基于白光LED的可见光通信系统中光接收发射器的研究与设

单位代码：10293密级：硕士学位论文论文题目：基于白光LED的可见光通信系统中光接收发射器的研究与设计徐丹彤Y003091011徐宁副教授光学工程光纤通信和光波技术工学硕士二〇一二年三月学生姓名学号指导教师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________南南南南京京京京邮邮邮邮电电电电大大大大学学学学硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要学科、专业：工学光学工程研究方向：光纤通信和光波技术作者：徐丹彤Y003091011指导教师：徐宁副教授题目：基于白光LED的可见光通信系统中光接收发射器的研究与设计英文题目：ResearchanddesignofopticaltransceiverinvisiblelightcommunicationsystembasedonwhiteLED主题词：可见光通信，光接收器，菲涅尔透镜，光照度分布，ZEMAX软件，反射，多径效应Keywords：visiblelightcommunication,opticalreceiver,Fresnellens,illuminancedistribution,ZEMAX,reflection,multipatheffect南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要I摘要可见光通信技术是基于白光LED照明光源的无线光通信技术，在机场、医院等严格限制电磁干扰的场合可替代射频通信，应用前景广阔。可见光通信技术的研究和发展需要低成本、小尺寸、高增益的光接收器。论文提出的基于菲涅尔透镜的光接收器，结构简单，可满足可见光通信系统的技术要求。论文首先分析了可见光通信系统对光源和光接收器的基本技术要求。提出将菲涅尔透镜作为集光器，用来会聚信号光，提高探测器接收到的光能量。设计了两种光接收器的结构和接收方法。通过测量可见光通信系统的空间光照度分布，重点研究了墙壁的反射作用和多光源引起的多径效应对系统性能的影响。存在四面墙壁反射并有四个LED光源共同工作时，距墙壁0.5m范围内，反射光占接收总光能量的36.6%~52.2%，其他区域约21%~35%；在光源正下方直径约1m的圆形区域及墙壁附近，次光源直射光占接收总光能量的4.9%~29.1%，其他位置约30%~58.8%，说明墙壁反射和多光源会引起严重的多径效应。利用ZEMAX软件设计了具有良好的短焦距会聚性能的菲涅尔透镜，尺寸和会聚特性满足可见光通信系统光接收器的技术要求。实际测试了单块菲涅尔透镜对光能量接收的增益效果，当透镜对准主光源时，光接收器接收到的直射光可获得1.36dB~3.82dB的增益，其中主光源直射光的增益可达3.87dB~5.06dB，从而减小墙壁的反射作用和多光源对系统性能的不利影响，有助于克服多径效应和码间串扰，提高接收端的信噪比。证明用单菲涅尔透镜对准主光源的接收方法的有益效果和可行性。对多面型光接收器结构进行了仿真研究，证明可见光通信系统的光接收器不宜采用这种结构。最后，论文提出了一种集可见光信号接收和红外光信号发送一体的光接收发射器，对这种光接收发射器的结构进行了初步的仿真研究。关键词：可见光通信，光接收器，菲涅尔透镜，光照度分布，ZEMAX软件，反射，多径效应南京邮电大学硕士研究生学位论文ABSTRACTIIABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTVisiblelightcommunication(VLC),akindofwirelessopticalcommunicationtechnologybasedonwhiteLEDlightsource,hasbroadprospectsforapplicationwhichcouldbesubstitutedforRFcommunications,especiallyontheoccasionofstrictrestrictionsabouttheelectromagneticinterference,suchasairport,hospitaletc.TheresearchanddevelopmentofVLCtechnologyneedlowcost,smallsizeandhighgainopticalreceiver.ThepaperpresentstheopticalreceiverbasedonFresnellens,whichhassimplestructureandcanmeetthetechnicalrequirementsoftheVLCsystem.ThepaperfirstanalyzesthebasictechnicalrequirementsofthelightsourceandopticalreceiverinVLCsystem.AdvanceatheorythatusingFresnellensastheopticalcollectortoconvergethesignallight,sothedetectorcouldreceivemorelightenergy.Andtwostructureswithdifferentreceivingmethodsoftheopticalreceiverwereproposed.BymeasuringthespatialilluminancedistributionofVLCsystem,thepaperfocusesontheimpactofthemultipatheffectonsystemperformancecausedbywallreflectionandmulti-source.Whentherearefourreflectionwallsandfoursources,35.6%to52.2%receivedlightenergycomefromreflectedbeamsinthearea0.5mnearthewalls,andabout21%to35%intheotherpositions;Inthe1mdiametercircularsjustbelowthelightsandtheareaaroundthewalls,4.9%to29.1%ofthetotalreceivedlightisthedirectlightcomesfromthesecondarysources,andotherlocationabout30%to58.8%.FresnellensdesignedbyZEMAXsoftwarehasgoodconvergingperformancewithshortfocallength.Thelens'ssizeandconvergencecharacteristicscanmeetthetechnicalrequirementsofopticalreceiverinVLCsystem.ThegainofreceivedlightenergyusingasingleFresnellenswastestedactually,whenthelenscollimatethelightsource,thedetectorcangain1.36dBto3.82dBfromdirectlight,andthegainofthereceivedlightfromthemajorsourcescanreach3.87dBto5.06dB.Theadverseeffectsofthewallreflectionandmulti-sourceonsystemperformancearereduced,andit’shelpfultoovercomethemultipatheffectsandincreaseSNRofthereceiver.ThefeasibilityandthebenefitofcollimatedreceptionmethodwithasingleFresnellensisproved.Asimulationstudyonthemulti-facetedopticalreceiverstructureshowsthatthestructureisinadequatefortheopticalreceiverinVLCsystem.Finally,anovelopticaltransceiverisproposedwhichintegratesthevisiblelightreceptionwiththetransmissionofinfraredlightsignalandpreliminarystudyoftheopticaltransceiver'sstructurewasmadebysimulation.KeywordsKeywordsKeywordsKeywords：visiblelightcommunication,opticalreceiver,Fresnellens,illuminancedistribution,ZEMAX,reflection,multipatheffect南京邮电大学硕士研究生学位论文目录III目录摘要........................................................................................................................................................IABSTRACT..................................................................................................................................................II第一章绪论............................................................................................................................................11.1引言............................................................................................................................................11.2可见光通信（VLC）及其应用前景........................................................................................21.3VLC技术的研究现状.