第10章可见光通信技术.ppt

第10章可见光通信技术 10 1可见光通信技术概述10 2可见光通信系统的组成10 3白光LED光源的基本特性10 4可见光通信的关键技术10 5LED白光室内可见光通信的发展趋势 10 1可见光通信技术概述 10 1 1可见光通信技术发展简史可见光通信 VLC VisibleLightCommunication 的起源最早可追溯到19世纪70年代 当时AlexanderGrahamBell提出采用可见光为媒介进行通信 但是当时既不能产生一个有用的光载波 也不能将光从一个地方传到另外一个地方 到1960年激光器的发明 光通信才有了突破性的发展 但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域 直到近几年 被誉为 绿色照明 的半导体 LED 照明技术发展迅猛 利用半导体 LED 器件高速点灭的发光响应特性 将信号调制到LED可见光上进行传输 使可见光通信与LED照明相结合构建出LED照明和通信两用基站灯 可为光通信提供一种全新的宽带接入方式 10 1可见光通信技术概述 10 1 1可见光通信技术发展简史随着白光LED的迅速发展 可见光通信也逐渐发展起来 欧洲 2009年 牛津大学利用均衡技术实现了100Mbit s的通信速率 2010年 牛津大学利用多MIMO和OFDM 实现了220Mbit s的传输速率 同年 德国HeinrichHertz实验室达到了513Mbit s的通信速率 2011年 德国HeinrichHertz实验室 利用色光三原色 RGB 型白光LED以及密集波分复用 WDM 技术实现了803Mbit s的通信速率 10 1可见光通信技术概述 10 1 1可见光通信技术发展简史日本 2000年 中川研究室进行了可见光通信的可行性分析 2002年 中川研究室对光源属性 信道模型 噪声模型 室内不同位置的信噪比分布等做了具体分析 2003年 在中川正雄的倡导下 日本可见光通信联合体成立 直到现在 中川研究室开发出基于可见光通信的超市定位及导航系统 而且是面向商业化的产品 中国 2006年 北京大学 首次提出了基于广角镜头的宽视角可见光信号接收方案 并进行了一系列的理论和实验工作 2010年 北京大学 实现了5个频道的广播 在6m的工作距离下实现了3Mbit s的通信速率 2013年 复旦大学 离线最高单向传输速率达到3 7G 实时系统平均上网速率达到150M 10 1可见光通信技术概述 10 1 2可见光通信的主要分类LED可见光通信可以分成室外通信和室内通信两大类 室外LED可见光通信技术目前主要应用在智能交通系统 ITS IntelligentTransportationSystems 室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中 10 1可见光通信技术概述 10 1 3可见光通信的特点白光LED具有功耗低 使用寿命长 尺寸小 绿色环保等优点 特别是其响应灵敏度非常高 可以用来进行超高速数据通信 10 1可见光通信技术概述 10 1 3可见光通信的特点基于LED光源的可见光通信 与传统的射频通信和其他光无线通信相比 有以下突出优点 可见光通信是绿色资源 不存在电磁辐光源有发光强度和发光功率两个基本特性参数 白光LED不幅射 有光就可以进行通信 无通信盲区 方便快捷 可见光仅提供室内照明 还可以作为信号光源用以实现室内无线数据通信发射功率高 无需无线电频谱认证 10 2可见光通信系统的组成 VLC作为一种无线的光通信方式 其系统包括下行链路和上行链路两部分 下行链路包括发射和接收两部分 10 2可见光通信系统的组成 发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输的电信号的输入和处理电路 将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路 白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播 由于室内不受强背景光和天气的影响 光传播基本上不存在损耗 但是由于LED光源个数较多 且具有较大的表面积 因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径 不同的光路径到达接收机的时间不同 将引起所谓的码间干扰 ISI 由于白光LED光源发出的是可见光 且发散角较大 对人眼睛基本无害 无电磁波伤害等优点 因而发射端可以具有较大的发射功率 使得系统的可靠性大大提高 10 2可见光通信系统的组成 该系统的接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统 将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路 将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路 室内的光信号被光电检测器转换为电信号 然后对电信号进行放大和处理 恢复成与发端一样的信号 该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外 其它基本一样 上行链路采用的光源仍然由白光LED组成 只不过发射面积较小 且具有较小的发射角 天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号 若将上述基本结构在通信双方对称配置 就可以得到一个可以双向同时工作的全双工LC系统 由该系统组成的网络称为可见光网络 10 2可见光通信系统的组成 图10 1室内可见光通信系统 10 2可见光通信系统的组成 从10 1图中 我们看到 可见光通信系统由路由器 集线器 LED光源 接收器和信息终端 含适配器 等组成 可见光路由器是可见光通信网络中的核心组成部分 可以接受来自信息终端用户的信息 同时分时段的将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去 10 2可见光通信系统的组成 可见光通信适配器包括下行链路的白光LED光源和上行链路的光电接收器 具有发射和接受功能 且负责将终端用户的信息调制成光信号 并接收来自下行链路的光信号 天花板上安装的光电检测器可以接收来自用户的光信号 并转换成电信号送入可见光通信路由器 电信号经过可见光通信路由器的简单处理后 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接受的信息解调出来并送入终端用户 即实现了局域网内的无线通信 10 2可见光通信系统的组成 图10 2可见光通信系统组成框图 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 1白光LED的开发历史LED是英文lightemittingdiode 发光二极管 的缩写 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 然后四周用环氧树脂密封 起到保护内部芯线的作用 所以LED的抗震性能好 90年代初 发红光 黄光的GaAIlnP和发绿 蓝光的GalnN两种新材料的开发成功 使LED的光效得到大幅度的提高 LED结构如图5 3所示 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 1白光LED的开发历史 图10 3LED结构图 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 1白光LED的开发历史发光二极管的核心部分是由P型半导体和n型半导体组成的晶片 在P型半导体和n型半导体之间有一个过渡层 称为p n结 在某些半导体材料的PN结中 注入的少数载流予与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 PN结加反向电压 少数载流子难以注入 故不发光 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管 通称LED 当它处于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从LED阳极流向阴极时 半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线 光的强弱与电流有关 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 1白光LED的开发历史对于一般照明而言 人们更需要白色的光源 1998年发白光的LED开发成功 这种LED是将OaN芯片和YAG 钇铝石榴石 荧光粉封装在一起做成 GaN芯片发蓝光 465nm 高温烧结制成的含Ce 的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射 峰值550nm 蓝光LED基片安装在碗形反射腔中 覆盖以混有YAG的树脂薄层 厚度约200 500nm LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收 另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合 可以得到得自光 现在 对于InGaN YAG白光LED 通过改变YAO荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度 可以获得色温3500 10000K的各色白光 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 1白光LED的开发历史表10 1列出了目前白色LED的种类及其发光原理 目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉 其最好的发光效率约为25流明 瓦 YAG多为日本日亚公司的进口 价格在2000元 公斤 第二种是同本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED 不过发光效率较差 从表3 1中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉 即三基色稀土红 绿 蓝粉和石榴石结构的黄色粉 在未来较被看好的是三波长光 即以无机紫外光晶片加ROB三颜色荧光粉 用于封装LED白光 预计三波长白光LED今年有商品化的枫机会 但此处三基色荧光粉韵粒度要求比较小 稳定性要求也高 具体应用方面还在探索之中 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 1白光LED的开发历史 表10 1白光LED的种类和发光原理 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 2白光LED的线性特性图5 4所示是通过白光LED的调制信号与输出光功率的关系曲线 为了获得线性调制 使工作点处于输出特性曲线的赢线部分 必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib 这样就可以使输出的光信号不失真 图10 4LED调制特性曲线 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 3LED光源的脉冲编码数字调制数字调制是用二进制数字信号 1 和 0 码对光源发出的光波进行调制 而数字信号大都采用脉冲编码调制 即先将连续的模拟信号通过 抽样 变成一组调幅的脉冲序列 再经过 量化 和 编码 过程 形成一组等幅度 等宽度的矩形脉冲作为 码元 结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号 然后 再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制 其调制特性曲线如图5 5所示 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 3LED光源的脉冲编码数字调制研究白光LED的线性特性 调制信号与输出光功率的关系 既是为了获得线性调制 也为开发白光LED的多管驱动阵列提供了一定参考 使工作点处于输出特性曲线的直线部分 一般需要在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib 这样就可以使输出的光信号不失真 图10 5LED数字调制特性 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 4单芯片白光LED和多芯片白光LEO比较 图10 6 a 由两种方式产生的白光LED结构图 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 4单芯片白光LED和多芯片白光LEO比较 图10 6 b 单芯片和多芯片白光LED的频谱图 10 3白光LED光源的基本特性 10 3 4单芯片白光LED和多芯片白光LEO比较下式表示的是照明度 10 1 式中是一个照明量 它可以由能量通过下面公式推出 10 2 式中是标准光度曲线 表示最大的可见度 并且最大可见度在 照明效率大约为683lm W 传递的光学能量如下式 10 3 10 4可见光通信的关键技术 10 4 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 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 3dB 所对的频率 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 10 4可见光通信的关键技术 10 4 1高速调制驱动电路设计由于实现简单 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5 7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BG1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 10 4可见光通信的关键技术 10 4 1高速调制驱动电路设计 图10 7高速调制驱动电路 10 4可见光通信的关键技术 10 4 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白光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使得ISI越严重 因此 在达到室内照明标准的同时也要考虑ISI的影响 合理安LED阵列光源的布局尤为关键 10 4可见光通信的关键技术 10 4 2白光LED照明光源布局设计以一房间为例 该房间尺寸为 设终端设备均放置在高度为h的面上 并建立如图10 8所示坐标系 设共有四只LED灯 在天花板上对称分布 下面分析平面z h上的接收功率分布情况 当接收功率分布变化最小时 即可认定LED灯的布局最佳 图10 8光源布局示意图 10 4可见光通信的关键技术 10 4 2白光LED照明光源布局设计 10 4可见光通信的关键技术 10 4 2白光LED照明光源布局设计 10 4可见光通信的关键技术 10 4 2白光LED照明光源布局设计 10 4可见光通信的关键技术 10 4 3信道编码技术暨南大学陈长缨 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1B2B 曼彻斯特码 3B4B 5B6B 6B8B等 10 4可见光通信的关键技术 10 4 3信道编码技术mBnB码的优点有 功率谱形状较好 连0连1个数有限 没有基线漂移问题 提供可靠的误码监测和字同步手段 实验证明 经过6B8B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6B8B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 10 4可见光通信的关键技术 10 4 3信道编码技术如图5 9所示 以一个12bit的原始数据为例 介绍6B8B编码实现过程 图10 96B8B编码实现过程 10 4可见光通信的关键技术 10 4 4正交频分复用 OFDM 技术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 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的影响 另一方面 可以通过OFDM信号间加入保护间隔 进一步减弱ISI的影响 10 4可见光通信的关键技术 10 4 4正交频分复用 OFDM 技术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 10 4可见光通信的关键技术 10 4 4正交频分复用 OFDM 技术 图10 10采用OFDM调制方式抑制码间串扰 10 4可见光通信的关键技术 10 4 4正交频分复用 OFDM 技术 图10 11基于OFDM的可见光通信系统整体框图 10 4可见光通信的关键技术 10 4 5光码分多址 OCDMA 技术采用光码分多址技术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 10 4