白光LED室内可见光通信的关键技术

Key technologies of indoor visible light communication based on white LED
LUO Hong-tu 1，2, CHEN Chang-ying ,1，2 FU Qian ,1，2 ZHAO Hui-shan 1，2,MO Chen-xiao 1，2 (1. Key Laboratory of Optoelectronic Information and Sensing Technologies of Guangdong Higher Education Institutes, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. Department of
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[5]。 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(-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。
室内 VLC 系统的 一种典 型 设 计[4]如 图 1 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。
Photoelectric Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China)
Abstract: The visible light communication (VLC) utilizing the white LEDs is a kind of optical wireless communication characterized by high emission power rate, don't take up radio spectrum, no electromagnet interference, no electromagnetic radiation and energy-saving, etc. In VLC system, white LEDs are used not only as the illuminator in the rooms, but also as the source of the communication system. This paper describes the development of VCL, introduces indoor visible light communication system based on white LED. Key techniques are analyzed to improve the whole performance of the indoor visible light communication system, providing a better basis for the further research. Key words: white LED; indoor visible light communication ; channel coding; OFDM; diversity reception
国内对基于 白光 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[3]，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
收 稿 日 期 ：2010-10-15 。 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助。 作 者 简 介 ： 骆 宏 图 （1986- ），男 ，硕 士 生 ，主 要 研 究 方 向 为 光 通 信 技 术 。
射、节约 能源等优点[2]。 目前，可见光通信技术已经成 为多个国家研究的热点，尤其引人关注的是日本成立 的“可视光通信联盟”和美国斥资 1.85 亿美元为期 10 年的“智能照明”项目。 现阶段，可见光通信大多处于 实验阶段，虽然整体系统已有实现，但离实用阶段还 有一定的距离，系统的各项性能有待进一步提高。
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。
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 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 ， 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
輩輴訛
2011 年第 2 期
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用白光 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 10 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 勒理工学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。
单个 LED 发光强度和发光功率都比较小，为了同
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 1 室内可见光通信的无线局域网系统
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 路的白光 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
骆宏图，陈长缨，傅 倩，等：白光 LED 室内可见光通信的关键技术
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 的信息解调出来送入终端用户，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
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
图 2 高速调制驱动电路
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时实现室内照明和通信双重功能，LED 照明光源应设 计为多个白光 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 同的光路径会使得 ISI 越严重。 因此，在达到室内照 明标准的同时也要考虑 ISI 的影响，合理安排 LED 阵 列 光 源 的 布 局 尤 为 关 键[6]。 1.2.3 信道编码技术
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白光 LED 室内可见光通信的关键技术
骆宏图 1，2，陈长缨 1，2，傅 倩 1，2，赵惠珊 1，2，莫晨晓 1，2
（1.光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室（暨南大学），广州 510632； 2.暨南大学 光电工程系，广州 510632）
摘 要：可见光通信是一项新兴基于白光 LED的无线光通信技术，具有发射功率高、不占用无线电频谱、 无电磁干扰、无电磁辐射和节约能源等优点，能够同时实现照明和通信的双重功能。阐述了可见光通信 技术的发展动态，介绍基于白光 LED的室内可见光通信系统，并对提高系统整体性能的若干关键技术进 行了研究讨论，为白光 LED室内可见光通信系统进一步研究提供依据。 关键词：白光 LED；室内可见光通信；信道编码；正交频分复用；分集接收 中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2011）02-0056-04
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