可见光通信开题报告.doc

XXXX 大 学
研 究 生 论 文 开 题 报 告

学 号 S1XXXXXX
姓 名 XXXX
学位级别 硕 士
专 业 电XXX术
研究方向 电XXXXX
单 位 光XXXXX
导师姓名 XXXX

填表日期 2015 年 2 月

论文
题目
基于白光LED的室内可见光通信系统与应用研究

论文工作计划

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法研
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理生
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析
、

一、 研究背景和意义
1. 研究背景
二十一世纪，在我们的日常生活中，高速数据传输将扮演着重要的角色。人们将在任何时间任何地点得到大量多样的多媒体信息。然而，对于无线电波来说，频率需要授权将是主要的限制因素，因此，必须开发出更有效的无线传输技术。而可见光通信正迎合了这个趋势。可见光通信(VLC，Visible Light Communication)是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。白光LED(Light Emitting Diode)作为新一代绿色照明光源设备，不仅具有节能环保、寿命长的特点而且还具有响应灵敏度高、易调制等特点[1]。如果对该类照明光用以人眼无法感测的速度进行闪烁的脉冲来进行发光强度调制，而又不使光照度的波动被人眼感觉到。那么，则有望给传统的照明系统增加数据传输能力。在2000年，日本应庆大学中川正雄和SONY计算机科学研究所的春三真一郎提出了利用白光LED的高灵敏、易调制特性进行高速数据传输这一创新思想，开辟了采用照明光进行数据通信的新方向[2]。白光LED在用作室内照明的同时又可以作为室内短距离通信的信号发射端，但是目前商用的白光LED有着很大的局限性，采用荧光粉激发的白光LED和红绿蓝三色混合的LED的调制带宽都比较低，一般在1MHz左右[3-5]。低带宽以及数据传输速率根本不能满足现代高速数据传输的要求，这也严重制约了可见光通信的快速发展。当具体用于室内通信时，考虑到光源布局以及阴影遮挡问题，抗码间干扰能力以及接收灵敏度是必须考虑的影响系统性能的关键因素[6]。
与光纤通信和无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、无需频率授权、节约能源、无人身伤害等优点，可广泛应用于电磁环境要求苛刻的矿井、医院、飞机、智能家居等方面，因而可见光通信技术具有极大的发展前景。
2. 研究意义
在半导体照明必将取代传统照明的趋势下，全球的白炽灯、荧光灯将被LED灯代替。与传统的照明设备相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为第四代节能环保型照明产品。白光LED的另外一个突出优点是响应时间非常短，因此可以用LED进行超高速数据通信。在我国，可见光通信技术的发展比较晚，没有得到足够的重视，然而日本、韩国、美欧等科技强国对此非常重视，由于能够带动规模庞大的经济产业，美国已将可见光通信技术作为一种战略性科技进行大力扶持。为赶上其他科技强国并引领可见光通信技术，促进我国社会经济的可持续发展，积极跟进、研究、发展可见光通信技术成为当前刻不容缓的任务。
目前，室内可见光通信研究中以理论研究和单一的点对点通信研究居多，对室内可见光通信的应用研究和对具体的实验环境影响因素考虑较少。综合考虑室内光源布局，对提高室内可见光通信质量的稳定性具有重要意义，采用有效的均衡编码技术积极拓展通信带宽，提高数据传输速率，针对接收端运用分集接收技术搭建室内可见光通信系统，测试影响系统性能的关键因素，提高系统的抗干扰能力和高速传输能力，开展室内可见光通信的应用研究，对室内可见光通信真正走向实际应用具有重要意义，同时，为后续研究提供一定的参考价值。
二、研究现状及分析
1. 室内可见光通信的研究现状
室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中。日本是VLC技术的先行者，室内白光LED无线通信的研究在日本首先开展。日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama，在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统[15]。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，并认为LED光源满足朗伯(Lambertian)照射形式，且以强度调制直接检测(IM—DD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系。认为当传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的，码间干扰(InterSymbol Interference，ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。
2001年，Tanaka等人在原来的基础上分别采用OOK-RZ调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM 调制技术优于OOK-RZ调制技术。2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析 ，分别以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM 调制方式进行仿真分析，得到了不同条件下的误码率大小 。同年Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应 对可见光无线系统造成的影响，分别以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制方式进行仿真，结果表明：在数据率小于60 Mbps， 采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应[16]。 同年，Komine等提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统 。
2005年， Komine等利用基于最小均方误差算法的自适应均衡技术来克服码间干扰(ISI)，仿真表明在数据率为400 Mbps以下时，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效减少ISI的影响，当数据率高于400 Mbps时，DFE均衡器更能有效克服ISI。 2006年，Sugiyama提出了SCI-PPM调制方法；2007年，他通过脉冲宽度调制(PWM)，研究了光源的亮度控制对通信性能的影响[17]。同年Int Univ Bremen大学的Afgani对基于单LED强度调制OFDM技术进行了研究，理论和实验表明在一米范围内，OFDM技术能够有效消减峰平比(peak-to-average)。
2007 年，Haas 研究了基于正交相移键控(QPSK)调制COFDM(coded OFDM)技术。在90cm范同内，系统可达到2x10-6的误比特率[18]。牛津大学的O'Brien 研究了均衡技术，将系统速率提至75Mbps。飞利浦实验室提出一种新的调制技术——多址技术即CTDMA-PPM。
2008年Gruber 首次实验白光LED可见光通信系统101Mbps的通信速率[19]。
2012年Wen-Yilin等实现了10m/500Mbps的可见光通信体统，将数据传输能力提到一个新的高度[20]。
2013年迟楠所带领的团队成功实现了下行链路575Mbps上行链路225Mbps的通信速率，走在了我国在此领域的前列[21]。同年Wu F M等实现了最高3.22Gbps的通信速率[22]。
2014年，信息工程大学宏毅教授所带领的团队提出单载波多相延时叠加调制（MP-OOK）方法，并基于该方法实现了一套基于服务器架构的离线高速VLC实验系统，离线传输速率达到3.25Gbps[23]。
2.室内可见光通信研究现状分析
对室内可见光通信的研究主要是采用不同新概念、新理论和新技术致力于传输速率快，误码率低，抗干扰能力强等通信性能的提升。对于可见光通信系统的光源，目前国际上大多研究者主要采用荧光粉LED（PC-LED）和红绿蓝LED（RGB-LED）。荧光粉LED是最广泛使用的LED类型，其原理利用蓝光激发黄色荧光粉以产生白光，其优点在于结构简单，成本较低，调制复杂度相对较低，其缺点在于调制带宽很低，对室内环境的频谱利用率不高，极大地限制了可见光通信系统的带宽。对于可见光通信的光电探测器，目前国际上大多数研究者使用PIN、APD、图像传感器，以PIN作为的光电探测器响应快、灵敏度高、价格低廉，以APD作为的光电探测器其响应更快、灵敏度更高、价格相对较高，以图像传感器作为的光电探测器的响应速度较慢、灵敏度较低，但是它可以同时接受来自多个光源发送的数据，并且传输距离更长，因此在MIMO-VLC系统中经常使用，同时在很多实例中，如智能交通系统、定位等，经常使用。对于蓝光过滤技术，目前最广泛使用的荧光粉LED的调制带宽只有几兆，研究者们在光电探测器前端加入一个蓝光滤波器，以滤除响应慢的黄光分量，可以将LED的调制带宽增加到10兆。对于均衡技术，目前国际上都在使用此技术，在系统发射端加入预均衡技术，补偿器件和信道对信号带来的失真，可以提高LED的调制带宽，在接收端加入后均衡技术，可以有效补偿其他信道损耗，如相位噪声等。对于编码调制技术，目前国际上大多使用此技术在有限带宽内实现更高的传输速率，使用最广泛的是开关键控调制（OOK）、曼切斯特编码、脉冲位置调制（PPM）等，其优点在于可以实现在有限带宽内提高系统的传输速率，且实现简单，为进一步实现提升系统传输速率，研究者们往往会在系统发射端使用高阶调制格式，如QAM-OFDM、QAM-DMT，通过高阶调制格式可以更好地提高系统传输速率，但是调制阶数越高，系统越复杂，对接收机的灵敏度也越高。室内可见光通信技术的可行性如今已得到实验验证，但所面临的困难还有很多，主要表现在以下几个方面：
（1）室内可见光通信所采用的是目前商业化的白光LED，调制带宽还不能满足高速数据传输，需要采用带宽拓展手段，在接收端增加蓝光滤波片是最常用的手段，但系统能实现的带宽还不够理想有待进一步提高。
（2）用于通信的室内LED灯源布局受房间形状影响很大，目前针对具体的室内环境的实验研究很少，多以点对点的实验研究为主不能完全满足室内可见光通信的要求。
（3）从见刊的关于室内可见光通信研究的文章中可知，室内可见光通信的通信距离比较短，接收端的灵敏度以及抗干扰能力有待进一步提高。
（4）目前对室内可见光通信系统的研究主要采用小功率白光LED，从而使室内可见光通信系统的通信距离很短，在满足照明的同时不能满足照明需求。
（5）对室内可见光通信的研究主要为基础理论研究，对室内可见光通信的特定应用目的或目标没有具体有效的技术途径和方法，不能使室内可见光通信系统真正走向实际应用和产业化。

三、主要研究内容和研究目标
1. 课题来源
课题是在重庆本市“121”科技支撑示范工程：光电产业协同创新与LED关键技术攻关（编号：cstc2012jcsf-jfzhX0028, 2012.10-2015.03）支持下进行。
2．研究内容
（1）对室内可见光通信系统进行理论分析：
深入研究白光LED的结构和工作特性，掌握白光LED的工作原理，重点分析现有的预均衡技术、编码调制技术等拓展通信带宽的方法，提出本课题研究需要采用的拓展通信带宽的技术方案，完成系统发射端电路设计。
分析光功率和光照度对可见光通信系统接收端探测器灵敏度的影响，重点研究可见光信道中背景光噪声对可见光信号的干扰，提出本课题研究需要采用的在可见光信道中添加蓝光滤波器和聚光器等提高接收端探测器的灵敏度和抗干扰能力的方法，完成合理的光路设计增加室内可见光通信系统的传输距离和数据传输速率。
分析影响接收端接收性能的主要因素，重点研究接收端微弱光信号的放大去噪方法和后均衡技术，研究比较现有的分集接收技术，结合其优点采用新颖的分集接收模型增强对微弱信号的接收灵敏度，完成合理可靠的微弱光信号处理接收端电路设计。
（2）搭建并优化室内可见光通信实验系统 ：
完成室内可见光通信理论分析之后，提出有效提高室内可见光通信系统通信质量的技术方案，在电路仿真软件上进行电路仿真分析，建立室内可见光通信实验平台，测试该系统的通信带宽、数据传输速率、误码率等关键指标，分析影响实验结果的主要因素。在验证了系统可行性的基础上，提出优化室内可见光通信系统的技术方案并优化该实验系统，进一步提高系统的通信质量，在多个光源的情况下，实现语音、文字、温度、图像、视频等信号的实时传输，为进一步研究打下基础。
（3）对室内可见光通信系统开展应用研究：
本课题以对室内可见光通信系统的基础理论研究为基础，针对室内可见光通信系统的特定应用目的或目标提出具体有效的技术途径和方法，开发出基于室内可见光通信可用于全天候照明场所的语音信息广播、可用于考场等需要保密通信场所的听力广播和能向智能终端发送语音、文字、图像、视频等信号的可用于飞机、会议厅、餐厅等特殊场所的信息通告系统，并对室内可见光通信应用系统的实物进行产品安装和调试，拓宽室内可见光通信系统的应用范围，为室内可见光通信的实际应用打下坚实基础。
3．研究目标
（1）本课题拟完成对白光LED的结构、工作特性以及现有成熟编码调制技术分析，设计出高速调制电路将电信号调制为白光信号；
（2）本课题拟完成对现有采用传统模拟电路的均衡技术分析，提出一种利用FIR滤波器取代传统模拟电路对可见光通信系统进行预均衡的方法，提高室内可见光通信系统的带宽以及抗干扰能力；
（3）本课题拟完成对现有成熟分集接收技术，设计出一种新颖的分集接收模型，通过提高探测器灵敏度提高室内可见光通信系统的传输速率；
（4）本课题拟搭建一套采用大功率白光LED阵列作为光源的室内可见光通信系统的实验装置，完成对系统通信带宽、数据传输速率、误码率、通信距离等关键指标的测试。完成该系统的性能优化，实现语音信号、图像视频信号的实时传输功能。积极开展大功率LED的室内可见光通信的应用研究，并设计加工出实物。
四、课题工作实现路线和方法
1．工作路线和方法
（1）对室内可见光通信系统进行理论分析：
首先，对室内可见光通信系统发射端进行理论分析，完成系统发射端高速调制电路设计。分析现有商业化的白光LED的工作特性曲线，选择合理的直流偏置点保证信号不失真，采用直接调制的方式完成白光LED的高速调制电路设计，将电信号调制为光信号，为保证不因个别LED灯不能正常工作而导致整个系统无法工作，光源采用串并联阵列形式的白光LED灯组作为系统发射终端；分析现有成熟的曼切斯特编码、OOK、PPM、PWM、OFDM等编码调制技术对增加系统数据传输速率的影响，选取合适的编码调制技术利用FPGA完成系统发射端编码调制模块设计；重点分析预均衡技术对增加LED的调制带宽的影响，分析如图4.1所示现有采用模拟电路的传统预均衡技术不适用高速率信号传输的缺点，提出一种利用FIR滤波器取代传统模拟电路对室内可见光通信系统进行预均衡的方法，如图4.2所示。

图4.1采用多谐振预均衡技术的白光LED驱动电路图

图4.2采用FIR滤波器作为预均衡器的白光LED驱动电路图

其次，对室内可见光通信系统的大气信道进行理论分析，完成可见光信道中的光路设计。分析大气环境中的背景光噪声对系统的干扰，在LED灯光源上加广角聚光杯，可以很好地保证照明光的辐射角度，而且可以有效地抑制背景光的干扰；分析可见光光照度和光功率对提高光电探测器的灵敏度的影响，在可见光信道中加入非成像透镜对发射光进行汇聚，增加光电探测器的接收灵敏度，从而增加无线光通信的传输距离和室内光照度；分析光电探测器对蓝光信号和黄光信号的频率响应曲线，在光电探测器前端加入蓝光探测器，滤除反应较慢的黄光信号，从而只允许反应较快的蓝光信号经过，从而增加室内可见光通信系统的带宽和数据传输速率。
最后，对室内可见光通信系统的接收端进行理论分析，完成系统接收端的电路设计。分析不同材料结构的光电探测器的光电探测器的光电转换效率和频率响应曲线，选择合适的光电探测器作为系统的接收终端，将可见光信号转换为微弱电信号；分析现有成熟的微弱信号放大处理技术，完成微弱电信号处理电路设计，如图4.3所示，微弱电信号经前置放大模块、主放大模块、判决再生模块、后均衡模块被放大还原获得所传输的信息；分析现有成熟分集接收技术对克服阴影效应的影响，设计出新颖的半球面碗型接收阵，利用分集接收技术加强接收端的信号强度，提高接收信号的灵敏度和抗阴影能力。

图4.3 微弱信号处理电路框图

（2）搭建并优化室内可见光通信实验系统 ：
如图4.4所示，使用大功率商用白光LED灯作为光源，参照一般房间尺寸等比模型完成对LED光源布局，结合理论分析提出的编码调制和预均衡方法完成系统发射端搭建；在可见光信道加入广角聚光杯、聚光、蓝光滤波器等完成光路设计并搭建可见光信道；结合微弱电信号的放大去噪方法和均衡技术，设计出合理的可靠的微弱光信号处理电路，完成系统接收端的搭建。测试并分析该系统的通信带宽、数据传输速率、误码率等关键指标。分析影响系统性能的主要因素，在多个光源的情况下，测试系统的通信质量，分析光源之间对通信质量的影响。在验证了系统可行性的基础上，选取最合适的光源布局、编码调制技术、均衡技术和光路设计完善优化该实验系统，提高系统的通信质量，实现语音、图像、视频等信号的实时传输，为真实环境下的室内可见光通信研究提供基本的实验支撑。

图4.4 基于白光LED的室内可见光通信实验系统框图

（3）对室内可见光通信系统开展应用研究：
以搭建的室内可见光通信实验系统为基础，针对室内可见光通信的特定应用目标，在基于室内可见光通信可用于考场等需要保密通信场所的听力广播、可用于全天候照明场所的语音信息广播、应急通信系统和信息通告系统中加入工作模式切换开关，在实验系统输入端加入语音、文字、图像、视频等信号的编码模块，输出端加入语音、文字、图像、视频等信号的解码模块，并在室内可见光通信实验系统的输入输出端加入与智能终端等外围设备相连接的串口模块，完成室内可见光通信系统的应用设计、实物加工与安装调试，使室内可见光通信系统能应用在诸如医院、商场、飞机、会议厅等特殊场景，从而拓展室内可见光通信系统的应用范围，为室内可见光系统的实际应用打下基础。
2．本课题的创新
（1）本课题考虑到目前室内可见光通信研究中的光源布局方案不够成熟与实验系统采用的白光LED功率小不能满足照明需求的问题，第一次对发射端和接收端的非准直条件通信进行测试，深入研究了非准直情况下的通信质量，为室内可见光通信光源布局的合理分布提供依据，同时提出有效拓展商用大功率白光LED调制带宽的方法，在高速通信的同时满足人们对绿色照明的需求。
（2）本课题结合现有的编码调制技术、均衡技术和分集接收技术，在接收端首次采用半球面碗型接收装置，与其他普通的单一的接收装置相比，增强了光信号接收灵敏度和抗阴影能力。在接收端与发射端采用模拟均衡技术与数字均衡技术相结合，在可见光信道中采用合理光路设计，滤除大气环境中的背景光噪声、提高可见光通信系统的抗干扰能力。

五、计划进度安排
时间段
工作内容
成果预期
2014.2-2014.5
收集资料，查阅相关文献，学习并分析目前可见光通信的研究现状
了解可见光通信的基本原理，了解已取得的研究成果
2014.5-2014.7
学习室内可见光通信相关基础知识，深入学习白光LED的工作特性、驱动电路知识和编码调制理论
了解白光LED的结构与工作特性，掌握相关的电路仿真软件
2014.9-2015.3
对室内可见光通信的光源布局进行研究，对接收端的光信号处理进行理论分析
完成室内光源布置的仿真，完成接收端的软件仿真设计和实物制作，通过改进不断完善，确保实验的准确性
2015.4-2015.12
搭建实验系统，测试并分析系统的数据传输速率、通信带宽、误码率等参数，分析影响试验系统性能的主要因素，优化试验系统的性能 ，最终完成可见光通信系统实物设计与加工
在实验过程中取得阶段性成果，并发表学术论文2-3篇
2016.1-2016.4
撰写毕业论文
毕业答辩
参考文献
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注：此页不够可增加。

论此
文栏
预由
计导
要师
求填
及写
成
果

完成实验系统的搭建，优化系统提高通信质量，实现语音、图像、视频等信号的实时传输，完成系统实物设计与加工，并发表2-3篇学术论文、申请专利一项

实
验
设
备
条
件

PC机，单片机，FPGA，信号发生测试设备，频谱分析仪
室内可见光通信实验平台，XXX

评
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教意
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主任： 年 月 日

二级学院意见

院长： 年 月 日
说明：1. 开题报告工作是研究生培养的重要环节，务必高度重视。
2. 开题报告会必须在教学部或二级学院范围内公开举行，并应对其内容进行认真审
查，若开题报告组对研究生的选题有不同看法，请详细写在“开题报告组意见”里，
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3. 开题报告完成后，请于第四学期末将此表送交研究生培养科留存，作为论文答辩
资格审查的重要依据，另备复印件两份，分别由二级学院和研究生保存。