LED可見光通信開題報告

武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告表課題名稱借助LED照明傳輸數(shù)字信號課題類型畢業(yè)設(shè)計課題來源自擬導(dǎo)師謝兆鴻學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)自動化一、選題的基本內(nèi)容、國內(nèi)外現(xiàn)狀、課題的意義1.課題內(nèi)容LED作為冷光源和節(jié)能光源，正在不斷發(fā)展和普及，所以利用這個新光源的可見光來通信，也是目前研究的熱門課題。LED可見光傳輸技術(shù)是利用螢光燈或是白光LED等室內(nèi)照明設(shè)備，發(fā)出肉眼感覺不到的高速明暗閃爍的訊號，以無線方式來傳輸數(shù)據(jù)。采用可見光另一個特點是它的波長范圍大，可以將可見光訊號用不同的波長進來進行傳輸。從而實現(xiàn)多路通信。可見光還有無電磁輻射、易保密等特點，尤其搭借了照明平臺，所以不需要采用另外的傳輸介質(zhì)，采用廣播方式，受體的數(shù)量即容量受到的制約小，其缺點是不易實現(xiàn)雙向的通信。所以課題的主要內(nèi)容是嘗試設(shè)計一個LED通信試驗系統(tǒng)，通過對頻率的調(diào)制，發(fā)出特定的編碼信號，接收方利用光電敏感器件接收調(diào)制光，解調(diào)后還原成數(shù)據(jù)信號。2.國內(nèi)外現(xiàn)狀2000年，日本的Tanaka和Haruyama等人開始室內(nèi)LED光通信系統(tǒng)的研究，假設(shè)LED光照為朗伯模型，對系統(tǒng)進行了仿真，發(fā)現(xiàn)主要影響系統(tǒng)性能的是多徑效應(yīng)〔6102003年，Komine等人在1Mb/s的速率下對電力線通信與LED通信結(jié)合進行實驗并進行了仿真f7]02008年，日本在電子高新科技博覽會上，展出了LED通信系統(tǒng)，在接收機與發(fā)送機相距約20cm雙工工作的情況下，實現(xiàn)了100Mb/s的傳輸速率。同年，美國也投入巨資成立了智能光T-程技術(shù)研究中心,探索通過LED光源實現(xiàn)無線通信。目前越來越多的國際化大公司開始加入該計劃。2010年5月，中國科學(xué)院通過調(diào)制LED所發(fā)射的光線已經(jīng)實現(xiàn)同時接入3個用戶，接入帶寬為2Mbps，接入距離為2m的互聯(lián)網(wǎng)連接，同時不影響LED的照明效果。在上海世博會的“航空館”和“滬上生態(tài)家館，，中展示，達(dá)到國際先進水平。2010年1月15日，德國研究人員創(chuàng)造了每秒500兆的可見光通信傳輸新記錄3.課題的意義近幾年LED產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，LED由于具有常規(guī)照明無可比擬的綠色，節(jié)能等優(yōu)點，取代傳統(tǒng)照明成為一種趨勢。且LED響應(yīng)時間在納秒級，可以實現(xiàn)信息的高速調(diào)制，這個特點使LED在照明的同時進行信息傳輸成為一種可能。LED技術(shù)的不斷進步，且潛在的優(yōu)點，使LED代替其他傳統(tǒng)照明的趨勢已經(jīng)越來越明顯。LED可見光通信技術(shù)與其他無線傳統(tǒng)通信方式相比較，優(yōu)點如下：(1)可見光通信技術(shù)采用了LED照明光源作為光信號發(fā)射機，因此只要光照的地方均能實現(xiàn)信號覆蓋進行通信，沒有通信死角，而且接入方便快捷。(2)信號發(fā)射源發(fā)射功率可以很高。由于傳統(tǒng)的射頻通信存在電磁輻射對人體有害，發(fā)射功率受到一定的限制，不可以做的很高。其他的無線光通信，例如紅外激光等，也存在同樣的原因，發(fā)射功率一般很低，這樣在一定程序上限制了系統(tǒng)的性能?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)，由于利用了照明光源，因此一般情況下不需要限制發(fā)射功率，這樣發(fā)射功率就可以提高。(3)不要需無線電頻譜申請。無線電頻譜是受到管制的，而且不是所有的頻譜都適用于通信，現(xiàn)在能夠申請的無線電頻譜己經(jīng)相當(dāng)稀少，在外國頻譜已經(jīng)賣出了天價，而可見光通信由于其特殊性則無需進行申請，技術(shù)的實現(xiàn)也減少了障礙。(4)可見光通信技術(shù)可以用于特殊場合?？梢姽馔ㄐ挪划a(chǎn)生電磁波，因此，在一些對電磁波要求非常嚴(yán)格的場所，像醫(yī)院等也可以使用。(5)保密性好?？梢姽獯┩改芰Ρ容^差，因此用窗簾等可以防止外泄，實現(xiàn)通信的安全。研究方案1.關(guān)鍵技術(shù)(1)可見光信道研究可見光通信系統(tǒng)具有與紅外無線通信不同的信道沖激響應(yīng)，兩者具有不同的特性，這兩種系統(tǒng)中，引起ISI的原因也不相同，需要對多光源、時變信道環(huán)境下的VLC系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)和不同光路徑引起的ISI作深入研究，從而解決ISI的影響。(2)碼間干擾克服技術(shù)由于LED單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導(dǎo)致不同的傳輸延遲，光脈沖會在時間上延伸，每個符號的脈沖將加寬延伸到相鄰符號的時間間隔內(nèi)，產(chǎn)生碼間干擾，(ISI)導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。(3)光源的選擇與布局在可見光通信系統(tǒng)中，光源起著至關(guān)重要的作用。作為室內(nèi)照明設(shè)備，它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點。另一方而，作為光通信系統(tǒng)的光源，它必須具有使用壽命長、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點。綜合以上兩個方而，目前能滿足要求的最好選擇就是白光LED。實際系統(tǒng)中，由于各個房間的大小以及室內(nèi)設(shè)施不盡相同，因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu)，須使房間內(nèi)的光強分布大致不變，盡量避免通信臺區(qū)(光照射不到的區(qū)域)的出現(xiàn)。要達(dá)到這個目的，必須根據(jù)不同的房間，合理的安排LED燈的布局。(4)最佳LED照明燈個數(shù)在VLC系統(tǒng)中，通常安裝在室內(nèi)的LED燈具有一個較大的輻射角，以盡可能地覆蓋整個房間。但是由于行人、設(shè)備等的遮擋，會在接收機表而形成“陰影”，影響通信性能。因此就需要將這種“陰影”的影響降至最低。對于照明來講，室內(nèi)安裝的照明燈越多，室內(nèi)的亮度就越高，照明效果越好，同時接收功率也會大大增加。但是單純地增加LED燈的個數(shù)，雖然能夠解決“陰影”問題，卻并不能使系統(tǒng)的通信性能達(dá)到最佳。這是因為，不同的光源與接收機之間具有不同的光路徑，多個不同的光路徑會引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾。因而可知，LED燈的個數(shù)越多，ISI越嚴(yán)重，必須合理地選擇LED燈的個數(shù)。(5)調(diào)制、編碼以及解調(diào)技術(shù)目前可見光通信系統(tǒng)大多采用強度調(diào)制(IM)的直接檢測(DD)非相干系統(tǒng)，編碼方式大多為二進制OOK(開關(guān)鍵控)編碼。但由于OFDM可以有效地對抗多徑傳播所造成的符號間干擾，其實現(xiàn)復(fù)雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小很多。因此采用OFDM調(diào)制技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。2.LED驅(qū)動設(shè)計因為LED正向伏安特性非常陡(即正向動態(tài)電阻特別小)，于是給LED供電不會像普通白熾燈那樣直接用電壓源供電，否則電壓波動稍微增大，電流就會急劇增大到將LED燒毀的程度。因此為了能夠穩(wěn)定LED的工作電流，保證LED能夠正常并穩(wěn)定地工作，各種各樣的LED驅(qū)動電路就應(yīng)運而生。在LED可見光通信中，由于幾百兆的數(shù)據(jù)傳輸速率，要求LED光源急速點亮與熄滅，必需考慮LED的響應(yīng)時間，這也對LED驅(qū)動電路提出了更高的要求。3.LED伏安特性由前節(jié)我們已經(jīng)知道了LED具有普通二極管的伏安性，可分為工作區(qū)、正向死區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)四個區(qū)。為了使LED能夠達(dá)到正常發(fā)光的目的，就要保證能夠使他的狀態(tài)穩(wěn)定在工作區(qū)。4.LED調(diào)制特性白光LED的響應(yīng)時間通常在納秒級，因此，白光LED可以達(dá)到極高的調(diào)制速率，這也是LED在可見光通信受到歡迎的原因。白光LED的最大調(diào)制速率是指在一定的調(diào)制方法下，LED輸出的光亮度降低至某一個低頻參考值的二分之一時刻的頻率。據(jù)實際經(jīng)驗知道，不同的LED調(diào)制速率是不同的，他基本由LED本身的特征決定。在LED上通過較低的電流時結(jié)電容是限制調(diào)制速率的主要原因，也就是零偏壓情況下LED的電容值。而當(dāng)偏置電流逐漸提高時，這時調(diào)制速率就基本由注入到有源區(qū)的載流子的壽命來確定。LED的另一個參數(shù)值響應(yīng)時間也需要我們考慮。響應(yīng)時間是用來描述LED亮度隨開關(guān)閉合反應(yīng)快慢的。響應(yīng)時間我們可以定義為LED由點亮到熄滅或由熄滅到點亮所延遲的時間的長短。上升時間t1表示LED的由熄滅到點亮?xí)r間用的時間也就是指從閉合開光從發(fā)光亮度上升到額定功率的10%開始計時直到亮度達(dá)到額定功率的90%所需要的時間。同理，下降時間t2是指LED由發(fā)亮到熄滅時間定義為LED由正常點亮，斷開開關(guān)后，亮度降至額定功率10%所需要的時間。通過上面分析可以知道在可見光通信系統(tǒng)中信息的高速傳播會受到LED的響應(yīng)時間影響，因此必須能選用合適的LED以符合通信需要的要求，而且在設(shè)計LED驅(qū)動電路時，也必須考慮怎么樣設(shè)計才能在最大程度上縮短LED的響應(yīng)時間。5.LED驅(qū)動電路為滿足照明要求LED能夠穩(wěn)定工作，而且必須有很高的開關(guān)速率才能兼顧通信。設(shè)計了高速調(diào)制驅(qū)動電路圖如圖3-5所示。晶體管BGl和BG2組成發(fā)射極藕合開關(guān)，給LED支路提供穩(wěn)定的驅(qū)動電流。該電路開關(guān)速率更高，理論上可實現(xiàn)傳輸速率1OOMb/s，能達(dá)到LED可見通信系統(tǒng)的要求。C為加速充電放電容，與電感L目的都是為了提高開光速率。綜上分析可以看出，對白光LED調(diào)制驅(qū)動電路的總的要求是:(1)輸出盡可能大的穩(wěn)定光功率。輸出光功率越大，信號光可傳輸?shù)木嚯x越長，系統(tǒng)覆蓋范圍越廣。(2)電路的頻帶寬度能夠覆蓋傳送電信號的頻譜范圍，信號具有盡可能小的非線性失真。在電路的布線方面，由于白光LED通信系統(tǒng)中，信號光譜在可見光波段，并且系統(tǒng)工作在高頻情況下，因此發(fā)射電路的設(shè)計與紅外光通信不同。根據(jù)實驗的經(jīng)驗，總結(jié)出電路設(shè)計中要注意以下問題:(1)阻抗匹配問題:比如在我們設(shè)計的分壓式共射極形式的白光LED的驅(qū)動電路中，基極分壓電阻分別為3KSZ和1KSa時調(diào)制電路和驅(qū)動電路將達(dá)到最佳的電阻匹配，此時調(diào)制信號在電路中的反射也會達(dá)到最少，也就是說阻抗匹配的時候，信號傳輸最好，信號畸變最小。如果電路沒有實現(xiàn)很好的阻抗匹配，將會觀察到很嚴(yán)重的信號失真。(2)藕合方式選擇:調(diào)制信號和驅(qū)動電路部分采用電容禍合方式，目的是保持白光LED的靜態(tài)工作電流不受前面放大電路的影響。(3)偏置電流的大小:偏置電流大小取決于白光LED靜態(tài)工作點的選擇。實驗中首先測量了白光LED的P-I特性，確定了其正常發(fā)光時的線性工作區(qū)域。設(shè)置偏置電流的大小等于這一特性曲線線性部分中點對應(yīng)的電流值，并控制調(diào)制信號的峰值位于LED工作P-I特性的線性范圍內(nèi)，否則將產(chǎn)生信號波形的失真。(4)器件選擇方面:由于電路是高頻電路，器件的寄生的電感電容對整個電路的影響比較大，所以選擇器件時候盡量選擇寄生電感和寄生電容小的高頻器件，對阻抗要求敏感的地方要選擇精度高的器件。(5)供電方面:對電信號處理電路和白光LED驅(qū)動調(diào)制電路進行獨立供電，并采用專門的供電芯片，可以保證調(diào)制驅(qū)動電路有非常穩(wěn)定的工作電壓，大大減少了電源的浮動引起的噪聲和電源開關(guān)瞬間對調(diào)制驅(qū)動電路的沖擊，非常好的保護了這個電路系統(tǒng)。(6)電路布局:電源、地等要采用平面的形式來減少信號間的電磁干擾，在必須用線走的時候盡量的粗且盡量的短，并且在每個電源的供電引腳出要加上一個或者多個濾波電容，使得進入調(diào)制驅(qū)動電路的電源更加干凈、穩(wěn)定。電源通過0.O1}F和扭F的電容接地，可以濾除低頻和高頻噪聲干擾。(7)信號線走線:信號線應(yīng)盡量的短，拐彎的地方盡量采用非直角拐彎來減少電磁輻射，高頻信號線之間要保持一定的距離，防止信號的串?dāng)_。6.可見光接收電路設(shè)計在白光LED通信系統(tǒng)中，光接收機的主要任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出經(jīng)由無線光信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個可見光通信系統(tǒng)的性能。本節(jié)將從光電探測器的選擇出發(fā)，從電路噪聲特性和接收機帶寬設(shè)計角度研究光接收機的前端放大電路設(shè)計方案?？梢姽饨邮针娐方M成:白光LED照明光源通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，光接收機相應(yīng)也有兩大類，即模擬接收機和數(shù)字接收機。如圖(3-6)所示為可見光接收機的組成框圖，它們均由光探測器、低噪聲前置放大器及其它信號處理電路組成，是一種直接檢測方式。相對于模擬光接收機，數(shù)字接收機更復(fù)雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大等電路。為了和輸入及輸出電路有良好的阻抗匹配，組件內(nèi)還需配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。為了使光電二極管正常穩(wěn)定工作，還需配置直流偏置電路。7.基于白光LED的寬帶信號調(diào)制傳輸系統(tǒng)實驗本論文選用來自不同生產(chǎn)廠商已經(jīng)商品化的用作普通照明光源用途的白光LED，利用我們設(shè)計的電路，首先在實驗室內(nèi)對其分別進行5MHz和l0MHz調(diào)制，并對調(diào)制光信號進行了接收，觀察了高速調(diào)制情況下信號的傳輸接收效果，實驗原理圖如圖(3-11)所示。三、總結(jié)與未來展望1.全文總結(jié)無線光通信技術(shù)是一種寬帶無線接入技術(shù)，是光通信技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以光信號為載體，通過大氣空間傳送信息。當(dāng)前國際上有幾種不同的無線光通信技術(shù):自由空間通信(FreeSpaceOpticalCommunication,FSO)、室內(nèi)紅外通信和可見光通信。FSO利用波長為850nm或1550nm的紅外光以及650nm的紅光，發(fā)射光源為LD或LED，室內(nèi)紅外通信主要是基于LED紅外光，而可見光通信技術(shù)則是利用LED可見光(包括紅色LED、綠色LED、白光LED輻射光)。本文則主要研究了基于白光LED可見光通信技術(shù)，建立并分析了基于白光LED照明光源的可見光通信技術(shù)在實際應(yīng)用領(lǐng)域中的系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)，并研究了其實現(xiàn)所面臨的關(guān)鍵問題。基于白光LED的物理特性和發(fā)光特性的研究，研究和設(shè)計了白光LED的驅(qū)動調(diào)制電路和可見光接收電路，建立并研究了可見光無線傳輸信道，并就可見光通信系統(tǒng)的整體設(shè)計做了詳細(xì)分析，討論了可見光通信技術(shù)整體設(shè)計中若干關(guān)鍵問題，并得出以下結(jié)論:(1)通過優(yōu)化電路設(shè)計，目前己經(jīng)商品化的用作照明目的的白光LED可以用作通信光源，并可對其實現(xiàn)10MHz的信號調(diào)制，白光LED在提供穩(wěn)定室內(nèi)照明的同時有望作為未來寬帶數(shù)據(jù)接入的信號光源。(2)通過建立分析信道傳輸模型，計算了白光LED照明光源通信信道參數(shù)，合理設(shè)計LED光源的光功率朗伯分布、增加光學(xué)透鏡折射率、減小接收機視角均可以增加光電探測器的有效接收面積，從而提高信道傳輸增益。(3)合理選擇和設(shè)計光電探測器電路以及前置放大電路，以及設(shè)計合適的光學(xué)接收系統(tǒng)，實現(xiàn)了對LED白光調(diào)制信號的最佳接收。(4)改變光脈沖的編碼方式、使用正交頻分復(fù)用技術(shù)、優(yōu)化接收端光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計均可降低室內(nèi)VLC系統(tǒng)中多徑傳播引起的碼間串?dāng)_對通信性能的影響。(5)改變光脈沖的調(diào)制方式、接收端采用成像式光學(xué)接收系統(tǒng)均可在不同程度上實現(xiàn)對背景光信號的抑制。(6)對于漫射VLC系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作速率依賴于光發(fā)射機和接收機視角以及碼間串?dāng)_的影響，系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮接收機視角大小的選擇問題，經(jīng)過計算分析可以看出室內(nèi)VLC系統(tǒng)中接收機FOV的選取范圍一般為40500o綜上，本設(shè)計的創(chuàng)新性可以歸結(jié)為以下幾個方面:(1)系統(tǒng)全面地對白光LED照明光源通信系統(tǒng)做了深入研究與分析，給出了室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)計過程中信道模型及其參數(shù)、室內(nèi)LED光源布局、室內(nèi)光強和接收光功率分布、可見光通信的接收機信噪比的分析計算過程。(2)從白光LED照明光源通信技術(shù)的物理實現(xiàn)角度，對已商品化的不同廠商用于普通照明目的的白光LED的高速調(diào)制特性進行了研究，通過優(yōu)化電路設(shè)計，對其實現(xiàn)了10MHz的帶調(diào)制。(3)研究和設(shè)計了用于接收可見光載波信號的寬帶接收電路，并實現(xiàn)了基于單顆白光L的寬帶信號調(diào)制傳輸實驗，利用可見光載波，實現(xiàn)了音頻調(diào)頻信號的短距離傳送。(4)分別從電學(xué)和光學(xué)角度，從理論上研究分析了白光LED照明光源通信系統(tǒng)中抑制碼串?dāng)_、背景光噪聲的不同方案。2．未來展望基于白光LED的可見光通信技術(shù)目前仍處于起步階段，而其真正的成熟和得到廣泛應(yīng)用則取決于白光LED調(diào)制頻率的提高以及對可見光網(wǎng)絡(luò)的研究。調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是LED照明通信系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到通信系統(tǒng)信息傳輸速率的大小。目前商品化的照明設(shè)備白