LED可见光通信开题报告

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1、武汉工业学院学生毕业设计（论文）开题报告表课题名称借助 LED照明传输数字信号课题类型毕业设计课题来源自拟导师谢兆鸿学生姓名学 号专业自动化一、选题的基本内容、国内外现状、课题的意义1. 课题内容 LED作为冷光源和节能光源， 正在不断发展和普及， 所以利用这个新光源的可见光来通信， 也是目前研究的热门课题。LED可见光传输技术是利用萤光灯或是白光LED等室内照明设备， 发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的讯号，以无线方式来传输数据。采用可见光另一个特点 是它的波长范围大，可以将可见光讯号用不同的波长进来进行传输。从而实现多路通信。可 见光还有无电磁辐射、易保密等特点，尤其搭借了照明平台，所以不需

2、要采用另外的传输介 质，采用广播方式，受体的数量即容量受到的制约小，其缺点是不易实现双向的通信。所以 课题的主要内容是尝试设计一个LED通信试验系统，通过对频率的调制，发出特定的编码信 号，接收方利用光电敏感器件接收调制光，解调后还原成数据信号。2.国内外现状 2000 年，日本的 Tanaka 和 Haruyama等人开始室内 LED光通信系统的研究，假设LED光 照为朗伯模型，对系统进行了仿真，发现主要影响系统性能的是多径效应6102003 年，Komine 等人在 1 Mb/s 的速率下对电力线通信与LED通信结合进行实验并进行 了仿真 f70 2008 年，日本在电子高新科技博览会上，

3、展出了LED通信系统，在接收机与发送机相距 约 20cm双工工作的情况下，实现了100 Mb/s 的传输速率。同年，美国也投入巨资成立了 智能光 T - 程技术研究中心 , 探索通过 LED光源实现无线通信。目前越来越多的国际化大公 司开始加入该计划。2010 年 5 月，中国科学院通过调制LED所发射的光线已经实现同时接入3 个用户，接入 带宽为 2Mbps ，接入距离为 2m的互联网连接，同时不影响LED的照明效果。在上海世博会 的“航空馆”和“沪上生态家馆， ，中展示，达到国际先进水平。2010 年 1 月 15日，德国研究人员创造了每秒500兆的可见光通信传输新记录3.课题的意义 近几

4、年 LED产业蓬勃发展， LED由于具有常规照明无可比拟的绿色，节能等优点，取代 传统照明成为一种趋势。且LED响应时间在纳秒级，可以实现信息的高速调制，这个特点 使 LED在照明的同时进行信息传输成为一种可能。LED技术的不断进步， 且潜在的优点， 使 LED代替其他传统照明的趋势已经越来越明显。 LED可见光通信技术与其他无线传统通信方式相比较，优点如下： (1) 可见光通信技术采用了LED照明光源作为光信号发射机， 因此只要光照的地方均能实 现信号覆盖进行通信，没有通信死角，而且接入方便快捷。(2) 信号发射源发射功率可以很高。由于传统的射频通信存在电磁辐射对人体有害，发射 功率受到一定

5、的限制，不可以做的很高。其他的无线光通信，例如红外激光等，也存在同样的原因，发射功率一般很低，这样在一定程序上限制了系统的性能。可见光通信技术， 由于利用了照明光源，因此一般情况下不需要限制发射功率，这样发射功率就可以提高。(3) 不要需无线电频谱申请。无线电频谱是受到管制的，而且不是所有的频谱都适用于通 信，现在能够申请的无线电频谱己经相当稀少，在外国频谱已经卖出了天价，而可见光通 信由于其特殊性则无需进行申请，技术的实现也减少了障碍。(4) 可见光通信技术可以用于特殊场合。可见光通信不产生电磁波，因此，在一些对电磁 波要求非常严格的场所，像医院等也可以使用。(5) 保密性好。可见光穿透能力

6、比较差，因此用窗帘等可以防止外泄，实现通信的安全。二、 研究方案1. 关键技术 (1) 可见光信道研究 可见光通信系统具有与红外无线通信不同的信道冲激响应，两者具有不同的特性，这两 种系统中，引起ISI 的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的VLC系统的信道 冲激响应和不同光路径引起的ISI 作深入研究，从而解决ISI 的影响。(2) 码间干扰克服技术 由于 LED单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致不同的传输延迟，光脉 冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内，产生码间干扰， (ISI)导致系统性能恶化。(3) 光源的选择与布局 在可见光通信系统中

7、，光源起着至关重要的作用。作为室内照明设备，它必须具有亮度 高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点。另一方而，作为光通信系统的光源，它必须具 有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。综合以上两个方而，目 前能满足要求的最好选择就是白光LED 。实际系统中， 由于各个房间的大小以及室内设施不 尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房间内的光强分布大致不变，尽量避免通信台 区(光照射不到的区域 )的出现。要达到这个目的，必须根据不同的房间，合理的安排LED 灯的布局。(4) 最佳 LED照明灯个数 在 VLC系统中，通常安装在室内的LED灯具有一个较大的辐射角，以尽可能地覆盖整个

8、房间。但是由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表而形成“阴影”，影响通信性能。因此 就需要将这种“阴影”的影响降至最低。对于照明来讲，室内安装的照明灯越多，室内的 亮度就越高，照明效果越好，同时接收功率也会大大增加。但是单纯地增加LED灯的个数， 虽然能够解决“阴影”问题，却并不能使系统的通信性能达到最佳。这是因为，不同的光 源与接收机之间具有不同的光路径，多个不同的光路径会引起多径延迟产生码间干扰。因 而可知， LED灯的个数越多， ISI 越严重，必须合理地选择LED灯的个数。(5) 调制、编码以及解调技术 目前可见光通信系统大多采用强度调制(IM) 的直接检测 (DD)非相干系统，编码方式

9、大多为二进制 OOK( 开关键控 )编码。但由于 OFDM 可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰， 其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多。因此采用 OFDM 调制技术具有良好的发展 前景。2.LED驱动设计 因为 LED正向伏安特性非常陡 (即正向动态电阻特别小 )，于是给 LED供电不会像普通白 炽灯那样直接用电压源供电，否则电压波动稍微增大，电流就会急剧增大到将LED烧毁的 程度。因此为了能够稳定LED的工作电流，保证LED能够正常并稳定地工作，各种各样的 LED驱动电路就应运而生。在LED可见光通信中，由于几百兆的数据传输速率，要求LED 光源急速点亮与熄灭，必需考虑LED的响

10、应时间，这也对LED驱动电路提出了更高的要求。3.LED伏安特性 由前节我们已经知道了LED具有普通二极管的伏安性，可分为工作区、正向死区、截止 区和击穿区四个区。为了使LED能够达到正常发光的目的，就要保证能够使他的状态稳定 在工作区。4.LED调制特性 白光 LED的响应时间通常在纳秒级，因此，白光LED可以达到极高的调制速率，这也是 LED在可见光通信受到欢迎的原因。 白光 LED的最大调制速率是指在一定的调制方法下，LED 输出的光亮度降低至某一个低频参考值的二分之一时刻的频率。据实际经验知道，不同的 LED调制速率是不同的， 他基本由 LED本身的特征决定。 在 LED上通过较低的电

11、流时结电容 是限制调制速率的主要原因，也就是零偏压情况下LED的电容值。而当偏置电流逐渐提高 时，这时调制速率就基本由注入到有源区的载流子的寿命来确定。 LED的另一个参数值响应时间也需要我们考虑。响应时间是用来描述LED亮度随开关闭合 反应快慢的。响应时间我们可以定义为LED由点亮到熄灭或由熄灭到点亮所延迟的时间的 长短。上升时间 t1 表示 LED的由熄灭到点亮时间用的时间也就是指从闭合开光从发光亮度 上升到额定功率的10% 开始计时直到亮度达到额定功率的90% 所需要的时间。同理，下降时 间 t2 是指 LED由发亮到熄灭时间定义为LED由正常点亮，断开开关后，亮度降至额定功率10% 所

12、需要的时间。 通过上面分析可以知道在可见光通信系统中信息的高速传播会受到LED的响应时间影响， 因此必须能选用合适的LED以符合通信需要的要求，而且在设计LED驱动电路时，也必须 考虑怎么样设计才能在最大程度上缩短LED的响应时间。5.LED驱动电路 为满足照明要求LED能够稳定工作，而且必须有很高的开关速率才能兼顾通信。设计了 高速调制驱动电路图如图3-5 所示。晶体管 BG l 和 BG 2组成发射极藕合开关，给LED支路 提供稳定的驱动电流。该电路开关速率更高，理论上可实现传输速率1OO Mb/s，能达到 LED 可见通信系统的要求。 C为加速充电放电容，与电感L 目的都是为了提高开光速

13、率。综上分析可以看出，对白光LED调制驱动电路的总的要求是: (1) 输出尽可能大的稳定光功率。输出光功率越大，信号光可传输的距离越长，系统覆盖 范围越广。 (2) 电路的频带宽度能够覆盖传送电信号的频谱范围，信号具有尽可能小的非线性失真。在电路的布线方面，由于白光LED通信系统中，信号光谱在可见光波段，并且系统工作 在高频情况下，因此发射电路的设计与红外光通信不同。根据实验的经验，总结出电路设 计中要注意以下问题 : (1)阻抗匹配问题 : 比如在我们设计的分压式共射极形式的白光LED的驱动电路中，基极 分压电阻分别为3 KSZ 和 1 KSa 时调制电路和驱动电路将达到最佳的电阻匹配，此时

14、调制 信号在电路中的反射也会达到最少，也就是说阻抗匹配的时候，信号传输最好，信号畸变 最小。如果电路没有实现很好的阻抗匹配，将会观察到很严重的信号失真。(2)藕合方式选择 : 调制信号和驱动电路部分采用电容祸合方式，目的是保持白光LED的 静态工作电流不受前面放大电路的影响。(3)偏置电流的大小 : 偏置电流大小取决于白光LED静态工作点的选择。实验中首先测量 了白光 LED的 P-I 特性，确定了其正常发光时的线性工作区域。设置偏置电流的 大小等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，并控制调制信号的峰值位于LED工作 P-I 特性的线性范围内，否则将产生信号波形的失真。 (4) 器件选择方

15、面 : 由于电路是高频电路，器件的寄生的电感电容对整个电路的影响比较 大，所以选择器件时候尽量选择寄生电感和寄生电容小的高频器件，对阻抗要求敏感的地 方要选择精度高的器件。(5)供电方面 : 对电信号处理电路和白光LED驱动调制电路进行独立供电，并采用专门的 供电芯片，可以保证调制驱动电路有非常稳定的工作电压，大大减少了电源的浮动引起的 噪声和电源开关瞬间对调制驱动电路的冲击，非常好的保护了这个电路系统。(6)电路布局 : 电源、地等要采用平面的形式来减少信号间的电磁干扰，在必须用线走的 时候尽量的粗且尽量的短，并且在每个电源的供电引脚出要加上一个或者多个滤波电容， 使得进入调制驱动电路的电源

16、更加干净、稳定。电源通过0.O1F 和扭 F 的电容接地，可以 滤除低频和高频噪声干扰。(7)信号线走线 : 信号线应尽量的短，拐弯的地方尽量采用非直角拐弯来减少电磁辐射， 高频信号线之间要保持一定的距离，防止信号的串扰。6. 可见光接收电路设计 在白光 LED通信系统中，光接收机的主要任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出经由 无线光信道传输后光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个可见光 通信系统的性能。本节将从光电探测器的选择出发，从电路噪声特性和接收机带宽设计角 度研究光接收机的前端放大电路设计方案。 可见光接收电路组成 : 白光 LED照明光源通信系统有模拟和数字两大类，光接收机相应也有两大类，即模拟接 收机和数字接收机。如图(3-6 )所示为可见光接收机的组成框图，它们均由光探测器、低 噪声前置放大器及其它信号处理电路组成，是一种直接检测方式。相对于模拟光接收机， 数字接收机更复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC 放大等电路。为了和输入及输出电路有良好的阻抗匹配，组件内还需配置阻抗匹配网络。 为了使光电二极管正常稳定工作