y ， s t u d i e dt h e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo nt h ec o d er a t ea n dr e c e i v e r p e r s p e c t i v e ，f i n a l l y ， p r o p o s e daw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d u l a t i o nb a s e do n0 f d ma n d n s c f d m ai nt h eu p l i n ka n dd o w n l i n k i nt h i s p a p e r ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew h i t el e dt h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c st ot h er a d i a t i o nu s e di naw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n di t s r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n tl i n k s ，p r o p o s e daw h i t el e d m o d u l a t i o n u s i n gt h es c f d m ai nu p l i n k k e yw o r d s ：w h i t el e d ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，v i s i b l el i e 出tc o m i l u n i c a t i o n ，w 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 m 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 白光l e d 通信概述1 1 2 研究背景及意义3 1 3 国内外发展和研究现状。4 1 4 目前存在的问题6 1 5 本论文研究内容7 第二章白光l e d 工作特性与发光机理研究8 2 1l e d 的结构及发光原理8 2 2 白光l e d 物理特性9 2 2 1 伏安特性9 2 2 2 电光转换特性1 0 2 2 3 光谱特性11 2 3l e d 白光辐射特性1 3 2 3 1白光l e d 辐射模式1 3 2 3 2 光子出射机理15 2 3 3白光l e d 的数学模型1 6 2 4 本章小结18 第三章白光l e d 通信系统无线信道分析1 9 3 1 室内可见光通信信道分析1 9 3 1 1 通信链路分析19 3 1 2 信道的建模方式2 0 3 2l e d 光源布局设计2 2 3 2 1室内l e d 的布局设计研究的意义2 3 3 2 2l e d 水平亮度布局设计2 3 3 2 3 室内接收功率布局设计2 5 3 3 工作速率和接收机视角选择2 6 3 4 本章小结2 8 第四章基于频分复用的白光l e d 调制技术2 9 4 1 可见光通信调制技术的发展2 9 4 1 1开关键控调制2 9 i v 中南大学硕士学位论文目录 4 1 2 脉冲位置调制3 0 4 1 3 脉冲间隔调制31 4 1 4 调制方式发射功率性能比较31 4 2 室内可见光通信o f d m 调制方式3 2 4 2 1 o f d m 系统内峰值平均功率比的分布3 4 4 2 2 o f d m 峰均功率比仿真3 5 4 2 3o f d m 峰均功率比抑制算法仿真3 9 4 3 基于s c f d m a 的白光l e d 通信系统4 4 4 3 1s c f d m a 技术分析：4 4 4 3 2s c f d m a 系统p a p r 的算法与仿真结果4 5 4 4 本章小结。4 7 第五章总结与展望4 8 5 1 总结4 8 5 2 展望4 9 参考文献。5 0 致谢5 5 硕士期间发表论文及成果5 6 v 第一章绪论 1 1 白光l e d 通信概述 第一章绪论 二十世纪九十年代初期，“绿色照明”被提出，引领了照明领域的新方向，绿色照明 的提出，要求人们从节约能源、保护环境的高度来对待，其质量和技术水平已成为人类 可持续发展的重要指标。 发光二极管( l e dl i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ) 在性能方面比现有的白炽灯有比较多的 优势，比如高亮度，可靠性，低功耗和使用寿命长等。l e d 现已应用在全彩显示屏，交 通信号和许多其他的照明方式。目前，高效的蓝色和绿色的l e d 已经应用。混合三原 色( 红色，绿色，蓝色) ，我们可以得到白色光【l 】。由此得到的l e d 白光具有诸如发射 功率高、对人眼安全、无电磁干扰、无需申请无线电频谱证等优点，所以，近年来人们 开始关注基于白光l e d 技术的可见光通信。这种l e d 白光被认为是一个很有潜力的未 来照明技术。许多学者提出了一个基于l e d 白光的室内可见光通信( v l cv i s i b l e 1 i g h t c o m m u n i c a t i o n ) 系统。该系统认为，l e d 白光设备不仅可以用于房间照明，也形成了 一种短距离无线光通信系统。 二十世纪九十年代后期，光通信技术得到了广泛的发展，另外人们对于无线通信1 2 j 的要求也越来越高，无线宽带接入技术已从军用转入民用领域。目前无线光通信技术主 要有以下几种：室内红外线通信、自由空间光通信和可见光通信。室内红外通信一般利 用l e d 红外光，自由空间光通信一般利用波长为8 5 0 r m a 或1 5 5 0 n m 的红外光，而可见 光通信则利用l e d 可见光。 红外通信技术发展到现在已经比较成熟，它以红外线作为传输介质，可以实现接收 端与发射端两点直接的传输，存在局域网的情况下也可以实现无线局域网通信。它利用 0 7 5 所1 0 0 0 ：t i n 波长范围的红外线电磁波作为传输介质。红外数据通信由红外发射器 部分、信道部分、接收器部分来完成红外信号的收发。一般而言，红外数据通信采用红 外波段内的近红外线。目前来说，它的基本原理是在发送端将原有的二进制的数字信号， 通过调制，采用脉时调制( p p m ) 方式，转变为一系列的脉冲信号，红外发射管就会被 调制好的脉冲序列驱动，发送光脉冲。接收端将接收到的光脉冲转换成电信号，经过均 衡、判决，再经过放大、滤波等处理之后进行解调，可得原始的二进制电信号输出【3 】。 红外光通信主要存在以下几点不足之处： ( 1 ) 红外光通信为点对点数据传输，连接距离较短，这种局限性使之仅限于不可以 移动的两台设备进行传输。 ( 2 ) 红外光通信中增加发射光的光功率以提高信噪比，不仅增大了器件的功耗，而 且增加发光功率后对人眼有损害。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 红外通信的速率比较低，在对通信速率需求日益增长的情况下，红外通信显然 无法满足。并且，仍有技术难题尚未解决，同时几台红外设备之间的干扰也影响红外通 信的通信质量。 自由空间光通信是一种不以光纤作为传输介质，而以激光在自由空间中传送光信号 的新型宽带光通信技术。在明确收发通信端时，可以在收发两端都安置发射机和接收机， 这样一来，全双工的通信基本可以实现。在发射端，发射机将电信号调制好的发射光通 过光学望远镜传送至接收端的望远镜。光接收机在收到发射机发出的光信号以后进行光 电转换，转换成电信号。一般采用激光波长为8 5 0 r i m 或1 5 5 0 r i m 作为光的无线系统工作 波长。自由空间光通信与微波技术相比，它具有微米级的波束发射角和稳定的方向，并 且具有宽频带、高调制速率和无需占用频谱资源等特点：与光纤通信和有线通信相比， 其具有设备架设方便快捷、无需额外铺设光缆或电缆、安装迅速、使用方便、成本低廉 等优点t 4 。自由空间光通信存在的主要问题有以下几点： ( 1 ) 传输质量对天气非常敏感。对自由空间光通信传输质量影响较大的是雨天、下 雪和雾天，晴天对传输质量的影响最小。 ( 2 ) 自由空间光通信对传输距离的要求比较严格，其信号质量会因传输距离的增大 而下降，当传输距离超过一定值时，传输波束难以被接收端正确接收，因此自由空间光 通信一般只限于距离较短的城市内使用。 ( 3 ) 激光的安全问题也是影响其使用的而重要因素，当激光的功率超过一定值时对 人体的影响不可忽视，所以使用空间光通信系统时要考虑对人体的影响，生产的产品应 当符合人体安全标准。 可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术，随着白光l e d 的发明及应用，可 见光通信技术得到了良好的发展【5 】，与传统的射频技术以及其他光通信技术相比，具有 以下显著优点： ( 1 ) 可见光通信使用方便快捷。尤其是室内可见光通信中，用作通信的光源一般也 做照明用，安装简易，不会带来较多的麻烦。安装在室内任何地方都可以，可以很方便 的实现无线传输。 ( 2 ) 可见光通信对人体没有影响，不会对人体造成伤害。由于其用于通信的信号光 源就是平常用作照明的光源，属于绿色通信，使用起来较为安全。 ( 3 ) 信号光源发射功率高。基于对人眼和身体的安全考虑，普通无线光通信和射频 通信对发射功率都有一定的限制。而在可见光通信中，l e d 光源跟自然光一样，对发射 功率没有限制。因此可得到较高的发射功率。 ( 4 ) 无电磁干扰。像医院、飞机上和空间站等，这些场合对电磁干扰有严格的限制， 一般的射频通信无法达到此要求，可见光通信无电磁干扰，能够较好的应用到以上场所。 ( 5 ) 不受无线电频谱管制。目前，无线电频率能够用于通信的已经很有限，而白光 2 南大学硕士学位论文 第一章绪论 l e d 可见光通信能避免这一问题，无需考虑无线频谱分配的问题。 目前，红外无线通信已经发展为成熟技术，基于l e d 的可见光通信与其相比，具 有发射功率高、布线简单、绿色环保等进一步的优势。如表1 1 所示【6 】： 表1 1 可见光通信与红外无线通信比较 1 2 研究背景及意义 我国是世界的第二大发电大国，但电量供应比较紧张，光照明用电量就已超过1 5 0 0 亿千瓦时，而其中大部分的发电量采用火力发电，产生的有害气体如s 0 2 ，c 0 2 等，严 重污染环境。另外，我国是一个能源相对紧缺的国家，特别是暑假和春节等用电量大期 间，供电量严重不足。在我国华南，华东，华北缺电情况较为严重。用于第四代绿色照 明的白光l e d 在节约能源的同时，更为高速、宽带的光无线接入提供了一种新途径， 也为解决现有无线电频带资源严重有限的困境提供了一种新思路。 可见光无线通信是一种新兴的光无线通信技术，它是建立在白光基础上的，与传统 的射频通信相比，可见光无线通信不用申请频谱证，也没有电磁波干扰。并且由于其是 可见光，在室内用作通信时也可用于照明，在不影响照明的情况下可以实现通信【7 j 。目 前来说，已经用于照明的设备当中，荧光灯的废气对环境造成一定的污染，并且使用年 限不长，寿命较短。白炽钨丝灯泡耗电量高，易碎。高压钠灯灯耗电量高，效率低且使 用寿命短【引。 社会的飞速发展，人们对信息的需求和依赖程度进一步提高。而在对电磁干扰较为 灵敏的场合，比如空间站，医院等，为了防止电磁干扰对电子仪器造成的影响，不能使 用传统的射频通信，也避免发生灾害性的后果，因此，在这些特殊环境中一般禁止使用 无线电产品。而如果在这些环境中使用红外通信，则需要限制其发射功率，那是因为大 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 多数物质包括人体吸收红外辐射后会引起物体温度的提高，这也是在现实应用中不希望 看到的现象，所以，在平时的应用中，红外通信的速率控制在比较低的水平，而且距离 一般较短。 基于以上分析，要找到一种既没有电磁干扰也不会对人体造成损害的通信方案，而 用室内照明的白光l e d 光源作为通信基站进行信息无线传输的技术，由于l e d 的高灵 敏度和线性调制特性，能够实现传输信号。而与传统的红外和无线电通信技术相比，l e d 可见光具有较明显的优势。因此国外白光无线通信领域成为研究热点之一，是一项有广 阔发展前景的新兴技术。 目前世界上一些发达国家如日本、德国、英国、美国、韩国等国家已经对可见光 通信开展了从理论到实验的研究，但都还处于初级阶段，要实现此技术的实用化，还需 要相关科研人员对若干关键技术进行更加深入的研究。 1 3 国内外发展和研究现状 可见光通信技术的发展研究，时间不长。日本在可见光通信领域，走在了世界的前 列。早在2 0 0 0 年，可见光通信这个基本思想就被提出，提出这一基本思想的是日本学 者中川正雄m n a k a g a w a ) t 9 】所在的k e i o 大学课题组，中川正雄在2 0 0 3 年成立了可见光 通信协会( v l c c ) 并任会长。在接下来2 0 0 4 年的日本高新科技( c e a t e c ) 大会上，中 川正雄教授公布了基于白光l e d 的光无线通信技术，对其基本原理和信道模型进行了 阐述，它是一种基于封闭房间的通信模型，在光传输信道的直射和漫射信道进行了划分， 第一次用白光l e d 照明灯实现室内的无线信息传输。 在此之后，可见光通信备受国内外研究机构及学者的关注。日本研究学者们首先进 行了一系列的研究工作，日本k e i o 大学的研究人员较早的进行了一系列基础性的理论 研究工作，尤其以t a n a k a ，k o m i n e 和s u g i y a m a 为代表。2 0 0 0 年，他们就对白光l e d 无线通信系统进行了基础的理论研究，并且进行了数学分析和建模。对系统进行建模仿 真，找出了影响通信质量的原因，着手研究提高通信性能上。他们认为影响系统性能的 两大因素为码间干扰( i s i ) 和多径效应。2 0 0 1 年，他们对系统进行了仿真，采用的是o o kr z 与光学正交频分复用( o f d m ) 方式【1 0 1 。2 0 0 2 ，f a n 和k o m i n e 等人对可见光通信 系统的光源属性、噪声模型、信道模型等进行了具体分析，对给l e d 可见光无线系统 造成的影响的多径效应进行了研究【1 1 1 。2 0 0 3 年，t a n a k a 等人对系统展开了具体分析， 求出了系统所需l e d 单元灯的基本功率要求【1 2 1 ，k o m i n e 等人提出将电力线载波通信和 可见光通信相结合的数据传输系统。2 0 0 4 - 2 0 0 5 年，k o m i n e 等对各种因素对系统性能 的影响展开研究i l 引。2 0 0 6 年，s u g i y a m a 等人改进了p p m 调制，提出了s c i p p m 调制 方法【1 6 j ；2 0 0 7 年，日本学者引进脉冲宽度调制( p w m ) ，研究了光源的亮度控制对整个 通信性能的影响【l7 1 。另外，2 0 0 0 年，t a n a k a ，k o m i n e 和s u g i y a m a 等人和h a r u y a m a 提 4 是影响系统性能的两大因素。 日本公布可见光通信技术并着手研究后，德、英、荷兰、美、韩国等国觉察到它的 重要性，竞相开展对可见光通信的技术研究，对可见光通信进行了广泛的技术交流与合 作。在日本已取得的基础性研究成果上，欧洲的科研人员对可见光通信技术的研究向前 推进了一步。他们把重点瞄准如何提高通信性能的技术难题上，尤其是o f d m 在v l c 中的应用，与此同时还提出将自适应均衡技术、调频技术、多址技术及分集接收技术应 用到可见光系统中【1 9 】。主要研究的科研机构有德国海因里希赫兹通信工程研究所柏林 股份有限公司、德国不来梅国际大学( i n t e r n a t i o n a lu n i v e r s i t yb r e m e n ) 以及弗朗和夫电信 研究所( h e i n r i e hh e r t zi n s t n a c h r i c h t e n t e c hb e r l i ng m b h f r a u n h o f e rh a s tt e l e c o m m u n ) 、英 国牛津大学、荷兰飞利浦实验室等。2 0 0 6 年，德国不来梅国际大学的a f 童越对基于l e d 的o f d m 技术进行了研究，在对此技术研究基础上，通过一米范围内的实验表明o f d m 技术能有效消减峰均功率e g ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) t 2 0 1 ；2 0 0 7 年，h a a s 研究了基于 正交相移键控( q p s k ) 调制c o f d m ( e o d e do f d m ) 技术，实验表明：将白光通信系统在 9 0 c m 范围内的误比特率降低到2 x 1 0 一。o b r i e n 2 1 】所领导的研究小组重点研究多谐振均 衡技术，解决白光l e d 光源窄宽带的问题，将光源的可用带宽提高到2 5 m h z 。飞利浦 实验室提出一种叫c t d m a p p m 的新技术。2 0 0 8 年，德国的l a n g e r 等人研究了可见光 通信接入网物理层的基础问题【捌；g r u b e r 在同年首次用实验的方法实现1 0 1 m b s 通信速 率的白光l e d 可见光通信田j 。 2 0 0 8 年1 0 月，随着可见光通信技术的发展，美国意识到其重大的科研价值，由美 国政府投资赞助了一项被称为“智慧照明f s m a nl i g h t i n g ) 的计划，该计划项目总投资额 为一亿八千五百万美元，为期十年。在这项计划中，有超过3 0 所大学和研究机构的研 究人员参与。该项计划试图实现无线设备与白光l e d 照明设备之间的通信，采用的就 是可见光光束。韩国对可见光通信的研究较早，j h k i m ，c q l e e ，c s p a r k ，s h a n n ，等 人利用照明l e d 灯进行了以2 0 m b s 的无线传输实验研究，2 0 1 0 年，x u nl i ，y o u n gj uk i m ， n o e y o o np a r k 等人对可见光通信中上行链路中编码方式进行研究并对峰均功率比的降 低问题进行了仿真【矧。 我国在可见光通信领域几乎是空白，对室内可见光无线通信技术的研究尚处与起步 阶段。目前主要研究者有西安理工大学的柯熙政、浙江大学的何赛灵、暨南大学的陈振 强和陈长缨等【6 】，对无线光通信研究的还有江苏大学、长春理工大学、杭州电子科技大 学、桂林电子科技大学等大学。目前，国内大多数学者研究的方向停留在对某些局部问 题的探讨和研究，对整体的系统还没有设计分析研究，对通信系统的整体硬件设计，程 中南大学硕士学位论文第一章绪论 序编码等也还没有较系统的把握。特别是对上行链路的调制方式上，仍没有较系统的研 究。基本集中在一些基础的理论研究以及根据模型进行的仿真计算。1 9 9 8 年，香港的 g ；p a n g 2 5 】等人用可见光l e d 为信号光源，通过研究实验，对无线音频信号进行试验传 输，设计实现了2 0 m 范围内1 0 k b s 的下行数据传输。2 0 0 6 年，暨南大学的陈长缨【2 6 j 设 计了基于l e d 照明光源的点对点通信，实现1 0 m h z 的传输速率条件下的无线传输。仿 真结果表明，无线局域网内用户通信的需求能够得到较好的满足，说明基于该方案的可 见光通信系统具有较好的通信性能。由陈长缨教授领导的研究小组在2 0 0 8 年对白光 l e d 无线通信进行了一系列的工作，在前期工作的基础上，对系统出现的通信距离短、 无法达到照明要求等问题进行分析，设计实现了一种4 m b i t s 带宽，并且传输距离超过 2 5 m 的视频数据传输。对l e d 发光特性、室内通信接入链路及可见光接收机设计，陈 长缨教授和柯熙政教授也分别作了初步的理论分析。 1 4 目前存在的问题 目前，白光l e d 通信已成为国内外研究热点，但现在基础理论研究较多，实验工 作还处于初级阶段【2 9 】，要实现此技术的实用化，还需要相关科研人员对若干关键技术进 行更加深入的研究。实现白光l e d 通信的关键技术主要为以下几点： l 、光源的选择 在可见光通信系统中，光源不仅起到照明的作用，并且需要进行通信覆盖【3 0 】，意义 重大。作为照明设备来说，照明光源【3 1 】必须具备高亮度、散热低、低功耗、辐射范围广 等特点；在通信系统中，光源用于通信则需具备寿命长、调制性能好、发射功率大、响 应灵敏度高等优点。目前来说，结合以上两个方面白光l e d 能够较好的达到上述优点， 所以能满足上述要求最好的选择是白光l e d 。 2 、室内光源的布局 在白光l e d 布局计算当中，各个房间的大小各异，室内的设施陈列不也尽相同， 只考虑了典型的理想环境和信道，没有考虑其他诸如人员的走动、家具的布局和阴影0 2 1 等客观因素的影响，得出的布局结构须使房间内的光强分布大致不变，也应避免出现通 信盲区。需合理安排l e d 光源布局，达到以上目的。 3 、接收机视角的选择 影响白光l e d 无线通信系统的通信质量有比较多的因素，其中码间串扰( i s i ) 会影 响通信质量，而其主要依赖码速率、发射机和接收机视角，在白光通信系统中，光源用 作照明时的发射机视角( f o v ) 我们可以看作是基本确定，即其视角f o v 达到9 0 0 才能保 证照明的需求，这时，接收机视角成为影响i s i 的主要因素，因此，必须考虑其视角大 小问题，在以下章节将具体讨论。通过对接收机视角的选择，能较好的实现系统正常通 信。 6 第一章绪论 会影响视力，同样的也会影响光器件的寿命。针对这一问题，国内外学者进行了一系列 的研究。 1 5 本论文研究内容 论文在对白光l e d 的发光原理，物理特性以及辐射特性的深入研究基础上，对白 光l e d 应用在室内无线通信进行了光照度以及接收功率的研究，进而给出了一种室内 l e d 光源布局方式。建立和研究了基于白光l e d 照明光源的可见光通信系统的整体结 构组成、信道模型，对室内可见光下行收发链路进行了研究，对l e d 可见光通信系统 的上行下行链路调制方式进行了分析，在调制方式引起峰均功率比等问题进行了仿真研 究。 本论文共分为五个章节： 第一章，主要介绍l e d 白光通信概述，与其他光通信的对比。l e d 白光通信的研 究背景以及研究现状等，就目前研究的关键技术做了分析。 第二章，介绍白光l e d 的工作特性以及物理、辐射等特性。 第三章，分析了可见光通信信道，给出了一种基于水平亮度和接收功率的光源布局， 对信道脉冲响应，以及通信质量影响进行了研究。 第四章，对通信的上下行链路的调制方式进行了研究，介绍了o f d m 和s c f d m a 调制方式及其优缺点，对o f d m 引起的高峰均功率比进行了仿真。 第五章，论文的总结和展望部分，在对论文工作的总结基础上，展望了未来室内可 见光通信的趋势。 7 中南大学硕士学位论文第二章白光l e d 工作特性与发光机理研究 第二章白光l e d 工作特性与发光机理研究 2 1l e d 的结构及发光原理 发光二极管【3 3 1 ，通常称为l e d ，发光二极管只是一个微小的电灯泡，但不像常见 的白炽灯泡，发光二极管没有灯丝，而且又不会特别热，它单单是由半导体材料里的电 子移动而使它发光。因为发光二极管没有灯丝，不会被烧坏，并且发光二极管的塑性小 灯泡，所以寿命就更长，更持久耐用，再加上l e d 可以更加容易适合现在的电子电路。 传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量，这完全是浪费能源。发光二极管所发出的 热非常少，相对来说，越多电能直接发光就是越大程度上减少对电能的需求。它的基本 结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，有发射碗的阴极杆和阳 极杆，然后四周用透明的环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，通常来说l e d 的 抗震性能比较好。 n 区i 结区p 区 图2 - 1l e d 的发光原理 发光二极管的发光原理如图2 1 所示，它是由族化合物制成的，其核心部分 是p n 结，它是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，因此，一般p n 结具有的i u 特性在发光二极管上也具备，即导通( 正向) 、截止( 反向) 以及击穿特性。在其满足 某一特定条件下，还具有发光特性。其发光原理可解释为在某些半导体材料的p n 结中， 在p n 结加正向电压时，载流子复合时将多余的能量释放出来，并伴随着以光的形成， 完成将电能转换成为光能的过程。反向接通时，少数载流子难以注入，不能进行复合， 故不发光。其发光过程基本可概括为以下三部分瞰j ：当发光二极管处于正向偏压下，载 流子扩散运动将会增大，空间电荷层变窄，导致p 区的空穴和n 区的电子分别注入到另 一区，电流从l e d 阳极流向阴极，这一过程叫做载流子注入；由于载流子的运动，会 在p n 结附近稍偏于p 区一边的地方，封装在环氧树脂物中的微小的半导体晶片，电子 8 中南大学硕士学位论文第二章白光l e d 工作特性与发光机理研究 与空穴在此相遇，处于高能态的带负电的电子与带正电的空穴相遇复合，电子和空穴消 失，同时产生光子，实现把电能直接转化成光能。电子和空穴之间的能量( 带隙) 越大， 产生的光子的能量就越高。光子的能量对应着不同颜色的光，在可见光当中，能量最多 的为蓝色光、紫色光，能量最少的为桔色光、红色光。不同材料的p n 结电子与空穴相 遇产生的能量不一样，从而发出不同颜色的光，上述过程则为复合辐射和光能传输。 白光l e d 的实现方式有很多种，目前来说，基本上都是通过研制新型材料，将l e d 发出的单一色光激发材料合成白光来实现【3 5 1 。 目前，能够产生白光的主要有以下六种方式【3 9 】： ( 1 ) 用蓝色光激励荧光粉发出黄色光，使用蓝色l e d 芯片与之结合，从而混合成白 光。通过调节荧光粉的厚度和比例，从而调节被荧光粉吸收发出的黄光与蓝光的强度比。 当调节这种厚度和比例达到一种平衡时，就能发出一种人眼感觉到的白光。这是一种单 芯片型结构。 ( 2 ) 使用紫外l e d 芯片，用紫外光激励荧光粉发r o b 三基色。被紫外激励的三基 色需使用三种荧光粉，将紫外l e d 芯片与荧光粉封装在一起。该方法的显色性较好， 也是一种单芯片型结构。 ( 3 ) 使用多芯片结构，将发三原色的三种l e d 芯片封装在一起发出白光，该方法没 有荧光粉激励发光，不存在光转换过程，得到的白光亮度高。这是一种通过不同发光芯 片产生不同颜色的单色光混和而产生白光的方式，其驱动电路的设计也比较复杂【加】。