可見光通信系統(tǒng)

1、小組成員：黃術(shù)生 董 明 羅 東 張 勇目錄：1.可見光通信的概念2.基于以太網(wǎng)的LED可見光通信系統(tǒng)3. OFDM技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用4.可見光通信系統(tǒng)的優(yōu)勢1.可見光通信的概念：可見光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發(fā)前景。實物圖：2. 基于以太網(wǎng)的LED可見光通信系統(tǒng)：系統(tǒng)系統(tǒng)通信通信鏈路鏈路：從計算機從計算機A A向計算機向計算機B B發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的流程是：發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的流程是：1

2、.計算機A通過自身的網(wǎng)卡，將需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柦涌谔幚黼娐纺K，進行濾波和耦合到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊。2.信號經(jīng)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊進行時鐘恢復(fù)、解擾等處理，并將以太網(wǎng)的MLT-3電平轉(zhuǎn)換成適合LED光源調(diào)制的單極性NRZ電平，再傳輸?shù)焦獍l(fā)射機模塊。3.光發(fā)射模塊的功能是向LED光源提供驅(qū)動電流，同時將電信號調(diào)制到LED光源上，實現(xiàn)信號的電/光轉(zhuǎn)換。信號調(diào)制成光信號的形式，在空氣中傳播。計算機計算機B B接收來自計算機接收來自計算機A A的的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流程：流程：1.PIN探測器接收來自計算機A的光信號，將光信號變成電信號。2. 變換后的電信號在光接收機模塊和以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊中進行放大、時鐘提取和數(shù)

3、據(jù)判決等處理，處理后的數(shù)據(jù)恢復(fù)出原來的信息供計算機B使用。(1)(1)接口處理電路接口處理電路: :接口處理電路主要用于信號電平耦合，主要作用有：1.將差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波使之得以增強，增大傳輸距離。2.提供芯片與外部模塊的電氣隔離，因為外部信號是通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合進來的，隔離了直流分量，避免大直流分量對芯片的損壞， 還起到靜電保護作用和一定的防雷作用。3.兼容不同模塊。隔離系統(tǒng)模塊與模塊之間的不同電平，以防止不同電壓通過網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備，使得采用不同電壓供電的模塊可以兼容工作。(2)(2)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊：以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊： 計算機通過網(wǎng)卡與外界局域連接起來，網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)是

4、把計算機要發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，組裝成以太網(wǎng)幀，然后通過網(wǎng)卡的RJ45接口發(fā)送到5類非屏蔽雙絞線上。 可見光通信系統(tǒng)要設(shè)計功能電路模塊來完成信號從雙極性三電平的MLT-3編碼到單極性碼。同樣的道理，來自光接收器的單極性碼也要通過功能電路模塊變換成適合雙絞線傳輸?shù)碾p極性三電平的MLT-3編碼。 另外，還有時鐘提取、信號判決再生和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊的工作方式是存儲-轉(zhuǎn)發(fā)，并不對4B5B碼進行編碼和解碼處理。這種處理方式忽略所有的誤碼，以犧牲糾錯性能來換取數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚r延。(3)(3)光源光源LEDLED的工作原理與特性的工作原理與特性: : a. a.伏安特性伏安特性:

5、:b. P-Ib. P-I特性特性: :c.c.調(diào)制特性調(diào)制特性: : 調(diào)制特性是指將電信號加載到LED 光源上變成光信號的特性。LED 的調(diào)制特性主要有兩個問題，一是線性，二是帶寬。LED 輸出功率可表示為： 10()wpp w可見光可見光LED LED 驅(qū)動驅(qū)動調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)： 光波是電磁波的一部分，理論上光通信系統(tǒng)的信號調(diào)制方式和電通信系統(tǒng)一樣，都可以通過調(diào)幅、調(diào)頻及調(diào)相把信息調(diào)制到光上. 因為LED 光源的頻譜不純，中心頻率也極不穩(wěn)定，出于設(shè)計實現(xiàn)簡單和經(jīng)濟效益上考慮， 光通信系統(tǒng)幾乎都采用直接調(diào)制-幅度調(diào)制方式，稱為直接光強度調(diào)制法，即改變光源的激勵電流，使得光輸出強度隨信號“0”

6、和“1”的不同而改變，用不同光輸出強度代表不同信號。LED LED 的模擬調(diào)制技術(shù)的模擬調(diào)制技術(shù): :設(shè)置好合適的偏置電流，以使靜態(tài)工作點位于LED 的P-I 特性曲線的中間，避免線性失真，然后再提供足夠大的調(diào)制電流驅(qū)動LED 光源發(fā)出足夠強的光功率。LED LED 的數(shù)字調(diào)制技術(shù)的數(shù)字調(diào)制技術(shù): :利用PCM 脈沖來實現(xiàn)控制LED 導(dǎo)通和截止，驅(qū)動電路主要起到開和關(guān)的作用，LED 的P-I 特性的非線性對數(shù)字調(diào)制來說影響很小，所以電路的開關(guān)速率，即數(shù)據(jù)調(diào)制速率才是數(shù)字調(diào)制首要考慮問題 調(diào)制帶寬是衡量LED的調(diào)制能力的參數(shù), 是LED用于無線光通信的重要參數(shù)之一, 它關(guān)系到LED的數(shù)據(jù)傳輸速度

7、大小。LED的調(diào)制帶寬主要受有源區(qū)載流子復(fù)合壽命和PN結(jié)結(jié)電容的影響。在白光LED制造工藝上, 除了減少載流子復(fù)合壽命和減小寄生電容, 我們還可以采用具有很大的潛在調(diào)制帶寬的多芯片型白光。此外, 通過外部驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計也是提高LED調(diào)制能力的一種方法。兩兩種優(yōu)化的研究方法：種優(yōu)化的研究方法：射極耦合電流開關(guān)型LED高速調(diào)制驅(qū)動電路： 由于該電路超越了線性范圍工作, 即使輸入端過激勵時,其仍沒有達到飽和,所以開關(guān)速率更高,計算表明該電路可響應(yīng)300Mb/s以上的數(shù)字信號。3. OFDM技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用幾種可見光通信技術(shù)的研究：1.均衡技術(shù)2.分集接收技術(shù)3.自適應(yīng)傳輸技術(shù)4.室內(nèi)LE

8、D可見光MIMO通信均衡技術(shù)： 國外研究人員通過在白光LED通信系統(tǒng)中引入均衡技術(shù)來提高系統(tǒng)的調(diào)制帶寬。以16個LED作為光源, 同時借助于16組略有差異的調(diào)諧驅(qū)動電路使每個LED具有不同的峰值頻率。每個LED的前置均衡電路都由一個緩存器、諧振電路、諧振電容、諧振電感以及直流源組成(將產(chǎn)生的直流信號疊加到原始信號上)。通過實驗證明, 采用均衡技術(shù)將LED的調(diào)制帶寬從3MHZ提高到了25MHZ,同時相應(yīng)地降低了系統(tǒng)的誤碼率。在接收端也引入了均衡技術(shù), 在實驗中接收端的均衡方案由一個簡單的一階模擬均衡器組成。最終的實驗測試表明,收發(fā)兩端引入均衡技術(shù)后, 系統(tǒng)可以在保持 級誤碼率的同時提供超過75M

9、b/s的傳輸速率。610（4 4）光光發(fā)射機發(fā)射機: :光發(fā)射機原理框圖： 光發(fā)射機的主要功能是將電信號調(diào)制到LED 光源發(fā)出的光上，然后在自由空間中傳播出去。光發(fā)射機性能的主要技術(shù)要求包括：（1）光源性能應(yīng)符合要求。 （2）穩(wěn)定的輸出光功率。穩(wěn)定的光功率輸出能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （3）調(diào)制方法要簡單，好的消光比。 （4）快的響應(yīng)速度。（5 5）光接收機光接收機: :光接收機原理框圖： 信息的處理是采用“電處理、光傳輸” 方式，這種工作方式的特點是：光電探測器的功能相當(dāng)于電通信系統(tǒng)中的檢波器，僅僅是完成光強度變換的檢測，完成光/電轉(zhuǎn)換；檢測出的電信號在后續(xù)處理中與傳統(tǒng)的電通信系統(tǒng)幾乎一樣，在

10、傳統(tǒng)的電系統(tǒng)中完成放大等各種處理。光接收模塊原理圖: 光信號由PIN 光電二極管接收轉(zhuǎn)換成電流信號，通過前置放大器和主放大電路進行放大。前置放大器和主放大器之間采用阻容耦合的方式進行連接。使得兩級放大之間的靜態(tài)工作點相互獨立，并且可以起到濾除低頻干擾的作用。前置放大電路：主要部分為跨阻抗放大器、差分信號轉(zhuǎn)換器和差分放大輸出。PIN 光電二極管接收光信號并轉(zhuǎn)化成電流從輸入引腳IN 輸入，經(jīng)過跨阻放大器進行放大，再經(jīng)過差分信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成差分信號，然后通過差分放大器輸出。主放大電路：主放大電路對信號進行多級放大，使得信號強度滿足判決再生的需要。并且，電路具有自動增益（AGC）功能，對輸入信號的變化

11、作出補償控制，保持輸出信號的幅度基本不變。放大后的信號供以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊進行時鐘提取、判決再生，然后通過雙絞線傳輸?shù)接嬎銠C。光接收機新技術(shù)：分集接收光接收機新技術(shù)：分集接收 一種基于分集技術(shù)的光接收機技術(shù)可以用來克服碼間干擾和陰影的影響。分集接收的思想就是在接收機的不同方向上安裝多個光電探測器, 對多個探測器接收到的信號進行比較, 選取信噪比最大的信號進行通信。 低速率分集接收裝置（低于100M） 分集接收電路（信號傳輸速率） 高速率分集接收裝置（高于100M） 當(dāng)傳輸速率超過100M時, 由于碼間串?dāng)_的影響, 不能將信號直接相加, 必須設(shè)計專門的控制電路對信道進行自動判決和選擇.在高速通信

12、中, 信噪比最大的方向為直射鏈接的方向。此時, 應(yīng)選取最接近直射鏈接的方向作為最佳接收方向。低速率分集接收探測器原理框圖高速率分集接收探測器原理框圖 在接收機的不同方向上安裝的多個光電探測器均勻分布于一個半球面上, 這樣在減少探測器個數(shù)的同時又提高了接收效果。只要不是整個接收機被遮住, 通信就不會中斷。關(guān)于探測器的個數(shù)和布局, 需要根據(jù)具體環(huán)境和通信性能的要求來決定。理論計算和計算機仿真結(jié)果表明, 采用分集接收系統(tǒng), 能很好地克服不同路徑引起的碼間干擾的影響。而且, 當(dāng)接收機隨用戶位置改變或室內(nèi)有人員走動和其他物體產(chǎn)生陰影時, 通過分集接收系統(tǒng)自動判決和選擇, 不需要人工設(shè)置就能保證通信系統(tǒng)的

13、暢通。實驗證明, 在高速通信中, 采用分集接收技術(shù)的系統(tǒng)信噪比平均提高了2dB , 有效提高了系統(tǒng)性能。自適應(yīng)傳輸自適應(yīng)傳輸技術(shù)：技術(shù)： 采用自適應(yīng)收發(fā)器的設(shè)計方案, 可以有效減緩光無線通信中信噪比的劇烈波動.在發(fā)射端, 借助一個信號處理器(DSP)來完成對機電定向系統(tǒng)的實時控制。 DSP被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信中, 使通信系統(tǒng)獲得更高的信噪比、更好的靈活性及調(diào)節(jié)預(yù)見性。對白噪聲、非平衡千擾和多徑干擾, 可以有相應(yīng)的實現(xiàn)方法去進行最佳的信號處理。在接收端, 則采用單一的光電檢測器來簡化對光前端的設(shè)計。這個優(yōu)化的設(shè)計方案采用定向機制將更多的光能量集中到單一信道, 一方面由于接收端視場的減小而降低了環(huán)

14、境噪聲對系統(tǒng)性能的影響, 另一方面大大提高了系統(tǒng)抗多徑畸變的能力。室內(nèi)室內(nèi)LEDLED可見光可見光MIMOMIMO通信：通信：MIMO技術(shù)的優(yōu)點：在不增加頻譜資源的前提下具有更高的傳輸容量，還能夠克服通信鏈路被室內(nèi)人員走動，家具的陰影而打斷通信鏈路的問題。MIMO通信系統(tǒng)組成：室內(nèi)可見光MIMO通信系統(tǒng)模型：關(guān)鍵點：1.LED的發(fā)散角很大，漫反射部分信號在總接收信號中也占有相當(dāng)大的成分。2.由于光線在信道中傳輸?shù)穆窂讲煌?，達到光學(xué)接收器的時間也不同，MIMO系統(tǒng)容易產(chǎn)生碼間串?dāng)_現(xiàn)象。3.因為信道存在多徑效應(yīng)，系統(tǒng)的調(diào)制速率越高，多徑效應(yīng)就越明顯。系統(tǒng)信道模型：系統(tǒng)信道模型：輸出信號：信道傳輸矩

15、陣： 第j個接收與第i個發(fā)射裝置的功率傳輸關(guān)系：解調(diào)信號：考慮漫反射后的信道模型： yRHxn1rNjij ijiyh xn11xyRH()yR HH xn MIMO信道的特性包括：時域特性、頻域特性和直流增益。時域特性用信道的單位脈沖響應(yīng)來表征，頻域特性則為信道的頻率響應(yīng)，通信的可靠性則可以由信道的直流增益間接表示。 脈沖響應(yīng) = 直射脈沖響應(yīng)+漫反射脈沖響應(yīng)在不影響計算精確度的前提下，K的取值沒有必要很高，即可以舍棄高次反射部分。稱此為簡化的光線跟蹤法。 第j個接收器經(jīng)過k次反射的頻率響應(yīng)，k階頻率響應(yīng)：離散傅里葉變換表示： ( )kjH為了研究信道特性令 ，求出信道的-3dB截止頻率， 再根據(jù)LED的調(diào)制帶寬，來設(shè)計接收濾波器補償信道特性缺陷而引起的誤碼，及最佳的接收方式。 接收器的信道直流增益可以表示為：MIMO信道仿真算法：（1）求直接照射。逐個計算每個LED發(fā)射裝置出射的光線直接進入接收器的光照度，再考慮接收器的有效面積和探測器的轉(zhuǎn)換效率，求出電信號大小，便得到接收器的直接響應(yīng)。（2）計算各次反射對接收器的貢獻。（3）高階反射可用低階反射遞歸運算，這樣可以提高計算的速度，減少存儲空間。（4）按照時間順序求信道的脈沖響應(yīng)。（5）求出直接