基于LED室内可见光通信系统设计.docx

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基于LED室内可见光通信系统设计

摘要

可见光通信技术是一种在白光LED发明和应用后发展起来的新兴的无线光通信技术，LED不但能进行室内照明，并且能应用于无线光通信系统从而满足了室内网络需要。

这篇文章在对白光LED用于通信光源的光谱特性以及调制特性等其它物理特性进行深入分析基础之上，重点研究白光LED光源通信系统构成结构以及系统设计,并给出一种LED照明灯室内布局方法。

由于可见光通信使用开关键控调制方式限制了数据传输速度，因此,本文引入了一种基于正交频分复用（OFDM）调制与解调的方案，用于减弱高速通信时由多径效应带来的码间串扰。

【关键词】室内可见光通信；白光LED；正交频分复用mm

【论文类型】应用设计型

ABSTRACT

VisiblelightcommunicationisanovelwirelessopticalcommunicationtechnologyandrosewithdevelopmentofwhiteLEDfabricationtechniques．WhiteLEDdevicesareusednotonlyforilluminatingroomsbutalsoforanopticalwirelesscommunicationsystemwhichissuitableforindoorprivatenetworks．Inthethesis，basedstudieshavebeendoneonradiationspectrumandmodulationpropertyofwhiteLEDwhentheyareusedasopticaltransmitters，ThentheconfigurationandsystematicdesigntechniquesareconcentratedconcerningwhiteLEDlightingsourcecommunicationaswellashighspeedmodulationtechniques．Anoptimaldesignoflightingslayoutonthevisiblelightcommunicationsystemisdiscussed．BecauseofprimarilyOOKhasbeenusedfordigitaldatamodulationofsuchdevices．OOKimposeslimitationsontheachievabledatarates．SotheinherentrobustnessofOFDMagainstmultipatheffects，OFDMisconsideredincombinationwithhigherordermodulationschcmesinthethesis．

【KeyWords】Indoorvisiblelightcommunication；white--LED；OFDM

【TypeofThesis】Typeofapplicationanddesign

前言

21世纪高速数据通信在人们生活中将会十分重要，即人们会需要在任何地点以及任何时间，快速得到大量多媒体信息。

同时由于工作中的团队合作至关重要，对办公室通信系统的要求以及多媒体信息共享的需求将会迅猛增长。

伴随着电器设备的无线化以及家庭无线连接的应用，人们可以在家中任何一处登录全球信息网。

面对宽带资源有限，在改良设计通信系统时应该考虑其它方式。

因此可以将光通信技术以一种以白光LED为光源的新兴的无线电通信技术发展起来。

可见光通信（VisibleLightCommunication，简称VLC）是利用半导体LED响应速度快的发光响应特性，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照明通信两用基站灯，也为光通信提供了一种全新的的宽带接入方式。

VLC可分作室内可见光通信以及室外可见光通信两种类型。

白光LED具有低功耗、长寿命、小尺寸、绿色且环保等优势，被认为最终将会代替荧光灯和白炽灯这些传统的照明光源，将会成为下一代照明光源。

和传统的照明光源进行比较，白光LED因为响应时间所以具有高速调制特性。

基于白光LED室内VLC系统，可以实现照明通信两重作用。

当今VLC大多还处在实验阶段，虽然整体系统已实现，但是和可见光通信的实际应用还有相当大距离，系统各项性能还需要进一步的优化。

本文正是基于这样一个新的光通信技术而成，全文共分6章。

第1章主要介绍了基于LED的室内可见光无线光通信研究的意义，国内外研究现状，以及可见光与自由空间光通信及红外通信的比较。

第2章室内LED光源布局设计，主要介绍了LED光源相关理论，LED的发光原理和相关特性，以及白光LED发光原理，最后讲述了光源的布局方法。

第3章可见光通信基本理论，主要介绍了室内可见光通信基本原理和可见光通信链路以及可见光通信系统中存在的多经效应，最后分析信道模型。

第4章主要介绍了OFDM的一些基本概念以及理论；相关关键技术和优缺点。

第5章LED光源室内可见光通信系统设计，主要讲述了可见光发射端，接收端系统设计，和基于OFDM的室内VLC系统整体结构的设计分析。

第6章是本篇论文的总结。

本篇论文在写作过程中参阅了许多国内外研究资料，也借鉴了很多前辈大量的研究成果。

由基于作者水平所限，本书本篇论文难免有错误或不当之处，敬请各位老师批评指正。

1绪论

1.1选题背景和意义

20世纪末期，伴随着全光接入技术发展以及人们对无线宽带通信的要求，一种信息容量大、部署灵活、维护便利、安全保密的无线光通信技术得到了人们广泛的关注。

其应用范围从军用和航天已步入民用领域。

无线光通信是一种无线宽带接入技术，是光通信和无线通信技术相结合的产物。

它以光信号为载体，大气作为传输媒质，来进行光信号传送。

目前无线光通信技术有下列几种：

自由空间无线光通信（FSO）、室内红外线通信和可见光通信（VLC）。

FSO通常是利用波长为850nm或者1550nm的红外光；室内红外通信通常是利用LED红外光；而VLC则是利用LED可见光。

无线光通信主要分为：

室外的无线光通信和室内的无线光通信技术。

其中，室内的无线光通信是把无线光通信用于室内的计算机网络和办公设备的通信，而室内的无线光通信和室外的无线光通信间的主要区别是信道不同。

地面的无线光通信的信道主要受太阳自然背景光和大气影响，其中大气对光通信影响主要是大气湍流引起闪烁和天气现象引起衰减。

然而室内的无线光通信的信道主要受人造光源影响，例如荧光灯和日光灯，还有个对室内的高速通信较为严重的影响是：

由室内的墙壁对光源的反射引起对接收到的信号造成多径。

即对高码率通信会出现码间串扰（ISI）。

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体照明技术发展迅猛，尤其是白光LED吸引更多人的注意，他们被认为是下一代的照明光源。

通过三基色（红，绿，蓝）构造出的白光LED具有光照强，效率高，寿命长等特点。

其终将会取代目前应用于办公室以及家庭中的白炽灯或者萤光灯。

基于半导体器件具有高速点灭发光响应特性，把信号调制在LED可见光上来传输，使得可VLC和LED照明相结合，最终构建出一种LED照明通信两用的基站灯，将为光通信引入一种全新的宽带接入方案。

该选题是基于可见光通信（VLC）的理论为基础，并结合LED可见光相关特性，最终建立切合实际的室内LED可见光通信系统。

由于LED光源具有特殊性能特点，使得LED可见光通信大势所趋。

该选题通过对LED特性以及室内可见光通信中的某些关键技术的探讨和研究，从而为进一步改善LED可见光通信系统性能做努力。

1.2可见光通信历史及现状

最早提出可见光通信的是香港大学的GranthamPang，他于1999年提出了可见光通信的雏形，即用100kHz的载波频率将CD音乐以及电话等信号发送到个人耳机。

此方法中无透镜的接收传输距离为40cm，而有透镜接收的距离为200cm。

他将上述这种系统用于交通系统中，采用电压控制振荡器调制驱动了441个超亮度的红光LED阵列，它的载频为100kHz，通过发送滤波来驱动LED交通灯。

他也提出了用LED进行语音广播和数据传输以及交通灯控制，它的室外传输距离可以达20m。

在2003年Shogo．Kitano，Shiniehiro．Haruyama，Masao．Na-kagawa为了减少交通拥塞的现象，而采用了模拟调制的方法，提出了将LED应用在交通智能系统中，他们认为此种通信具有可行性，而且优于红外光通信方式。

同时提出了LED道路照明通信系统的设想，这个系统不但可进行道路照明，同时又能进行高质量的数据传输。

波士顿大学ThomasLittle又提出可以用LED来替代自炽灯，并且预测到未来15年内LED广泛应用必将势不可挡。

并指出它将主要应用在高清媒体以及高速率数据传输；汽车间的通信、无线医疗监测系统、室外的数据传输的试验等。

在可行性方面研究特别多的当数韩国人Jung-HunKim和ChungGhiuLee。

2006年他们曾用实验的方法已经证明了高亮度照明LED光的无线信道通信的可行性。

其中用7个LED来发射信号和一个光电接收器，发送接收装置间的距离为12cm，同时分别测量了红绿蓝LED的3dB带宽。

最后获得了传输速率依次分别为1Mb/S，5Mb/s，10Mb/s的眼图，其中在lOMb/s的情况下，误码的比特率小于8×10-6，以此来证明高亮度LED通信的可行性。

他们的实验系统中采用了PIN探测器，它的有效接收面积是0.8mm2，峰值响应是750nm，光电转换效率是0.45A/W，小信号通带带宽是50MHz。

在没有改进电路以前，ChungGhiuLee用7个LED单行阵列构成调制系统，调制带宽是18MHz,通信距离是30cm,传输速率是10Mb/S。

而改进电路以后，即将LED安装成5×2矩阵，光通信链路距离可达90cm，传输速率是20Mb/s。

他的研究结果表明采用大功率的LED作为室内可见光通信光源是可行的，但是同时大功率LED限制了通信的调制速率。

日本的研究者是此项技术的首创人之一，他们在这个技术的贡献率最大。

他们研究最多的是室内LED可见光通信系统存在的相关问题，这些问题包括传输中的多径效应和阴影效应以及码间干扰。

其中ToshihikoKomine做的研究最为突出。

他用数个LED灯在实验室中既用来照明，又用作光无线通信。

他认为反射以及码间干扰是影响通信系统性能的主要因素，同时系统的码间干扰是依赖于接收机的半视场角（FOV）以及通信传输速率，并预计它的高速数据传输可以达到1Gb/s。

他从通信信道出发，用仿真的方法研究了信道信噪比的分布情况，实验表明当电功率为8.64W，且光强度为1.56cd时，它的传输速率可以达到100kb/s。

他还研究多个LED发光的系统阴影效应，下行链路用TDMA，当传输速率在800Mb/s时，通话会被人行阴影中断，而采用3个LED照明会提高系统通信质量。

当数据传输速率是400Mb/s，用反馈判决均衡与有限脉冲滤波器较为有效，而当传输速率是500Mb/s时，用反馈判决均衡法来抗码间干扰更为有效。

ToshihikoKomine还研究了LED照明通信的多径效应，分析了室内通信系统中的反射效应，发现当通信系统靠近墙壁位置时，由于它的反射信号增强，因此串扰信号也增强，该系统采用了8-PPM，FOV是500，其中靠墙位置的传输速率是60Mb/s，而不靠墙位置传输速率是90Mb/s。

牛津大学的DominicO’Brien对这项技术的研究相对较晚，主要集中于发送以及接收均衡，还有多输入多输出系统，并且肯定了大功率LED调制速率仅为数兆的观点。

Brien在2008年提出可以用LED既来替代白炽灯以及荧光灯进行照明，又可以用它来传输信息的想法。

并且对光源和接收装置以及可见光的信道进行研究，通过采用发送与接收的均衡技术、光学滤波、光学多输入与输出等技术来提高数据传输速率，从而使通信的传输速率有希望达到数Mb/s。

并预测速率的能超过100Mb/s。

他提出的多输入多输出通信以及发射和接收的均衡技术都将有较大的实际应用价值。

德国的海因里-希赫兹和弗朗禾费通信研究所提出了用白光LED来进行信息传输，他首先提出大功率的白光LED由于调制带宽的有限因此限制其传输速率，从而他的研究重点在于怎样使调制带宽能够提高。

基于此提出多电平调制的方法，此观点较符合实际。

HanyElgala主张采用强度调制的方式来对LED光源进行调制，同时提出把正交频分复用应用在可见光通信中。

南洋理工大学从光源的模型方面出发提出了白光LED有最佳布局的观点，而且设计了实验系统，既可照明又发射1kHz的正弦信号，此项实验得到接收信号的信噪比为11.8dB。

在国内基于白光LED可见光通信系统起步较晚。

当前对VLC研究的单位有西安理工大学（承担陕西省“火炬计划"项目。

），桂林电子大学，杭州电子大学，暨南大学。

其中暨南大学的陈长缨，胡国永设计并实现了点对点的通信系统。

这个通信系统通信距离是20cm，传输速率为10MHZ，并保证了频率信号的正确传输。

2008年这个研究组在前期研究工作基础之上，利用白光LED矩阵光源解决了通信距离短，无法达到照明等要求的问题。

最终实现了实用照明的室内VLC系统的4Mb/s带宽的数字视频信号的传输，信号的传输距离超过2.5m。

1.3常用无线光通信的比较

1.3.1可见光与自由空间光通信相比较

自由空间光通信在点对点的传输情况下，每一端都包括光发射机以及光接收机，从而可实现全双工通信。

在光发射机中把电信号调制到光源上，并且通过用光学望远镜作成的天线,可以将光信号经由大气信道做媒介传至接收端光学望远镜。

其中高灵敏度光接收机，会把望远镜接的光信号转成电信号。

因为大气空间对不同光波长的信号透过率有比较大的差别，因此可以选则透过率比较好的波段窗口。

光的无线系统一般用850nm或者1550nm的工作波长。

考虑到1550nm的光波对于雾具有更强的穿透力，并且人眼更安全，因此1550nm波长的FSO具有更为广阔的应用前景。

FSO与微波技术相较，具有较高的调制速率、宽频带以及不占用频谱资源等优点；与有线以及光纤通信相比较，它具有运行成本低、机动灵活以及易于推广等优点。

FSO可在一定程度能弥补光纤与微波的不足。

虽然它的容量与光纤较相近，但是价格却低得多。

并且它可以直设在屋顶，在空中传送。

不但不需申请频率执照，而且也不用敷设管道挖掘马路。

在使用点对点的系统，当确定发收两点视线不受阻挡的通道以后，通常可在数小时以内安装完毕，并投入运行。

在不考虑到当地气象条件时，光无线系统通常可得到99.9％的可用性。

VLC是一种以白光LED做光源的新兴无线光通信技术。

和传统的射频通信以及FSO相比，VLC有发射功率高，且无电磁干扰以及节约能源等优势。

由于实现简单，VLC系统大多数设计成光强度调制／直接检测系统，用曼彻斯特编码以及开关键控（OOK）调制方式。

在IM／DD系统中，由于有多个光源，因此每个接收机都会接收到来自各个方向上的光信号，因此不会因为某条光路径被遮挡，而导致通信中断，从而保证了通信的可靠性。

与FSO和射频通信相比较，VLC具有下列突出的优点：

1）可见光对人类相当安全。

VLC系统可以用室内LED照明灯发送数据。

2）VLC到处都有。

用来通信的照明灯可安装在任何地方，在照明的同时，也可以较方便的实现无线高速数据通信。

3）发射功率较高。

因为对红外通信而言，受人眼安全限制，发射的功率较低，系统性能会受到较严重影响。

就射频通信而言，射频信号也会对人体造成伤害，并不能没限制增加它的发射功率。

而在可见光通信系统中，由于发射为可见光，因此发射功率比较高。

4）不要无线电的频谱认证。

因为如今无线电的频谱资源比较有限，可用来分配的无线电频率及其不足。

5）没电磁干扰。

能应用于医院以及飞机等对电磁干扰较严格限制的场合。

1.3.2可见光与红外通信相比较

红外通信技术是一种以红外光作为通信载体，可实现点对点以及红外无线局域网通信的技术。

红外线是介于750--1000nm范围内的电磁波。

通常红外数据通信用红外波段中近红外线部分，波长是介于800--900nm间的，经红外发射机和接收机进行红外信号接收和发射。

如今，常用的红外通信基本原理是：

在发送端用脉位调制方式，将基带的二进制信号调制成一系列脉冲信号，然后用该脉冲序列来驱动红外线发射管，即以光脉冲的形式发射红外脉冲。

红外通信通常为38kHz频率红外信号。

在接收端红外接收机是从空间接收到红外光信号然后进行光电转换的，即将光脉冲信号转换为电信号，经过均衡，判决，解码等相关处理后，恢复出原始二进制电信号。

光无线通信技术中，一般红外光通信系统对外界干扰抑制能力较强，但是由于它指向特征也比较强，因此当通信线路遭遇物体介入时，就很及其容易因阻挡影响信号的正常传输，因此红外光通信的有效距离范围相对较短。

并且红外线可以透过角膜使晶状体吸收，同时也可能会被虹膜以及睫状体吸收，一部分会到达视网膜从而引起视网膜的损伤。

红外线会对眼球产生损害，损害角膜上皮。

然而可见光即便输出功率高为几十瓦也不会给眼睛带来损伤。

下一代照明光源会采用发光二极管阵列来实现，它会使获得同样照度需求时消耗的功率大大降低。

表1-1为红外光与白光用作室内通信系统时的比较【1】。

表1-1红外光与白光用作室内通信时的比较

典型特征

红外光

可见光白光

信号光源

红外LED、红外LD

白光LED

工作波长

典型波长800--900nm

380--780nm

调制带宽

几十KHz--几百MHz（LED）

几十KHz--几百GHz（LED）

几十KHz--几百MHz

信道速率

理论速率100Mb/s，以实现16Mb/s

最初设限速率10Mb/s

室内布局

需另外架设红外通信光源和线路

简化了室内线路布局

阴影效应

容易受替它遮挡物影响

多个LED灯消除阴影效应

发射功率

需限制发射功率，即距离受限

通常情况下无需限制

LED有发光强度与发光功率这两个基本特性参数，使白光LED不仅能提供室内照明，而且可以作为信号光源，用以实现室内无线通信的数据传输。

由于红外光会对人眼睛伤害等原因，选用LED白光源用作室内无线通信比红外光有着许多优势。

综上所述表明LED可见光通信已成为全球光通信专家研究的热点问题。

和自由空间光以及红外光相比而言VLC通信将具有发射功率高，没电磁干扰，没电磁辐射，不占无线电带宽，节能且环保，以及可以同时实现照明通信双功能等特点。

因此VLC必将成为无线通信领域的发展的趋势

1.4论文研究的主要内容

本篇论文首先介绍了基于LED的室内可见光无线光通信研究的意义，国内外研究现状，以及可见光与自由空间光通信及红外通信的比较；再次讨论了室内LED光源，其中介绍了LED光源相关理论，白光LED发光原理，LED光源的布局方法；再次可见光通信基本理论，包括室内VLC基本原理和链路，以及分析信道模型，存在的多经效应；同时介绍了OFDM技术的理论，相关关键技术和优缺点；最后讲述了LED光源包括室内可见光通信系统设计，包括可见光发射端，接收端设计，和基于OFDM的室内VLC系统整体结构的设计分析。

2室内LED光源

发光二极管（LightEmittingDiodeled即LED）是一种将电能转化成光能的半导体。

其不同于白炽灯钨丝发光以及节能灯三基色发光原理，采用电场发光。

白光LED光谱几乎全都集中在可见光频段，发光效率超过150m/W。

高亮度的白光LED灯具有低功耗、小尺寸、长寿命、绿色并环保等优点，它被视作下一代节能且环保型的照明产品。

白光LED另一个突出优点就是响应灵敏度较高，因而可以用LED来进行高速率数据通信。

在可见光通信系统中，LED光源具有照明及通信双重作用。

基于照明原因通常需要安装多数目的LED灯，因而光源布局是影响通信系统性能的关键因素之一。

因为不同的光源布局必定导致室内不光功率的分布不同，所以需要对光源的布局进行合理的设计，使室内接收光功率的分布趋向均匀化。

合理的LED光源布局将会较容易满足室内所有区域的照明以及通信要求，并且能有效消除该通信系统中阴影效应的影响。

这一章分析了白光LED发光原理、相关特性及室内LED照明灯的布局设计方法，例如房间内的四个LED照明灯的最优化布局设计。

2.1LED的发光原理

LED结构主要由PN结芯片，电极以及光学系统三部分构成。

当电极上加正向偏置电压时，电子与空穴将分别注入P区与N区，在非平衡少数载流子和多数载流子复合过程中，会以辐射光子的形式把多余的能量转化成光能。

LED基本结构是一块电致发光半导体材料，把它置于一个带引线的架子上，再在四周用环氧树脂密封起来，达到保护内部芯线的目的，因而LED的抗震性能较好。

在90年代初期，发红光和黄光的GaAIlnP以及发绿和蓝光的GalnN两种新材料的研发成功，使LED的光效得到较大幅度的提高。

下图为LED的结构示意图【2】。

图2.1LED的结构图

其实LED的发光过程分为：

在正向偏压下的载流子注入和复合辐射以及光能传输这三部分。

把微小的半导体芯片封装在洁净的环氧树脂中，当电子通过此芯片时，带负的电子向带正的空穴区域移动到并且与之复合，在电子与空穴消失时产生光子。

电子与空穴之间能量（能隙）越大，产生光子的能量会越高。

然后光子的能量反过来将会和光的颜色相对应，即在可见光频谱范围内，蓝光和紫光携带的能量是最多的，而橙光和红光携带的能量是最小的。

因为不同的材料具有不同能量，因此会发出不同颜色光。

2.2LED光源的相关特性

LED是采用化合物的材料制成PN结光学器件，因为它具备PN结器件的相关特性，所以较适合用来做室内通信系统中的光源。

1）响应时间。

LED的是标志反应速度的一个重要参数，尤其是在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。

响应时间是指输入正向电流LED开始发光（上升）和熄灭（下降）的时间。

LED的上升时间随着电流的增大近似按指数规律衰减。

直接跃迁材料（如GaAs1-xPx）的响应时间仅为几纳秒，而间接跃迁材料（GaP）的响应时间则为100ns。

从使用角度来说，就是LED的点亮与熄灭所延迟的时间。

LED的响应时间主要取决于载流子的寿命，器件的结电容以及电路阻抗。

不同材料的的LED响应时间各不相同，如GaAs,GaAsP,GaA1AsLED的响应时间小于10-9ns,GaPLED为10-7ns。

因此它们可以应用到10--100MHz的高频系统。

2）发光法向光强及其角分布。

LED发光强度用于表征LED某个方向上发光的强弱。

由于LED不同空间角度上的光强相差很大，因此分析和研究LED的光强分布特性具有实际意义，它可以直接反应LED光源的最小观察角。

（1）发光强度（法向）是表征发光器件发光强弱的重要性能参数。

LED采用的是圆柱、球形封装，由于凹凸境的作用，具有很强的指向性。

（2）发光强度的角度分布。

发光强度的角度分布用于描述LED发出的光在空间的各个方向上的光强分布。

它主要取决于LED的封装工艺。

3）光通量。

光通量Φ用来表示LED光的输出辐射能量，它标志着其间的性能好坏。

Φ为LED各个方向上发光能量的总和，它和工作电流有着直接的关系，即随着电流增大，LED光通量增大。

LED光通量的单位流明（Lm）。

Φ与封装工艺水平和芯片材料还有外加的恒流源电流有关。

当今单色LED光通量大概是1Lm，白光LED的Φ是1.5--1.8Lm，由