白光LED照明光源用作室内无线通信研究

　　1 引言

　　可见光LED 具有高亮度、高可靠性、能量损耗低和寿命长等许多优良的特性，可用于全色显示、交通信号指示和照明光源等。与普通光源比较， 可见光LED 还因其高速调制特性已被应用在中短距离光纤通信中， 但其在无线通信领域应用还不多。

　　无线光通信技术与射频无线通信相比， 有无需频带申请、造价低等许多优点， 基于可见光LED 研制的手机信息无线收发系统已经实现了10kb/s 的数据传输。香港的Grantham Pang 等人则已试验成功利用可见光LED 为信号光源、覆盖距离为20m 的无线音频信号传输系统。近年来Yuichi Tanaka 等[4]人提出将白光LED 引入到室内无线通信技术中。白光LED 在提供室内照明的同时， 被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。

　　2 系统分析

　　2.1 LED 的基本特性

　　LED 光源有发光强度和发光功率两个基本特性参数。白光LED 不仅提供室内照明， 并作为信号光源用以实现室内无线数据传输。考虑到红外光对人眼睛的伤害等因素， LED 白光用作室内无线通信的信号光源比红外光有着许多自身的优势( 如表1 所示)。

　　表1 白光和红外光用作室内无线通信时的比较分析

　　2.2 通信链路

　　室内无线光通信的基本链路方式有很多种。本文描述的无线光通信系统中， 白光LED 因提供室内照明须固定在天花板上， 故以其为信号光源的室内无线通信链路有两种形式： 直射式视距链接和漫射链接，如图1 所示。

(a) 直射式视距链接

(b) 漫射链接。

　　图1 可见光LED 用于室内通信时的光链路方式。

　　在直射式视距链路中， 接收机直接指向白光LED光源。设计光链路为直射式视距链接的优点是， 信号光源功率利用率高、容易实现高速数据链接。然而该链路要求光信号收发端始终对准， 容易因链路上存在的障碍物而阻断。漫射链路设计中接收机视角一般较大， 降低了对指向的要求， 系统不易受阴影效应影响。

　　但链路中存在的多径效应会限制信号传输速率。表2 给出了两种光链路的一些通信性能比较。实际应用中可以综合两种链路的优缺点设计灵活的链路方式以提高系统性能。

　　表2 两种无线光通信链路比较

　　2.3 信道分析

　　无线光通信系统多采用光强度调制(IM) 和直接检测(DD) 技术。图2 为一个简单的基于可见光LED、采用IM- DD 技术的室内无线通信信道模型。白光LED 瞬时发射光功率不可能为负值， 所以LED 端输入电信号为非负， 其值可表示为X(t)=Pt(1+Amsinωt)。这里Pt 表示发射光平均功率， Am为正弦曲线幅度( Am ≤1 )。探测器接收到的光强度R(t)=Pr( 1+Amsinωt)+Pamb,Pr 为探测器处入射信号光平均功率， Pamb 为入射到探测器上的背景光( 包括自然光或室内其它光源等) 功率。假设光探测器的灵敏度大小为R, 则其检测到的光电流值应为：