白光LED照明通信系统中的分集接收技术

中文核心期刊白光ＬＥＤ照明通信系统中的分集接收技术于志刚１、２，陈长缨１、２，赵俊１、２，王康模１、２，刘兴华１、２，刘小冲１、２、３（１“重大工程灾难与控制”教育部重点实验室暨南大学，广州５１０６３２；２暨南大学光电工程系，广州５１０６３２；３解放军军事体育进修学院广州５１０５００）摘要：通过对影响白光ＬＥＤ照明通信系统性能因素的分析，研究了白光ＬＥＤ照明通信系统中信噪比和不同路径引起的码间干扰的问题，提出了一种基于角度分集的光接收机技术用来克服不同路径引起的码间干扰和提高信噪比，同时给出了该技术方案中光探测器布局的模型。

关键词：白光ＬＥＤ；信噪比；码间干扰；分集接收中图分类号：ＴＮ９２９．１２文献标识码：Ａ文章编号：１００２－５５６１（２００８）０９－００５２－０３Ｔｈｅｄｉｖｅｒｓｉｔｙｒｅｃｅｐｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔＬＥＤｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＹＵＺｈｉ－ｇａｎｇ１，ＣＨＥＮＣｈａｎｇ－ｙｉｎｇ１，ＺＨＡＯＪｕｎ１，２，ＷＡＮＧＫａｎｇ－ｍｏ１，２，ＬＩＵＸｉｎｇ－ｈｕａ１，２，ＬＩＵＸｉａｏ－ｃｈｏｎｇ１，２，３（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｉｓａｓｔｅｒａＦｏｒｅｃａｓｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｉｎＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＣｈｉｎａ，ＪｉｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６３２，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６３２，Ｃｈｉｎａ；３．ＰＬＡＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０５００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｆａｃｔｏｒｓｏｎｗｈｉｔｅ－ｌｉｇｈｔＬＥＤｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ＇ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｔｈｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｒｅ－ｃｅｉｖｅｒｂａｓｅｏｎａｎｇｅｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｇｅｔｒｉｄｏｆｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｏｒ＇ｓｌａｙｏｕｔｗａｓｇｉｖｅｎａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｈｉｔｅＬＥＤ；ｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ；ｉｎｔｅｒｓｙｍｂｏｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｄｉｖｅｒｓｉｔｙｒｅｃｅｐｔｉｏｎ１引言随着白光ＬＥＤ光效的不断提高，白光ＬＥＤ光源将逐步取代白炽灯和日光灯等光源。

与传统照明光源相比，白光ＬＥＤ具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，因此白光ＬＥＤ也被称为第四代环保照明产品。

同时，与传统光源相比白光ＬＥＤ又具有可以高速调制的特性，因此能用于高速数据通信，将白光ＬＥＤ照明系统和通信技术相结合为人们提供了一种全新的无线光通信技术———可见光通信ＶＬＣ（ｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）。

由于可见光具有对人眼安全、发射功率高、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰等优点，所以近年来基于白光ＬＥＤ技术的可见光通信开始被人们关注［１］。

目前，基于白光ＬＥＤ技术的可见光通信系统的研究主要集中于光源及其布局、调制解调和编解码技术、无线信道传输和复用技术、码间干扰的克服技术等几个方面。

可见光通信系统大多设计成光强度调制／直接检测（ＩＭ／ＤＤ）系统，采用曼彻斯特编码和ＯＯＫ（ｏｎ－ｏｆｆ－ｋｅｙｉｎｇ）调制方式。

通过采用ＬＥＤ阵列和多个ＬＥＤ灯的合理布局可以使室内光分布同时满足照明和通信的需要。

分集接收技术传统上用于短波通信来克服多径衰落的影响。

在可见光通信系统中由于探测器的尺寸远远大于光波长，同时白光ＬＥＤ光源又是非相干光源，因此可以不考虑多径衰落的影响。

但是可以利用分集接收技术来提高可见光通信系统的信噪比，尤其是在高速可见光通信系统中，分集接收能很好地克服不同路径引起的码间干扰的影响。

同时，还可以通过分集接收技术克服接收机位置改变、室内人员走动和物体阴影对通信系统的影响。

收稿日期：２００８－０２－２２。

基金项目：广州市科技攻关计划引导项目（２００６Ｚ３－Ｄ０２０１）资助。

作者简介：于志刚（１９７９－），男，硕士生，主要研究方向为白光ＬＥＤ照明－通信兼用系统。

!"#２００８年第９期光通信技术２００８年第９期光通信技术于志刚，陈长缨，赵俊，等：白光ＬＥＤ照明通信系统中的分集接收技术２白光ＬＥＤ照明通信系统信噪比和码间干扰信噪比是衡量通信系统性能的一个重要参数，提高信噪比最有效和直接的方法就是提高接收信号的强度。

根据ＬＥＤ光源和光接收机终端的指向可以把白光ＬＥＤ照明通信链路划分为直射式视距链接（ｌｉｎｅ－ｏｆ－ｓｉｇｈｔｌｉｎｋ，ＬＯＳｌｉｎｋ）和漫射链接（ｎｏｎ－ＬＯＳｌｉｎｋｏｒｄｉｆ－ｆｕｓｅｌｉｎｋ）两种类型，如图１所示。

在直射式视距链接中，光源发出的光不经过任何物体反射直接到达探测器。

在漫射链接中，光线在墙壁或其它物体上经一次或多次反射到达探测器，这里假设墙壁和物体对光线的漫反射都是朗伯反射，即单位立体角内的反射光光强与反射体表面处反射角的余弦成正比，而与入射角无关。

研究表明［２￣４］：在室内可见光通信系统中，探测器接收到的直射光和全部漫射光的增益总和比直射光的增益平均只大０．５ｄＢ。

也就是说所有漫射光增益的总和比直射光都小。

但是，由于漫射光产生的码间干扰的影响，信道的平均信噪比却下降了２ｄＢ。

而且传输速率越高，码间干扰对信噪比的影响也越大。

可见，直射链路方向是探测器接收到的信号功率最大的方向同时也是信噪比最大的方向。

因此，在高速通信中不能通过增加探测器的面积来提高通信系统的信噪比，而且增大探测器的面积也会增加探测器的势垒电容和系统本身的热噪声。

通过增加ＬＥＤ灯个数和合理布局灯的布置，可以提高可见光通信系统的信噪比，改善通信性能。

但是由于多个光源与探测器的距离存在着路程差，同样存在着不同路径引起的码间干扰的问题。

通过对可见光通信系统多个ＬＥＤ灯产生的码间干扰的深入研究，结果表明：多个ＬＥＤ灯同样会产生不同路径引起的码间干扰问题。

而且，传输速率越高，码间干扰的影响越大［５］。

以上分析可以得出结论：在室内可见光通信系统中，直射链路方向是探测器接收信号信噪比最大的方向。

码间干扰对通信系统性能的影响随着频率的升高而增大。

计算机仿真和实验结果表明：当传输速率在１００Ｍｂ／ｓ以下时码间干扰的影响对通信系统的性能影响不大，通过增加ＬＥＤ灯个数，增大接收面积来增加接收功率可以达到提高信噪比的目的。

当系统的传输速率达到１００Ｍｂ／ｓ以上时，码间干扰的影响使通信系统的性能严重恶化到已经不能满足通信的要求。

３分集接收系统的提出与实现为了克服高速通信中码间干扰的影响，我们提出了分集接收的方案。

随着ＬＥＤ光效和功率的提高，在单位区域内用少数或单个ＬＥＤ灯进行照明成为可能，此时分集接收技术的优点将更为突出。

分集接收的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器，对多个探测器接收到的信号进行比较，选取信噪比最大的信号进行通信。

这样，一方面可以克服高速通信中码间干扰的影响，另一方面当接收机位置移动或是室内有人员走动和有其他物体产生阴影时也能保证通信畅通。

在分集接收中，信号的选取方式十分重要，如果是在低速率的传输系统中，可以简单地将多个信号直接相加，总体上提高接收信号的功率即可。

在高速通信中，信噪比最大的方向就是直射链接的方向，此时应选取最接近直射链接的方向作为最佳接收方向。

在接收机的不同方向上安装多个光电探测器，同时将多个探测器均匀分布在一个半球面上，这样既可以提高接收效果，又可以减少探测器的个数。

关于探测器的个数和布局，需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。

研究中我们选取第一个探测器接收到的光功率下降到为垂直入射接收到的光功率的一半时，放置第二个探测器。

经过计算，对于同一规格的探测器，当通信传输距离远远大于探测器所在半球面的球半径时，两个探测器表面的夹角应为６０°。

在实际应用中，我们在与水平面成６０°放置三个探测器，探测器的表面垂直球面半径，为了提高接收效果，我们在半球面顶部水平再放置一个探测器，这样一共需要四个光电探测器，其布局如图２所示。

（ｂ）漫射链接图１直射链路和漫射链路（ａ）直射式视距链接!"#２００８年第９期光通信技术于志刚，陈长缨，赵俊，等：白光ＬＥＤ照明通信系统中的分集接收技术４接收机对探测器信道的自主选择机理探测器布好后，就要对传输信道进行选择。

前面已经讲过，对于低速率的白光ＬＥＤ通信系统，可以直接将多个探测器接收到的信号进行简单地相加，然后将相加后的信号送进接收机进行滤波解调和解码等处理。

如图３所示，相加后信号的功率大于单个探测器接收到的信号，由于不用考虑码间串扰的影响，这样处理后信号的信噪比会有很大的提高，同时也可以延长通信传输距离。

当通信系统的传输速率高于１００Ｍｂ／ｓ时，由于码间串扰的影响，不能将信号直接相加，必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择，其电路的原理如图４所示。

每个探测器接收到不同方向的光信号后，对各个探测器接收到的信号进行实时采集取样，将取样信号的峰－峰值转换成直流电压信号。

由于信号比较微弱，还要对直流电压信号进行等倍数放大，将放大后的信号送入电压比较器进行比较，找出电压值最大的信道，此信道即为要进行通信传输的信道，比较器同时输出控制信号将相应的信道选通。

因为对信号进行实时采集取样和比较，所以控制电路可以对信道进行自动判决和选择。

５结束语可见光通信是一种新兴的无线光通信技术，随着对可见光通信研究的深入，其应用必将越来越广泛。

本文提出了将分集接收技术应用于可见光通信系统。

并通过计算给出了一种探测器布局的模型。

论述了传输信道自动判决和选择电路的原理。

理论计算和计算机仿真结果表明，通过采用上述布局的分集接收系统，能很好地克服不同路径引起地码间干扰的影响。

而且，当接收机随用户位置改变时，或是室内有人员走动和其他物体产生阴影时，通过分集接收系统自动判决和选择，不需要人工设置就能保证通信系统的畅通。

在高速通信中，采用分集接收技术，系统的信噪比平均提高了２ｄＢ。

可见，分集接收技术能很好地克服码间干扰的影响。

参考文献：［１］胡国永，陈长缨，陈振强．白光ＬＥＤ源用作室内无线通信研究［Ｊ］．光通信技术，２００６，３０（７）：４８－５０．［２］ＫＯＭＩＮＥＴ，ＮＡＫＡＧＡＷＡＭ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇＬＥＤｌｉｇｈｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＣｏｎ－ｓｕｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，５０（１）：１００－１０７．［３］ＫＯＭＩＮＥＴ，ＮＡＫＡＧＡＷＡＭ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｗｈｉｔｅＬＥＤｌｉｇｈｔｉｎｇ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖ１，Ｐｒｏ－ｃｅｅｄｉｎｇｓ－ＩＳＣＣ２００４，ＮｉｎｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４：２５８－２６３．［４］ＴＡＮＡＫＡＹ，ＨＡＲＵＹＡＭＡＳ，ＮＡＫＡＧＡＷＡＭ．ＩｎｄｏｏｒｖｉｓｉｂｌｅｄａｔｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｗｈｉｔｅＬＥＤｌｉｇｈｔｓ［Ｊ］．ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００３，Ｅ８６－Ｂ：２４４０－２４５４．［５］ＴＡＮＡＫＡＹ，ＫＯＭＩＮＥＴ，ＨＡＲＵＹＡＭＡＳ，ＮＡＫＡＧＡＷＡＭ．ＩｎｄｏｏｒｖｉｓｉｂｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｕｔｉｌｉｚｉｎｇｐｌｕｒａｌｗｈｉｔｅＬＥＤｓａｓＬｉｇｈｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎ－ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＰｅｒｓｏｎａｌ，ＩｎｄｏｏｒａｎｄＭｏｂｉｌｅＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａ－ｔｉｏｎｓ，ＰＩＭＲＣ，２００１．２：Ｆ８１－Ｆ８５．图４高速率分集接收探测器原理框图图３低速率分集接收探测器原理框图图２分集接收原理示意图!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!２００９年《光通信技术》开始征订啦！!"#。