薛家豪,李　琪,徐勝男,展凱云,陳文娟,劉　冰

(中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

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室內LED可見光通信的分集接收系統(tǒng)

薛家豪,李琪,徐勝男,展凱云,陳文娟,劉冰

(中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

根據分集接收的原理，采用選擇合并的方式設計了應用于LED可見光通信的信號選擇接收裝置. 理論分析和測量結果表明：該裝置能增加信道的數量并自動選擇出信噪比最大的信號，可以有效地避免信道中斷.

可見光通信；分集接收；模擬信號；信噪比

可見光通信是利用LED燈的響應靈敏度高、調制性能好[1-2]等特性，進行高速傳輸通訊數據的技術. 室內LED可見光通信裝置在通信過程中由于遮擋物的存在，可能會引起信道中斷. 目前解決這一問題的方法主要為分集接收技術[3-10]，即通過增加信道數量，并收集各信道的信號以避免信道的中斷. 實現分集接收技術的理論方式有最大比合并、等增益合并及選擇式合并[11-14]，目前多采用等增益合并，即利用加法電路將各信道的信號直接相加，但是這種合并方式會把被中斷信道內的雜光與未被中斷信道的信號光直接合并，降低輸出信號的信噪比. 本文采用選擇合并的方式，設計了信號選擇接收裝置. 該裝置對多信道的信號進行對比，選擇并輸出信噪比最強的信號，這樣可既避免信道中斷，又能防止信噪比下降.

1　LED可見光通信整體系統(tǒng)的設計

光通信系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，接收端即信號選擇接收裝置. 發(fā)射端將函數信號發(fā)生器產生的電信號轉化為光信號；接收端對比各信道的信號，輸出信噪比最強的信號. 為方便計算系統(tǒng)接收信號的信噪比，采用函數信號發(fā)生器發(fā)出標準的正弦函數信號，利用LED驅動電路將信號加載到LED白光燈上. 為增大信號的傳輸距離，保證信號的傳輸質量，實驗采用10 W的大功率LED白光燈作為光源. 光信號在光電二極管的作用下轉化為電信號，各信道的信號經解調處理后由信號選擇電路選擇出信噪比最大的信號. LED可見光通信系統(tǒng)的結構框架如圖1所示.

圖1　LED可見光通信實驗系統(tǒng)結構框圖

1.1發(fā)射端的設計

實驗用的正弦函數信號為模擬信號，相對應的LED驅動電路設計如圖2所示. 該電路前級采用加法器，在實際調試過程中，設置1～2 V的直流偏置可以達到很好的傳輸效果；后級采用電壓跟隨器，隔離晶體管與加法電路；晶體管發(fā)射極設置約10 Ω電阻可以保證LED兩端10 V電壓變化不大；保證僅電流驅動LED改變光照強度.

1.2接收端的設計

接收端采用多個光電二極管以增加信道的個數. 由于外界的雜光干擾和電路自身產生的噪聲[15-17]，導致接收到的信號信噪比較低，因此先對各信道的信號進行前置放大和濾波處理[18-21]. 最后，經過本文設計的信號選擇電路選擇并輸出信噪比最大的信號.

圖2　LED驅動電路圖

1.2.1接收端光電二極管的布局

分集接收技術是研究利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中,如何分散開又如何收集起來的技術. 基本的分集方法有：頻率分集、時間分集、極化分集及角度分集. 由于LED的首要功能是照明，因此在不改變室內光布局的情況下，為了讓信號更加穩(wěn)定有效地被傳輸，本文基于角度分集接收的原理，對接收端進行改進.

為保證信號的接收效果[22-23],可將多個探測器均勻放置在半球面上. 為節(jié)約成本，且保證接收端能接收各個方向的光信號，本系統(tǒng)共采用4個光電二極管. 在與水平面呈60°夾角的位置上安置3個光敏二極管，每個光敏二極管相互成120°夾角，在3個光敏二極管的中間位置，即在半球面頂部的水平位置，安置第4個光敏二極管. 光電二極管分布如圖3所示，光電二極管的接收角度為120°，即單個光電二極管的接收范圍是圓錐形，由四接收端的擺放可知，4個圓錐形的接收范圍近似合成半球狀，即只有整個半球被完全遮擋的情況下才會出現信道完全被中斷的現象，可以有效地避免信道中斷.

圖3　光電二極管分布示意圖

1.2.2分集接收電路的設計和實現

依據選擇式合并的原理，設計選擇接收電路如圖4所示.

利用電壓比較器、非門和電磁繼電器設計出信號選擇接收電路. 對4個光電二極管接收到的信號進行實時采集取樣，將取樣信號交給電壓比較器比較找出電壓值最大的信道，此信道就是要進行傳輸的信道. 電壓比較器同時輸出控制信號給非門和電磁繼電器，最終實現信道的選通. 由于LM339電壓比較器只能比較2路信號，實現對信號的二選一，因此選擇接收電路由3組二選一電路組成，實現對4個信道中信號的選擇和輸出.

圖4　分集接收電路

2　系統(tǒng)通信質量的分析

2.1系統(tǒng)的整體擺放

將LED光源置于室內中央，接收端置于LED光源一側，并相隔一定距離和角度. LED光源與接收端的相對擺放如圖5所示.

圖5　系統(tǒng)的整體擺放示意圖

2.2信噪比理論分析

信號選擇接收裝置輸出信號由標準的正弦函數信號和噪聲組成. 輸出信號的信噪比可表示為

SNR=P/σ2,

(1)

式中,P為輸出的標準正弦函數信號的平均功率，σ2為噪聲的平均功率. 若忽略背景光和碼間干擾，則噪聲主要由接收端電路的熱噪聲[24]組成，可視為加性高斯白噪聲，其平均功率σ2可表示為

(2)

式中,k表示玻爾茲曼常量，TK表示室內的絕對溫度，η表示光電二極管的結電容，S表示光電二極管的表面積，I2表示噪聲帶寬因子，B表示等效噪聲帶寬，G表示開環(huán)電壓增益，Γ表示場效應管溝道噪聲因子，gm表示場效應管跨導.

標準正弦函數信號f(t)可表示為

f(t)=A0sin (ω0t+Φ0),

(3)

式中,A0為正弦函數信號的振幅，ω0為角頻率，Φ0為初始相位. 根據瑞利定理，信號能量E為

(4)

式中F(ω)為f(t)的傅氏變換，那么信號的平均功率P可表示為

(5)

經計算，輸出的標準正弦信號的平均功率P為

(6)

最終信噪比SNR為

(7)

2.3信噪比的測量與計算

在LED燈和接收端之間放置1塊擋板，利用示波器測信號選擇接收裝置在擋板移動過程中輸出信號的振幅與光電二極管被遮擋個數的關系.

實驗所用硬件的詳細參量：B為100 Mbit/s，I2為0.562，TK為298 K，η為700 pF/cm2，G為10，Γ為1.5，gm為30 Ma，S為0.09 cm2. 信號選擇接收裝置接收的光信號振幅值與光電二極管被遮擋的個數關系如表1所示.

表1　光電二極管被遮擋時接收信號的振幅

為盡可能避免隨機誤差，本文采用多次測量的方式. 所有二極管被遮擋時接收信號的振幅不為零，這是電路自身產生的電信號，屬于噪聲.

由實驗數據可知，當接收端被遮擋的光電二極管數量小于4個時，裝置輸出信號的信噪比無大幅度變化，只有將4個光電二極管完全被遮擋時才會出現信道中斷，而實際傳輸過程中人員走動或者室內其他障礙物只能遮擋1～2個光電二極管，因此該裝置能有效地避免由于信道中斷所造成的信號質量下降.

3　結束語

將分集接收技術應用到室內LED可見光通信之中，通過對光電二極管的布局和信號選擇接收電路的設計，完成了信號選擇接收系統(tǒng)的設計. 理論分析和實驗測試結果表明：在室內有人員走動和其他物體產生遮擋時, 該裝置能自動選擇出信噪比最強的信號,不需要人工調整接收端的位置，就能保證通信的質量.

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[責任編輯：任德香]

Diversity reception system for indoor LED visible light communication

XUE Jia-hao, LI Qi, XU Sheng-nan, ZHAN Kai-yun, CHEN Wen-juan, LIU Bing

(Department of Physics, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

According to the principle of diversity reception, a signal selection reception device was designed for indoor LED visible light communication system, and the output signal of the device was analyzed theoretically and measured by experiment. The results showed that the device could increase the number of channels and automatically select the signal with the maximum signal-noise ratio, which could effectively avoid channel interruption.

visible light communication; diversity reception; analog signal; signal-noise ratio

2016-04-05；修改日期：2016-04-27

山東省自然科學基金項目(No.ZR2015AM023)；中國石油大學(華東)教學研究與實踐項目(No.JY-A201402)；中國石油大學(華東)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(No.20151285); 中國石油大學青年教師教學改革項目( No.QN201531)

薛家豪(1996-)，男，河北邯鄲人，中國石油大學(華東)理學院2014級本科生.

指導教師：劉冰(1972-)，男，山東臨沭人，中國石油大學(華東)理學院副教授，博士，主要從事大學物理教學和計算物理與油藏滲流方面的研究.

TN929.1

A

1005-4642(2016)09-0015-04