?基于LED的室内可见光通信系统；摘要:可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术,；关键词:白光LED;无线通信；可见光通信；无线光；TheVisibleLightCommunica；Abstract:Visiblelightcom；opticalcommunicationtech；wirelessopticalcommunica；Keywords:Whit
基于LED的室内可见光通信系统
摘要: 可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术,随着白光LED的发明及应用,可见光通信技术得到了良好的发展。白光LED不仅可以提供室内照明,而且可以应用到无线光通信系统中满足室内个人网络需求。在照明方面,白光LED的节能、环保等特点被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源,成为下一代固体照明光源。与此同时,白光LED又具有响应时间短,加之其具有高速调制特性,可以设计出基于白光LED的室内可见光无线通信系统。由此设计出的基于白光LED的室内可见光无线通信系统,与传统的红外和无线电通信相比,具有发射功率高、无电磁干扰和无需申请频谱资源等优点。 论文主要对基于白光LED的室内可见光通信系统进行了研究。本文对白光LED的结构及发光原理,以及在其用作通信光源时的伏安特性、电光转换特性和光谱特性等物理特性做了较深入的分析。对白光LED用作通信时的辐射模式、光子出射机理及其数学模型等辐射特性做了理论上的探讨进而研究了通信系统的通信信道,对通信链路的构成进行了分析,给出了一种基于水平亮度和接收功率的光源布局方式。根据国际化标准,普通办公室照明要求光照度为300lx-1500lx。通过分析,本文给出的光源布局方式设计合理,符... 关键词:白光LED;无线通信；可见光通信；无线光通信
The Visible Light Communication System Based on LED
Abstract: Visible light communication technology is an emerging wireless optical communication technology. The visible light communication technology has a good development with the invention and application of LED white light. White LED can not only provide indoor lighting, but also can be applied to wireless optical communication system network to meet the individual needs of the indoor. In the lighting, white LED has energy-saving, environmental protection and other features, that fluorescent, incandescent, and ot...
Key words: White LED; wi Visible wireless optical communication 1室内可见光通信技术 日本是可见光通信技术研究的先行者，尤其以KEIO大学的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama为代表率先开展了一系列基础性的理论研究。2000年，他们提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统的思想，在接下来的几年里展开了多项研究分析。2008年，太阳诱电株式会社在“2008年日本电子高新科技博览会”上现场演示了采用自光LED的高速无线通信系统．但是最大传输距离仅为20cm左右。2008年，美国政府资助成立“智能照明”项目。它是一个投资1．85亿美元为期lO年期的计划，涉及多家学院的30多位大学研究人员，包括伦斯勒理丁学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。国内对基于自光LED的可见光通信研究起步较晚。2006年，暨南大学的陈长缨、胡国永等提出基于白光LED照明光源的室内无线通信技术,设计并实现了点对点的通信系统。该系统通信距离为20cm，能够在10MHz的传输速率下，保证频率调制(FM)信号的正确传输。2008年。该研究组在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题．实现了实用照明的室内可见光通信系统。系统性能得到了很大程度的提高．成功实现4Mb／s带宽的数字视频信号传输．信号传输距离超过了2．5m。 1．1室内可见光通信系统介绍 室内VLC系统的一种典型设计如图l所示：由终端、可见光通信适配器、可见光通信集线器、白光LED光源、光电探测器及相应信号处理单元组成。系统分为前向链路和反向链路两部分．每部分都包括了发射和接收部分。发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成．而接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组成。
可见光无线集线器是可见光通信网络中的核心组成部分，接收来自终端用户的信息．同时分时段地将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。可见光通信适配器包括了前向链路的自光LED光源和反向链路的光电接收器，集合了发射和接收功能，负责将终端用户的信息调制成光信号和接收来自反向链路的光信号。天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号，并转换成电信号送入可见光通信集线器。电信号经过可见光通信集线器的简单处理后，调制到白光LED光源上变成光信号．以广播的方式发射出去。在接收端．终端的可见光适配器将发给自己的信息解调出来送人终端用户，实现了局域网内的无线通信。 1．2关键技术研究 1．2．1高速调制驱动电路设计 调制带宽是衡量LED的调制能力的参数．关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小阁。其定义是在保证调制度不变的情况下．当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(一3dB)所对应的频率。从微观结构分析．影响白光LED高速调制有两个因素：载流子寿命和结电容。LED因受两者的限制．其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用。但是，通过合理设计和优化驱动电路。LED也可以用于高速通信系统。由于实现简单．VLC系统大多设计成光强度调制／直接探测系统。白光LED高速调制驱动电路图设计如图2所示。
该设计能够达到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂．以及光功率补偿等目的。可以用于数字视频信号源码流传输。晶体管BGl和BG2组成发射极耦合式开关．BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，为LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作。即使输入端过激励时。其仍没有达到饱和．所以开关速率更高。理论上可传输300Mb／s以上的数字信号。 1．2．2白光LED照明光源布局设计 单个LED发光强度和发光功率都比较小．为了同时实现室内照明和通信双重功能．LED照明光源应设计为多个自光LED组成的阵列。为满足基本照明需求，在系统设计中应首先考虑室内光照度的分布。要使通信效果达到最优．必须根据房间的大小以及室内设施不同合理布局，使房间内的光强分布大致不变．尽量避免盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡。会在接收机表面形成“阴影”．影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多．可以降低“阴影”效应，使得接收功率大大增加，但多个不同的光路径会他僻ISI越严重。因此．在达到室内照明标准的同时也婴孑虑ISI的影响．合理安排LED阵列光源的布局尤为关键。 1．2．3信道编码技术 数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪声干扰．导致传送的数据流产生误码．从而使接收端出现异常现象。比如：图象跳跃、不连续、出现马赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理．使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力．提高数据传输效寥，降低误码率．并最终提高数据的通信距离。暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术。通常来说．分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组．根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示．然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。常用的信道编码有182B(曼彻斯特码)、384B、586B、688B等。mBnB码的优点有：①功率谱形状较好；②连0连1个数有限，没有基线漂移问题；③提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明．经过688B编码后．光信号在通信距离r=-0．5～2．5m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用688B编码技术．可以保证本系统中数据高速传输的同时．使信号传输距离超过2．5m。而且．可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。如图3所示．以一个12bit的原始数据为例，介绍688B编码实现过程。
1．2．4正交频分复用(OFDM)技术 OFDM是一种应用于无线环境下的高速传输技术．具有很强的抗多径能力，已经在高速无线光通信中获得了广泛应用。早在2001年．日本庆应大学中川研究室就提出了为提高传输的数据率．在VLC中引入OFDM调制方式的必要性。OFDM技术的主要思想：在频域内将所给信道分成多个正交子信道．在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输。使得每个子信道相对平坦．并且在每个子信道上进行的是窄带传输．信号带宽小于信道的相干带宽IL81。因此．就可以大大消除ISI。在可见光通信OFDM系统中．首先要对信号源电信号进行OFDM编码．然后加一直流偏置对LED光源进行调制。由于在发射端将串行的高速数据并行地调制到多个正交的副载波上．降低了码速率．增加了信号脉冲的周期．减弱了多径传播引起的ISI的影II[句i9l。另一方面．可以通过在OFDM信号间加入保护隔．进一步减弱ISI的影响。 然而，OFDM还存在这样的缺点：当数据信息在深衰落子信道传送．各子载波使用的相同的发射功率和调制方式时，这个深衰落子信道的误码率会增大。那么即使其它子信道的误码率很小．整个系统的通信性能会因其中的任何子信道的不良通信而恶化。2005年．西班牙的0．G0nzalez等人提出了一种利用自适应OFDM信号提高通信能力和减小多径效应的方案克服这个缺点。自适应OFDM调制可以根据当前信道状况调整各子信道分配的比特和功率．在信道条件好的子信道中传输较多的比特数和更多的能量。相反．在深衰落子信道中，系统将不传信息或减少该子信道的数据传输的比特数。实验表明，通过这样的自适应调整后有效地减弱无线光信道中噪声的影响．整个系统的传输效率会有很大的提高． 1．2．5光码分多址(OCDMA)技术 采用光码分多址技术141来区分不同用户的信息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源，因此不同的用户信号必须具有不同的特征，这样适配器接收时才能将不同用户信号分割开。OCDMA给每一个用户分配一个单独的地址码。数字信号在各自的地址码上进行编码．在接收机上通过相应的序列进行解码。采用OCDMA技术还能大大提高 了系统的抗噪声能力。可以把信号从噪声很强的环境 中检测出来． 1．2．6分集接收技术 分集接收技术的提出是为了提高VLC系统的信噪比。克服高速通信中码间干扰的影响。分集接收的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器。对多个探测器接收到的信号进行比较．选取信噪比最大的信号进行通信。 在分集接收系统中．两个关键的下作是：信号的选取方式和光电探测器的布局。在信号的选取上，对于低速率的白光LED通信系统．直接将多个探测器接收到的信号通过一个加法器进行简单相加．然后将相加后的信号送进接收机进行滤波解调和解码等处理．大大提高了信噪比：当通信系统的传输速率高于100Mb／s时。由于码间串扰的影响．不能将信号直接相加。必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择。原理如图4所示。
对各个探测器转换后的电压图4高速率分集接收探测器原理框图信号进行实时采集采样．再送入电压比较器进行比较．找出电压值最大的信道．此信道即为要进行通信传输的信道。同时．比较器输出控制信号将相应的信道选通。对于光电探三亿文库3y.uu456.com包含各类专业文献、外语学习资料、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、中学教育、高等教育、39基于LED的室内可见光通信系统_论文模板等内容。　
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可见光通信是一项新兴的基于白光LED的无线光通信技术。可见光通信系统可以实现照明和通信的双重功用。通过分析影响白光LED通信性能的因素，对白光LED通信中提高系统整体性能的若干关键技术进行了分析讨论，为改善白光LED通信系统性能提供进一步努力的参考依据。
可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)是随着白光LED照明技术的发展而兴起的无线光通信技术，可分为室内可见光通信和室外可见光通信两大类。白光LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。同时与传统照明光源相比，白光LED又具有响应时间短、高速调制的特性，因此可以设计出基于白光LED的室内可见光无线通信系统和网络，实现照明和通信的双重作用。目前，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但与可见光通信的实用还有一定的距离，系统的各项性能有待进一步优化。
二、系统发展概述
近年来，中日欧美的研究人员对基于白光LED照明光源的可见光通信的展开了面向应用的研究。其中作为美国国家科学基金的十年规划，2008年美国政府动员30所大学及科研机构，投入1850万美元的启动资金开展了该领域的科技攻关。但由于该项技术综合性强，技术难度大，目前全面掌握核心技术并能够做到在世界级展会上现场演示样机的仅有中国暨南大学与日本太阳诱电公司两家。
2004年，Takakuni等对基于白光LED灯的整体通信系统进行了初步实验研究，该系统[1]利用桌面LED照明台灯向用户提供广播信息，结构简单，但系统通信距离较短，数据传输速率较低。2008年，太阳诱电株式会社在“东京国际消费电子博览会”上现场演示了采用白光LED的高速无线通信系统，最大数据传输速率可达100Mbit/s[2]。该系统实现了双向全双工高速通信，但是最大传输距离仅为0.2m左右。当通信距离超过0.2m时，随着通信距离的增加，系统的误码率增大。
2006年，暨南大学的陈长缨 [3]、胡国永[4]等提出利用白光LED照明光源用作室内无线通信，设计并实现了近距离(0.2m)、点对点的白光LED通信系统。该系统成功实现了10MHz的传输速率下，FM信号的传输。暨南大学陈长缨研究团队在前期工作的基础上，利用白光LED阵列光源解决了前期系统通信距离短、无法达到照明要求等问题，设计并实现了具备实用照明功能的室内白光LED通信系统。该系统成功实现4Mbit/s带宽的数字多媒体音视频信号使用白色可见光进行传输，信号传输距离超过了2.5m，2008年12月，项目通过了广州市科技计划项目成果验收，2009年11月在深圳高交会上展出并公开进行现场实机演示。2010年4月开始，暨南大学这套白光LED照明-通信兼用系统作为我国唯一的白光LED通信科技创新成果选送上海世博会，在“沪上生态家”城市案例馆向全世界公开展示。
三、提高白光LED通信系统性能的相关技术
阵列光源的布局设计
在VLC系统中，光源的布局是影响系统性能的一个关键因素。光源布局需要考虑两个方面，一方面是组成白光LED阵列光源的内部LED灯的排布(个数及排列)，另一方面是室内LED的整体布局(个数及室内分布)。通过两方面的合理布局可以使室内光分布同时满足照明和通信的需要。
在设计照明-通信的室内光源时，为符合照明场所国际标准的亮度分布要求，LED光源最终设计成白光LED的阵列形式。组成每个LED阵列所需的白光LED的总个数取决于LED间隔的大小，间隔过大或过小，都会影响光照度的均匀性。间隔的取值，应平衡中心区域光强度与所需LED个数。LED的排列需要考虑接收面的照度要求和光强分布。LED的数目和排列需合理设计，在达到室内照明标准的同时，也要考虑码间串扰(ISI)的影响。
在室内VLC系统中，要使通信效果达到最优，须根据房间的大小以及室内设施，使房间内同一水平面上分布的光功率变化最小，尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通信性能。对照明来讲，室内安装的照明灯越多，可以降低“阴影”效应，同时接收功率大大增加，但多个不同的光路径会使得ISI越严重。 因此，合理安排 LED阵列光源的布局尤为关键[5]。
有关阵列光源中LED灯的排布以及LED照明光源的整体布局设计方案，国内外不少研究人员进行了理论设计和计算机仿真，这里不再赘诉。
驱动电路优化设计
调制带宽是衡量LED的调制能力的参数，是LED用于无线光通信的重要参数之一，它关系到LED的数据传输速度大小。
LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容的影响。在白光LED制造工艺上，除了减少载流子复合寿命和减小寄生电容，我们还可以采用具有很大的潜在调制带宽的多芯片型白光LED。此外，通过外部驱动电路的优化设计也是提高LED调制能力的一种方法。考虑到抑制电磁干扰、噪声干扰、温漂以及光功率补偿等，用于数字视频信源码流传输的白光LED高速调制驱动电路设计方案[6]如图1所示。
图1 射极耦合电流开关型LED高速调制驱动电路
图1为射极耦合电流开光型驱动电路。晶体管BG1和BG2组成发射极耦合式开关，BG3和稳压二极管Dz组成恒流源电路，给LED支路提供稳定的驱动电流。由于该电路超越了线性范围工作，即使输入端过激励时，其仍没有达到饱和，所以开关速率更高，计算表明该电路可响应300Mb/s以上的数字信号。
有研究人员通过在白光LED通信系统中引入均衡技术来提高系统的调制带宽[7]。以16个LED作为光源，同时借助于16组略有差异的调谐驱动电路使每个LED具有不同的峰值频率。每个LED的前置均衡电路都由一个缓存器、谐振电路、谐振电容、谐振电感以及直流源组成(将产生的直流信号叠加到原始信号上)。据称，采用均衡技术可将LED的调制带宽从3MHz提高至25MHz，同时相应地降低了系统的误码率。在接收端也引入了均衡技术，在实验中接收端的均衡方案由一个简单的一阶模拟均衡器组成。最终的实验测试表明，收发两端引入均衡技术后，系统可以在保持10-6级误码率的同时提供超过75Mb/s的传输速率。假如适度增加均衡方案的复杂性，可以进一步优化系统性能，其中的一个设计方案表明，在一个中等大小的房间里通信的速率有潜力达到100Mb/s。
正交频分复用技术
日本庆应大学中川研究室提出，为提高传输的数据率，在VLC中引入正交频分复用(OFDM)调制方式的必要性。OFDM技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。由于OFDM具有很强的抗多径能力，已经在高速无线通信中获得了广泛应用。对无线光通信来说，多径传播是引入ISI的主要原因，限制了通信传输速率。在基于白光LED的VLC系统中，也可以采用OFDM方式降低ISI[8]。
国内外研究人员给出了一些利用OFDM技术来实现可见光无线通信的方案。其中一个方案由以下几部分组成：电力线调制器、白光LED照明阵列和OFDM解调器[9]。在发射端，对信源电信号进行OFDM编码，并加一直流偏置对LED光源调制。在接收端，将接收到的OFDM调制的光信号进行解调。提取出发射端被插入的导频信号，可以对信道状态进行实时评估和更新。在可见光OFDM系统中，一方面将串行的高速数据并行地调制在多个正交的子载波上，降低了码速率，减少了ISI的影响[10]。另一方面在每个OFDM符号之间加入保护间隔，进一步消除残留的ISI。最新信息表明，OFDM调制一定程度上增加了白光LED通信系统的冗余，但仿真实验证实了可以将误码率稳定在较低水平。 包含总结汇报、考试资料、办公文档、资格考试、IT计算机、外语学习、党团工作、文档下载、人文社科、工作范文以及白光LED光通信的关键技术研究等内容。本文共2页
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LED还能干点啥？室内定位服务和可见光通信（LBS和VLC）
近期不断曝光的VLC（即可见光通信技术），LED拥有基础的宽频谱资源、高速带宽的可见光通信技术优势，以及基于广泛分布的可见光室内定位技术和新兴的应用场景和服务内容将成为未来五年最热门的应用技术，拥有广阔的应用市场空间和超千亿的市场规模。
　　作为21世纪新的半导体光源，是名副其实的节能、环保绿色照明产品；如果说LED灯的终极应用是能做指示、显示和照明的话，那即意味着你OUT了。近期不断曝光的VLC（即可见光通信技术），LED拥有基础的宽频谱资源、高速带宽的可见光通信技术优势，以及基于广泛分布的可见光室内定位技术和新兴的应用场景和服务内容将成为未来五年最热门的应用技术，拥有广阔的应用市场空间和超千亿的市场规模。　　当今面临日益增多的通讯设备，不断增长的高速传输，多种网络全覆盖的需求，同时又面临着频谱资源的匮乏。其中世界上关于5G的研究中，讨论的重点方向是否构建各种接入方式的同一网络架构的问题，其中涉及到多元化接入，以及设备终端的各类接收属性的适应配置。通俗点来说，就是你在室外、高速列车上可以使用通信服务商广泛覆盖的3G，4G网络。在地铁，机场，大型商场里，你可以使用WIFI来实现高速上网，同时也可以使用LIFI或者蓝牙网络来实现室内定位，引导你到达目的地。在采矿、水下作业、甚至各种工作场景，均能有对应的频谱和收发装置来实现网络互联和实时通信。在移动通讯中，关键的两个环节其中一个是定位服务的精度要求，一个是广谱性质的网络资源的覆盖和补充。　　LED如何实现可见光通信　　可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气、水等各类条件下直接传输光信号的通信方式。由于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为半导体器件，利用其脉冲电流响应速度快的特点，可将调制信号转化为基础的点亮、熄灭，通过高频的点亮、熄灭来实现高速光信号调制和传输。然后利用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号并获得信息。其物理结构上都包含光信号发射和光信号接收两部分。可广泛利用现有配备LED的室内外大型显示屏、信号灯、照明灯具、指示器和汽车前尾灯等实现高速信号传输，接收装置可利用现有的光电器件（如手机摄像头）来实现接收。　　LED灯拥有广泛的可见光频谱资源以及带来的高速带宽。最新的数据显示，中国信息工程大学利用现有批量化的LED灯，通过带宽扩展至230MHz。并采用MP-OOK方法，可实现离线传输达到3.25Gbps。可以参考的数据是：现在国家与国家之间的光纤网络带宽约为10Gbps，而我国城市主干网络带宽通常为1Gbps。同时，复旦大学研制的可见光通信系统，可实现150MB的实时速率，可供电脑、手机实现高速的高清视频传输。
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*验 证 码：基于VLC的室内无线视频语音通信系统的设计和实现--《计算机测量与控制》2015年03期
基于VLC的室内无线视频语音通信系统的设计和实现
【摘要】：根据半导体照明与可见光通信(VLC)相融合的无线接入方式,提出了一种新型室内无线视频语音通信系统;可见光通信提供了从室内接入点到室内终端之间的无线互联,该接入点由照明光源组成,室内终端由用户终端组成;在需要安装VLC系统的地方对LED照明系统进行合适的改造,在照明光源和用户终端之间搭建了一个采用Manchester编解码OOK调制方式的最简VLC系统;介绍了全双工的实现技术及TCP/IP的组网方案等,讨论了室内可见光通信中提高系统整体性能的若干关键技术,并通过试验验证了该系统的可行性。
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：TN912.3【正文快照】：
0引言可见光通信(VLC,visible light communication)是随着LED技术的兴起而产生的一种极具发展潜力的无线光通信技术。这种技术基于以LED为光源的照明系统,将信息加载到照明光上,在提供照明的同时可传输数据。与射频通信相比,VLC技术具有一些特殊的优势,如带宽更宽,不与射频信
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