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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

作　者: 徐丹彤
导　师: 徐宁
学　校: 南京邮电大学
专　业: 光学工程
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
分类号: TN859
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 引言  8-9
  1.2 可见光通信（VLC）及其应用前景  9-10
  1.3 VLC 技术的研究现状  10-12
    1.3.1 国内外对VLC 技术的研究现状  10-11
    1.3.2 VLC 研究中的关键技术和问题  11-12
  1.4 本论文的主要工作和创新点  12-14
第二章 VLC 系统的白光LED 光源与光接收器  14-20
  2.1 白光LED 的发光原理  14-16
    2.1.1 白光LED 的实现方法  14
    2.1.2 多芯片（MC）LED  14-15
    2.1.3 荧光转换（PC）LED  15-16
    2.1.4 照明用白光LED 存在的问题  16
  2.2 VLC 系统的白光LED 光源  16-17
  2.3 VLC 系统的光接收器  17-19
    2.3.1 基本技术要求  17-18
    2.3.2 基于菲涅尔透镜的光接收器  18-19
    2.3.3 光接收发射器的设计构想  19
  2.4 本章小结  19-20
第三章 VLC 系统的光能量分布与多径效应的实验研究  20-33
  3.1 VLC 系统的光照度测试实验  20-22
    3.1.1 光照度的基本需求  20-21
    3.1.2 实验条件  21
    3.1.3 光源特性  21-22
  3.2 光照度分布及墙壁反射对系统的影响  22-30
    3.2.1 无墙壁反射时的光照度分布  22-23
    3.2.2 存在一次反射时的光照度分布  23-24
    3.2.3 存在两次反射时的光照度分布  24-27
    3.2.4 存在多次反射时的光照度分布  27-30
  3.3 多光源引起的多径效应对系统的影响  30-32
  3.4 本章小结  32-33
第四章 光接收器的设计及其实验研究  33-51
  4.1 基于ZEMAX 软件的光接收器研究  33-40
    4.1.1 菲涅尔透镜的设计  33-36
    4.1.2 白光LED 光源的空间光照度分布  36-38
    4.1.3 菲涅尔透镜对白光LED 光源能量接收的影响  38-40
  4.2 光接收器对墙壁反射引起多径效应的影响  40-45
    4.2.1 无墙壁反射时的接收效果  40-42
    4.2.2 四面墙壁反射时的接收效果  42-45
  4.3 光接收器对多光源引起多径效应的影响  45-47
  4.4 光接收器对多径效应的抑制作用  47-50
  4.5 本章小结  50-51
第五章 多面型光接收器和光接收发射器的设计  51-58
  5.1 多面型结构的光接收器设计  51-53
    5.1.1 多面型光接收器的结构  51-52
    5.1.2 多面型光接收器的仿真结果  52-53
  5.2 光接收发射器的设计  53-56
    5.2.1 光发送器对光接收效果的影响  54-55
    5.2.2 光接收发射器的仿真结果  55-56
  5.3 本章小结  56-58
第六章 结束语  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间发表的论文  65

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电设备、电信设备 > 接收设备、无线电收音机 > 其他
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