可见光通信系统

可见光通信系统小组成员：黄术生董明罗东张勇目录：1.可见光通信的概念2.基于以太网的LED可见光通信系统3.OFDM技术在可见光通信中的应用4.可见光通信系统的优势

1.可见光通信的概念：

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。实物图：2.基于以太网的LED可见光通信系统：系统通信链路：从计算机A向计算机B发送以太网数据的流程是：1.计算机A通过自身的网卡，将需要的数据传输到信号接口处理电路模块，进行滤波和耦合到以太网转换模块。2.信号经以太网介质转换模块进行时钟恢复、解扰等处理，并将以太网的MLT-3电平转换成适合LED光源调制的单极性NRZ电平，再传输到光发射机模块。3.光发射模块的功能是向LED光源提供驱动电流，同时将电信号调制到LED光源上，实现信号的电/光转换。信号调制成光信号的形式，在空气中传播。计算机B接收来自计算机A的数据流程：1.PIN探测器接收来自计算机A的光信号，将光信号变成电信号。2.变换后的电信号在光接收机模块和以太网介质转换模块中进行放大、时钟提取和数据判决等处理，处理后的数据恢复出原来的信息供计算机B使用。(1)接口处理电路:接口处理电路主要用于信号电平耦合，主要作用有：1.将差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波使之得以增强，增大传输距离。2.提供芯片与外部模块的电气隔离，因为外部信号是通过电磁场的转换耦合进来的，隔离了直流分量，避免大直流分量对芯片的损坏，还起到静电保护作用和一定的防雷作用。3.兼容不同模块。隔离系统模块与模块之间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备，使得采用不同电压供电的模块可以兼容工作。(2)以太网介质转换模块：计算机通过网卡与外界局域连接起来，网卡发送数据是把计算机要发送的并行数据转换成串行数据，组装成以太网帧，然后通过网卡的RJ45接口发送到5类非屏蔽双绞线上。可见光通信系统要设计功能电路模块来完成信号从双极性三电平的MLT-3编码到单极性码。同样的道理，来自光接收器的单极性码也要通过功能电路模块变换成适合双绞线传输的双极性三电平的MLT-3编码。

另外，还有时钟提取、信号判决再生和数据转发等功能。以太网介质转换模块的工作方式是存储-转发，并不对4B5B码进行编码和解码处理。这种处理方式忽略所有的误码，以牺牲纠错性能来换取数据传输的最小时延。(3)光源LED的工作原理与特性:a.伏安特性:b.P-I特性:c.调制特性:

调制特性是指将电信号加载到LED光源上变成光信号的特性。LED的调制特性主要有两个问题，一是线性，二是带宽。LED输出功率可表示为：可见光LED驱动调制技技术：光波是电磁磁波的一部部分，理论论上光通信信系统的信信号调制方方式和电通通信系统一一样，都可可以通过调调幅、调频频及调相把把信息调制制到光上.因为LED光源的频谱谱不纯，中中心频率也也极不稳定定，出于设设计实现简简单和经济济效益上考考虑，光光通信系统统几乎都采采用直接调调制-幅度调制方方式，称为为直接光强强度调制法法，即改变变光源的激激励电流，，使得光输输出强度随随信号“0”和“1”的不同而改改变，用不不同光输出出强度代表表不同信号号。LED的模拟调制制技术:设置好合适适的偏置电电流，以使使静态工作作点位于LED的P-I特性曲线的的中间，避避免线性失失真，然后后再提供足足够大的调调制电流驱驱动LED光源发出足足够强的光光功率。LED的数字调制制技术:利用PCM脉冲来实现现控制LED导通和截止止，驱动电路主主要起到开开和关的作用用，LED的P-I特性的非线线性对数字调制来说说影响很小小，所以电路的的开关速率率，即数据调制制速率才是是数字调制制首要考虑虑问题调制带宽是是衡量LED的调制能力力的参数,是LED用于无线光光通信的重重要参数之之一,它关系到LED的数据传输输速度大小小。LED的调制带宽宽主要受有有源区载流流子复合寿寿命和PN结结电容的的影响。在在白光LED制造工艺上上,除了减少载载流子复合合寿命和减减小寄生电电容,我们还可以以采用具有有很大的潜潜在调制带带宽的多芯芯片型白光光。此外,通过外部驱驱动电路的的优化设计计也是提高高LED调制能力的的一种方法法。两种优化的的研究方法法：☆射极耦合合电流开关关型LED高速调制驱驱动电路：：由于该电路路超越了线线性范围工工作,即使输入端端过激励时时,其仍没有达达到饱和,所以开关速速率更高,计算表明该该电路可响响应300Mb/s以上的数字字信号。3.OFDM技术在可见光通信信中的应用几种可见光光通信技术术的研究：：1.均衡技术2.分集接收技技术3.自适应传输输技术4.室内LED可见光MIMO通信☆均衡技术：：国外研究人人员通过在在白光LED通信系统中中引入均衡衡技术来提提高系统的的调制带宽宽。以16个LED作为光源,同时借助于于16组略有差异异的调谐驱驱动电路使使每个LED具有不同的的峰值频率率。每个LED的前置均衡衡电路都由由一个缓存存器、谐振振电路、谐谐振电容、、谐振电感感以及直流流源组成(将产生的直直流信号叠叠加到原始始信号上)。通过实验验证明,采用均衡技技术将LED的调制带宽宽从3MHZ提高到了25MHZ,同时相应地地降低了系系统的误码码率。在接接收端也引引入了均衡衡技术,在实验中接接收端的均均衡方案由由一个简单单的一阶模模拟均衡器器组成。最最终的实验验测试表明明,收发两端引引入均衡技技术后,系统可以在在保持级级误码码率的同时时提供超过过75Mb/s的传输速率率。（4）光发射机:光发射机原原理框图：：光发射机的的主要功能能是将电信信号调制到到LED光源发出的的光上，然然后在自由由空间中传传播出去。。光发射机性性能的主要要技术要求求包括：（1）光源性能能应符合要要求。（2）稳定的输输出光功率率。稳定的的光功率输输出能够保保持系统的的稳定性。。（3）调制方法法要简单，，好的消光光比。（4）快的响应应速度。（5）光接收机:光接收机原原理框图：：信息的处理理是采用“电处理、光光传输”方式，这种种工作方式式的特点是是：光电探探测器的功功能相当于于电通信系系统中的检检波器，仅仅仅是完成成光强度变变换的检测测，完成光光/电转换；检检测出的电电信号在后后续处理中中与传统的的电通信系系统几乎一一样，在传传统的电系系统中完成成放大等各各种处理。。光接收模块块原理图:光信号由PIN光电二极管管接收转换换成电流信信号，通过过前置放大大器和主放放大电路进进行放大。。前置放大大器和主放放大器之间间采用阻容容耦合的方方式进行连连接。使得两级级放大之间间的静态工工作点相互互独立，并并且可以起起到滤除低低频干扰的的作用。前置放大电电路：主要部分为为跨阻抗放放大器、差差分信号转转换器和差差分放大输输出。PIN光电二极管管接收光信信号并转化化成电流从从输入引脚脚IN输入，经过过跨阻放大大器进行放放大，再经经过差分信信号转换器器转换成差差分信号，，然后通过过差分放大大器输出。。主放大电路路：主放大电路路对信号进进行多级放放大，使得得信号强度度满足判决决再生的需需要。并且且，电路具具有自动增增益（AGC）功能，对对输入信号号的变化作作出补偿控控制，保持持输出信号号的幅度基基本不变。。放大后的信信号供以太太网介质转转换模块进进行时钟提提取、判决决再生，然然后通过双双绞线传输输到计算机机。光接收机新新技术：分分集接收一种基于分分集技术的的光接收机机技术可以以用来克服服码间干扰扰和阴影的的影响。分分集接收的的思想就是是在接收机机的不同方方向上安装装多个光电电探测器,对多个探测测器接收到到的信号进进行比较,选取信噪比比最大的信信号进行通通信。低速率分集集接收装置置（低于100M）分集接收电电路（信号传输输速率）高速率分集集接收装置置（高于100M）当传输速率率超过100M时,由于码间串串扰的影响响,不能将信号号直接相加加,必须设计专专门的控制制电路对信信道进行自自动判决和和选择.在高速通信信中,信噪比最大大的方向为为直射链接接的方向。。此时,应选取最接接近直射链链接的方向向作为最佳佳接收方向向。低速率分集集接收探测测器原理框框图高速率分集集接收探测测器原理框框图在接收机的的不同方向向上安装的的多个光电电探测器均均匀分布于于一个半球球面上,这样在减少少探测器个个数的同时时又提高了了接收效果果。只要不不是整个接接收机被遮遮住,通信就不会会中断。关关于探测器器的个数和和布局,需要根据具具体环境和和通信性能能的要求来来决定。理理论计算和和计算机仿仿真结果表表明,采用分集接接收系统,能很好地克克服不同路路径引起的的码间干扰扰的影响。。而且,当接收机随随用户位置置改变或室室内有人员员走动和其其他物体产产生阴影时时,通过分集接接收系统自自动判决和和选择,不需要人工工设置就能能保证通信信系统的畅畅通。实验验证明,在高速通信信中,采用分集接接收技术的的系统信噪噪比平均提提高了2dB,有效提高了了系统性能能。自适应传输输技术：采用自适应应收发器的的设计方案案,可以有效减减缓光无线线通信中信信噪比的剧剧烈波动.在发射端,借助一个信信号处理器器(DSP)来完成对机机电定向系系统的实时时控制。DSP被广泛应用用于现代通通信中,使通信系统统获得更高高的信噪比比、更好的的灵活性及及调节预见见性。对白白噪声、非非平衡千扰扰和多径干干扰,可以有相应应的实现方方法去进行行最佳的信信号处理。。在接收端端,则采用单一一的光电检检测器来简简化对光前前端的设计计。这个优优化的设计计方案采用用定向机制制将更多的的光能量集集中到单一一信道,一方面面由于于接收收端视视场的的减小小而降降低了了环境境噪声声对系系统性性能的的影响响,另一方方面大大大提提高了了系统统抗多多径畸畸变的的能力力。室内LED可见光光MIMO通信：：MIMO技术的的优点点：在在不增增加频频谱资资源的的前提提下具具有更更高的的传输输容量量，还还能够够克服服通信信链路路被室室内人人员走走动，，家具具的阴阴影而而打断断通信信链路路的问问题。。MIMO通信系系统组组成：：室内可可见光光MIMO通信系系统模模型：：关键点点：1.LED的发散散角很很大，，漫反反射部部分信信号在在总接接收信信号中中也占占有相相当大大的成成分。。2.由于光光线在在信道道中传传输的的路径径不同同，达达到光光学接接收器器的时时间也也不同同，MIMO系统容容易产产生码码间串串扰现现象。。3.因为信信道存存在多多径效效应，，系统统的调调制速速率越越高，，多径径效应应就越越明显显。系统信信道模模型：：输出信信号：：信道传传输矩矩阵：：第j个接收收与第第i个发射射装置置的功功率传传输关关系：：解调信信号：：考虑漫漫反射射后的的信道道模型型：MIMO信道的的特性性包括括：时时域特特性、、频域域特性性和直直流增增益。。时域域特性性用信信道的的单位位脉冲冲响应应来表表征，，频域域特性性则为为信道道的频频率响响应，，通信信的可可靠性性则可可以由由信道道的直直流增增益间间接表表示。。脉冲响响应=直射脉脉冲响响应+漫反射射脉冲冲响应应在不影影响计计算精精确度度的前前提下下，K的取值值没有有必要要很高高，即即可以以舍弃弃高次次反射射部分分。称称此为为简化化的光光线跟跟踪法法。第j个接收收器经经过k次反射射的频频率响响应，，k阶频率率响应应：离散傅傅里叶叶变换换表示示：为了研研究信信道特特性令令，，求出出信道道的-3dB截止频频率，，再根据据LED的调制制带宽宽，来来设计计接收收滤波波器补补偿信信道特特性缺缺陷而而引起起的误误码，，及最最佳的的接收收方式式。接收器器的信信道直直流增增益可可以表表示为为：MIMO信道仿仿真算算法：：（1）求直直接照照射。。逐个个计算算每个个LED发射装装置出出射的的光线线直接接进入入接收收器的的光照照度，，再考考虑接接收器器的有有效面面积和和探测测器的的转换换效率率，求求出电电信号号大小小，便便得到到接收收器的的直接接响应应。（2）计算算各次次反射射对接接收器器的贡贡献。。（3）高阶阶反射射可用用低阶阶反射射递归归运算算，这这样可可以提提高计计算的的速度度，减减少存存储空空