VLC可见光通信关键技术与详解.ppt

可见光通信关键技术 现代通信理论与新技术 学号 姓名 1概述 2特点 3关键技术 4结束语 可见光通信技术及其应用 什么是可见光通信技术 1 LED与白炽灯的性能比较 LED高速的响应特性使得在照明的同时进行高速通信成为可能 可见光通信 VLC 应运而生 什么是可见光通信技术 1 可见光通信技术 VisibleLightCommunication VLC 是指利用可见光波段的光作为信息载体 不使用光纤等有线信道的传输介质 而在空气中直接传输光信号的通信方式 LED可见光通信是基于可见光发光二极管 LightEmittingDiode LED 比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点 利用配备LED的室内外大型显示屏 照明设备 信号器和汽车前尾灯等发出的用肉眼观察不到的高速调制光波信号来对信息调制和传输 然后利用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号并获得信息 什么是可见光通信技术 1 绿色照明 高速通信 绿色信息之光 什么是可见光通信技术 1 无需WIFI信号 就可在路灯下花0 2秒的时间下载一部电影 VLC特点 保密 广泛 特点 2 高速 宽频谱 实用 目前全世界的电灯泡数量约有140亿盏 实际上 这也意味可能成为互联网接入点的数量 它的泛在性能对当下无线通信覆盖的盲区进行填补 比如在无线受限 医院 机舱 矿井等 传输时媒介或障碍物的深度衰减环境 地铁 隧道 用户高度密集区 舰船舱内这类无线通信非常不畅的地方采用LED光源进行通信 室内通信 或设置可见光不能透过的障碍物 每秒十兆至几十兆 可见光频谱的宽度可达到射频频谱的1万倍 基于LED的可见光通信具有宽频谱 无需频谱使用许可证 有LED的地方就可能有通信 Lifi 关键技术 3 光源 室内可见光通信系统的可见光光源是在满足用户的照明要求的基础上实现通信功能 由于白炽灯 日光灯和LED等常用人造光源在硬件结构上的不同 并非所有类型的光源都适合作室内可见光通信系统的光源 作为室内照明设备 它必须具有亮度高 散热小 功耗低 辐射范围广等特点 另一方面 作为光通信系统的光源 它必须具有使用寿命长 调制性能好 响应灵敏度高 发射功率大等优点 综合以上两个方面 目前能满足要求的最好选择就是白光LED 目前 商品化的大功率白光LED功率已经达到5W 发光效率也已经达到50lm W 其发光效率 流明效率 已经超过白炽灯 白光LED的光效超过100lm W并达到200lm W 可以完全取代现有的照明设备 可望在不久的将来即可实现 关键技术 3 光源 目前制造白光LED的方法主要有两种 一种是利用黄色荧光粉将蓝光LED所发的蓝光转换成双波长的白光 其中基于荧光粉的白光产生方法因其生产过程和封装技术均较简单 成本相对更低 所以是目前主流白光LED生产技术 但荧光粉作用会引入额外的时间延迟 直接影响LED光的上升和下降时间 最后将导致LED的调制带宽下降 关键技术 3 光源 目前制造白光LED的方法主要有两种 另一种方法是将红光 波长约626nm 绿光 波长约525nm 和蓝光 波长约470nm 按照一定的比例结合 合成白光 或者其他颜色光 关键技术 3 调制解调技术 为了尽可能提高系统的数据传输速率 需采用额外的措施来缓解系统带宽受物理器件限制的影响 有效的缓解措施可总结为两类 一类是使用附加元件或使用均衡技术来缓解 具体方法包括在接收端使用蓝色滤波片滤除响应速度慢的黄光元素 在LED的驱动电路模块中使用预均衡技术以及在接收机端使用后均衡技术 第二类方法是使用效率更高的调制技术 即一个发送符号可传递尽可能多的信息 目前应用到可见光通信系统中的调制方式包括开关键控 脉冲位置调制 差分脉冲位置调制 子载波脉冲位置调制 变脉冲位置调制 色移键控和正交频分复用等 以下将对目前可见光通信系统中的调制进行简要介绍 开关键控 脉冲位置调制 子载波脉冲位置调制 差分脉冲位置调制 变脉冲位置调制 正交频分复用 关键技术 3 调制解调技术 开关键控 开关键控 On OffKeying OOK 属数字基带调制方式 按照控制方式的差异 可细分成非归零开关键控 Non Reture to ZeroOOK NRZ OOK 和归零开关键控 Reture to ZeroOOK RZ OOK 下图给出了NRZ OOK和RZ OOK的调制波形 NRZ OOK光源开启表示 1 光源关闭表示 0 而RZ OOK则每个脉冲结束都回归到零电平 所以RZ OOK的带宽要求高于NRZ OOK 考虑到LED开关速度的限制 NRZ OOK比RZ OOK更适合于调制带宽受限制的室内可见光通信系统 关键技术 3 调制解调技术 脉冲位置调制 PulsePositionModulation PPM 方式如图所示 将b个原始数据信息映射到2b个时隙中去 接收端通过判断脉冲在时隙中位置获得携带信息 2b PPM占空比可表示为2 b 当b较大时 占空比很低 所以b很大时的PPM调制不适合可见光通信系统使用 与OOK类似 其数据传输速率也受到LED开关速度限制 当b很大时 系统数据传输效率非常低 由于在接收机需要时隙同步和码元同步 PPM收发机结构较OOK收发机复杂 脉冲位置调制 4 PPM波形 关键技术 3 调制解调技术 子载波脉冲位置调制 Sub CarrierPulsePositionModulation SC PPM 调制方式如图所示 SC PPM是日本可见光通信标准中所推荐的调制方式 在PPM的基础上用子载波进行信息传输 子载波脉冲位置调制 SC 4 PPM波形 关键技术 3 调制解调技术 差分脉冲位置调制调制 DifferencialPulsePositionModulation DPPM 方式如图所示 通过去除PPM调制波形中多余的时隙 DPPM的带宽效率较PPM高 但也受系统调制带宽限制 由于每个调制波形均以脉冲结束 所以DPPM的收发机结构会比PPM的收发机结构简单 不需要码元同步 差分脉冲位置调制 4 DPPM波形 关键技术 3 调制解调技术 变脉冲位置调制 VariablePulsePositionModulation VPPM 调制方式如图所示 VPPM是IEEE802 15 7标准中推荐的调制方式之一 结合了脉冲宽度调制 PulseWidthModulation PWM 和2 PPM调制的特点 通信时使用2 PPM 明暗控制时使用PWM 变脉冲位置调制 VPPM波形 关键技术 3 调制解调技术 变脉冲位置调制 VPPM调制技术考虑了闪烁缓解和明暗控制功能 但是其数据传输速率也是受到LED开关速度的限制 当明暗控制范围大时 系统效率会大幅降低 从而数据传输速率也将减小 所以使用VPPM调制的室内可见光通信系统需要在数据传输速率和明暗控制范围之间进行折中 关键技术 3 调制解调技术 正交频分复用 正交频分复用技术 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingTechnology OFDM 被证明在高速通信情况下可有效抑制码间干扰 IntersystembolInterference ISI 该技术的优点在于 将数据进行串并转换后同时传输 在时域上符号持续时间得到增加 能够减少信道时域弥散产生的ISI 并可通过插入循环前缀的方法进一步消除信道ISI 具有较高的频谱利用率 调制解调过程中的快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换随着DSP技术的发展易于实现 可根据上下行链路不同数据量和通信质量要求进行自适应的调制 方便与多址技术结合等 其面临的主要挑战在于如何将信息有效地加载到OFDM载波上 以及如何对LED的非线性进行补偿 结束语 4 可见光通信实现照明和通信2个功能 具