论文总字数：64939字

摘 要

基于LED的室内可见光通信（VLC）系统是目前无线通信领域的研究热点之一。本文建立VLC光学传输信道模型，搭建完整的VLC实验系统，并针对VLC系统通信距离，通信速率，接收端可移动三大关键难点，针对性的提出解决方案并实验验证。

本文首先分析了VLC光学传输信道，针对单只、四只LED、多只LED阵列对系统照度、光功率、信噪比进行理论分析和仿真。仿真中分析直射链路和漫射链路，以及透镜对系统传输性能的影响，并选择确定了合适的LED布局。

接着，设计并研制了基于LED的VLC实验系统，完成光发射端和光接收端的理论分析和系统研制。实验测试结果表明，系统可实现60MHz正弦波模拟信号空间传输1米、40MHz正弦波模拟信号传输空间传输6米。基于QAM正交调制实现了100Mbit/s数字信号的传输。

随后，深入研究了VLC系统光接收端性能，重点分析了倾斜接收端对系统性能的影响。提出并设计、研制了微控制自对准倾斜光接收端模块，突破了点对点空间光通信限制，扩大了接收范围。然后，又定义了光接收端光学天线技术指标，提出了新型复合平面菲涅尔透镜，仿真分析并设计了该透镜结构。

最后，针对LED频率响应差的弱点，提出了可提升VLC系统带宽的预均衡技术，分析了预均衡软硬件实现方案，设计并研制了T型均衡电路。实验测试结果表明，T型预均衡电路可使系统-3dB带宽提升一倍以上。

关键词：可见光通信（VLC），LED，光接收端，光学天线，均衡电路

Abstract

The indoor visible light communication (VLC) system based on LED is one of the research hotspots in the field of wireless communication nowadays.

In this paper, the VLC optical transmission channel model is established, the complete VLC experiment system is built, and the solutions of three key difficulties of VLC system, which include the communication distance, the communication rate and the removable of receiving end, are proposed and verified.

Firstly, this paper studies the optical transmission channel of VLC, analyzes and simulates the illumination, optical power and signal-to-noise ratio of single, four LEDs and multiple led arrays. In the simulation, the LOS and NLOS are analyzed, and the influence of the lens on the transmission performance of the system is discussed, and the suitable LED layout is chosen.

Then the paper designs and develops the VLC experiment system based on LED, completes the theoretical analysis and the physical fabrication of the light transmitting end and the optical receiving end. In the distance of 6 meters, the system is able to achieve 60MHz sine wave analog signal transmission, in the distance of 6 meters, the system can realize 40MHz sine wave analog signal transmission. The digital signal transmission of 100mbit/s rate is realized by using QAM orthogonal modulation. The system shows excellent performance in both communication distances and communication rates.

Subsequently, the paper studies the optical receiving end of VLC system and analyzes the principle of the tilt receiver. Using micro-controller to design and develop the self-aligning receiving end, the system can get rid of the point to point communication, enlarge the receiving range.Then, the paper defines and analyses the corresponding technical indexes of optical antenna, analyses various optical antennas, designs a new compound plane Fresnel lens, and simulates and analyzes its structure.

Finally, according to the characteristic of the LED frequency response difference, the hardware bandwidth of the VLC system is improved and the pre equilibrium technique is studied. This paper analyzes the software pre-equilibrium and various hardware pre-equalization schemes, designs and develops T-type equalization circuits and tests its performance, the results show that the -3db bandwidth of the system can be increased by more than one times by using the T-type equalization circuit.

KEY WORDS: LED, Visible optical Communication (VLC), optical receiver, optical antenna, equalization circuit

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 课题背景与意义 3

1.2 基于LED的室内可见光通信关键技术 5

1.2.1 VLC系统通信技术指标 5

1.2.2 VLC系统光学技术指标 6

1.3 VLC研究进展 7

1.3.1 国外VLC研究成果 7

1.3.2 国内VLC研究成果 8

1.3.3 关键技术与存在问题 10

1.3.4 VLC研究状况总结 10

1.4 本文研究内容和论文组织 11

1.4.1 研究内容 11

1.4.2 论文组织 11

第二章 基于LED的室内VLC性能指标定义分析 12

2.1 基于LED的室内VLC系统照度分析 12

2.1.1 VLC系统光学指标定义 12

2.1.2 仿真结果分析 13

2.2 基于LED的室内VLC系统接收端光功率分析 16

2.2.1 功率分布理论分析 16

2.2.2 仿真结果分析 17

2.3 基于LED的室内VLC系统信噪比分析 19

2.3.1 VLC系统信噪比理论分析 19

2.3.2 仿真结果分析 20

2.4 本章小结 22

第三章 基于LED的室内VLC实验系统 23

3.1 VLC系统光发射端硬件设计 23

3.1.1 VLC系统光发射端LED芯片 24

3.1.2 VLC系统光发射端驱动电路 25

3.2 VLC系统光接收端电路设计 28

3.2.1 VLC系统光接收端PIN管 29

3.2.2 跨阻抗放大电路设计 30

3.2.3 接收端主放大器设计 31

3.3 VLC系统光发射端和光接收端实验系统的研制 32

3.4 基于LED的室内VLC系统实验测试 34

3.4.1 VLC系统频率响应带宽测试 34

3.4.2 模拟信号波形传输实验 35

3.4.3 数字信号传输实验 39

3.5 本章小结 43

第四章 自对准倾斜接收端研制 45

4.1 倾斜接收端的原理 45

4.2 自对准倾斜接收端研制 49

4.2.1 功率检波检测幅值 50

4.2.2 微控制器和电机控制系统的研制 51

4.2.3 自对准倾斜接收端实验结果 53

4.3 本章小结 54

第五章 新型复合光学天线设计和分析 55

5.1 光接收端的光学天线指标定义 55

5.1.1 光学增益 55

5.1.2 聚光比 56

5.1.3 光学效率和光学天线的视场角 56

5.2 几种常见光学天线的分析比较 56

5.2.1 复合抛物面聚光器 57

5.2.2 仿生复眼透镜多级耦合光学天线 58

5.2.3 体全息光栅光学天线 58

5.3 新型复合平面菲涅尔透镜光学天线 60

5.3.1 菲涅尔透镜的原理 60

5.3.2 平面菲涅尔透镜理论分析 61

5.3.3 新型复合平面菲涅尔透镜光学天线的设计 62

5.4 本章小结 66

第六章 基于均衡电路的VLC带宽提升方案 67

6.1 预均衡技术 67

6.1.1 硬件预均衡原理 67

6.1.2 软件预均衡原理 69

6.2 硬件预均衡电路的设计和实验 69

6.2.1 多谐振预均衡电路 69

6.2.2 T型均衡电路实验 71

6.3 本章小结 73

第七章 总结与展望 74

7.1 本文总结 74

7.2 后续工作建议 74

致谢 76

参考文献 77

绪论

基于LED的室内可见光通信（VLC）系统是目前无线通信领域的研究热点之一。随着信息和通信技术快速发展，无线通信系统对无线数据业务需求不断增长，但由于RF频谱有限且昂贵，必须发展无线传输技术。与红外、自由光通信及射频技术相比，VLC技术具有无需频谱认证、传输速率高等优点，可作为现有照明基础设施补充功能，减轻射频频谱的压力，是无线通信系统末端用户接入的新兴技术。本文在分析光学传输信道，建立光学传输信道分析模型之后，建立室内VLC实验系统，并针对光学接收端进行深入研究，提出新型聚光器与光接收器组合构成的光学接收端结构，制作自对准倾斜接收端，探究拓展系统带宽的技术途径，开展相应的实验，验证所提方法。

本章首先介绍该课题的研究背景，提出VLC系统的特点和技术参数。接着，总结近几年来国内外研究现状，给出本课题研究内容和设计指标。最后介绍了本文的组织结构。

课题背景与意义

随着无线通信标准向第四代4G和第五代5G网络的发展，信息和通信技术的快速发展^[1]。移动宽带系统的流量需求在室内环境中呈爆炸式增长。目前移动运营商遇到的关键挑战之一是提高室内通信容量，约70％的蜂窝数据业务应用在室内，用户密度和业务量非常高。由于要在可接受的延迟范围内向最终用户传输指数级上升的可用数据，当前通信系统正面临射频频谱和无线业务的严重拥塞^[2]。成功应对这些多样、复杂服务应用的能力将是未来网络基础设施的关键成功因素。因此，必须寻找新的频谱资源，作为目前拥塞的无线频谱的补充。

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