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1、物 理 学 报Ac t a P h y s S i n Vo 1 6 4 ， No 1 6( 2 0 1 5 ) 1 6 4 2 0 1 二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计水 张逸伦 蓝天十 高明光 赵涛 沈振民 ( 北京理工大学光电学院， 光电成像技术与系统教育部重点实验室， 精密光电测试仪器及技术北京重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 1 ) ( 2 0 1 5 年 2 月1 O日收到； 2 0 1 5 年3 月9日收到修改稿) 针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法 同时满足高增益和大视场的问题， 设计了一种二级级 联式光学天线 通过分析信噪比、 通信速率与接收天线视场角
2、的关系， 发现视场角为 4 O 。 一6 0 。 的光学天线最 适用于室内可见光通信系统 通过光学仿真软件 T r a c e P r o 的模拟及计算， 给 出了所设计的二级级联式光学天 线的增益随信号光入射角 的变化关系结果表 明， 相较于传统接收天线， 二级级联式光学天线具有更好的光 学性能 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4倍 利用 Ma t l a b 对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率 分布进行仿真， 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显， 平均值较直接探测时增大了7 d B m， 进一步 证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统 关键词： 室内可见光通信， 二级
3、级联式光学接收天线， 视场， 增益 P ACS ： 4 2 1 5 E q ， 4 2 6 0 L h ， 4 2 7 9 B h ， 4 2 7 9 S z DO I ： 1 0 7 4 9 8 a p s 6 4 1 6 4 2 0 1 1 引 言 由于人 们对网络通信 的要求 日益提高， 无线 通信技术 先后 出现 了蓝牙、无线保真、红外通信 等 多种通信 方式随着 白光发 光二极管 ( 1 i g h t i n g e mi t t i n g d i o d e ， L E D) 照明技术的不断发展和完善， 白光L E D被认为是下一代照明光源， 预计 2 0 2 1 年 L E
4、D照明将 占据 5 2 以上的全球商用照 明光源 的 市场份额 1 - a 】 考虑 到 白光L E D的未来发展，日 本KEI O大学 的Ko mi n e 和 Na k a g a w a【 】 提 出 了利 用 白光 L E D光源作为基站 的可见光通信技术， 该 技术利用具有高速调制特性的白光 L E D发 出高速 信号来传输信息_5 - 其所处波段对人体无害， 还可 以进行高速通信， 因而广受关注由于 白光 L E D不 仅作为照明装置， 还可作为通信装置， 因此诞生 了 诸如智能超市、 智能化交通系统、 博物馆展品应景 讲解系统等， 应用前景广阔 _ 6 J 目前， 室内可见光通信
5、技术的研究主要集 中在 光源的调制与布局、 信号的编码及解调技术等， 对 光学接收天线尚缺乏系统深入的研究 KEI O大学 Ma t s u mo t o 和 N a k a d a【 7 j 设计了一种双透镜室 内可 见光通信接收系统， 此系统可大 幅降低背景噪声 南京邮 电大学徐宁等 j 提 出利用菲涅耳透镜作为 可 见光通 信的光学天线， 并利用 Z e ma x软件对其 进行 了优化分析诺桑 比亚大学 B u r t o n等 【0 设计 了一种采用分集角度接收的室 内可见光通信接收 系统 对于室内可见光通信系统， 光学天线要简便灵 活， 因此在保证通信质量的前提下要尽可能减小体 积与
6、重量 菲涅耳透镜在 点对点通信中具有很高的 增益， 但 是其视场很小与之相反， 复合抛物面聚 光器 ( c o mp o u n d p a r a b o l i c c o n c e n t r a t o r ， CP C) 视 场虽然可以设计得很大， 但是增益随视场增加而下 降， 且体积随之增大 【 1 0 结合两种光学天线 的优 势， 本文设计了一种用于室内可见光通信系统的二 级级联式光 学接收天线， 在保证接收天线有足够增 益 的同时， 扩大了接收视场 国家重点基础研究发展计划 ( 批准号： 2 0 1 3 C B 3 2 9 2 0 2 )资助的课题 十通 信作 者 E ma
7、i l ：l a n t i a n b i t e d u c n 2 01 5中国物理学会 Ch i n e s e Ph y s i c a l S oc i e t y 1 642 01 1 t t p ： w u l i x b i p h y a c c n 物 理 学 报A c t a Ph y s S i n Vo 1 6 4 ， No 1 6( 2 0 1 5 ) 1 6 4 2 0 1 2 室 内可见光通信 系统对光学接 收 天 线的要求 2 1 增 益 光 学 天线 最主 要 的功 能是 增大 有 效接 收面 积， 汇 聚足够 多 的光信 号到探测 器上，因此光 学 增益
8、是评价光学天线聚光 能力 的最重要的参数之 一 1 1 本文采用文献 【 4 】 对室内可见光通信技术 进行基础研究时提出的房间模型， 设房间大小为 5 I I 1 5 I n3 1T I ， 接收系统所放置的桌面距离地面 0 8 5 m， L E D光源距离地面 2 5 I T 1 室内共有 4 组光 源， 每组光源 由3 6 0 0( 6 0 6 0 ) 个 L E D组成， L E D间 距为 1 c m每个 L E D光功率为 2 0 mW， L E D 中心 的发光强度为 0 7 3 c d 在直视 ( 1 i n e o f - s i g h t ， L OS ) 信道下， 信道
9、直流增益可表示如下 【 l 2 j ： ： cos l ( 0 )， 一 2 2 视场角 在实际应用 中， 扩大视场可 以让光学接收天线 接收更多入射光 以增加其聚光效率， 但视场角过大 又会增加噪声， 因此确定合适 的视场角对于设计光 学接收天线具有非常重要 的实际意义 假设采用正交频分复用调制方式， 室 内可见光 通信系统的功率信噪 比为 1 3 S1NR ： 2 P 2 q T P R B + 2 g g I2 B + 8 n k T K 卵 A I 2B 2 + 1 6 2 k=_T K F rl 2 A 2 ( 2 ) 9 m J 其 中， ， y 为探测器响应度， q 是 电子 电
10、荷， 是信号 功率， B是等效噪声带宽， 是暗电流， 是噪声 带宽因子， 是玻尔兹曼常数， 是绝对温度， 卵是 光 电探测器单位面积 的固定 电容， G 是开环电压增 益， ，是噪声因子， g 是跨导 图 1 显示 了接 收系统在 一些视场角下的信噪 比与信 号速率间的关系随着视场 角变大， 信噪比 随之下降； 随着传输速率 的增加， 信噪 比下降如 果想获得2 0 0 Mb s 传播速率且信噪比大于1 0 d B ， 视场角不能大于 6 0 。 ， 但视场角过小又会造成探测 器接收到的信号很弱因此， 在国际标准化组织的 书写照度标准下， 室 内可见光通信光学接收天线的 视场角需要设计在 4
11、0 。 一6 0 。 之间 羞 坦 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 传输速率 Mb S 一 1 图 1 f 网刊彩色)不同视场 角下室内可见光通信信噪 比随 速 率的变化 F i g 1 ( c o l o r o n l i n e )S N R v e r s u s d a t a r a t e w i t h d i f - f e r e n t矗e l ds o f v i e w 3 菲涅耳光学天线特性分析 如 图2 所示， 菲涅耳透镜是在平 凸透镜 的基础 上发展而来 的，由于在均 匀
12、介质 中光线不发生偏 转 【 ， 去除平凸透镜中对光线无影响的部分， 可以 在保存会 聚功能 的同时减小平 凸透镜的体积和 重 量， 降低成本与价格 图2 菲涅耳透镜形成原理 Fi g2 Co nc e p t u al i l l u s t r at i on o f F r e s n e l l e n s 随着入射角度的增大， 光线经过菲涅耳透镜聚 焦后的光斑半径与偏移量都随之增加如果具体分 析倾斜入射光通过菲涅耳透镜后的光斑半径， 需要 物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n V o 1 6 4 ， No 1 6( 2 0 1 5 ) 1 6 4 2 0 1 考虑斜入
13、射光线通过菲涅耳透镜最外齿与最 内齿 的偏移情况 如图3所示，以入射角 斜入射 的光线经过菲 涅耳透镜发生一次折射后的出射角 如下式所示： =a r c s i n ( s in n ) ， ( 3 ) 其中， 礼为菲涅耳透镜材料 的折射率 图 3 斜入射 时菲涅耳透镜会聚后会聚点的偏移 Fi g 3Fr e s n e l l en s de v i a t i o n of c o n v e r g e nc e p oi n t at i nc l i ne d i nc i de n c e a ng l e 光线经过 出射面时再次折射， 光线会聚向焦平 面 的入射角为 =a r c
14、 s in n s i n ( w s + ， ) 一 t ， ( 4 ) 其 中， 为菲涅耳第 i 齿的斜边与入射面的倾角 t a n =F 将 ( 3 ) 和 ( 4 ) 式代入 ( 5 ) 式中， 得入射角为O z 时会聚 点偏离中心的长度： = -ft a n a r c 8 n s n t + a r c s n ( ) ) +罢 ta n t ta n a rcsin 竹 s n ( t + a r c s n ( n) ) t ) ( 6 ) 利用 MA T L AB计算不同入射角时的会聚点相 对于焦点的偏移量， 如 图4 所示 由图 4 可知， 会聚点相对于焦 点的偏移量随着
15、入射角的增大而增加 此外， 由图4 可知， 最外齿与 最 内齿的偏移量之差也随入射角的增大而增大， 这 说明光线经过菲涅耳透镜聚焦后的光斑也随入射 角的增大而增大以上结果表明， 菲涅耳透镜 的视 场十分有限， 基本局限在近轴范围， 更适用于点对 点的通信系统 富 目 咖 簿 堡 图4 ( 网刊彩色) 各齿会聚点偏移量随入射角的变化 F i g 4 ( c o l o r o n l i n e )D e v i a t i o n o f c o n v e r g e n c e p o i n t v e r s u s t h e a ng l e of i nc i de nc e f o r di ffe r e nt p i t c h e s 4 二 级 级 联 式 光 学 天 线 的设 计 与 特 性 分 析 4 1 二级级联式光学天线的设计 菲涅耳透镜在 点对 点通信系统 中可 以大幅度 提升接收系统的性能， 但对于大角度入射光 的聚光 性 能却不尽如人 意对 比了多种聚光器的特性后， 本文选择使用 C PC作为二次聚光
