室内可见光通信研究：强度调制直接检测系统实现

因为实现简单且造价低，可见光通信系统一般采用强度调制直接检测（Intensity Modulated and Direct Detected，IM/DD）系统，如图2.1所示。调制信号 m（t）输入到驱动电路直接驱动LED发光，得到强度随着驱动信号变化的光强信号 x（t）。接收端的光电检测器表面收到大量的波长很短的可见光信号，将所有光信号求和，并转换为电流信号 y（t），光电流的大小和入射光功率成正比。

图2.1　光强度调制接检测系统原理图

基于IM/DD的光无线通信系统不需要高频的光载波调制，可以等效为一个基带系统，如图2.2所示，其中R表示光电检测器的转换效率，h（t）是基带信道冲激响应，n（t）代表与信号不相关的系统噪声，可以等效为加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）。

图2.2　光无线通信IM/DD系统等效基带模型

通常PD表面的尺寸比可见光的波长大上万倍，大量的经过不同路径散射的光信号入射到PD，这些光信号在PD表面就形成了类似空间分集接收的效果。因此，可见光通信中不存在多径衰落现象[1]。但是PD接收大量的经过不同时延的光信号在光电转换后，形成了严重的符号间干扰。在IM/DD系统中不需要射频调制，基带信号直接驱动LED发光，所以可见光通信是基带系统，不需要本地振荡器，只有多普勒频移可能造成接收信号的频率偏移，但是在可见光通信中多普勒频移也可以被忽略[1]。PD直接检测光信号的强度而输出光电流，光电流变化的大小随PD的光谱感光度而变化，从而影响到接收端信号的信噪比。因为光波长偏移相对于可见光波长很小，因此在可见光通信中可以忽略多普勒频移的影响。另一方面，当室内环境和收发之间的位置固定时，信道特性也固定，只有当收发之间的位置发生数厘米以上的改变时，信道特性才改变。因为可见光通信的数据速率非常高，而室内物体和人的移动速度相对又比较慢，因此信道特性的改变相对于数据速率就比较慢。另外，传输中的干扰和噪声对每条光信号的影响在接收端相当于被求了空间平均。总之，VLC信道可以看作是时间稳定的、随收发端位置变化而缓慢变化的信道。通常室内VLC系统被认为是线性时不变系统，其完全可以通过自身的冲激响应来表征。

采用IM/DD的光无线通信等效基带系统可以表示为

式中，⊗表示卷积。和RF通信相似，可见光信道可建模为受AWGN影响的具有冲激响应特性的线性滤波器。信道的滤波特性以到达的多径信号为基础，其幅度和时延影响信道滤波。定义接收端和发送端的光功率之比为信道增益，那么可见光通信的信道增益是正实数，而RF信道增益通常是复数[2]。不同于传统的射频通信，光无线系统中LED的瞬时光功率正比于信号电流，x（t）代表的不再是信号的幅度而是光功率，因此发送信号 x（t）必须满足两个条件。首先 x（t）非负，也就是

(www.xing528.com)

其次，考虑眼睛安全时最大光功率可能受到限制。一般情况下平均光功率受到严格限制，要求 x（t）的平均值不大于最大的允许功率 Pmax，其中

通常室内反射表面的不同将导致不同的延迟扩展和符号间干扰，室内墙面的反射系数与光波长和墙面使用的材料有关系。光信号通过镜面和光亮的物体会发生镜面反射，但是在室内发生更多的是漫射现象，且可以被建模为Lambertian辐射模型。如图2.3所示为不同材料墙面的反射系数和光信号波长之间的关系[3]，图中实曲线表示荧光粉LED的辐射功率谱分布（Power Spectral Distribution，PSD），用φ（λ）表示，对应左边纵坐标。虚曲线分别代表石灰墙、塑料和屋顶和地板的反射系数，对应右边纵坐标。可以看出，塑料墙面的反射系数最大，其次为地板和屋顶。

图2.3　光在不同墙面反射系数对比图

在传统RF通信中，x（t）代表信号幅度，平均电功率正比于|x（t）|2，接收端的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）和接收信号的平均功率成正比。而在光无线通信中，单位阻值信噪比和平均接收光信号功率的平方成正比，即

当同时考虑反射信号和视线传播（LOS）信号时，接收光功率用直流增益表示为

式中，HLOS是LOS信道传输函数，与调制频率无关；Href（f）是漫射信道对应的传输函数。