可見(jiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù)全解.ppt

1、,可見(jiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù),現(xiàn)代通信理論與新技術(shù),學(xué)號(hào)： 姓名：,1 概述,2 特點(diǎn),3 關(guān)鍵技術(shù),4 結(jié)束語(yǔ),可見(jiàn)光通信技術(shù)及其應(yīng)用,什么是可見(jiàn)光通信技術(shù),1,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(shí)進(jìn)行高速通信成為可能 可見(jiàn)光通信（VLC）應(yīng)運(yùn)而生。,什么是可見(jiàn)光通信技術(shù),1,可見(jiàn)光通信技術(shù)(Visible Light Communication，VLC)是指利用可見(jiàn)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(hào)的通信方式。 LED可見(jiàn)光通信是基于可見(jiàn)光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)比熒光燈和白熾燈切換速度快

2、的特點(diǎn)，利用配備LED的室內(nèi)外大型顯示屏、照明設(shè)備、信號(hào)器和汽車(chē)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(hào)來(lái)對(duì)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(hào)并獲得信息。,什么是可見(jiàn)光通信技術(shù),1,綠色照明+高速通信=綠色信息之光,什么是可見(jiàn)光通信技術(shù),1,無(wú)需WIFI信號(hào)，就可在路燈下花0.2秒的時(shí)間下載一部電影,VLC特點(diǎn),保密,廣泛,特點(diǎn),2,高速,寬頻譜,實(shí)用,目前全世界的電燈泡數(shù)量約有140億盞，實(shí)際上，這也意味可能成為互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)的數(shù)量。,它的泛在性能對(duì)當(dāng)下 無(wú)線通信覆蓋的盲區(qū)進(jìn)行填補(bǔ)， 比如在無(wú)線受限（醫(yī)院、機(jī)艙、礦井等）、傳輸時(shí)媒介或障礙物的深度衰減環(huán)境（地鐵

3、、隧道）、用戶高度密集區(qū)、艦船艙內(nèi)這類(lèi)無(wú)線通信非常不暢的地方采用LED光源進(jìn)行通信。,室內(nèi)通信，或設(shè)置可見(jiàn)光不能透過(guò)的障礙物,每秒十兆至幾十兆,可見(jiàn)光頻譜的寬度可達(dá)到射頻頻譜 的1萬(wàn)倍?；贚ED的可見(jiàn)光通信具有 寬頻譜、無(wú)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),3,光源,室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的可見(jiàn)光光源是在滿足用戶的照明要求的基礎(chǔ)上實(shí)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(lèi)型的光源都適合作室內(nèi)可見(jiàn)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(diǎn)。另一方面,作為光通信系統(tǒng)的光源,它必須具有

4、使用壽命長(zhǎng)、調(diào)制性能 好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上兩個(gè)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(dá)到5 W,發(fā)光效率也已經(jīng)達(dá)到50 lm/W,其發(fā)光效率(流明效率)已經(jīng)超過(guò)白熾燈。白光LED的光效超過(guò)100 lm/W并達(dá)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(lái)即可實(shí)現(xiàn)。,關(guān)鍵技術(shù),3,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(lán)光LED所發(fā)的藍(lán)光轉(zhuǎn)換成雙波長(zhǎng)的白光。其中基于熒光粉的白光產(chǎn)生方法因其生產(chǎn)過(guò)程和封裝技術(shù)均較簡(jiǎn)單，成本相對(duì)更低，所以是目前主流白光LED生產(chǎn)技術(shù)。但熒光粉作用會(huì)引

5、入額外的時(shí)間延遲，直接影響LED光的上升和下降時(shí)間，最后將導(dǎo)致LED的調(diào)制帶寬下降。,關(guān)鍵技術(shù),3,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(zhǎng)約 626nm)、綠光(波長(zhǎng)約 525nm)和藍(lán)光(波長(zhǎng)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),3,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(lái)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(lèi)，一類(lèi)是使用附加元件或使用均衡技術(shù)來(lái)緩解，具體方法包括在接收端使用藍(lán)色濾波片濾除響應(yīng)速度慢的黃光元素、在LED的驅(qū)動(dòng)電路模塊中使用預(yù)均衡技術(shù)以及在接收機(jī)端使用后均衡技術(shù)

6、；第二類(lèi)方法是使用效率更高的調(diào)制技術(shù)，即一個(gè)發(fā)送符號(hào)可傳遞盡可能多的信息。 目前應(yīng)用到可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式包括開(kāi)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(fù)用等，以下將對(duì)目前可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中的調(diào)制進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。,開(kāi)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(fù)用,關(guān)鍵技術(shù),3,調(diào)制解調(diào)技術(shù),開(kāi)關(guān)鍵控,開(kāi)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(xì)分成非歸零開(kāi)關(guān)鍵控(Non-Reture-to-Zero OOK，NRZ-OOK)和歸零開(kāi)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(kāi)啟表示“1”，光源關(guān)閉表示“0”。而RZ-OOK則每個(gè)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(kāi)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(jiàn)光通信系統(tǒng)。,關(guān)鍵技術(shù),3,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(gè)原始數(shù)據(jù)信息映射到 2b個(gè)時(shí)隙中去，接收端通過(guò)判斷脈沖在時(shí)隙中位置獲得攜帶信息。2b-PPM占空比可表示為 2-b，當(dāng)b較大時(shí)

8、，占空比很低，所以b很大時(shí)的PPM調(diào)制不適合可見(jiàn)光通信系統(tǒng)使用。與OOK類(lèi)似，其數(shù)據(jù)傳輸速率也受到LED開(kāi)關(guān)速度限制，當(dāng)b很大時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率非常低。由于在接收機(jī)需要時(shí)隙同步和碼元同步，PPM收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)較OOK收發(fā)機(jī)復(fù)雜。,脈沖位置調(diào)制,4-PPM 波形,關(guān)鍵技術(shù),3,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(jiàn)光通信標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的調(diào)制方式，在PPM的基礎(chǔ)上用子載波進(jìn)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),3,調(diào)制解調(diào)技術(shù),差分脈沖位置調(diào)制調(diào)

9、制(Differencial Pulse Position Modulation，DPPM)方式如圖 所示，通過(guò)去除PPM調(diào)制波形中多余的時(shí)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(gè)調(diào)制波形均以脈沖結(jié)束，所以DPPM的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)比PPM的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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),3,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(biāo)準(zhǔn)中推薦的調(diào)制方式之一，結(jié)合了脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width M

10、odulation，PWM)和 2-PPM調(diào)制的特點(diǎn)，通信時(shí)使用 2-PPM，明暗控制時(shí)使用PWM。,變脈沖位置調(diào)制,VPPM 波形,關(guān)鍵技術(shù),3,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(kāi)關(guān)速度的限制，當(dāng)明暗控制范圍大時(shí)，系統(tǒng)效率會(huì)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(jiàn)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(jìn)行折中。,關(guān)鍵技術(shù),3,調(diào)制解調(diào)技術(shù),正交頻分復(fù)用,正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Technol

11、ogy, 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(diǎn)在于，將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后同時(shí)傳輸，在時(shí)域上符號(hào)持續(xù)時(shí)間得到增加，能夠減少信道時(shí)域彌散產(chǎn)生的ISI，并可通過(guò)插入循環(huán)前綴的方法進(jìn)一步消除信道ISI；具有較高的頻譜利用率；調(diào)制解調(diào)過(guò)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(shí)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(jìn)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(duì)LED的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。,結(jié)束語(yǔ),4,可見(jiàn)光通信實(shí)現(xiàn)照明和通信2個(gè)功