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1、分类号 学号 D200877585 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 可见光 LED 通信系统的 性能研究与理论设计 学位申请人： 张鹏程 学 科 专 业 ： 光学工程 指 导 教 师 ： 刘德明 教 授 刘 陈 副教授 答 辩 日 期 ： 2011.8.29 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Performance Research and Theoretical Design of Visible Li
2、ght LED Communication System Candidate : Pengcheng Zhang Major : Optical Engineering Supervisor : Prof. Liu Deming Asso. Prof. Liu Chen Huazhong University of Science several factors to influence system performance are analyzed, reducing system bandwidth, increasing transmitting power and centralizi
3、ng light source can increase system signal to noise ratio. (3) The transmitting characteristics of white LED receiving system is analyzed, let it have a root raised cosine roll-off spectrum can eliminate intersymbol interference and realize matched filtering. The design of receiving filter with such
4、 spectrum using MATLAB is introduced. Key words： visible light communication white LED wireless channel system performance 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 概论 1.1 可见光通信的意义 . (1) 1.2 国内外研究进展 . (2) 1.3 本论文的主要研究内容 . (4) 2 可见光通信发射端机的研究 2.1 白光 LED 的特性 . (5) 2.2 白光 LED 的
5、驱动电路 . (10) 2.3 本章小结 . (12) 3 基于照明约束的可见光无线信道分析 3.1 白光 LED 的照明布局 . (13) 3.2 无线信道的分析 . (19) 3.3 OOK 基带系统性能的分析 . (31) 3.4 本章小结 . (39) 4 可见光通信接收端机的研究 4.1 无码间干扰和匹配滤波器. (40) 4.2 可见光通信的接收滤波器设计 . (45) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IV 4.3 可见光通信系统的接收实现 . (46) 4.4 本章小结 . (49) 5 总结与展望 . (50) 致 谢 . (52) 参考
6、文献. (53) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 概论 1.1 可见光通信的意义 随着全球的能源供应变得越来越紧张，人们在寻求更多能源及其替代品的同时，也 在探寻更高效率使用能源的方法。在照明领域，传统的照明设备白炽灯和荧光灯都有自 身的缺陷。白炽灯的发光效率不高，为 1224lm/W；荧光灯的发光效率虽然可以达到 50120lm/W，但它含有会污染环境的水银。而 LED 灯预计可以达到 250lm/W，目前可 以达到 110lm/W，并成功应用于实践中。故 LED 灯被认为是未来照明发展的方向。 LED 灯不仅可以用作照明光源，由于它的响应时间
7、很短，为纳秒量级，它还可以 用作通信光源。可见光通信（VLC）技术就是一种以可见光 LED 灯作为照明光源的无 线通信技术。现有的无线通信技术可以根据载波的不同分为无线电通信和无线光通信； 无线光通信又可以根据光波长的不同分为红外光通信和可见光通信。几种无线通信技 术的比较可以参见表 1-1： 表 1-1 几种无线通信技术的比较 比较项比较项 无线电无线电 红外红外 可见光可见光 带宽被管制？ 是 否 否 是否穿墙？ 是 否 否 存在多径衰落？ 是 否 否 存在多径色散？ 是 是 是 路径损耗 高 高 高 主要噪声来源 其他用户 背景光 背景光 是否限制功率？ 是 是 否 阴影效应 无影响 容
8、易受遮挡物影响 安装多个 LED， 可消除 阴影效应 可以看出，与无线电通信相比，可见光通信具有以下特点： （1）对人类非常安全。VLC 系统使用室内的 LED 照明灯发送数据。 （2）无需无线电频谱认证。无线电频谱资源由于被管制显得非常有限，当前能够 分配的无线电频率已经严重不足。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 （3）无电磁干扰。可以用于对电磁干扰严格限制的场合，如医院、飞机等。 （4）通信安全可靠。由于可见光通信不能穿墙，故其通信被严格限制在了室内， 使得室外窃听室内的通信数据非常困难。 （5）没有多径衰落效应。由于光波长相对于探测器的面积来说
9、微乎其微，所以探 测器提供了足够的空间分集，有效地遏制了多径衰落效应。 与红外通信相比，可见光通信具有以下特点： （1）发射功率不受限制。对于红外光通信，其发射功率受到人眼安全的限制而不 能太高，因此限制了系统性能。在 VLC 系统中，由于发射的是对人眼无害的可见光， 且一般散射角很大，故发射功率较高。 （2）阴影效应小。 通过比较可以看出，可见光通信在某些方面给有它自身的优势，它可以看做是无 线通信技术的一种补充。 它以极小的附加代价使得照明 LED灯可以传送高速率的信号， 因此发展前景广阔。 1.2 国内外研究进展 室内 LED 可见光无线通信技术主要应用在无线宽带接入网中。如图 1-1
10、所示，白 光 LED 阵列接收来自服务器的信息，发出随信息而变的可见光。室内的终端接收后进 行与发送端相应的处理，就可以得到发送的信息。 图 1-1 室内无线宽带接入网示意图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 1.2.1 国外研究进展 室内 LED可见光无线通信技术最初是由日本 KEIO 大学的Tanaka等人15提出的。 2000 年他们和 SONY 计算机科学研究所的 Haruyama 提出了利用 LED 照明灯作为通信 基站的室内无线通信系统。他们采用强度调制直接检测（IM/DD）的光调制形式，考 虑直射光和一次反射光，对系统性能进行了建模仿真，获得了误码率与数据率、接收 功率等之间的关系， 认为数据率在 10Mbps 以下的系统是可行的， 影响系统性能的两大 因素是码间干扰和多径效应。 2002 年，Tanaka 等人求出了可见光无线通信系统所需的基本功率要求，并分别采 用 OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM 的调制方式进行仿真分析，得到了相应的误码率大 小。同年，Komine 等提出了一种结合可见光通信和电力线载波通信的通信系统6，采 用 SC-BPSK 的调制方式进行了系统仿真，发现数据率在 1Mbps 下是可行的。Komine 等还研究了由
