白光LED照明光源用作室內(nèi)無線通信研究[圖]

1 引言

可見光LED 具有高亮度、高可靠性、能量損耗低和壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)良的特性，可用于全色顯示、交通信號(hào)指示和照明光源等。與普通光源比較，可見光LED 還因其高速調(diào)制特性已被應(yīng)用在中短距離光纖通信中，但其在無線通信領(lǐng)域應(yīng)用還不多。

無線光通信技術(shù)與射頻無線通信相比， 有無需頻帶申請(qǐng)、造價(jià)低等許多優(yōu)點(diǎn)， 基于可見光LED 研制的手機(jī)信息無線收發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10kb/s 的數(shù)據(jù)傳輸。香港的Grantham Pang 等人則已試驗(yàn)成功利用可見光LED 為信號(hào)光源、覆蓋距離為20m 的無線音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)。近年來Yuichi Tanaka 等[4]人提出將白光LED 引入到室內(nèi)無線通信技術(shù)中。白光LED 在提供室內(nèi)照明的同時(shí)， 被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線高速數(shù)據(jù)接入。

2 系統(tǒng)分析

2.1 LED 的基本特性

LED 光源有發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光功率兩個(gè)基本特性參數(shù)。白光LED 不僅提供室內(nèi)照明， 并作為信號(hào)光源用以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸。考慮到紅外光對(duì)人眼睛的傷害等因素，LED 白光用作室內(nèi)無線通信的信號(hào)光源比紅外光有著許多自身的優(yōu)勢(shì)（如表1 所示）。

表1 白光和紅外光用作室內(nèi)無線通信時(shí)的比較分析

2.2 通信鏈路

室內(nèi)無線光通信的基本鏈路方式有很多種。本文描述的無線光通信系統(tǒng)中，白光LED 因提供室內(nèi)照明須固定在天花板上，故以其為信號(hào)光源的室內(nèi)無線通信鏈路有兩種形式：直射式視距鏈接和漫射鏈接，如圖1 所示。

（a） 直射式視距鏈接

（b） 漫射鏈接。

圖1 可見光LED 用于室內(nèi)通信時(shí)的光鏈路方式。

在直射式視距鏈路中，接收機(jī)直接指向白光LED光源。設(shè)計(jì)光鏈路為直射式視距鏈接的優(yōu)點(diǎn)是，信號(hào)光源功率利用率高、容易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈接。然而該鏈路要求光信號(hào)收發(fā)端始終對(duì)準(zhǔn)，容易因鏈路上存在的障礙物而阻斷。漫射鏈路設(shè)計(jì)中接收機(jī)視角一般較大，降低了對(duì)指向的要求，系統(tǒng)不易受陰影效應(yīng)影響。

但鏈路中存在的多徑效應(yīng)會(huì)限制信號(hào)傳輸速率。表2 給出了兩種光鏈路的一些通信性能比較。實(shí)際應(yīng)用中可以綜合兩種鏈路的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)靈活的鏈路方式以提高系統(tǒng)性能。

表2 兩種無線光通信鏈路比較

2.3 信道分析

無線光通信系統(tǒng)多采用光強(qiáng)度調(diào)制（IM）和直接檢測(cè)（DD）技術(shù)。圖2 為一個(gè)簡(jiǎn)單的基于可見光LED、采用IM- DD 技術(shù)的室內(nèi)無線通信信道模型。白光LED 瞬時(shí)發(fā)射光功率不可能為負(fù)值，所以LED 端輸入電信號(hào)為非負(fù)， 其值可表示為X（t）=Pt（1+Amsinωt）。這里Pt 表示發(fā)射光平均功率，Am為正弦曲線幅度（Am ≤1 ）。探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度R（t）=Pr（1+Amsinωt）+Pamb,Pr 為探測(cè)器處入射信號(hào)光平均功率，Pamb 為入射到探測(cè)器上的背景光（包括自然光或室內(nèi)其它光源等）功率。假設(shè)光探測(cè)器的靈敏度大小為R, 則其檢測(cè)到的光電流值應(yīng)為：

圖2 采用IM- DD 技術(shù)的基帶可見光無線通信信道

無線光通信光接收機(jī)端通常采用pin 光電探測(cè)器，此時(shí)接收機(jī)系統(tǒng)前端的主要噪聲是前置放大電路等引入的電路噪聲icirc 和電流引起的散彈噪聲。通信系統(tǒng)在傳輸速率Rb 時(shí)的信噪比可由式（2）計(jì)算：

其中q 為電子電荷，

為電路噪聲平均功率值。

當(dāng)系統(tǒng)工作在強(qiáng)背景光下時(shí)，式（2）可簡(jiǎn)化為：

可見此時(shí)信道噪聲N（t）可以看作與信號(hào)無關(guān)的白噪聲。由于散彈噪聲服從伯松分布[7], 通信系統(tǒng)在強(qiáng)背景光影響下的噪聲可以看作若干服從高斯分布的獨(dú)立的噪聲變量的疊加。取其極限值并利用中心極限定理可把信道噪聲視為與信號(hào)無關(guān)的高斯白噪聲。因此這里把圖2 所示的通信信道看作一基帶線性系統(tǒng)，其表達(dá)式由式（4）給出。其中h（t）是信道脈沖響應(yīng)，表示卷積。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 照明設(shè)計(jì)

由式（2）、（3）可知系統(tǒng)信噪比與探測(cè)器接收到的光功率的平方成正比。這就意味著對(duì)于采用IM- DD技術(shù)的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，要增大通信覆蓋范圍，就必須增大LED 光源發(fā)射功率（這一點(diǎn)在基于紅外的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)中是受到限制的）, 同時(shí)應(yīng)該合理設(shè)計(jì)通信鏈路，以盡量減小信號(hào)光傳播過程中的能量損耗。同時(shí)為滿足基本照明需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮室內(nèi)光照度的分布。單個(gè)LED 發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光功率都比較小，利用其提供室內(nèi)照明和通信時(shí)，LED 光源應(yīng)設(shè)計(jì)為多個(gè)白光LED 組成的陣列。當(dāng)接收機(jī)與LED 照明光源距離d 遠(yuǎn)大于光源自身尺寸參數(shù)l 時(shí)（d>5l）, 探測(cè)器處的光照度可以用式（5）計(jì)算。這里IL（φ）為L(zhǎng)ED 光源沿接收機(jī)方向的發(fā)光強(qiáng)度，ψ是入射光相對(duì)于探測(cè)器表面法線的入射角。

如圖3 所示，考慮在一尺寸為10m×10m×3m 的辦公室房間放置4 盞白光LED 燈，每盞LED 燈由100×100 個(gè)白光LED（參數(shù)由表3 給出）組成。忽略LED 燈在垂直地面方向上的尺寸，計(jì)算可得室內(nèi)地面各處光照度值在355.53~1939.01lx 之間分布。根據(jù)國際化標(biāo)準(zhǔn)， 普通辦公室照明要求光照度為500lx, 而會(huì)議室和電腦工作室則要求光照度在300~500lx 之間�？紤]直射式視距鏈路中光接收機(jī)位于室內(nèi)地面處，并對(duì)準(zhǔn)距離其最近的LED 燈，信號(hào)光垂直入射到探測(cè)器表面，在室內(nèi)地面各處可接收到的光功率值分布在0.585~1.852mW之間。在漫射鏈路中，由于接收機(jī)視角設(shè)計(jì)得較大，探測(cè)處接收到的信號(hào)光功率值還會(huì)更大，已超過紅外光用于無線通信的光功率值。由上述分析可知，圖3 中的LED 光源可以同時(shí)用作辦公室照明系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的信號(hào)光源�？梢姾侠碓O(shè)計(jì)LED 照明光源布局很容易滿足室內(nèi)全部區(qū)域的照明和通信要求，并能有效消除無線通信系統(tǒng)中陰影效應(yīng)[8]的影響。

圖3 室內(nèi)模型LED 燈分布示意圖

表3 仿真模型計(jì)算參數(shù)

　　2.4.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

⑴光濾波器無線光通信信道中的主要噪聲源是背景光。雖然可以在探測(cè)器端使用光濾波器除去低頻和高頻光信號(hào)，但由于LED 白光處于可見光波段，光譜寬度在幾十納米左右，因此利用帶通濾波器抑制背景光有一定的難度。在強(qiáng)背景光條件下合理選擇濾波器帶寬以達(dá)到對(duì)信號(hào)光最佳接收是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)權(quán)衡的問題。

⑵光探測(cè)器光探測(cè)器處接收到的光強(qiáng)和其自身的有效接收面積成正比。在忽略反射損耗的情況下光探測(cè)器的有效信號(hào)接收面積如式（6）所示，其中A 為探測(cè)器的實(shí)際物理面積。

可見減小探測(cè)器表面信號(hào)光的入射角和增加探測(cè)器物理面積將有益于增加探測(cè)器的有效接收面積。

但增加探測(cè)器物理面積價(jià)格昂貴，同時(shí)會(huì)減小接收機(jī)帶寬、增大接收機(jī)噪聲。

⑶光集中器接收機(jī)端可使用光集中器以提高探測(cè)器有效接收面積。理想的非成像光集中器的光增益系數(shù)為：

式（7） 中FOV 是探測(cè)器接收視角（如圖1 所示）， n為光集中器折射率。考慮到光濾波器增益Tf（ψ）和光集中器增益g（ψ），探測(cè)器的有效接收面積可表示為：

由式（8） 可知，在直射式視距鏈路中，通過增加光集中器折射率或減小接收機(jī)視角可以增加探測(cè)器的有效接收面積，從而提高信道增益。對(duì)于直射式視距鏈路，減小接收機(jī)視角可以有效減少背景光對(duì)鏈路的干擾。對(duì)于漫射鏈路， 可以通過增加探測(cè)器面積和提高光集中器增益來提高信道增益。由漫射鏈路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)可知，在漫射鏈路中應(yīng)該通過增加光集中器折射率， 而不是減小接收機(jī)視角來增加集中器增益。另外，很多情況下合理設(shè)計(jì)LED 光源的光功率朗伯分布也可優(yōu)化直流信道增益。

3 結(jié)束語

與普通照明光源相比，白光LED 耗能低、工作溫度低、壽命長(zhǎng)、體積小，被公認(rèn)為能取代現(xiàn)在普遍使用的熒光燈的下一代照明光源。我們對(duì)基于白光LED 照明光源的室內(nèi)無線通信系統(tǒng)做了基本理論分析和討論。LED 白光不僅提供室內(nèi)照明，并作為信號(hào)光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸。通過對(duì)LED 發(fā)光特性、室內(nèi)通信鏈路和信道模型的理論分析， 指出了光鏈路中系統(tǒng)參數(shù)對(duì)通信性能的影響和設(shè)計(jì)光收發(fā)機(jī)端時(shí)應(yīng)考慮的因素。集照明和數(shù)據(jù)傳輸雙重功能于一身的白光LED 無線通信系統(tǒng)有望進(jìn)入未來室內(nèi)數(shù)據(jù)接入領(lǐng)域。目前，筆者所在實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行此方面的實(shí)驗(yàn)研究工作。

作者：胡國永 陳長(zhǎng)纓 陳振強(qiáng) 來源：《光通信技術(shù)》

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