彭星 孔令豹

(復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海超精密光學(xué)制造工程技術(shù)研究中心,上海 200433)

1 引 言

發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)憑借其亮度高、壽命長、功耗低等優(yōu)勢在視覺傳輸、信息顯示和照明等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1].與此同時(shí),LED能被高速調(diào)制,將照明和高速數(shù)據(jù)通信傳輸有機(jī)地結(jié)合起來[2,3].這種新型無線光通信方式被稱為可見光通信(visible light communication,VLC)[4].與傳統(tǒng)射頻通信方式相比,VLC無需申請頻譜資源,不受電子設(shè)備的電磁干擾,安全保密性高,且LED設(shè)備易于安裝,具有極大的發(fā)展?jié)摿5?7].2000年,隨著白光LED技術(shù)的快速發(fā)展,日本KEIO大學(xué)的Tanaka等[4]利用白光LED搭建室內(nèi)VLC模型,并仿真和分析了直射鏈路下光電探測器的接收功率、信噪比和誤碼率,驗(yàn)證了白光LED照明與通信結(jié)合的可能性.利用白光LED的發(fā)光特性,將高速調(diào)制信號加載到白光上,可以基于LED搭建VLC通信系統(tǒng)[8].

目前,室內(nèi)VLC技術(shù)的主要研究范疇包括通信信道模型[9]、調(diào)制解調(diào)技術(shù)[10,11]以及光源的布局優(yōu)化[12]等,但與可見光接收技術(shù)相關(guān)的研究甚少.在很多室內(nèi)VLC系統(tǒng)中,接收端設(shè)計(jì)簡單,僅由匯聚透鏡和濾光片組成,難以滿足系統(tǒng)對光學(xué)接收端性能的要求[13].VLC系統(tǒng)的研究中,LED光源通常被認(rèn)為是朗伯型的,其發(fā)射范圍廣.因此,光學(xué)接收端需要寬視角和高增益特性以保證足夠的光能量[14].傳統(tǒng)的光學(xué)天線如高斯天線具有非常小的接收視場角,僅1?;菲涅耳透鏡只能在入射光束為平行光時(shí)才實(shí)用,局限性大[13].半球形透鏡的光學(xué)增益隨光束入射角度增大而減小,當(dāng)入射角為0—30?,光學(xué)增益僅保持在1.25—2.25[15].北京理工大學(xué)王云等[16]提出利用復(fù)合拋物面聚光器(compound parabolic concentrator,CPC)作為VLC的光學(xué)接收天線,分析得出CPC聚集的光斑尺寸大、均勻性差,光能量難以得到有效利用,且光學(xué)增益隨視場的增大而減小,CPC的體積隨視場的增大而增加.

綜合以上傳統(tǒng)光學(xué)天線的優(yōu)勢和局限性,本文設(shè)計(jì)了一種基于室內(nèi)VLC技術(shù)的新型兩級光學(xué)接收天線.相比于傳統(tǒng)CPC,新型兩級光學(xué)接收天線具有更大的光學(xué)增益和接收視場角,能夠有效地提高接收功率和信噪比,減小了光斑尺寸,提高了能量分布的均勻性.根據(jù)CPC的結(jié)構(gòu)特性和光學(xué)特性,采用三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Pro/E,將CPC截面基準(zhǔn)曲線通過旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)得到具有一定旋轉(zhuǎn)角與厚度的透鏡壁CPC,并將該透鏡壁CPC和半球透鏡結(jié)合成新型兩級光學(xué)接收天線.針對該新型兩級光學(xué)接收天線進(jìn)行仿真和性能研究,采用光學(xué)仿真軟件TracePro,研究光學(xué)增益、光斑尺寸和光斑能量分布的均勻性.通過Matlab仿真5 m×5 m×3 m的房間,對比分析了采用CPC和新型兩級光學(xué)接收天線時(shí)作為接收端的光學(xué)接收功率與信噪比分布.分析結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的新型兩級光學(xué)接收天線,在保證較高增益的同時(shí)能夠提供更大的視場,得到尺寸更小且能量分布均勻的光斑.相比于直接接收的情況,新型兩級光學(xué)接收天線的平均接收功率增幅為757.2%,是CPC平均接收功率的5.62倍;信噪比平均值增幅為28.07%,是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍;光學(xué)增益為11.49,是CPC光學(xué)增益的2.81倍.且光斑半徑僅為2.5 mm,較CPC光斑半徑減小了近37.5%,使得能量集中且均勻分布,保證了VLC系統(tǒng)高增益、大視場以及高穩(wěn)定性的通信質(zhì)量.

2 光學(xué)接收天線設(shè)計(jì)

2.1 透鏡壁CPC建模與分析

CPC是一種根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的非成像聚光器,其結(jié)構(gòu)是由兩條對稱拋物線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成[17].相關(guān)學(xué)者對CPC的研究結(jié)果表明,其接收功率和增益之間存在著反比關(guān)系,即通過增大視場角等手段增大接收功率的同時(shí),系統(tǒng)增益會減小.如圖1所示,根據(jù)結(jié)構(gòu)中的幾何關(guān)系構(gòu)建如方程(1):

圖1 CPC截面示意圖Fig.1.Sectional view of CPC.

式中,θ是CPC的半視場角,為CPC出射口的直徑寬度,是入射口的直徑大小,f為拋物線的焦距,tC是C點(diǎn)的參數(shù),H為CPC的高度.

然后,給定的數(shù)值并代入(1)式得到對應(yīng)H,θ和f的值.構(gòu)建出關(guān)于拋物線CB和C1F的方程如(2)和(3)式所示[18]:

式中,tC是參數(shù),其取值范圍可以通過(4)式來描述:

CPC的內(nèi)壁實(shí)質(zhì)上起到鏡面反射的作用,視場角內(nèi)入射的光線能夠在出射口處被有效接收,但是視場角以外的光線卻無法收集.根據(jù)邊緣光線原理,我們設(shè)想通過折射的方式接收更多視場角外的光線,在不削弱光學(xué)增益的基礎(chǔ)上增大光學(xué)天線的視場角.設(shè)計(jì)得到的透鏡壁CPC結(jié)構(gòu)如圖2所示,其設(shè)計(jì)參數(shù)包括剖面曲線旋轉(zhuǎn)角度δ與底部壁厚BH.透鏡壁CPC外壁曲線是以內(nèi)壁曲線為基準(zhǔn),以頂點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到的.當(dāng)光線以40?角入射的情況下,30?視場角的CPC難以收集視場角外的光線,而透鏡壁CPC中光線經(jīng)透鏡壁折射和外壁反射之后能夠在出射口處被有效地接收和利用.

圖2 透鏡壁CPC接收光線示意圖Fig.2.Light collection diagram of lens-wall CPC.

選取光學(xué)接收端的光學(xué)接收效率和視場角為目標(biāo)參數(shù)對透鏡壁CPC的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,分析不同δ和BH對透鏡壁CPC性能的影響,得到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).通過對比透鏡壁CPC取不同δ和BH時(shí)光學(xué)效率隨入射角度的變化,得到δ=5?且BH=5的透鏡壁CPC在0—55?光線入射角范圍內(nèi),光學(xué)接收效率能夠始終保持在較高水平且明顯優(yōu)于其他參數(shù)組合.如圖3所示,透鏡壁CPC在接收35?,40?以及45?的入射光線時(shí),光學(xué)效率分別是87.91%,80.28%和45.17%,而傳統(tǒng)CPC對于30?視場角以外的光線,接收功率基本為0.這種透鏡壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得CPC的視場角從30?提升到50?,且大角度光線入射的情況下,光學(xué)效率也能維持在較高水平.在一定范圍內(nèi),大角度光線入射時(shí)的光學(xué)接收效率隨著BH的增大而增大,這是因?yàn)橥哥R壁CPC的底部透鏡結(jié)構(gòu)減少了鏡面反射帶來的光線損失,使得光線能夠通過折射在出射口處被有效接收.分析結(jié)果表明透鏡壁CPC能夠有效地將光學(xué)天線視場角增大近20?,保證了室內(nèi)通信性能的穩(wěn)定性.

圖3 δ=5?時(shí)光學(xué)天線的光學(xué)效率與入射角度的關(guān)系Fig.3.Relationship between the optical efficiency of the optical antenna and the incident angle for δ=5?.

2.2 新型兩級光學(xué)接收天線的建模與分析

通過前面的建模與分析發(fā)現(xiàn),透鏡壁CPC能有效提高接收端的視場角和接收功率,且光斑均勻性遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)CPC.但是透鏡壁CPC得到的光斑相對分散,光能量分布不夠集中.在VLC系統(tǒng)中光電探測器的尺寸很小,為了提高光能的利用率并保證通信的穩(wěn)定性,需要減小光斑面積以提高聚光度.我們結(jié)合透鏡壁CPC和半球形透鏡的優(yōu)勢特征,設(shè)計(jì)得到了一種新型兩級光學(xué)接收天線.

半球形透鏡結(jié)構(gòu)如圖4所示,其具有廣視角、低增益的特性,光線入射后發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn).根據(jù)光線傳播的幾何關(guān)系可以得到:

式中,R表示半球形透鏡的半徑,n1是空氣的折射率,n2是半球形透鏡的折射率.可知當(dāng)n1惟一確定,R和n2越大,則越小,得到的光斑尺寸越小.

圖4 半球形透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4.Schematic diagram of hemispherical lens structure.

半球形透鏡和透鏡壁CPC之間用圓柱形鏡面反射壁連接,以防止光線遺失,保證光學(xué)接收效率,得到新型兩級光學(xué)接收天線結(jié)構(gòu)如圖5所示.為了進(jìn)一步優(yōu)化天線結(jié)構(gòu),下面探究半球形透鏡的半徑R及半球形透鏡頂點(diǎn)到透鏡壁CPC底部的距離h對光學(xué)天線性能的影響.

圖5 兩級光學(xué)接收天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5.Structure diagram of two-stage optical receiving antenna.

在TracePro中設(shè)置四個(gè)60 mm×60 mm規(guī)格的LED陣列光源,每盞功率均為1 W,半球形透鏡材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),得到測試結(jié)果如圖6和圖7所示.對比分析結(jié)果顯示:隨著半球形透鏡半徑R的增加,接收光線數(shù)目明顯上升,光學(xué)天線的增益呈直線上升,但是光斑尺寸也在不斷增大,而VLC系統(tǒng)中光學(xué)接收端的光電探測器尺寸非常小;在一定范圍內(nèi),隨著距離h的增大,光學(xué)增益呈明顯上升的趨勢,但是光斑的均勻性卻逐漸變差.為了保證兩級光學(xué)天線結(jié)構(gòu)連接和安裝的方便,得到尺寸小、能量分布均勻性好的光斑,以滿足VLC系統(tǒng)穩(wěn)定、高速的通信需求,優(yōu)化后得到天線結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:R=7.5 mm,h=0.圖8所示為半球形透鏡半徑取7.5 mm時(shí)光學(xué)接收天線的光斑分布;圖9是距離h=0時(shí)光學(xué)接收天線的坎德拉分布示意圖.

圖6 距離h與光學(xué)增益之間的關(guān)系Fig.6.Relationship between the distance h and the optical gain.

圖7 半徑R與光學(xué)增益之間的關(guān)系Fig.7.Relationship between the radius R and the optical gain.

圖8 R=7.5 mm時(shí)光學(xué)接收天線的光斑分布Fig.8.Spot distribution of hemispherical lens for R=7.5 mm.

圖9 h=0時(shí)光學(xué)接收天線的光斑分布Fig.9.Spot distribution of two-stage optical receiving antenna for h=0.

2.3 光學(xué)性能對比分析

為了進(jìn)一步評估天線的光學(xué)性能,將新型兩級光學(xué)接收天線和CPC、透鏡壁CPC的光學(xué)增益及光斑質(zhì)量進(jìn)行對比分析.仿真結(jié)果如圖10所示.圖10(a)未加任何光學(xué)天線,探測器直接接收光線,共接收光線809條,且光斑分布散亂,無法滿足VLC系統(tǒng)高速、穩(wěn)定通信的需求.圖10(b)中CPC作為光學(xué)前端,起到聚光的作用,接收入射光線為3310條,光學(xué)增益約為4.09.通過圖10(b)可以看出CPC聚集光能量主要分布在光斑外圍,且光斑的均勻性差,顯然難以滿足系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求.圖10(c)選用透鏡壁CPC作為光學(xué)天線,接收端共接收光線5852條,光學(xué)增益是7.23.通過觀察可以發(fā)現(xiàn),透鏡壁CPC收集光斑的均勻性明顯優(yōu)于CPC,但是其光斑尺寸較大,而VLC系統(tǒng)中光電探測器的尺寸很小,光能量難以得到充分利用.圖10(d)采用新型兩級光學(xué)接收天線,接收光線數(shù)目9298條,光學(xué)增益為11.49.與前三種光學(xué)天線接收的光斑進(jìn)行對比和分析發(fā)現(xiàn),新型兩級光學(xué)接收天線的光學(xué)增益是CPC光學(xué)增益的2.81倍,是透鏡壁CPC光學(xué)增益的1.59倍.且新型兩級光學(xué)接收天線接收到的光斑能量分布均勻性好,光斑半徑僅2.5 mm,光斑尺寸較CPC和透鏡壁CPC減小了近37.5%,保證了光信息被光電探測器有效接收和利用,能夠滿足VLC系統(tǒng)高速、穩(wěn)定的通信需求.

圖10 光學(xué)天線增益對比分析示意圖 (a)無光學(xué)天線;(b)CPC;(c)透鏡壁CPC;(d)新型兩級光學(xué)接收天線Fig.10.Comparison and analysis diagram of optical gain for different optical antenna:(a)No antenna;(b)CPC;(c)lens-wall CPC;(d)new two-stage optical receiving antenna.

3 光學(xué)接收端信道性能分析

3.1 光學(xué)接收功率分析

VLC系統(tǒng)中,信道的增益和脈沖響應(yīng)直接相關(guān)聯(lián),如下式所示[19]:

因此,在直射視距鏈路中,信道的增益可以表示為[20]

式中,i指代第i個(gè)LED,θc為光學(xué)接收端的半視場角,g(θi)為聚光器的直流增益,Ts(θi)為濾波器的增益,AR為探測器有效接收面積,?i為光源輻射角.光學(xué)聚光器的增益可以用下式表示[20]:

式中,n是光學(xué)接收端的折射率.

因此,直射視距中系統(tǒng)的光學(xué)接收功率為

式中,PS是單個(gè)LED燈珠的電功率.

通過Toshihiko和Masao[21]的研究可知,對于非直射視距鏈路而言,直射視距鏈路傳播占據(jù)的光功率高于95%,一次墻壁反射大概占總體的3.37%,二次墻壁反射光功率僅占1.27%.因此,在這里,兩次及兩次以上墻壁反射的情況可以忽略不計(jì),得到信道的增益為

式中,dAwall是墻壁微小面元面積,D1,i是第i個(gè)LED發(fā)射單元到墻壁某一點(diǎn)的距離,γ1,i是第i個(gè)LED發(fā)射單元入射到墻壁的光線與墻壁法線的夾角,ρ是墻壁反射率.

系統(tǒng)的接收功率為

綜上可知,室內(nèi)VLC系統(tǒng)中光學(xué)接收端的總光學(xué)接收功率為

根據(jù)(12)式,采用本文設(shè)計(jì)的新型兩級光學(xué)接收天線作為光學(xué)接收前端,建立室內(nèi)VLC系統(tǒng)模型.利用Matlab仿真軟件,對VLC系統(tǒng)進(jìn)行信道建模和仿真分析.在一個(gè)5 m×5 m×3 m的空曠房間,采用60×60的LED陣列單元,LED陣列尺寸是59×59,單顆LED光功率為20 mW,LED的中心光強(qiáng)為0.73 cd,LED單元間距10 mm.LED陣列光源根據(jù)照度最小均方差的原則進(jìn)行放置[22],四組LED陣列放置的中心坐標(biāo)分別為A(0.815,0.815),B(4.185,0.815),C(4.185,4.185)與D(0.815,4.185).通過計(jì)算得到未安裝光學(xué)天線、安裝CPC,安裝透鏡壁CPC和安裝新型兩級光學(xué)接收天線四種情況下的光學(xué)接收功率.圖11是未安裝光學(xué)天線時(shí)房間內(nèi)的功率分布.光電探測器的具體參數(shù)列于表1.

圖11 未安裝光學(xué)天線時(shí)房間中的功率分布Fig.11.Power distribution in the room when the optical antenna is not installed.

從圖11可以看出,在沒有安裝光學(xué)天線的情況下,接收端接收功率的最大值為?0.2428 dBm,最小值為?4.2258 dBm,平均值為?2.505 dBm.接收功率整體呈現(xiàn)距離燈光較近位置的功率高,邊緣位置功率低的分布.這是因?yàn)楣鈱W(xué)接收端的接收功率受視場角限制,在距離光源近的位置,光線入射角度小,因此會有更多的光線被光學(xué)接收端接收.

表1 光電探測器參數(shù)[23?25]Table 1.Parameters of the photo detector[23?25].

采用設(shè)計(jì)得到的新型兩級光學(xué)接收天線時(shí),房間內(nèi)的接收功率分布如圖12所示.其中,接收功率的最大值為9.3524 dBm,最小值為?45.6190 dBm,平均值為6.8259 dBm.相對于直接接收的情況,最大接收功率增幅為811.03%,平均接收功率增幅為757.2%.由于新型兩級光學(xué)接收天線設(shè)計(jì)的視場角大,光斑能量分布均勻,因此房間內(nèi)功率分布均勻性好,大大減小了通信盲區(qū).表2列出了不同接收條件下房間內(nèi)接收功率分布的最大值、最小值和平均值,以及此時(shí)接收功率相對于直接接收情況下的增幅.

圖12 安裝新型兩級光學(xué)接收天線時(shí)房間中的功率分布Fig.12.Power distribution in the room when a new two-stage optical receiving antenna is installed.

表2 安裝不同光學(xué)天線時(shí)接收功率對比Table 2.Receiving power comparison for different optical antennas.

從表2可以看出,安裝傳統(tǒng)CPC的情況下房間內(nèi)的最大接收功率PRmax為4.8688 dBm,最小接收功率PRmin為?45.6190 dBm,平均接收功率PRmean為1.1994 dBm;與直接接收的情況相比,最大接收功率增幅為224.47%,平均接收功率增幅為134.66%.CPC作為光學(xué)前端起到會聚光線的作用,因此相比于直接接收的情況,最大接收功率和平均接收功率均有明顯增加,但是受CPC視場角的限制,最小接收功率大幅降低.采用本文設(shè)計(jì)的透鏡壁CPC,其信道性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CPC,與直接接收的情況相比,最大接收功率增幅為473.36%,是CPC最大接收功率增幅的2.11倍;平均接收功率增幅為439.40%,是CPC平均接收功率增幅的3.26倍.通過透鏡壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增大了天線的視場角,在房間內(nèi)能夠接收更多的光線.綜上數(shù)據(jù)分析可知,新型兩級光學(xué)接收天線的光學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的CPC結(jié)構(gòu),能夠有效會聚光線,滿足了VLC系統(tǒng)的需求.

3.2 信噪比分析

室內(nèi)VLC系統(tǒng)的噪聲主要是加性高斯白噪聲,包括前置放大器噪聲和散粒噪聲,系統(tǒng)的通信質(zhì)量主要受到散粒噪聲的影響,且背景光產(chǎn)生的光量子散粒噪聲遠(yuǎn)大于信號本身產(chǎn)生的散粒噪聲.因此,當(dāng)背景光較強(qiáng)時(shí),忽略信號本身產(chǎn)生的噪聲[26];當(dāng)背景光較弱時(shí),主要考慮前置放大器噪聲.散粒噪聲可以通過下式表示[21]:

式中,PR(signal)是接收到的信號光功率,B是等效噪聲帶寬,PR(ISI)為碼間干擾的功率,I2是噪聲帶寬因子,Ibg是暗電流,γ是光電探測器的響應(yīng)度.

熱噪聲由下式表示:

式中,G是開環(huán)電壓增益,Γ是場效應(yīng)晶體管(FET)的溝道噪聲因子,η是光電探測器的單位面積電容,k是玻爾茲曼常數(shù),gm是FET的跨導(dǎo),Tk是絕對溫度.

綜上可知,系統(tǒng)的噪聲總和為

因此室內(nèi)VLC系統(tǒng)的信噪比表達(dá)式是為

根據(jù)(16)式,利用Matlab進(jìn)行仿真,計(jì)算房間內(nèi)的信噪比分布.其中,探測器的響應(yīng)率是0.53 A/W各參數(shù)的具體數(shù)值分別列于表3中.

表3 室內(nèi)VLC系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3.The simulation and design parameters of indoor visible light communication system.

通過計(jì)算分別得到未安裝光學(xué)天線、安裝CPC、安裝透鏡壁CPC和安裝新型兩級光學(xué)接收天線四種情況下的信噪比.圖13是安裝新型兩級光學(xué)接收天線的情況下房間內(nèi)的信噪比分布.

圖13 安裝新型兩級光學(xué)接收天線時(shí)房間中的信噪比分布Fig.13.Signal-to-noise ratio distribution in a room when a new two-stage optical receiving antenna is installed.

根據(jù)(16)式計(jì)算得到安裝新型兩級光學(xué)接收天線的情況下,系統(tǒng)信噪比最大值為78.3381 dB,最小值為69.4945 dB,平均值為76.0632 dB.對比于直接接收的情況,最大值增幅為18.17%,平均值增幅為28.07%,最小值的增幅為550.72%.在OOK調(diào)制的VLC系統(tǒng)中,13.6 dB是系統(tǒng)信噪比需滿足的最小值[27?29].從圖13可以看出,房間內(nèi)的信噪比分布顯然能夠滿足通信的需求.且距離光源越近的位置信噪比越大,通信的穩(wěn)定性越強(qiáng).表4列出了不同接收條件下房間內(nèi)信噪比分布的最大值、最小值和平均值,以及此時(shí)信噪比相對于直接接收情況下的增幅.

從表4的數(shù)據(jù)可以看出:安裝CPC作為光學(xué)前端與直接接收的情況相比,最大值增幅9.61%,最小值增幅373.01%,平均值增幅16.76%;透鏡壁CPC接收的信噪比最大值SNRmax為76.2349 dB,最小值SNRmin為62.8584 dB,平均值SNRmean為73.1634 dB,與直接接收的情況相比,最大值增幅為15.00%,最小值增幅為488.58%,平均值增幅為23.19%.通過透鏡壁接收結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),增大了接收器的視場角,光學(xué)接收端能夠接收到更多的光線,信噪比明顯增加.采用新型兩級光學(xué)接收天線接收的信噪比平均值增幅是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍,是透鏡壁CPC信噪比平均值增幅的1.21倍.

表4 安裝不同光學(xué)天線時(shí)信噪比對比Table 4.Comparison of signal-to-noise ratio when different optical antennas are installed.

綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果和分析可知,我們設(shè)計(jì)的新型兩級光學(xué)接收天線不僅光學(xué)增益大,且光斑均勻性好、尺寸小,天線信道性明顯優(yōu)于一些傳統(tǒng)光學(xué)天線,能夠滿足VLC系統(tǒng)高速、高穩(wěn)定性通信的需求.

4 光學(xué)天線試驗(yàn)驗(yàn)證方案

本文利用室內(nèi)LED燈作為光源仿真了新型兩級光學(xué)接收天線的性能,在此基礎(chǔ)上提出光學(xué)天線系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證方案,評估新型兩級光學(xué)接收天線的性能并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性.圖14所示為光學(xué)接收天線試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的示意圖,根據(jù)軟件模擬的情況設(shè)置室內(nèi)VLC系統(tǒng)模型.

圖14 光學(xué)天線試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)示意圖Fig.14.Test veri fication of the optical antenna system.

試驗(yàn)驗(yàn)證方案中,試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)包括信噪比、光學(xué)增益、光學(xué)接收功率和光斑分布.測試儀器包括光功率計(jì)、電荷耦合器(CCD)工業(yè)相機(jī)和垂直輻射計(jì).在新型兩級光學(xué)接收天線焦面位置放置CCD工業(yè)相機(jī),根據(jù)會聚光斑的實(shí)際大小微調(diào)CCD相機(jī)的位置,盡量確保全部會聚光線被CCD探測器接收.利用CCD相機(jī)采集聚光光斑的圖像信息,并通過軟件進(jìn)行圖像處理,收集光斑能量分布狀況.利用光功率計(jì)測量聚光光斑的光功率,接收天線的入射功率通過垂直輻射計(jì)進(jìn)行測量.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種用于室內(nèi)VLC系統(tǒng)的新型兩級光學(xué)接收天線.對于單個(gè)CPC光學(xué)接收天線來說,光學(xué)增益隨視場的增大而減小,且體積隨視場的增大而逐漸增加.通過CPC截面基準(zhǔn)曲線旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)得到具有一定旋轉(zhuǎn)角與厚度的透鏡壁CPC.進(jìn)一步結(jié)合透鏡壁CPC和半球透鏡的優(yōu)勢設(shè)計(jì)了一種新型兩級光學(xué)接收天線,增益保持的情況下視場角增大了近20?.采用TracePro建立光學(xué)天線分析模型,對比不同光學(xué)天線系統(tǒng)的光學(xué)增益、光斑尺寸及均勻性.通過Matlab軟件對室內(nèi)VLC系統(tǒng)進(jìn)行信道建模,得到不同光學(xué)天線系統(tǒng)的接收功率分布與信噪比分布.仿真結(jié)果表明:與直接接收的情況相比,新型兩級光學(xué)接收天線的平均接收功率增幅為757.2%,是CPC平均接收功率增幅的5.62倍;信噪比平均值增幅為28.07%,是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍;光學(xué)增益為11.49,是CPC光學(xué)增益的2.81倍.且光斑半徑僅為2.5 mm,較CPC光斑半徑減小了近37.5%,使得能量會聚并均勻分布.因此,采用這種設(shè)計(jì)的新型兩級光學(xué)接收天線,能夠滿足室內(nèi)VLC系統(tǒng)高速、穩(wěn)定的通信需求.最后,給出了該新型兩級光學(xué)接收天線性能分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方案.

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