可見光通信關(guān)鍵技術(shù)分析課件

1、可見光通信關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)代通信理論與新技術(shù)學號：姓名：1 1 概述概述2 2 特點特點3 3 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)4 4 結(jié)束語結(jié)束語可見光通信技術(shù)及其應(yīng)用什么是可見光通信技術(shù)什么是可見光通信技術(shù)LED與白熾燈的性能比較 LED高速的響應(yīng)特性使得在照明的同時進行高速通信成為可能可見光通信（VLC）應(yīng)運而生。什么是可見光通信技術(shù)什么是可見光通信技術(shù) 可見光通信技術(shù)(Visible Light Communication，VLC)是指利用可見光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，而在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。 LED可見光通信是基于可見光發(fā)光二極管(Light Emitting D

2、iode，LED)比熒光燈和白熾燈切換速度快的特點，利用配備LED的室內(nèi)外大型顯示屏、照明設(shè)備、信號器和汽車前尾燈等發(fā)出的用肉眼觀察不到的高速調(diào)制光波信號來對信息調(diào)制和傳輸，然后利用光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號并獲得信息。什么是可見光通信技術(shù)什么是可見光通信技術(shù)什么是可見光通信技術(shù)什么是可見光通信技術(shù) 無需WIFI信號，就可在路燈下花0.2秒的時間下載一部電影VLC特點特點保密廣泛特點特點高速寬頻譜實用目前全世界的電燈泡數(shù)量約有140億盞，實際上，這也意味可能成為互聯(lián)網(wǎng)接入點的數(shù)量。它的泛在性能對當下無線通信覆蓋的盲區(qū)進行填補，比如在無線受限（醫(yī)院、機艙、礦井等）、傳輸時媒介或障礙物

3、的深度衰減環(huán)境（地鐵、隧道）、用戶高度密集區(qū)、艦船艙內(nèi)這類無線通信非常不暢的地方采用LED光源進行通信。室內(nèi)通信，或設(shè)置可見光不能透過的障礙物每秒十兆至幾十兆 可見光頻譜的寬度可達到射頻頻譜的1萬倍?；贚ED的可見光通信具有寬頻譜、無需頻譜使用許可證，有LED的地方就可能有通信Lifi關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 光源 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的可見光光源是在滿足用戶的照明要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)通信功能，由于白熾燈、日光燈和LED等常用人造光源在硬件結(jié)構(gòu)上的不同，并非所有類型的光源都適合作室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的光源。 作為室內(nèi)照明設(shè)備,它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點。另一方面,作為光通信系統(tǒng)的光源

4、,它必須具有使用壽命長、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點。綜合以上兩個方面,目前能滿足要求的最好選擇就是白光LED。 目前,商品化的大功率白光LED功率已經(jīng)達到5 W,發(fā)光效率也已經(jīng)達到50 lm/W,其發(fā)光效率(流明效率)已經(jīng)超過白熾燈。白光LED的光效超過100 lm/W并達到200lm/W(可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備)可望在不久的將來即可實現(xiàn)。關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 光源 目前制造白光LED的方法主要有兩種 ： 一種是利用黃色熒光粉將藍光LED所發(fā)的藍光轉(zhuǎn)換成雙波長的白光。其中基于熒光粉的白光產(chǎn)生方法因其生產(chǎn)過程和封裝技術(shù)均較簡單，成本相對更低，所以是目前主流白光LED生產(chǎn)技術(shù)。但熒

5、光粉作用會引入額外的時間延遲，直接影響LED光的上升和下降時間，最后將導致LED的調(diào)制帶寬下降。 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 光源 目前制造白光LED的方法主要有兩種 ： 另一種方法是將紅光(波長約 626nm)、綠光(波長約 525nm)和藍光(波長約 470nm)按照一定的比例結(jié)合，合成白光(或者其他顏色光)。關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 為了盡可能提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，需采用額外的措施來緩解系統(tǒng)帶寬受物理器件限制的影響，有效的緩解措施可總結(jié)為兩類，一類是使用附加元件或使用均衡技術(shù)來緩解，具體方法包括在接收端使用藍色濾波片濾除響應(yīng)速度慢的黃光元素、在LED的驅(qū)動電路模塊中使用預(yù)均衡技術(shù)以及在接收

6、機端使用后均衡技術(shù)；第二類方法是使用效率更高的調(diào)制技術(shù)，即一個發(fā)送符號可傳遞盡可能多的信息。 目前應(yīng)用到可見光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式包括開關(guān)鍵控、脈沖位置調(diào)制、差分脈沖位置調(diào)制，子載波脈沖位置調(diào)制，變脈沖位置調(diào)制，色移鍵控和正交頻分復用等，以下將對目前可見光通信系統(tǒng)中的調(diào)制進行簡要介紹。 開關(guān)鍵控脈沖位置調(diào)制子載波脈沖 位置調(diào)制差分脈沖位置調(diào)制變脈沖位置調(diào)制正交頻分 復用關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 開關(guān)鍵控 開關(guān)鍵控(On-Off Keying，OOK)屬數(shù)字基帶調(diào)制方式，按照控制方式的差異，可細分成非歸零開關(guān)鍵控(Non-Reture-to-Zero OOK，NRZ-OOK)和歸零開關(guān)鍵控

7、 (Reture-to-Zero OOK，RZ-OOK)。下圖 給出了NRZ-OOK和RZ-OOK的調(diào)制波形，NRZ-OOK光源開啟表示“1”，光源關(guān)閉表示“0”。而RZ-OOK則每個脈沖結(jié)束都回歸到零電平，所以RZ-OOK的帶寬要求高于NRZ-OOK，考慮到LED開關(guān)速度的限制，NRZ-OOK比RZ-OOK更適合于調(diào)制帶寬受限制的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)。 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation，PPM)方式如圖所示，將b個原始數(shù)據(jù)信息映射到 2b個時隙中去，接收端通過判斷脈沖在時隙中位置獲得攜帶信息。2b-PPM占空比可表示為 2-b，當

8、b較大時，占空比很低，所以b很大時的PPM調(diào)制不適合可見光通信系統(tǒng)使用。與OOK類似，其數(shù)據(jù)傳輸速率也受到LED開關(guān)速度限制，當b很大時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率非常低。由于在接收機需要時隙同步和碼元同步，PPM收發(fā)機結(jié)構(gòu)較OOK收發(fā)機復雜。脈沖位置調(diào)制4-PPM 波形 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 子載波脈沖位置調(diào)制(Sub-Carrier Pulse Position Modulation，SC-PPM)調(diào)制方式如圖 所示，SC-PPM是日本可見光通信標準中所推薦的調(diào)制方式，在PPM的基礎(chǔ)上用子載波進行信息傳輸。子載波脈沖位置調(diào)制SC-4-PPM 波形 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 差分脈沖位

9、置調(diào)制調(diào)制(Differencial Pulse Position Modulation，DPPM)方式如圖 所示，通過去除PPM調(diào)制波形中多余的時隙，DPPM的帶寬效率較PPM高，但也受系統(tǒng)調(diào)制帶寬限制。由于每個調(diào)制波形均以脈沖結(jié)束，所以DPPM的收發(fā)機結(jié)構(gòu)會比PPM的收發(fā)機結(jié)構(gòu)簡單，不需要碼元同步。差分脈沖位置調(diào)制4-DPPM 波形 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 變 脈 沖 位 置 調(diào) 制 (Variable Pulse Position Modulation，VPPM)調(diào)制方式如圖所示，VPPM是IEEE 802.15.7標準中推薦的調(diào)制方式之一，結(jié)合了脈沖寬度調(diào)制(Pulse Wid

10、th Modulation，PWM)和 2-PPM調(diào)制的特點，通信時使用 2-PPM，明暗控制時使用PWM。 變脈沖位置調(diào)制VPPM 波形 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 變脈沖位置調(diào)制 VPPM 調(diào)制技術(shù)考慮了閃爍緩解和明暗控制功能，但是其數(shù)據(jù)傳輸速率也是受到 LED 開關(guān)速度的限制，當明暗控制范圍大時，系統(tǒng)效率會大幅降低，從而數(shù)據(jù)傳輸速率也將減小，所以使用 VPPM 調(diào)制的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)需要在數(shù)據(jù)傳輸速率和明暗控制范圍之間進行折中。 關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 正交頻分復用 正交頻分復用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Te

11、chnology, OFDM）被證明在高速通信情況下可有效抑制碼間干擾（Intersystembol Interference, ISI）。該技術(shù)的優(yōu)點在于，將數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換后同時傳輸，在時域上符號持續(xù)時間得到增加，能夠減少信道時域彌散產(chǎn)生的ISI，并可通過插入循環(huán)前綴的方法進一步消除信道ISI；具有較高的頻譜利用率；調(diào)制解調(diào)過程中的快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換隨著DSP技術(shù)的發(fā)展易于實現(xiàn)；可根據(jù)上下行鏈路不同數(shù)據(jù)量和通信質(zhì)量要求進行自適應(yīng)的調(diào)制；方便與多址技術(shù)結(jié)合等。其面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何將信息有效地加載到OFDM載波上，以及如何對LED的非線性進行補償。結(jié)束語結(jié)束語 可見光通信實現(xiàn)照明和通信2