基于LED照明灯的室内无线光通信双工系统研究

论文摘要

LED灯具有亮度高、寿命长、性能稳定、节省能源等优点,它将成为下一代的照明工具。由于LED的高灵敏度和线性调制特性,因此LED照明系统具有传输信号的能力。与传统的红外和无线电通信相比,LED可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、无需申请频谱资源和室内不会出现数据泄漏等优点。LED照明灯无线通信能够在照明的同时实现通信功能,既节能又减少了重复投资,因此,LED可见光通信系统具有显著的研究意义和较大的发展前景,已被公认为一种新兴的短距离高速无线通信系统,并引起了国内外一些大学和科研机构学者的关注和研究。论文围绕典型室内LED照明灯无线光通信系统展开,主要对室内无线双工通信系统的通信信道进行分析研究;通过对双工通信系统的上下行链路的信道分析、室内通信中的多径效应与背景光干扰的研究,提出了抑制多径效应的调制方法,设计了基于LED照明灯的双工通信系统方案。主要完成的工作和研究成果如下:(1)针对典型室内照明光通信分析了双工通信上下行双工链路。提出了下行链路通信的非定向信道模型,并进行了仿真研究。分析了双工同波长通信时上下行链路之间的干扰,研究发现下行链路的辐射光对上行链路光信号会产生一定的屏蔽,从而影响双工通信的质量。(2)提出采用有保护间隔的正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)抑制多径效应的方法。针对目前基于LED可见光室内无线通信遇到的多径效应和背景光干扰进行了研究,发现多径效应干扰主要由于灯与接收机的距离差以及灯光经过墙壁的反射引起的。将有保护间隔的OFDM调制技术,引入基于LED的可见光通信系统中,可以有效地抑制多径效应,仿真发现:相比其他调制方式,有保护间隔的OFDM调制的信噪比更高。(3)分别提出了偏振分光方式和并行方式LED照明灯双工通信系统方案。由于下行链路辐射光对上行链路的屏蔽,导致很难实现双工通信,因此分别设计了两种采用光学器件实现双工通信的方案。比较研究后发现两个系统各有优缺。偏振分光方式的双工通信系统能够屏蔽干扰,但是需要更多的光学器件,结构也复杂,而并行方式的双工通信系统并不能将干扰光完全屏蔽,因此在信噪比上会略逊一筹,但是结构简单,易于实现。最后提出了改进的并行双工通信系统,将并行双工系统中上行链路接收端前的普通光学透镜改为球面透镜,这样可以在室内任何角度都能将照射过去的上行链路光聚焦到光电检测器上。(4)通信收发电路的设计。在理论分析的基础上,设计了基于LED可见光通信收发系统的电路,发射端将计算机中的信号通过串口的传入单片机,由单片机输出后经过放大电路输出来驱动LED;接收端将光电二极管接收到的微弱的电信号进行放大,再通过单片机,由串口传回到计算机中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 全文的组织安排
• 第二章 室内LED照明灯双工无线信道分析
• 2.1 室内LED无线通信系统物理模型
• 2.2 下行链路辐射模型分析
• 2.2.1 白光LED特性
• 2.2.2 灯光布局
• 2.2.3 辐射模型
• 2.3 双工通信信道分析
• 2.3.1 上行链路分析
• 2.3.2 下行链路分析
• 2.3.3 双向链路分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 室内LED照明灯无线通信双工系统设计
• 3.1 现有室内双工通信系统
• 3.2 室内LED照明灯无线双工通信系统方案
• 3.2.1 采用偏振分光技术的双工系统
• 3.2.2 并行双工通信系统
• 3.2.3 两种双工通信系统的比较
• 3.3 改进的并行双工通信系统
• 3.4 本章小结
• 第四章 有保护间隔OFDM抑制多径效应的研究
• 4.1 多径效应与背景光干扰
• 4.1.1 多径效应分析
• 4.1.2 背景光干扰分析
• 4.3 设计有保护间隔的OFDM调制技术抑制多径效应
• 4.3.1 OFDM原理
• 4.3.2 有保护间隔的OFDM技术实现
• 4.3.3 抑制多径效应分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 并行式收发端设计
• 5.1 收发端结构设计
• 5.2 发射端系统结构
• 5.2.1 LED驱动设计
• 5.2.2 发射端设计
• 5.3 接收端系统设计
• 5.3.1 光电检测器选择
• 5.3.2 前置放大器设计
• 5.4 整体电路设计
• 5.5 系统仿真测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目