可见光通信及其关键技术研究
可见光通信与光计算
可见光通信与光计算
可见光通信：
可见光通信（optical communications）是指利用可见光，即室外最常见的（400nm ~ 750nm）紫外线和可见光的频段进行通信信号传输的技术。
可见光通信有较低的功耗，可传输频率高、穿越距离长的高速传输，安全性高，也拥有传统无线技术相对较低的成本制作，成为未来重要的通信技术之一。
光计算：
光计算（Optical Computing）指研究利用光来实现计算功能的技术。
这种技术使用光信号实现各种计算功能，使得信号传播速度更快，存储量更大，并且可以克服电子计算机芯片受到电子电路和电压限制的缺陷。
光计算同时也是一项更加可靠的装置，可以有效实现更加快速的数据处理以及高精度的解决方案。
可见光通信技术的最新发展
可见光通信技术的最新发展近年来，随着科技的不断进步，可见光通信技术也得到了快速的发展。
可见光通信技术是一种利用可见光进行通信的技术，可以实现高速度、高密度的数据传输和通信安全等多种优点。
在本文中，我们将会讨论可见光通信技术的最新发展，以及其在未来的应用前景。
一、可见光通信技术的基础原理可见光通信技术是基于无线光通信的一种技术。
通过光电传感器和光透镜等设备将图像转换成数字信号，再通过光纤传输到目标设备，如电视、电脑等。
可见光通信技术主要以白光LED为光源，黑色发泄区来模拟数字信号的0和1，通过光源的开合来发送信号。
由于人眼不能识别高速闪烁，因此其不会影响到人眼的感觉。
而且可见光通信技术不需要使用电磁波，也就不会影响到医疗等行业。
因此可见光通信技术在解决无线电波污染方面也是一个不错的选择。
二、可见光通信技术的发展历程可见光通信技术最初是在20世纪70年代被发明的，但那个时候还没有被广泛应用。
随着LED技术和数字图像技术的快速发展，可见光通信技术在21世纪初才逐渐被人们所认识，成为了一种重要的无线通信技术。
在近年来，可见光通信技术迎来了它的高峰期，目前已经被广泛应用于各个领域。
例如，商业上已经开始应用在超市的货架上，配合手机APP扫描即可查询商品的价格和信息。
此外，还可以用在室内GPS导航，给人提供定位和辅助导航等服务。
三、可见光通信技术的未来应用前景未来可见光通信技术的应用前景非常广泛，其越来越普及将会在可见光通信掉粉行业中发挥重要的作用。
例如，人们可以在夜间利用可见光通信技术联网。
这将会极大的拓展人们的通信场景和便利性，让生活更加智慧化。
在工业领域，可见光通信技术也可以为工业自动化和机器视觉带来新的发展前景。
未来的智能家居、智能城市和智慧医疗将会是可见光通信技术应用的重点领域。
同时，可见光通信技术的成熟应用也需要不断加强安全性和稳定性的保障，确保在不断发展的大数据背景下，数据能够得到安全、稳定和高效的传输。
可见光通信调光技术研究
可见光通信调光技术研究作者：麦强卓惠佳廖晓琳刘洋来源：《中国新通信》 2018年第24期【摘要】为了解决可见光通信系统需要兼顾照明和通信功能，在通信过程中灯光闪烁的问题，采用了STM32F103VET6 对信息进行ASCII 编解码，利用PPM 与PWM 相结合的调制方式，以1W LED 为发射光源，使用PIN 光电二极管接收数据，完成数据传输。
实验结果表明，使用ASCII 编码在PPM+PWM 调制方式实现了LED 的光功率在32.12%-74.61% 范围内可调，数据发送过程中光源亮度稳定，坑干扰能力强，提高了光通信的应用前景。
【关键词】可见光通信 ASCII LED 调光可见光通信技术是将LED 灯光的亮灭代表二进制中的“1”和“0”，通过LED 灯光高速闪烁来发送数据。
将数据通过LED 灯光进行传输过程中，其0 和1 的占比在不断地变化，造成光源的闪烁问题。
而且LED 调光方式通常采用脉宽调制，在可见光通信过程中无法实现LED 灯的调光。
针对可见光通信中LED 光源亮度的稳定性与可调性，提出了一种ASCII 码的编码方式，以STM32F103VET6 单片机为核心，设计了接收器与光源驱动电路，实验证明光功率在32.12%-74.61% 范围内可调，并且数据发送过程中光源亮度稳定。
一、PPM/PWM 调制技术可见光通信中常用到OOK（开关键控）调制、PPM（脉冲位置调制）、DMT（离散多音）调制等调制技术，而OOK调制和PPM 调制的硬件电路设计比较简单，所以在可见光通信上得到了广泛的应用。
与OOK 调制相比，PPM 可以有效地避免了通信过程中的闪烁问题，同时具有更高的光功率和抗干扰能力。
为了更好地满足照明的需要，将PWM（脉冲宽度调制）与PPM 相结合，实现在通信的基础上对亮度进行调节。
PPM 调制原理是对可见光通信中的数据信息进行编码产生PPM 脉冲，数据信息决定了脉冲在一个周期内的位置。
可见光通信
二、原理
路由器接收来自信息终端用户的信息，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。
适配器包括下行链路的白光LED光源和上行链路 的光电接收器，具有发射和接收功能，且负责将终端 用户的信息调制成光信号，并接收来自下行链路的光 信号。光电接收器可以接收来自用户的光信号并转换 成电信号送入路由器。
传感器却可以接收到这些变化。就这样，
二进制的数据就被快速编码成灯光信号并
进行了有效的传输。灯光下的电脑，通过
一套特制的接收装置，读懂灯光里的“莫 尔斯密码”。
三、应用
❖ 飞机和高铁的应用 ❖ 可见光通信巳经在一些对电磁信号敏感的领域发挥着
重要作用。飞机的导航和通信系统易受射频信号干扰， 给飞机飞行安全造成影响，因此会禁止乘客使用手机 或上网。利用可见光通信则可以解决这一难题。飞机 通过中央控制器接收卫星信号并将其输送到网络的接 人点LED上，乘客座位上的LED阅读灯通过可见光与电 脑或手机建立通信。 ❖ 高铁是我国目前主要的快速交通工具通信困难是高铁 的一大弊端。高铁速度高达300~400KM/H用户手机和 电脑接人网络网速慢且接人点少，高铁中央控制器接 收卫星信号并通过列车传输网络送到车厢的LED上， 从而实现通信业务。
电信号经过路由器的简单处理后，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接收的信息解调出来并 送人终端用户，即实现了局域网内的无线通信。
可见光通信的原理及应用
可见光通信的原理及应用1. 前言可见光通信是一种利用可见光波段进行无线通信的技术。
它通过调制可见光信号传输数据，是一种新兴的无线通信技术。
本文将介绍可见光通信的原理和应用。
2. 可见光通信的原理可见光通信的原理是利用可见光的波长进行通信传输。
可见光波段在电磁波谱中的频率范围是400-700纳米，对应的波长范围是红光到紫光。
可见光通信使用LED灯或激光器作为光源发射光信号，然后利用光电二极管或光传感器接收信号。
3. 可见光通信的优势可见光通信具有以下几个优势：•高速传输：可见光通信的传输速率较高，远远超过了传统的无线通信技术，可以达到几十兆比特每秒的速率。
•可靠性强：可见光通信不受无线电波干扰，适用于一些对无线电信号敏感的环境，如飞机起降场、医院等。
•兼容性好：可见光通信可以与现有的照明系统结合使用，实现照明和通信双重功能。
•安全性高：可见光通信的信号在室内传输，不会穿墙传播，具有较高的安全性。
4. 可见光通信的应用可见光通信具有广泛的应用前景，以下是几个主要应用领域：4.1 室内定位和导航可见光通信可以利用室内照明设备进行室内定位和导航。
通过灯光发射的可见光信号，接收端可以根据信号的强度和方向来确定位置，实现室内导航和定位。
4.2 车联网可见光通信可以应用于车联网系统中，通过车辆之间或车辆与路边设备之间的可见光通信传输数据。
这种方式可以增加车辆之间的通信带宽，提升交通系统的效率和安全性。
4.3 宽带接入可见光通信可以应用于宽带接入领域，利用可见光波段传输宽带信号。
与传统的有线和无线通信相比，可见光通信具有更高的传输速率和更好的安全性。
4.4 能源传输可见光通信可以应用于无线能源传输领域。
通过利用可见光来传输能量，可以实现室内设备的无线供电，减少电线的使用和电磁辐射。
5. 可见光通信的挑战虽然可见光通信有许多优势和应用前景，但也存在一些挑战需要克服。
以下是几个主要挑战：•传输距离限制：可见光通信的传输距离相对较短，受到透明介质的限制。
可见光通信OFDM技术在FPGA上的设计与实现
可见光通信OFDM技术在FPGA上的设计与实现可见光通信是一种利用可见光作为传输介质的无线通信技术，具有频谱资源丰富、安全可靠等优势。
OFDM技术作为一种多载波调制技术，具有抗多径衰落、高频谱利用效率等特点。
本文针对进行了研究。
首先，对可见光通信OFDM技术进行了简要介绍。
OFDM技术将高速数据流分为多个低速子载波，通过并行传输的方式提高了传输效率。
同时，OFDM技术采用循环前缀技术来抵消多径衰落引起的码间干扰，提高了系统的抗干扰能力。
然后，针对可见光通信OFDM技术的特点，设计了相应的FPGA实现方案。
首先，根据OFDM技术的特点，设计了一种合适的调制解调器结构。
调制解调器包括子载波生成模块、IFFT模块和FFT模块等。
其中，子载波生成模块负责生成不同频率的子载波，IFFT模块将数据从频域转换到时域，FFT模块将数据从时域转换到频域。
其次，设计了一套合适的信道编码和解码方案，提高了系统的抗噪声能力。
最后，根据FPGA的资源约束，对整个系统进行了优化和实现。
在设计和实现过程中，对FPGA的资源利用进行了充分考虑。
通过合理的模块划分和资源分配，保证了系统的性能和可靠性。
同时，通过对FPGA的时序约束进行优化，提高了系统的工作频率和稳定性。
最后，通过实验验证了所设计的可见光通信OFDM技术在FPGA上的可行性和有效性。
实验结果表明，所设计的系统具有较高的传输速率和较好的抗干扰能力，能够满足实际应用需求。
综上所述，本文对可见光通信OFDM技术在FPGA上的设计与实现进行了研究。
通过合理的系统设计和优化，实现了高效、稳定的可见光通信系统。
这对于推动可见光通信技术的发展具有重要意义，为未来可见光通信应用的推广奠定了基础。
基于手机摄像头的可见光通信探讨
基于手机摄像头的可见光通信探讨摘要：本文简要介绍了可见光通信技术，并尝试围绕系统组成、手机摄像头成像原理、手机获取的数据、数字图像处理技术等方面对基于手机摄像头的可见光通信技术进行探讨，期望可以为后续更多技术工作者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。
关键词：手机摄像头；可见光通信；数字图像处理技术引言随着智能手机的普及以及手机摄像系统的飞速发展，利用手机摄像头作为可见光通信系统的接收机能明显降低相应的实践成本以及复杂度，相关研究自然得以广泛开展。
从技术层面看，手机作为可见光通信系统中的接收端具有高度的可行性。
而从应用角度看，智能手机的普及以及对既有手机硬件的利用，无疑能大幅降低可见光通信的应用难度和推广难度，另外智能手机本身的系统以及软件也能为通信带来更多支持。
一、可见光通信概述伴随现代通信事业持续的进步发展，通信技术得到了广泛应用及发展，尤其是可见光通信技术，现阶段备受社会各界的关注。
顾名思义，可见光通信即将可见光作为媒介的无线通信方式，其核心原理在于利用发光二极管产生的明暗闪烁信号实现信息的传输。
可见光通信系统通常由发送端与接收端组成，前者需要通过发光二极管将电信号调制为光波，后者则需要通过光电转换器将光信号转换为电信号，之后再通过调节处理手段实现对信号的有效输出。
可见光通信中的光电探测器具有噪声低、灵敏度高、响应度高、体积小、线性关系良好等特性，能很好地满足通信需求，可谓是整个系统的关键部分。
目前可见光通信大多是基于LED照明实现的，其相较于目前被广泛应用的射频通信而言具有频谱资源丰富、干扰小、能量消耗少、成本低廉、保密性强、对人体无害等特点和优势，并且在多个领域都有着良好应用前景，如海底通信、医院通信、航空通信、智能路灯通信等均是目前受到广泛关注的通信发展方向。
二、基于手机摄像头的可见光通信系统手机摄像头的图像传感器实际上是由大量光电二极管构成，并且每个二极管均能独立接收可见光信号。
可见光通信调制方式及其性能研究_刘洋
2
调制方式
在 OOK 方式中， 每个信息位时隙内的光脉冲都有明暗两种状态， 分别表示二进制的 “ 1” 和 “ 0” ， 利用光信
2.1 符号结构 号的通断来传输信息， 这是调制光信号最基本的形式， 只需光源闪烁即可编码。在 PPM 方式中， 将所传输的 分 二进制信息比特进行分组调制， 将每组相同的 M 比特信息所占据的时间段划分为长度相等的 2M 个时隙， 这种调制方式在本质上是 别用这 2M 个时隙段上的某一个时隙处的脉冲信号的组合代表 2M 种比特信息组合， 每个符号所对应的时隙数是不固定的， 它是一种脉冲间隔调制， 由两个连 一种相位调制 [9] 。在 DPIM 调制中， 续的光脉冲之间所包含的时隙数来传递信息。每个符号都是以一个脉冲信号开始， 后加 k +1( k 为符号所表 示的十进制数， 1 为 一 个 保 护 时 隙 ) 个 空 时 隙 代 表 所 传 输 的 二 进 制 信 息 。 在 DH-PIM 调 制 中 ， 每个符号所对 应的时隙数也是不固定的。它采用两种不同的起始脉冲信号， 每个符号由 α + 1 ( α 为整数 ) 个头部时隙和后 其中 续的 m 个空时隙组成 [10-11] ，
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收稿日期:2006-01-05. 基金项目:陕西省/火矩计划0项目(2002HK52);陕西省教育厅科技资助项目(04JK247).
动态综述可见光通信及其关键技术研究丁德强1,2,柯熙政1(1.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;2.西安通信学院,陕西西安710106)
摘 要: 可见光通信系统采用白光发光二极管(LED)作为光源,因而系统具有通信与照明的双重作用,极大地节约了能源。描述了可见光通信的结构与特点,对可见光通信的一些关键技术做了简单的研究,并介绍了可见光通信的发展动态。关键词: 可见光通信;白光LED;视场;码间干扰中图分类号:TN929.11 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)02-0114-04
VisibleLightCommunicationandResearchonItsKeyTechniquesDINGDe-qiang1,2,KEX-izheng1(1.SchoolofAutomation&InformationEngineering,XipanUniversityofTechnology,Xipan710048,CHN;2.XipanCommunicationCollege,Xipan710106,CHN)
Abstract: Thevisiblelightcommunication(VLC)isakindofopticalwirelesscommunicationthatusesthewhiteLEDs.InVLCsystem,whiteLEDsareusednotonlyastheilluminatorintherooms,butalsoasthesourceofthecommunicationsystem.Theconfiguration,characteristicsandkeytechniquesofvisiblelightcommunicationaredescribed.ThedevolopmentstatusinthefieldofVLCisintroduced.Keywords: visiblelightcommunication;whiteLED;fieldofview;intersymbolinterference
1 引言高亮度白光发光二极管(LED)面世后,随着光效的逐步提高,其应用从显示领域逐步扩展到照明领域,并且发展迅速。与传统的照明设备相比,白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点,被视为第四代节能环保型照明产品[1]。白光LED的另外一个突出优点是响应灵敏度非常高,因此可以用LED进行超高速数据通信。可见光通信(visiblelightcommunication,VLC)是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比,可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优
点,因而可见光通信技术具有极大的发展前景,已引起人们的广泛关注和研究[2,3]。
2 基本结构及其特点图1所示为可见光通信在办公室内的典型应用配置图。可见光通信作为一种无线的光通信方式,其系统包括下行链路(downlink)和上行链路(uplink)两部分。下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成,白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响,光传播基本上不存在损耗,但是由于LED光源个数较多,且具有较大的表面积,因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径,不同的光路径到达接收机的时间不同,将引起所谓的码间干扰(ISI)。由于白光LED光源发出的是
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SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.27No.2Apr.2006可见光,且发散角较大,对人眼睛基本无害,因而发射端可以具有较大的发射功率,使得系统的可靠性大大提高。该系统的接收部分主要由光电检测器(PD)和相应信号处理单元组成。室内的光信号被光电检测器转换为电信号,然后对电信号进行放大和处理,恢复成与发端一样的信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外,其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED组成,只不过发射面积较小,且具有较小的发射角(光束经过简单准直,类似于手电筒),天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置,就可以得到一个可以双向同时工作的全双工VLC系统,由该系统组成的网络称为可见光网络。在VLC系统中,白光LED具有通信与照明的双重作用,这是因为白光LED的亮度很高,且调制速率非常高,人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。由于实现简单,VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测(IM/DD)系统,采用曼彻斯特编码和OOK(on-off-keying)调制方式。在IM/DD系统中,由于存在多个光源,每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号,因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断,保证了通信的可靠性。与普通光无线通信和射频通信相比,可见光通信具有以下突出优点:(1)可见光对人类非常安全。可见光通信系统可以使用家庭或办公室的高压照明灯发送数据;(2)可见光通信无处不在。用于通信的照明灯可以安装在任何地方,通过照明灯,可以很方便地实现高速无线数据通信;(3)发射功率高。对于普通光无线通信,由于受到人眼睛安全的限制,发射功率很低,系统性能受到严重限制。对于射频通信,射频信号对人体有害,也不能无限制地增加发射功率。在VLC系统中,由于发射的是可见光,故发射功率较高;图1 系统组成框图 (4)无需无线电频谱证。由于受无线电频谱管制,可用的无线电频率非常有限;(5)无电磁干扰。可以用于医院、飞机和空间站等对电磁干扰严格限制的场合。
3 关键技术研究3.1 光源在可见光通信系统中,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。另一方面,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。综合以上两个方面,目前能满足要求的最好选择就是白光LED。目前,商品化的大功率白光LED功率已经达到5W,发光效率也已经达到50lm/W,其发光效率(流明效率)已经超过白炽灯,正向荧光灯逼近[4]。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W(可以完全取代现有的照明设备)可望在不久的将来即可实现。3.2 光源布局实际系统中,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,尽量避免通信盲区(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。以一房间为例,该房间尺寸为5.0m@5.0m@3.0m(长@宽@高),设终端设备均放置在高度为0.85m的桌子上。系统各种参数如表1所示。LED灯由白光LED阵列组成,共3600(60@60)只。LED灯中心发射功率为20mW。接收机FOV(field-of-view)为60b,探测器PD的表面积为1.0cm2,光电转换效率为0.53A/W,光滤波器的增益为1.0。以4只LED灯为例,在房间内的两种布局如图2所示。通过仿真,高度为0.85m的水平面上的接收光功率P分布如图3(a)、(b)所示。从图中可以看出,布局A的接收功率最大值为6.47dBm,最小值为-5.3dBm,布局B的接收功率范围为-2.8~4.0dBm。可以看出,与布局A相比,布局B的接收功率分布比较均匀,更加适宜照明和通信。
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《半导体光电》2006年4月第27卷第2期丁德强等: 可见光通信及其关键技术研究表1 VLC系统参数发射光功率/mW20LED个数3600(60@60)LED间隔/cm1LED灯的尺寸0.59m@0.59m接收机FOV/(b)60PD面积/cm21.0光滤波器增益1.0光电转换效率/(A#W-1)0.53
图2 LED灯布局方式A(a)和方式B(b)图3 布局A(a)和布局B(b)的接收光功率分布图3.3 最佳LED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房间。但是由于行人、设备等的遮挡,会在接收机表面形成/阴影0,影响通信性能。因此就需要将这种/阴影0
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0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。文献[5]在对阴影问题研究后,通过对系统误码率仿真得到,在系统码率达到800Mbps时,LED灯的最优个数为3~4个。3.4 接收机FOV的选择在光无线通信系统(包括红外通信)中,ISI依赖于码速率、发射机和接收机FOV。然而在VLC系统中,ISI主要依赖于码速率和接收机FOV。这是因为,发射机要起到照明的作用,必须具有一个非常
大的辐射角度,即发射机的FOV基本上为90b,如图4所示为接收机码速率为200Mbps时接收机FOV与接收信噪比(SNR)的关系图[6]。从图中可以看出,当FOV小于40b时,在房间内存在通信盲区。当FOV增加时,SNR随之降低。因而在一般的可见光通信系统中,FOV选取范围为40b~50b。
图4 接收机FOV与SNR关系图3.5 不同光路径引起的ISI在VLC系统中,安装在天花板上的LED灯通常是由多个发光LED的阵列组成,因而具有较大的表面积。另一方面,为了达到较好的照明和通信效果,防止/阴影0影响,一个房间通常安装多个LED灯。不同的光信号到达接收机会产生ISI,极大地降低了系统的性能。如图5所示为两条不同光路径引起的延迟示意图。在VLC系统中,如果调制方式为OOK,降低ISI的方法主要有两种。一种是将OOK调制方式中的NRZ(non-returntozero)码换为RZ码(returntozero)。第二种是采用均衡滤波器。另外采用光OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)方式也可以降低ISI的影响。下面分别介绍这几种方法。
图5 两条不同路径引起的时延示意图在OOK-NRZ系统中,由于码元周期与脉冲长度相等,当发生延迟时,不同路径的信号叠加在一起就会产生码间干扰。如果采用OOK-RZ编码方式,相邻脉冲之间具有一定的/保护时间0(码元周期与