第9讲 可见光通信系统
可见光通信技术新一代高速数据传输
可见光通信技术新一代高速数据传输随着信息技术的快速发展，人们日常生活中对高速、稳定的数据传输需求不断增加。
而在广泛使用的无线通信技术中，可见光通信技术被认为是新一代高速数据传输的关键技术之一。
可见光通信技术利用可见光的传输特性，将信息编码成光信号，通过光的传输进行数据传输。
本文将重点介绍可见光通信技术的特点、应用以及未来发展。
可见光通信技术是利用可见光作为传输媒介的一种无线通信技术。
可见光通信技术具有以下几个特点。
首先，可见光通信技术具有广泛的应用场景。
无线通信技术通常使用的频段受到限制，在高密度信号区域，无线电频段可能很容易出现干扰。
但是，可见光通信技术的传输频率位于可见光频段，不会受到无线电频段的干扰，因此可见光通信技术在高密度信号区域具有明显的优势。
此外，可见光通信技术也可以应用于狭窄、有线电波无法覆盖的地方，如水下通信、太空通信等领域。
其次，可见光通信技术的传输速度非常高。
光信号的频带宽度很大，可以提供较高的传输速度。
一般来说，可见光通信技术的传输速度可以达到 10 Gbps 甚至更高。
相对于现有的无线通信技术，可见光通信技术能够提供更快的数据传输速度，满足人们对高速数据传输的需求。
另外，可见光通信技术还具有较低的功耗和较低的辐射强度。
可见光通信技术主要利用 LED 灯进行数据传输，而 LED 灯的功耗相比传统的光纤通信较低。
此外，可见光通信技术的辐射强度较低，对人体健康没有显著的危害。
因此，可见光通信技术在实际应用中更加安全可靠。
可见光通信技术在实际应用中具有广泛的前景。
以室内灯具为例，传统的室内灯具仅用于照明，而可见光通信技术可以使灯具不仅仅用于照明，还能作为数据传输的设备。
通过灯具传输数据，不仅可以提供高速的互联网接入服务，还可以用于室内定位、环境监测等应用。
此外，可见光通信技术还可以应用于车辆通信、机器人通信、智能家居等领域，为人们的生活提供更加智能化的服务。
未来，可见光通信技术还面临一些挑战和发展机遇。
可见光通信的原理应用
可见光通信的原理应用1. 可见光通信简介可见光通信是一种利用可见光波段进行数据传输的无线通信技术，其原理是通过调制和解调光的强弱或闪烁频率来实现信号的传输。
这种技术能够利用现有的照明设备进行通信，具有低成本、高带宽、安全、环保等优点。
本文将介绍可见光通信的原理及其应用。
2. 可见光通信的原理可见光通信的原理是基于光的调制和解调。
调制是指将要传输的数据信号转换成光信号，而解调则是将接收到的光信号转换成原始的数据信号。
2.1 调制技术可见光通信中常用的调制技术有两种：强度调制和频率调制。
•强度调制：利用改变光的强度来传输信息。
一般使用脉冲宽度调制（PWM）或脉冲位置调制（PPM）来调制信号，通过改变光的亮度或闪烁频率来表示不同的信号。
•频率调制：利用改变光的频率来传输信息。
一般使用正交频分多路复用（OFDM）技术，在不同的频率上同时传输多个子载波，以实现高速数据传输。
2.2 解调技术解调技术是将接收到的光信号转换成原始的数据信号。
常用的解调技术主要有两种：直接检测和相干检测。
•直接检测：即根据光的强度变化来解调信号。
使用此技术时，需要在接收端添加一个光电二极管或光敏电阻来检测光的强度变化。
•相干检测：通过将接收到的光信号与本地光信号进行干涉，从而解调信号。
相较于直接检测技术，相干检测技术具有更高的灵敏度和抗干扰能力。
3. 可见光通信的应用可见光通信具有广泛的应用前景，主要应用于以下领域：3.1 室内定位可见光通信技术可以通过光信号的强弱和波束的方向来实现室内定位。
通过安装多个发光二极管（LED）灯泡，利用其发射的可见光信号进行定位，可以实现高精度的室内定位。
3.2 照明控制可见光通信技术可以利用现有的照明设备进行数据传输，因此可以通过光信号来进行照明控制。
通过调整光的亮度和颜色，可以实现灯光的开关、亮度调节、颜色变换等功能。
3.3 数据传输可见光通信技术的高带宽特点使其在数据传输领域具有广泛的应用前景。
可见光通信系统文档资料
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4.可见光通信系统的优势
1.可见光通信安全又经济。 2.“有灯光的地方，就有网络信号。关掉灯，网络 全无。”迟楠告诉记者，与现有WiFi相比，未来 的可见光通信安全又经济。WiFi依赖看不见的无 线电波传输，设备功率越来越大，局部电磁辐射 势必增强；无线信号穿墙而过，网络信息不安全。 这些安全隐患，在可见光通信中“一扫而光”。 而且，光谱比无线电频谱大10000倍，意味着更大 的带宽和更高的速度，网络设置又几乎不需要任 何新的基础设施
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调制带宽是衡量LED的调制能力的参数, 是LED用于无线 光通信的重要参数之一, 它关系到LED的数据传输速度大小。 LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容 的影响。在白光LED制造工艺上, 除了减少载流子复合寿命 和减小寄生电容, 我们还可以采用具有很大的潜在调制带宽 的多芯片型白光。此外, 通过外部驱动电路的优化设计也是 提高LED调制能力的一种方法。
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主放大电路：
主放大电路对信号进行多级放大，使得信号强度满足判决再 生的需要。并且，电路具有自动增益（AGC）功能，对输入 信号的变化作出补偿控制，保持输出信号的幅度基本不变。 放大后的信号供以太网介质转换模块进行时钟提取、判决再 生，然后通过双绞线传输到计算机。
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光接收机新技术：分集接收 一种基于分集技术的光接收机技术可以用来克服码间干扰
接收器的信道直流增益可以表示为： MIMO信道仿真算法： （1）求直接照射。逐个计算每个LED发射装置出射的光线直 接进入接收器的光照度，再考虑接收器的有效面积和探测器 的转换效率，求出电信号大小，便得到接收器的直接响应。 （2）计算各次反射对接收器的贡献。 （3）高阶反射可用低阶反射递归运算，这样可以提高计算 的速度，减少存储空间。 （4）按照时间顺序求信道的脉冲响应。 （5）求出直接及各次反射的相应频率响应这里的频率响应 采用快速傅里叶变换来提高运行速度。
可见光通信系统中的传输性能优化技术
可见光通信系统中的传输性能优化技术随着科技的不断进步和人们对无线通信需求的增加，可见光通信作为一种新兴的通信技术逐渐受到人们的关注。
与传统的无线通信相比，可见光通信具有更高的安全性和更大的带宽。
然而，可见光通信系统在实际应用中还面临着一些挑战，其中之一就是传输性能的优化。
本文将探讨可见光通信系统中的传输性能优化技术。
首先，传输性能的优化需要考虑到信道噪声的影响。
可见光通信系统中，光信号在传输过程中会受到环境中的各种干扰，如光源的波动、光散射和反射等。
这些干扰会导致信号的衰减和失真，从而影响传输性能。
为了优化传输性能，可以采用自适应调制技术来抵抗信道噪声。
自适应调制技术可以根据信道状况自动调整调制方式和参数，以提高传输的可靠性和效率。
其次，传输性能的优化还需要考虑到多径传播效应的影响。
在可见光通信系统中，光信号在传输过程中会经历多次反射和折射，从而产生多径传播效应。
这会导致信号的多径干扰和时延扩展，从而影响传输性能。
为了优化传输性能，可以采用多输入多输出（MIMO）技术来抑制多径干扰。
MIMO技术可以利用多个发射和接收天线来实现空间分集和空间复用，从而提高传输的可靠性和容量。
此外，传输性能的优化还需要考虑到可见光通信系统的功率控制问题。
在可见光通信系统中，发射功率的大小会直接影响传输距离和传输质量。
过高的发射功率会导致光信号的失真和能耗的增加，过低的发射功率则会导致传输距离的缩短和信号的衰减。
为了优化传输性能，可以采用功率控制技术来实现最优的发射功率。
功率控制技术可以根据信道状况和传输要求自动调整发射功率，以提高传输的效率和稳定性。
最后，传输性能的优化还需要考虑到可见光通信系统的编码和解码技术。
在可见光通信系统中，编码和解码技术可以提高传输的可靠性和容量。
通过采用适当的编码和解码算法，可以实现信号的纠错和压缩，从而提高传输的可靠性和带宽利用率。
此外，还可以采用多用户检测技术来实现多用户同时传输和接收，从而提高传输的效率和容量。
可见光通信技术LIFI
LIFI的局限性
〉 解决方式: 对于环境干扰问题,LIFI系统中使自行研制的窄带滤镜, 可以一定程度上避免背景光的干扰;对于室内的电磁干扰, 噪声主要在1MHz已下,他们在系统中也避开了这个频段. 要实现高速的传输速度,还需要在空间内布置更多用了的 中继站,以保证传输的稳定性
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LIFI的局限性
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可见光通信系统的组成
11
白光LED光源的基本特性
〉 图所示是通过白光LED的调制信号与输出光功率的关系 曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。
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白光LED光源的基本特性
〉 LED光源的脉冲编码数字调制 〉 数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发
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主要应用
汽车 〉 交通指示灯能发送路况
信息
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主要应用
飞机 〉 飞 机 上 的 Li-Fi 服 务 . 据
传,飞机上每位乘客可以 使用最高9.8Mbps的连接
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主要应用
海底 〉 估计主要为需要在海底
开展科研工作的科学家 们服务
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LIFI的优势
〉 一、建设便利,光源易得 〉 人们可以利用已铺设好的电灯设备电路,在需要接入网络
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LIFI的优势
〉 四、安全
• 对于电磁波来说,其可以穿透物体进行传播,从安全角度上来看,这 可能会被截取而泄露信息.但对于LiFi来说,可见光只能延直线传 播,不会穿透墙体的物体.数据只往人们所设定的方向传播,有利于 信息的安全性
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LIFI的局限性
〉 环境干扰 环境光源有时候会工作在同样的光谱频段,这时候如果环 境光源比较强,很有可能LIFI会无法正常通信,信/干燥比 (SINR)太差
可见光通信的研究
可见光通信的研究作者：季韦平刘冬来源：《中国新通信》 2017年第21期【摘要】可见光通信技术依据LED 等进行大范围的应用。
可见光通信技术已经称为一种新兴的环保无线通信技术，该系统同时拥有通信和照明两大功能，是对现有的射频技术进行补充的技术。
本文主要介绍了可见光通信的基本组成和通信原理，并且介绍了可见光通信技术在无线宽带接入、物联网系统、室内购物导航系统中的具体应用。
【关键词】 LED 白光物联网射频技术生活中，无线通信技术能够使人们方便的接入无线网络进行工作和学习，但是射频信号对有些仪器有干扰作用，严重时会威胁人类生命。
可见光通信系统有诸多优点，在应用方面，该技术能够解决传统通信技术和射频技术等存在的缺点。
白光LED 被称为第四代的环保照明产品，而且可见光的频谱宽度比射频高达一万倍，但是该技术也有不足之处。
一、可见光通信系统白光LED 和传统照明设备相比，白光LED 能耗小、寿命长、占地小、绿色环保、灵敏度高。
可以利用白光LED进行超高速数据通信。
可见光通信的基础是白光LED 技术，是一种无线通信技术。
可见光通信与普通光通信和射频通信相比，优点甚多。
可见光对人类健康没有危害，完全可以在家庭和办公环境中使用；可见光通信安装地点不受限，通过照明灯可以方便快捷的达到高速无线数据通信目的；可见光通信发射功率高；无电磁干扰。
可见光的通信系统由四部分组成，其中集线器是该系统的核心组分，作用是收集终端用户的信息，并且将这些信息通过主光源来发送出去；下行链路的白光LED 光源和上行链路的光电接收器是该系统的第二、第三组成部分，他们的功能是发射和接收功能，具体来讲是将终端用户的信息通过某种转换变成光信号，再接收下行链路的光信号；最后一部分是信息终端，信息终端的适配器将解调后的信息再回送到用户端，最终实现了局域网内的无线通信。
在天花板安装的光电检测器可以将用户的光信号转变为电信号输送给通信集线板，通信集线板又可称为通信路由器，该设备将电信号处理后输送至LED 光源变成光信号，光信号以广播形式发射，最后适配器接收信号。
室外双向可见光通信系统的研究与实现
室外双向可见光通信系统的研究与实现随着无线通信技术的不断发展，人们对通信系统的需求也越来越高。
然而，传统的无线通信系统在某些特定环境下存在一些限制，如封闭空间、电磁干扰等。
为了解决这些问题，近年来，室外双向可见光通信系统逐渐受到人们的关注。
室外双向可见光通信系统是利用可见光进行信息传输的一种新型通信技术。
它将LED灯作为光源，通过调制LED灯的亮度来传输信息。
接收端则利用光电二极管等光电传感器将接收到的光信号转换为电信号，从而实现双向通信。
与传统的无线通信系统相比，室外双向可见光通信系统具有以下优点。
首先，可见光通信不会产生电磁辐射，对人体健康没有危害。
其次，可见光通信利用LED灯作为光源，功耗低，节能环保。
此外，可见光通信不受电磁干扰影响，适用于各种特殊环境，如矿井、飞机、医院等。
然而，室外双向可见光通信系统也存在一些挑战和限制。
首先，可见光通信受到天气条件的限制，如雨天、雾天等会降低通信质量。
其次，可见光通信需要确保发送端和接收端之间有足够的可见光传播路径，因此在建筑物或树木遮挡较多的地区通信质量可能会降低。
此外，可见光通信系统的传输距离较短，需要增加中继设备来扩大覆盖范围。
为了改善室外双向可见光通信系统的性能，研究人员进行了一系列的实验和探索。
他们通过改进调制技术和信号处理算法，提高了系统的传输速率和可靠性。
同时，他们还研究了天气对通信质量的影响，并提出了一些天气补偿算法来降低天气条件对通信的影响。
此外，研究人员还提出了一些增加中继设备的方案，以扩大系统的传输范围。
总的来说，室外双向可见光通信系统是一种具有广阔应用前景的新型通信技术。
虽然它还存在一些限制，但通过不断研究和实验，相信这些问题将会逐渐得到解决。
未来，室外双向可见光通信系统将在各个领域发挥重要作用，为人们的生活和工作带来更便捷和高效的通信方式。
第九章 全光通信.ppt
性
二阶极化率x(2) 只有在具有非对称分子结构的介质材料中方不为零，
效
才可以引起二次谐波效应和光学和频效应，然而石英光纤材料为各
应
向同性舒介质，属于对称分子结构，因此石英光纤中通常不会出现 二阶非性效应，这样石英光纤中最低阶的非线性效应来自三阶极化
率x(3)，它可以导致产生三次谐波或四次混频以及非线性分折射现
光纤光栅是最具代表性的全光纤型器件，利用它优良的选频 特性，可制成全光纤的带通或带阻滤波器、全光纤激光器和波分 复用／解复用器等，还可以作为色散补偿和其他应用的重要器 件．因此人们普遍认为光纤光栅是继EDFA之后光纤通信发展的 又一里程碑。
9.1.2
6．光互连和光处理
关实 键现 技全 术光
通 信 的
非 线 性 效 应
n
r
0
比较上述两式，可得
n r0 2E2 将上式用级数展开、化简、并令
率就将随E作非线性变化。
折射率随强度的变化直接 导致许多种非线性效应，其中 最重要的是相位调制（SPM） 和交叉相位调制（XPM）
r0 n0 可得
n n0 n2 E 2 （9.4）
15
9.2
（1）自相位市制
非 线
在目前情况下，式中的P 应由式（9-2）来决定，又因 光纤是由石英为基础材料来
强光作用下，一三阶非线性 极化系数有关的介电常数附 加项。
性
制造的，而石英等介质是各
效
向同性数 ，
如果式（9-1）等式右端只取
第三项，则代入式（9-2）并
经化简整理后可得
14
9.4.2光交换技术的基本原理
9.4.3光交换器件
9.4.4 光交换系统
1
9.1
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2015年，中科院的陈雄斌团队使用16QAM调制的OFDM技术，实现 了1m内数据速率达到682Mb/s的可见光通信样机。
特点： • 传输速率高 • 技术手段复杂 • 设备专用性强
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测试结果
发送端窗口
接收端窗口
16
数据封帧
含义 长度（bit） 帧头 16 预留位 3 000 帧序号 8 / 数据长度 8 / 数据 192 / 校验位 16 /
值（二进制） 1111000011110000
系统帧格式
数据扰码
mk 输入ak Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1
输出bk
4 7 扰码器结构 g ( x ) 1 x x
a1m
...
a2m ... anm
...
插入同步码 PC 和FPGA通信
目的：标志数据帧的开始，使得接收机采样时能够准确捕获整帧 数据，达到帧同步的目的。
含义 长度 （bit） 值 同步码 13 1111100110101 帧头 16 1111000011110000 预留 位 3 000 帧序 号 8 / 数据 长度 8 / 数据 192 / 校验位 16 /
发射端FPGA
LED
数字基带部分 模拟部分
LED选型
颜色 绿色 额定 功率 1W 正向 电流 350mA 工作电压 3.0-3.6V 发光效率 80-100lm/W 波长 515-525nm 发光 角度 120°
5
接收机方案设计
接收端FPGA
FPGA-PC 数据解帧 数据解扰 信道解码 解交织 定时同步
2
2 研究现状
目前关于可见光通信系统实现，公开代表性成果有：
2012年，Fjimoto等人采用双二进制的OOK调制技术，并使用预均衡 和后均衡技术，单颗LED实现614Mb/s的传输速率。
2013年，Azhar等人采用荧光激发LED并使用4×4 MIMO布局实现了 1m范围内1Gb/s的光通信系统。
光电探测器
主放大 电路
前置放大 电路
数字基带部分 模拟部分
光电探测器选型
光敏面积 100mm2 光敏面直径 10mm 波长响应范围 450-650nm 峰值波长 550nm 封装 金属
6
4 系统实现
PC-FPGA 通信 PC 和FPGA 通信
串口
通信接口协议——起止式异步协议： 起始位（1 bit）+ 数据位（8 bits）+ 终止位 （1 bit）
（7，4）汉明编码
交织器
目的：将连续差错分散开 来，使突发性错误转化为 随机性错误，弥补编码模 块的不足。
a11 a21 a12 ... a1m a22 ... a2m
交织处理后
a11 a12
a21 ... an1 a22 ... an2
...
...
...
...
an1
...
an2 ... anm
...
驱动芯片
接收端两级放大电路 PC和FPGA通信
目的：在接收端，光电探测器的输出信号 是十分微弱的电流信号，且叠加了高背景 噪声分量。如果不加处理， FPGA 将无法 准确完成信号恢复。
前置放大器
主放大电路
定时同步
目的：获得同步码元起止时刻，从而能准确地提取出发送信息。 方法：从采集到的多路信号中提取出能量最大的采样序列。
系统稳定性差
实现成本高
不利于普及与推广
3
3 可见光通信系统方案设计
发 射 机
LED
直流驱动
电信号
发射
光信号
接 收 机 光电探测器
信号处理 电路
电信号
AD
接收端 FPGA
串口
模拟部分
数字部分
PC(信宿)
4
发射机方案设计
PC-FPGA 数据封帧 数据扰码 信道编码 交织器 加同步码 驱动电路
电平软判决 四倍频采样 巴克码识别 选择输出
系统测试
发送端
接收机实物图
整套系统选用单颗 1w 绿光 LED 作为发射源，PIN光敏二极管作为光电 探测器，用VHDL语言编程并在 FPGA芯片中实现数字电路相关处理。PC 作为发送、接收信号的控制端，采用OOK调制，FPGA和PC之间通过串行 接口进行数据传输。
同步码选用巴克码，其自相关函 数的主瓣值远大于旁瓣值。13位 巴克码组值为[1111100110101]
发射端 LED驱动电路 PC和FPGA 通信
目的：经过处理后的信号通过 FPGA 管脚 输出，而FPGA 管脚的电流驱动能力有限， 无法驱动大功率LED正常发光。
P1输入接口 74HC04
P2输出接口
FPGA原理与应用
可见光通信系统
1
1 背景简介
可见光通信：一种利用可见光作为信息载体，将信号调制到LED 光源上，经过空间传输后被接收端解调恢复，从而实现通信功能 的无线通信技术（Visible Light Communicaiton，VLC）。 优势：与传统的无线通信方式比，具有成本低、绿色无辐射、频 谱资源丰富、安全性高等优点。
目的：防止发送信息中包含大段 连“0”码或者连“1”码时，造 成LED光源明显闪烁
信道编码
监督位a2、a1、a0计算公式：
a2 a6 a5 a4 a1 a6 a5 a3 a a a a 0 6 4 3
错误位码 无错码 a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 汉明码字A a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 校正因子
S0 S1 S2
0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1
校正因子S2、S1、S0计算公式：
s0 a6 a5 a4 a2 s1 a6 a5 a3 a1 s a a a a 2 6 5 3 0