白光led通信技術詳解_基于白光LED的無線通信技術

　　白光通信技術又叫“可見光通信技術”（VisibleLightCommunication），其原理是將需要傳輸的信息調制到LED燈具的驅動電流上，使LED燈具以極高的頻率閃爍。雖然人眼看不到這種閃爍，但是通過光電探測器可以檢測到這種高頻閃爍攜帶的通信信息?；诎坠釲ED的可見光通信技術融合了光通信和無線通信二者的優點，同時順應了白光LED器件作為下一代綠色固體照明光源的發展趨勢，是一種高速靈活、綠色環保的新型通信技術，且因為通信電路可以和LED燈具的驅動電路完美集成，應用前景巨大。

　　白光LED可見光通信的特點

　?。?）可見光通信使用方便快捷。 尤其是室內可見光通信中，用作通信的光源一般也做照明用，安裝簡易，不會帶來較多的麻煩。安裝在室內任何地方都可以，可以很方便的實現無線傳輸。

　?。?）可見光通信對人體沒有影響，不會對人體造成傷害。 由于其用于通信的信號光源就是平常用作照明的光源，屬于綠色通信，使用起來較為安全。

　?。?）信號光源發射功率高。 基于對人眼和身體的安全考慮，普通無線光通信和射頻通信對發射功率都有一定的限制。而在可見光通信中， LED 光源跟自然光一樣，對發射功率沒有限制。因此可得到較高的發射功率。

　?。?）無電磁干擾。 像醫院、飛機上和空間站等，這些場合對電磁干擾有嚴格的限制，一般的射頻通信無法達到此要求，可見光通信無電磁干擾，能夠較好的應用到以上場所。

　?。?）不受無線電頻譜管制。

　　可見光通信技術因為是光波通信，無電磁污染有利于人體健康;因為光線的直線傳播，通信信號覆蓋范圍可見可控，私密性強;因為與照明天然結合可以利用無處不在的照明網絡，所以無須新建專用網絡、節能和環保;因為是光波通信，頻帶資源理論上高達100THz，通信速率趕超WiFi且無需授權?？偟膩碚f，可見光通信技術作為一種無線通信新技術，解決了無線通信技術發展面臨的兩大問題。

　?。?）無線通信的發展急需解決無線頻譜資源拓展的問題

　　由于傳統無線通信發展迅速，且和廣播電視、藍牙等技術共用微波無線頻段，造成該頻段頻譜資源異常緊張，開發利用新的無線頻段迫在眉睫。近年來陸續出現了毫米波通信和太赫茲通信等解決方案，而隨著白光LED器件的出現，利用頻率更高的可見光頻段進行自由空間無線通信成為可能，不僅理論上可以達到更高的傳輸速率，同時避開了緊張的無線授權波段。

　?。?）無線通信的發展急需解決節能環保的問題

　　LED器件是一種高效的固體光源，與當前的熒光光源相比具有更低的功耗、更高的亮度和更小的尺寸。另一方面，LED發出的光譜窄，可以用作無線通信載波調制信號，因此同時具備綠色照明和節能通信兩個優點。此外，處于可見光頻段的光波對人體無傷害，可以保證長時間通信下對用戶的環保安全，屬于綠色節能環保通信?！　】梢姽馔ㄐ抛鳛橐环N無線通信新技術還催生了燈光定位、光學無線身份識別、光學無線供能等創新應用。相信隨著技術的發展和大家對可見光通信技術的了解，還會產生更多的創新應用。

　　基于白光LED的無線通信技術

　　可見光無線通信又稱“光保真技術”，英文名LightFidelity（簡稱LiFi）是一種利用可見光波譜（如燈泡發出的光）進行數據傳輸的全新無線傳輸技術。隨著無線通訊的普及，一些場所不適合使用無線電通訊，以及處于對電磁波對人體健康影響的考慮，開發一種新載體的無線通信技術對現有的無線電通信技術作為補充是有必要的。

　　隨著大功率白光LED的出現，大量的白光LED被用作照明光源。LED照明光源以其低功耗、易調制的優點使可見白光成為一種優秀的信息載體。

　　基本結構

　　基于白光LED的可見光通信系統，是利用白光發光二極管等發出的高頻閃爍信號來傳輸信息的，將經過調制的因特網信號通過LED發射出去。該系統能夠覆蓋室內燈光達到的范圍，電腦不需要信號線纜連接。利用專用的、能夠接發信號功能的電腦以及移動信息終端，只要在室內燈光照到的地方，就可以長時間下載網絡數據。 下圖是基于白光LED的可見光無線通信系統組成框圖及系統示意圖。

　　可見光通信技術作為一種無線的光通信方式，其系統包括下行鏈路和上行鏈路兩部分。下行鏈路包括發射和接收兩部分。其發射部分主要包括將信號源信號轉換成便于光信道傳輸的電信號的輸入和處理電路、將電信號變化調制成光載波強度變化的LED可見光驅動調制電路。

　　下行鏈路由發射模組和接收模組兩部分構成。其發射模組主要由白光 LED 光源和相應信號處理單元組成。白光 LED 光源以很大的發射角發出調制光向空間中各個方向傳播。 由于室內幾乎不受強背景光和天氣的影響，光傳播基本上不存在損耗。但是由于 LED光源個數較多，且具有較大的表面積，因而在發射機和接收機之間存在若干條不同的光路徑，不同的光路徑到達接收機的時間不同，將引起碼間干擾（ISI）。由于白光 LED 光源發出的是可見光，且發散角較大，對眼睛幾乎沒有影響，因而可以通過提高光源的發射功率以提高系統的可靠度。

　　該系統的接收部分主要由光電檢測器和相應信號處理單元組成。室內的光信號被光電檢測器轉換為電信號，然后對電信號進行放大、濾波、解調處理恢復成正常的因特網信號。

　　該系統的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的光源不同外，其它基本一樣。上行鏈路采用的光源仍然由白光 LED組成，只不過發射面積較小，且具有較小的發射角（光束經過簡單準直，類似于手電筒），天花板上安裝的光電檢測器接收來自用戶的光信號。

　　按照上述結構配置，就可以組成一個全雙工可見光無線通信系統。 由于白光 LED 的亮度很高，且信號調制速率遠高于人眼所能識別的24幀的頻率，因而人的眼睛完全感覺不到光的閃爍。故此，在白光LED可見光無線通信系統中，白光 LED 可兼具通信與照明的雙重功能。

　　關鍵技術

　　1、室內光源的布局

　　實際應用中，由于各個房間的空間布局、大小多種多樣，因而要使通信效果達到最優，須使房間內的光強分布均勻，也應盡量避免通信盲區（光照射不到的區域）的出現。要達到這個目的，必須根據不同的房間，合理的安排LED光源的布局。就具體房間具體分析布局方案。

　　2、消除碼間干擾技術

　　在可見光無線通信系統中，安裝在天花板上的LED燈通常是由多個發光LED 的陣列組成，因而具有較大的表面積。另一方面，為了達到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個房間通常安裝多個LED燈。不同的光信號到達接收機會產生碼間干擾（ISI），極大地降低了系統的性能。針對可見光無線通信系統中碼間干擾（ISI） 的起因不同，主要采用以下方式來削弱碼間干擾：運用部分響應技術、采用均衡濾波器、采用正交頻分復用技術（OFDM）技術等。

　　3、高靈敏的接收技術

　　在LED可見光通信系統中，存在著強烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，同時隨著傳輸距離的加大，接收機接收到的信號十分微弱，常常會導致接收端信噪比小于 1。為了精確地接收信號，需要選擇靈敏度高、響應速度快、噪聲小的新型光電探測器；對所接收的信號進行前置處理，需采用高效的光濾波器，以抑制背景雜散光的干擾，對信號進行整形和去噪聲。為了有效抑制噪聲，接收濾波器常要求具有窄帶濾波特性?？墒?，在可見光無線通信系統中，信號能量與噪聲一同分布在整個可見光譜中，這樣一來信號光和噪聲將同時被濾除，達不到真正濾去噪聲的目的，濾波后的光信號的信信號的信噪比依然很低。所以，要實現高靈敏接收，更重要的是研究新的濾波技術及新型濾波器，比如匹配濾波、特殊光柵濾波器等。

　　4、自動切換技術

　　在室內 LED 可見光無線通信系統中，當接收機從一個基站（房間）移動到另一個基站時，需要接收機能夠自動切換。切換操作既要能識別一個新基站又要將信令信號分派到新基站的信道上，設計者必須指定一個啟動切換的最恰當的信號強度，選擇恰當的切換時間以避免不必要的切換，同時保證在由于信號太弱而通信中斷之前完成必要的切換。因此，基站在準備切換之前先對信號監視一段時間來進行信號能量的檢測，這需由接收機輔助切換來完成。

　　總結

　　白光 LED 室內無線通信，是一種新興的無線光通信技術。國內對白光 LED 應用在無線通信中起步較晚。制約白光LED 室內無線通信系統性能的因素很多，本文的研究工作雖然已考慮了很多因素，但也只是其中的一部分。要想更全面地進行系統分析，就必須建立更完善的系統模型，通過更深入地分析才能實現。所以，本論文的研究工作仍有一些不足之處需進一步的研究和改善。作者認為基于

　　1）將正交頻分復用技術（OFDM） 調制技術應用到白光 LED 光通信中具有良好的發展前景。在有線信道下， 正交頻分復用技術（OFDM）應用已經十分成熟，但將其應用到白光 LED光通信系統，還需解決數據同步、接收端信號檢測等問題，設置出一種使用于白光LED光通信的正交頻分復用技術（OFDM）調制和解調方案硬件系統。

　　2）對LED可見光信道進行深入分析?？梢姽馔ㄐ畔到y具有與紅外無線通信不同的信道沖激響應，這兩種系統中引起碼間干擾（ISI）的原因也不相同，需要對多光源、時變信道環境下的可見光通信系統的信道沖激響應和不同光路徑引起的 ISI 作深入研究，從而解決碼間干擾（ISI）的影響。

　　3）為城市車輛提供一種移動導航及定位方法。將光接收機安裝在道路邊或汽車上，而汽車和路燈照明基本上都采用LED燈，組成交通控制無線網絡。通過這種無線網絡給汽車提供導航，定位，以及各條道路的具體路況。這是LED可見光無線通信技術應用在交通的智能交通系統。室內可見光無線通信技術目前仍處于初始階段，白光 LED就照明而言具有較大的優勢，也具有巨大的發展潛力，它是一種綠色、節能的照明光源。相信隨著白光LED價格的大幅度下降，白光 LED 在照明擁有絕對的主導市場，而通信技術與白光LED結合的研究將會得到進一步的發展，屆時將會在通信領域起著非常重要的作用。另外，白光LED無線光通信系統在未來5G通信網絡中扮演非常重要的角色，從而得到迅速的發展。