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【光电热点大家谈】LED通信的原理及应用
发布时间： 2019-6-22 15:00:00
分享话题：《LED通信的原理及应用》
时间：2019年6月18日周二晚20：00
地点：广东省光电技术协会群
主讲人：柯熙政
主讲人介绍：
柯熙政，理学博士，二级教授，西安理工大学信息与通信学科负责人，陕西省教学名师。1983年在陕西工学院获得学士学位，1996年在中国科学院大学获得理学博士学位。1997年到2002年先后在西安电子科技大学和第二炮兵工程学院进行博士后研究。《电子学报》编委、《红外与激光工程》编委，《电子测量与仪器学报》编委，《光学技术》编委，《西安理工大学学报》编委，《时间频率学报》编委，国家科技奖励评审专家，陕西省学位委员会学科评议组成员。2000年获得中国科学院优秀青年学者奖。2009年获得“科技部教育部广东省优秀科技特派员”称号。2015年获得扬州市“绿杨金凤”领军人物称号。2001年以来获得省部级科技奖励10项，其中一等奖1项，二等奖4项。获得国家授权发明专利20多项，在科学出版社出版专著9部，在国内外期刊发表学术论文400多篇，百度论文引用H指数25、G指数42。已经培养博士后、博士以及硕士120多名。
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大家好！今天我报告的题目是：“LED通信的原理及应用”。
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首先，我先简单介绍下我们课题组，西安理工大学以无线激光通信为切入点投资600万元建立了“院士工作站”和“空间光通信实验室”。课题组有4名教授、8名副教授及60多名讲师。
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近年来，我本人也出版了7本专著。
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发表论文300余篇，其中被SCI和EI检索250余篇。
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我本人申请发明专利十多余项。
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这是部分发明专利的证书。
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同时申请软件著作权十多余项。
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这是部分软件著作权的证书。
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获得奖励十多余项。
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这是部分获奖的证书。
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近年来，我们课题组承担国家级和省部级纵向、横向科研项目二十余项。
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这是外校专家来我们实验室参观我们科研成果的照片。
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我们已经成功研制了一套无线激光综合业务通信机，通信速率达1.25Gbps；通信距离为10km；误码率小于10-9。此通信机已经通过质量检查报告，可以出售。
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这是我们实验室的另一套无线激光通信系统。可实现视频、语音及图片的传输。
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这是我们实验室的空间相干光通信系统的接收端和信号处理系统。可实现远距离的视频传输。
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这是空间相干光通信系统的发射天线和接收天线。
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今天的报告我主要从五个方面讲解，分别是：“背景和意义”、“VLC系统光源布局的优化”、“无源自主上行链路技术”、 “可见光高容量多维编码技术”及“高效MIMO-OFDM编解码调制技术”。首先，看一下“背景和意义”。
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日益增长的无线通信需求与越来越匮乏的可用无线电波频谱资源之间的矛盾促使人们寻求无线通信系统新的可能解决方案。可见光通信融合了无线通信技术和光通信技术，具有不占用频谱资源、发射功率高、无电磁干扰等优点，是实现室内无线高速传输的一种补充技术。
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可见光通信在一些特殊环境，如医院、矿井、坑道等传统不易实现的特殊环境中，在机场、办公室等大型公共场所等高速度、高移动、高密度需求超过无线电频谱资源承载能力的场景中，或者舰船、机舱等电子设备高密度出现频谱资源紧张的环境中，可见光通信都表现出了巨大的传输潜力和使用价值。
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基于LED的可见光通信虽然有着独特的优势和广泛的应用前景，但也存在着明显的缺陷，所以，可见光通信技术不能替代现有无线通信技术，可与WIFI、蜂窝无线通信等多种接入方式形成异构网络来满足未来用户日益增长的无线通信需求。
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室内可见光通信系统中尚存在如下问题值得人们研究：
（1）光源布局的优化：
（2）无源自主上行链路技术：
（3）可见光高容量多维编码技术：
（4）高效MIMO-OFDM编解码调制技术。
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第二部分讲一下：VLC系统光源布局的优化。
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在室内VLC系统中，由于各个房间的大小以及室内设施不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房间内同一水平面上分布的光功率变化最小，要达到这个目的，必须根据不同的房间，合理的安排LED 灯的布局。
图（a）为办公室可见光通信系统的组成框图；
图（b）为室内任意位置接收功率示意图；
图（c）为室内光源布局示意图。
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根据表1中的参数，我们对LED灯的布局与接收功率的关系进行仿真，结果如图（a）、图（b）、图（c）和图（d）所示。
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以4只LED灯为例, 图（a）和图（b）是房间内的两种光源布局；
图（c）和图（d）是高度为0. 85 m 的水平面上的接收光功率的分布；
图（e）为接收机码速率为200Mbps时接收机视场角与接收信噪比的关系图。
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第三部分讲一下：无源自主上行链路技术。
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图为室内可见光单光源全双工通信系统。
主动端由LED及其驱动电路、光电接收电路、信号处理电路、光学透镜组、下行链路调制器、上行链路解调器以及通信终端组成。
逆向端由猫眼逆向调制器、光电接收电路、下行链路解调器、上行链路调制器以及通信终端组成。
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本系统中所使用的逆向调制器为离焦型猫眼MRR，结构简单的优点，适用于室内可见光通信这种光束发散角较大的通信系统。
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单光源全双工通信的原理是利用下行链路光信号作为载波，将上行链路信号通过逆向调制器加载到下行光信号上并反射回主动端，实现上行传输过程。图3为一次和二次调制信号图，其中主动端发送DQPSK信号，逆向端发送FSK信号，图(a)为一次调制信号，图(b)为二次调制信号。
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图4 为LED驱动电路原理图，LED驱动电路的作用是将FPGA产生的调制信号调制到LED上。商用大功率白光LED的调制带宽通常比较低，驱动电路的一个重要作用是扩展LED的调制带宽。
图5 为光电接收电路原理图，该电路由光电二极管、互阻放大器、滤波电路和二级放大电路组成。
图6 为信号处理电路原理图，主动端接收到的光信号是经过逆向端二次调制后的光信号，其信号中既含有下行光信号，又含有逆向端返回的上行链路信号，需要从混合的信号中分离出上行链路信号。
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图（a）和图（b）分别是单光源全双工通信实验平台的逆向端和主动端。
主动端LED的偏置电流设置为400mA，调制电流设置为100mA，光电探测器响应波长为200~1100nm，带宽为159MHz。
逆向端猫眼逆向调制器的聚焦透镜选用直径70mm，焦距90mm的正透镜，调制反射器响应频率范围为2KHz~20KHz。光电探测器响应峰值波长为800nm，带宽500MHz。
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该图为实时视频传输实验，在主动端利用摄像头采集视频信息并完成编码后，经下行通信链路发送给逆向端，逆向端完成解调后可以在计算机上实时看到摄像头采集到的视频。回传的数据由串口发送给逆向端，经逆向端调制后通过上行链路发送回主动端，在主动端解调出的回传数据在计算机的串口调试助手上显示，实现单光源的全双工通信。
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上下行通信链路中的信号进行采集并分析。
(a)为主动端发送的下行链路DQPSK调制信号。图9(b)为逆向端的上行链路调制信号。
图10为经过逆向端二次调制后的信号及其功率谱，从图中可以看出：上行链路的信号已经调制到下行光信号的包络上，其载波正是下行高频信号。图10(b)为经过二次调制后信号的功率谱，可以看到二次调制后的信号功率谱中包含了两个峰值，其中Downlink为下行链路高频信号的峰值，Uplink为上行链路信号的峰值。对该功率谱分析可知：在上行接收端可以利用带通滤波器将高低频信号进行分离，滤除高频的下行信号分量，提取出低频的上行信号。
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图 (a)为逆向端加载到逆向调制器上的信号；
图 (b)为主动端从二次调制的信号中提取出的上行链路信号；
图 (c)为误码率与传输距离的关系。
测试中上行链路通信速率为2.0Kbit/s，下行链路通信速率为5.0Mbit/s。从图（c）可看出：当通信距离为3.0 米时，在白天和夜晚不同的背景光条件下，下行链路的误码率达到10-7量级，上行链路误码率小于10-4量级，可以满足室内通信需求。
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第四部分讲一下：可见光高容量多维编码技术。
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图为以16脉冲位置调制作为基调制的调制方法，红色链路(R)和绿色链路(G)的16-PPM可以在二维(2D)平面内构成16×16个唯一状态，然后R/G组合形成的256种状态中的任何一种状态再与蓝色链路(B)的16-PPM状态组合，可以在三维(3D)空间中构成16×16×16个唯一状态，进而确定唯一的字节信息。
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多维编码的超帧格式如图所示，若干个数据子帧构成了一个超帧，每个超帧都包含一个同步帧头，用于保证通信系统的同步。
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表1列出了不同维度时采用16-PPM作为基调制时的状态关系，从表中可以看出，当采用阶数相同的PPM调制时如果信道的维数越多，那么状态数目就会越多，且链路数目N之比等于系统信道容量C之比。
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图（a）为当光子计数速率改变时PPM 的信道容量随Q 的仿真图；
图（b）为保护时隙对信道容量的影响。
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不同光子计数速率下RGB-LED与(Q,3)MPPM的信道容量关系。
该仿真结果也说明，在AWGN信道中，信道容量并不能随发射功率的增大而无限制地提升。
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图6给出了采用OOK和LPPM调制的情况下，信号的误时隙率与信噪比的关系。该仿真说明，在一定信噪比条件下，采用高阶PPM调制可以在一定程度上降低信号误时隙率，提高信号接收质量。
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该图为基于多维编码的可见光视音频传输系统，结果表明该系统采用分集接收技术可以成倍地提高系统的信道容量，拓展调制带宽。
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图 (a)中显示了利用RGB-LED室内可见光通信系统传输视频流的截图；
图 (b)中显示了当视频传输一段时间后解码软件的相关的媒体统计信息。
利用多基色LED进行多维编码，实现了传输距离为3 m、速率为1.5 Mbit/s的点对点视频通信。
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第五部分讲一下：可见光高容量多维编码技术。
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图为室内可见光传统SM-OFDM调制技术，OFDM可以采用DCO-OFDM或ACO-OFDM调制方式。
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图为室内可见光SM-NDC-OFDM调制技术。
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图为相同频谱效率下SM-DCO-OFDM、SM-ACO-OFDM及SM-NDC-OFDM的误码率对比曲线。
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利用颜色区域重叠的不同原色集在可见光谱内对信息进行编码，这样能够在接收端保证人眼所观察到的颜色是相同的。
图（a）为CIE1931颜色空间色度图；
表（a）为色度图中每个波段的中心波长对应的色度坐标。
第49页： 图为基于同色异谱调制的SM-OFDM调制的原理框图。
第50页： 图为基于同色异谱调制的SM-OFDM解调的原理框图。
第51页： 图为不同目标光下SM-MM-OFDM系统的误码率性能，当合成的目标光在两个不同原色集重叠区域内变化时，人眼感知到的光是相同的，不会产生颜色闪烁，同时误码率不依赖于目标光的变化，可以满足应用场景中背景光颜色切换时正常的通信需求。
第52页： 图（a）为相同频谱效率下SM-MM-OFDM与7dB SM-DCO-OFDM的误码率对比曲线； 图（b）为相同频谱效率下SM-MM-OFDM与13dB SM-DCO-OFDM的误码率对比曲线。
第53页： 图（a）为相同频谱效率下SM-MM-OFDM与SM-NDC-OFDM的误码率对比曲线； 图（b）为相同频谱效率下SM-MM-OFDM与SM-ACO-OFDM的误码率对比曲线。
第54页： 第六部分讲一下：总结。
