VLC可见光通信技术课件

10.1 可见光通信技术概述
10.1.3 可见光通信的特点

白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保 等优点，特别是其响应灵敏度非常高，可以用来进行超 高速数据通信。
10.1 可见光通信技术概述
10.1.3 可见光通信的特点
基于LED光源的可见光通信，与传统的射频通信和其他 光无线通信相比，有以下突出优点： ①可见光通信是绿色资源，不存在电磁辐光源有发光强度 和发光功率两个基本特性参数。白光LED不幅射； ②有光就可以进行通信，无通信盲区，方便快捷； ③可见光仅提供室内照明，还可以作为信号光源用以实现 室内无线数据通信发射功率高； ④无需无线电频谱认证。
10.2 可见光通信系统的组成

该系统的接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收 的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前 置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理 和输出电路。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，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LC系统，由该系统 组成的网络称为可见光网络。
图10-4 LED调制特性曲线
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.3 LED光源的脉冲编码数字调制

数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发 出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制 ，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的 脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组 等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续 的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲 编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如 图5-5所示。
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.1 白光LED的开发历史
图10-3 LED结构图
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.1 白光LED的开发历史

发光二极管的核心部分是由P型半导体和n型半导体组成 的晶片，在P型半导体和n型半导体之间有一个过渡层， 称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数 载流予与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式 释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电 压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式 电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流 从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红 外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
10.1 可见光通信技术概述
10.1.1 可见光通信技术发展简史


随着白光 LED的迅速发展，可见光通信也逐渐发展起来 。 欧 洲 ， 2009 年 ， 牛 津 大 学 利 用 均 衡 技 术 实 现 了 100Mbit/s 的 通 信 速 率 ； 2010 年 ， 牛 津 大 学 利 用 多 MIMO 和 OFDM ，实现了 220Mbit/s 的传输速率，同年 ，德国Heinrich Hertz实验室达到了513Mbit/s的通信 速率； 2011 年，德国 Heinrich Hertz 实验室：利用色 光三原色 (RGB) 型白光 LED 以及密集波分复用 (WDM) 技术实现了803Mbit/s 的通信速率。
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.1 白光LED的开发历史

表10.1列出了目前白色LED的种类及其发光原理。目前 已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光 粉，其最好的发光效率约为25流明／瓦，YAG多为日本 日亚公司的进口，价格在2000元／公斤；第二种是同本 住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光 效率较差。从表3．1中也可以看出某些种类的白色LED 光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和 石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光， 即以无机紫外光晶片加ROB三颜色荧光粉，用于封装 LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的枫机会 。但此处三基色荧光粉韵粒度要求比较小， 稳定性要求 也高，具体应用方面还在探索之中。
10.1 可见光通信技术概述
10.1.1 可见光通信技术发展简史


日本，2000年，中川研究室进行了可见光通信的可行性 分析。2002年，中川研究室对光源属性、信道模型、噪 声模型、室内不同位置的信噪比分布等做了具体分析。 2003年，在中川正雄的倡导下，日本可见光通信联合体 成立。直到现在，中川研究室开发出基于可见光通信的 超市定位及导航系统，而且是面向商业化的产品。 中国，2006年，北京大学：首次提出了基于广角镜头的 宽视角可见光信号接收方案，并进行了一系列的理论和 实验工作。2010年，北京大学：实现了5 个频道的广播 ，在6 m 的工作距离下实现了3 Mbit/s 的通信速率。 2013 年，复旦大学：离线最高单向传输速率达到 3.7G ，实时系统平均上网速率达到150M 。
10.2 可见光通信系统的组成
图10-1 室内可见光通信系统
10.2 可见光通信系统的组成


从10-1图中，我们看到：可见光通信系统由路由器（集 线器）、LED光源、接收器和信息终端（含适配器）等 组成。 可见光路由器是可见光通信网络中的核心组成部分，可 以接受来自信息终端用户的信息，同时分时段的将接收 到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。
图10-5 LED数字调制特性
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.4 单芯片白光LED和多芯片白光LEO 比较
图10-6（a） 由两种方式产生的白光LED结构图
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.4 单芯片白光LED和多芯片白光LEO 比较
图10-6（b）单芯片和多芯片白光LED的频谱图
780 m 880 e
I
d d
max
t
min
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10.4 可见光通信的关键技术
10.4.1 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。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。

10.2 可见光通信系统的组成


VLC作为一种无线的光通信方式，其系统包括下行链路 和上行链路两部分。 下行链路包括发射和接收两部分。
10.2 可见光通信系统的组成

发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输 的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载 波强度变化的LED可见光驱动调制电路。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 可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波 伤害等优点，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。
10.1 可见光通信技术概述
10.1.2 可见光通信的主要分类

LED可见光通信可以分成室外通信和室内通信两大类。 室外LED可见光通信技术目前主要应用在智能交通系统 (ITS：Intelligent Transportation Systems). 室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带 接入网中.
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.3 LED光源的脉冲编码数字调制

研究白光LED的线性特性、调制信号与输出光功率的关 系，既是为了获得线性调制，也为开发白光LED的多管 驱动阵列提供了一定参考。使工作点处于输出特性曲线 的直线部分，一般需要在加调制信号电流的同时加一适 当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。
第10章 可见光通信技术
10.1 10.2 10.3
10.4
10.5
可见光通信技术概述 可见光通信系统的组成 白光LED光源的基本特性 可见光通信的关键技术 LED白光室内可见光通信的发展趋势
10.1 可见光通信技术概述
10.1.1 可见光通信技术发展简史


可见光通信（VLC: Visible Light Communication） 的起源最早可追溯到 19 世纪 70 年代，当时 Alexander Graham Bell提出采用可见光为媒介进行通信，但到另外一个地方。到1960年激光器的发明，光通信 才有了突破性的发展，但研究领域基本上集中在光纤通 信和不可见光无线通信领域。 直到近几年，被誉为“绿色照明”的半导体 (LED) 照明 技术发展迅猛，利用半导体 (LED) 器件高速点灭的发光 响应特性，将信号调制到 LED 可见光上进行传输，使可 见光通信与 LED 照明相结合构建出 LED 照明和通信两用 基站灯，可为光通信提供一种全新的宽带接入方式。
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.1 白光LED的开发历史
表10.1 白光LED的种类和发光原理
10.3 白光LED光源的基本特性
10.3.2 白光LED的线性特性

图5-4所示是通过白光LED的调制信号与输出光功率的 关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性 曲线的赢线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适 当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。