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基于LED的高速可見光通信系統研究

時間: 2020-05-04 | 編輯: 130 | 閱讀:130次

  摘 要: LED照明與可見光通信技術相結合,構建出基于LED的可見光無線通信系統。本文介紹了白光LED的光源特性,分析了均衡技術可以克服LED較低調制帶寬和提高信噪比的特性。詳細介紹了不同調制體制的高速可見光無線通信系統,并比較了它們的優缺點,最后介紹了高速可見光通信系統的組網,通過對通信鏈路和系統信道模型進行分析討論,指出了照明設計和接收機設計時應考慮的因素。

  關鍵詞: 高速可見光通信系統;LED光源;均衡技術;調制體制;組網

0 引言

  基于LED的可見光通信(Visible Light Communication,VLC)作為一種照明和光通信結合的新型模式推動了一種拓寬頻譜資源、綠色節能、可移動的接入方式的發展和技術進步,給傳統接入網技術帶來了巨大的考驗。

  LED可見光無線通信分室外通信和室內通信兩大類。室內LED可見光無線通信技術主要利用室內LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。室外LED可見光無線通信技術目前主要應用在智能交通系統(ITS)中,出現了LED交通燈與汽車前后LED燈之間構成的交通燈至汽車和汽車前燈至汽車尾燈這兩類可見光通信系統[1]。

  可見光無線通信系統開啟了VLC寬帶接入網物理層的基礎問題的初步研究。通過關鍵技術研究和建立高速光通信系統掌握了可見光通信的信道特性、鏈路設計、發射驅動電路技術組網技術等一系列理論及工程實踐技術。當今,可見光通信技術的研究在短短十幾年間得到了迅猛的發展。從幾十兆比特每秒到500 Mb/s再到吉比特每秒傳輸速率不斷提升,從低階調制到高階調制,從離線到實時,從點對點到MIMO,技術發展一日千里[2]。

1 LED光源特性及均衡技術

  可見光通信利用白光LED(WLED)作為信源 。連續光譜的白光不可能從單一的LED芯片獲得,白光LED的實現途徑大致分為兩種[3]:一種是利用熒光粉吸收LED芯片發出的較短波長的光(如藍光、紫外光),激發出較長波長的光(紅、藍、綠、黃光),吸收光譜與激發光譜有重疊部分。通過多色光的混合得到白光。另一種是利用三基色原理,將發射紅、綠、藍光的LED芯片集成封裝在一起按比例混合得到白光。這種方法需要一定的電子電路來控制這些光色的混合比例而得到白光。

  當要通過增加調制速率來實現高速通信時,由于LED 的響應特性等決定了可見光通信系統的調制帶寬,直接關系到數據傳輸速率的大小,導致可見光通信系統將難以實現這種高速通信。LED光源中較低的調制帶寬問題,在基于LED的光無線通信系統中是影響系統性能優化的主要因素。但均衡技術可以有效地擴展帶寬,通過在發送和接收設備中采用均衡技術,并在接收端窄帶濾光,可以提高調制速度。

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  均衡分為發射端預均衡和接收端后均衡 ,從實現方式又可以分為模擬均衡和數字均衡 。模擬預均衡有兩種方式,見圖1(a)。一種是使用電感與LED串聯的方式,降低LED 的容抗;另一種是使用電阻、電容并聯的方式降低低頻信號通過比例,提高高頻信號通過比例。模擬預均衡結構簡單,但參數隨器件變化。數字預均衡利用信號處理方式可以自動調整發射波形,如圖1(b)。預均衡前后頻譜和誤比特率對比如圖2。

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  接收端藍光響應的幅頻特性可以用一階函數近似,模擬均衡可以采用簡單的一階RC電路,如圖3(a),均衡前后信道幅頻響應如圖3(b),均衡前信道3 dB帶寬約為15 MHz,均衡后提高到約80 MHz。

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  實驗證明,借助均衡技術可提高LED的調制帶寬,相應地,系統的誤碼率特性也得到了改善。沿著這一研究思路,適度增加均衡方案的復雜性,可以使系統的性能得到進一步的優化[4]。

2 高速可見光通信系統

  由于可見光LED是非相干光源,只能采用直接調制技術。在無線光通信中,普遍采用強度調制/直接檢測(IM/DD)系統。通過研究適合可見光通信的調制編碼方式和各種信號處理技術,充分利用可見光通信的光譜資源,實現逼近容量的高速可靠傳輸。

  2.1 OOK可見光通信系統


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文章標題: 基于LED的高速可見光通信系統研究
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