《可见光通信发端电路设计》设计论文

在电磁波谱上，人的眼睛感觉到其中一段波段的光就称为可见光，其波长的范围在380-780纳米之间。可见光通信技术(VLC,Visible Light Communication)是以使用可见光LED照明系统的基础上发展起来，主要用于短途高速通信。它结合了射频通信系统的优点，而且在同一个系统上实现了照明和通信功能。
Thesis, the visible light communication technology research and receiving circuit design, and the signal is optical / electrical conversion andamplification, finally, the factors affectingsystem performance analyzed andtargeted to optimize system performance.
可见光通信技术己成为无线通信领域的研究的一个热点，结合LED照明技术和光通信技术，同时具备了抗电磁干扰、无需无线电频谱认证、安全可靠等优点。论文首先介绍了可见光通信技术的背景；还对可见光通信的关键技术进行了研究，尤其是在接收方面：分析了PIN探测器的工作原理和特性，从而选择出了性能高的光电探测器；研究了前置放大器，并设计出了采用跨阻抗前置放大电路，从而实现了高增益、低噪声的第一级放大。
表1-2可见光通信的优势
属性
Βιβλιοθήκη BaiduFSO
可见光通信
光源
激光，价格高
LED，便宜，功耗小，寿命长
对准
需要望远镜，对准难
光源覆盖范围大，对准很容易
组网方式
点对点
点对点、网络都可
对人体安全性
皮肤特别是眼睛容易受到伤害
无伤害
安装
空旷，无阻挡处，一般在楼顶
无处不在
基于LED的可见光通信技术，主要优势总结如下：
1.无需无线电频谱认证。射频通信发展到今天，可用的无线电频谱资源越来越少了。可见光通信利用的是可见光波段，无需频谱申请，因此拥有极大的应用前景。
2.无电磁辐射。采用LED发出的可见光进行通信不会发射电磁辐射，对人体不存在伤害。这使得可见光通信技术可以应用在对电磁辐射要求苛刻的场合。
3.安全性能好。射频通信的方式的一个无线接入点AP的传输距离一般可到达100米，可以穿透墙壁。在别处通过破解无线接入密钥就能够窥视你的信息。而可见光通信则只要拉上窗帘就能够控制好你的通信领域，具有良好的安全性能。
表1-1可见光通信技术的优势
属性
射频通信
可见光通信
保密性
能穿墙
用窗帘即可阻止信号外泄:防窃听
使用频谱
需要申请
无需申请
可用带宽
用户多时影响速度
不受用户数量影响
发射功率
受限，影响通信距离
通常情况下无需限制
干扰因素
同频干扰
背景光
多径衰落
时延、相位变化
干扰表现为背景光
路径冗余
多个接入点AP
LED阵列光源
传输速率
论文主要对可见光通信技术的光接收电路进行了研究和设计，实现信号的光/电转换和放大功能，最后，对影响系统性能因素进行了分析，并且针对性的优化系统性能。
关键词
以太网；可见光通信；光发射；LED；光接收；光电转换
Visible light communication receiving-end circuits design
4.系统搭建便捷、成本低。只要有LED照明系统的场所，无需在原有照明系统上重新布线就可搭建可见光通信系统，可以利用现有资源，节约了搭建成本，可以说是同时实现了照明和通信两大功能。
可见光通信技术拥有巨大的应用潜能，只要有LED照明系统的地方，就能够构建接入网络。
1.3本论文研究内容
本论文的研究内容具体安排如下:
Keywords
Ethernet; visible light communication; optical transmitter; LED; optical receiver; photoelectric conversion
第
1.1研究背景
人们在生活和工作中，常常需要把一些信息从一个地方传到另一个地方，这种信息的传递与交换就是通信。通信使人们之间的交流，资源的分享得以加速，在社会生产、生活各个领域发挥着不可替代的作用，是人类社会文明得以蓬勃发展的基础。在日新月异的当今社会，人们对于数据传输有了更高的要求一一更方便，更高速，更环保。可见光通信技术的诞生，以其对人体无害、高速率、无需无线电频谱申请等的独特优势赢得了人们的青睐。
2.1光电探测器的工作原理及特性
目前使用广泛的光电探测器主要有两种，一是雪崩二极管(APD管)， 一是光电二极管(PIN管)。APD管的工作电压高，还容易受温度影响。所以，本设计采用的是PIN光电二极管。
2.
PIN光电二极管的原理和特性，如PN结光电二极管。PN结的能带分布如图2-1所示，在没加电压的情况下，处于平衡状态，对外不表现电流和电压特性。当在光电二极管的PN结加上正向电压后，如图2-2所示，外加电场和PN结内的电场同向，加强了势垒。
郑州航空工业管理学院
毕业论文
2013届自动化专业0906111班级
题目可见光通信收端电路设计
姓名王宝学号090611128
指导教师陈建明职称教授
二〇一三年五月二十二日
内容提要
随着科技的飞速发展和社会的不断进步，人们对信息的需求也是不断增加。从而使更方便、更快捷的无线通信技术得到了广泛应用。在现有的无线技术中，除了基于电磁波传输的传统射频通信，还有基于可见光的无线通信。可见光通信技术是基于LED照明光源的无线光通信技术，可在有严格限制电磁干扰的场合替代射频通信，比如机场、医院等，因此应用前景广阔。
100Mbps
1一几百Mbps
无线激光通信技术(FSO)是基于激光的为基础，其工作原理和可见光通信技术相似，是通过把电信号调制到激光上传输到远方。无线激光通信技术是一种远距离点对点的通信技术，也是近几年的研究热点，基本组成部分为光发射器和光接收器，工作过程为:通过调制把信息加载到激光上，经大气的传输，再通过望远镜对准远端的接收机，然后通过接收机的光电转换还原成电信号。与FSO相比，可见光通信具有的优势如表1-2所示。
Visible light communication technology field of wireless communication has become a hot research, combined with LED lighting technology and optical communication technology, along with the anti-electromagnetic interference, no radio frequency spectrum certification, safe and reliable. Paper first introduces the background visible light communication technology; also visible communication key technology research, especially in the receiving areas: analysis of the working principle and PIN detector characteristics, thereby selecting a high performance photo detectors; research a preamplifier, and design a trans-impedance preamplifier circuit used to achieve high gain, low noise first stage amplifier.
1.2课题提出和研究意义
射频通信、无线激光通信(FSO)和可见光通信是目前正在使用或正处于学术研究前沿的无线通信技术。射频通信广泛用于生产、生活的各个领域，是目前技术最成熟的无线通信，很大程度上改变了人们的生产和生活习惯。相信在未来的无线通信发展中，射频通信扔将继续起着重要作用。与射频通信相比，基于LED的可见光通信具有保密性强、对人体无害、无电磁干扰等优点，具体见表1-1
第1章：绪论。介绍了可见光通信的研究背景、课题提出和研究意义。在这一章中通过与射频通信和激光通信作比较，总结出可见光通信的优势。
第2章：光电探测器的研究。光电探测器是光接收机的第一级工作部件，是可见光通信系统实现光信号到电信号转换的功能器件，也是光/电转换的关键，在本章中对PIN光电探测器进行了分析，对PIN光电探测器的工作原理和工作特性进行了研究。研究了前置放大器，并分析了光接收机的误码率及灵敏度。
第3章：电路设计。主要对前置放大电路、主放大电路、驱动调制电路设计。对LED无线光通信接收模块进行研究并。光发射模块和光接收模块是可见光通信技术的核心，在本章中只对这光接收模块的电路进行设计，实现光接收功能。
第4章:全文总结和展望。对课题的总结，并对可见光通信技术的发展趋势进行了预测。
第
在可见光通信系统中，经过光发射机调制的光信号，经由空间传播后到达光接收机。在这过程中光信号己经衰减得十分微弱，光接收机需要从这微弱的光信号中检测到传送的信息，再将光信号转换成电信号，然后经过放大后供终端用户使用。光电探测器的功能是完成光强度变换的检测，完成光/电转换。光电探测器是光接收机的关键，决定着光接收机的灵敏度。因此，很有必要研究光电探测器的原理和特性。
光信号到电信号的转变过程是：光子入射到PN结上后，被处于价带的电子所吸收。电子吸收了光子的能量后，当拥有摆脱原子核的束缚的能量，就会跃迁到导带。电子的跃迁，就会产生一个空穴。电子、空穴在电场的作用下，分别向N区和P区移动，就形成了电流。
图2-1PN结示意图图2-2光电二极管工作原理
而事实上，在入射光产生电流的过程中，也存在自由电子和空穴复合湮灭的现象。为延长空穴一电子对存在的寿命，可以采用在PN结之间增加一个I层的方法，从而改变PN结的结构，在耗尽层保留尽可能多的空穴-电子对，而获得较大的电流。PIN光电二极管的结构如图2-3所示，I层为轻掺杂N型半导体，I层很厚，是产生电子-空穴对的区域，这个区域变大会使得电子-空穴对数量增多，提高了转换的效率。
P
I
N
图2-3PIN光电二极管结构
2.
光电二极管的性能常用光电转换效率、暗电流和响应速度来描述。
(1)光电转换效率。光电二极管的光电转换效率常用响应度来或量子效率衡量。响应度是在一定波长光的照射下，光电探测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比，表示单位光功率转换成电流的数值。如2-1所示：
Author：WangBaoInstructor：ChenJianming
Abstract
With the rapid development of technology and social progress, people's demand for information is increasing. Making it easier and more efficient wireless communication technology has been widely applied. In existing wireless technologies, in addition based on electromagnetic transmission traditional radio communications, as well as based on the visible light wireless communication. Visible light communication technology, LED-based lighting wireless optical communication technology in a strictly limited electromagnetic interference occasions alternative radio communications, such as airports, hospitals, etc., so the application prospect.