LED可见光无线通信系统的研究.doc

1、分 类 号 密 级 U D C 编 号 武 汉 纺 织 大 学学 士 学 位 论 文LED 可见光无线通信系统的研究学 生 姓 名：学 号：指导教师姓名、职称： 专 业 名 称：光 电 信 息 工 程年 月摘 要可见光通信是随着第四代环保节能照明光源 LED 的发展而兴起的一种新型通信方式，随着白光 LED 的发明及应用，可见光通信技术得到了良好的发展。白光 LED 不仅可以提供室内照明，而且可以应用到无线光通信系统中满足室内个人网络需求。在照明方面，白光LED 的节能、环保等特点被认为终将取代荧光灯、白炽灯等传统照明光源，成为下一代固体照明光源。与此同时，白光 LED 又具有响应时间短，加之

2、其具有高速调制特性，可以设计出基于白光 LED 的室内可见光无线通信系统。由此设计出的基于白光 LED 的室内可见光无线通信系统，与传统的红外和了光无线电通信相比，具有发射功率高、无电磁干扰和无需申请频谱资源等优点。论文主要对基于白光 LED 的室内可见光通信系统进行了研究。对白光 LED 的发光原理及工作特性做了较深入的分析。并研究了可见光通信系统的通信信道,对通信链路的构成进行了分析,给出了一种求 LED 照明灯室内布局的方法。介绍能量分布和多径效应的实验，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。因此，本文引入了一种基于正交频

3、分复用(OFDM)调制与解调的方案，用于减弱高速通信时由多径效应带来的码间串扰。关键词：可见光通信； 白光LED； 光照度分布； 多径效应； 正交频分复用ABSTRACTVisible light communication is with the development of the fourth generation of environmental protection and energy saving lighting source LED the rise of a new type of communication mode, with the invention and app

4、lication of white LED, visible light communication technology obtained the good development. White LED can provide indoor lighting not only, and can be applied to the fso system meet the demand of indoor personal networks. In terms of lighting, energy saving and environmental protection characterist

5、ics of white LED is considered will eventually replace the traditional fluorescent lamp and incandescent lamp lighting light source, to become the next generation of solid lighting source. At the same time, white light leds have short response time and again together with its high speed modulation c

6、haracteristics, can be designed based on white LED indoor visible light wireless communication system. The design of indoor visible light wireless communication system based on white LED, compared with the traditional infrared and radio communications, has high transmission power, no electromagnetic

7、 interference, and dont need to apply for spectrum, etc.Thesis mainly based on visible white LED indoor optical communication system is studied. The luminous principle and working characteristics of white LED made a more in-depth analysis. And studied the communication channel of optical communicati

8、on system, analyzes the composition of communication link, presents a LED light indoor layout method. Introduced the light energy distribution and multipath effect experiment, by measuring the visible light optical communication system of space distribution, mainly studies the wall reflection effect

9、 and multiple source caused by multipath effect will influence the performance of the system. Therefore, this article introduces a kind of based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation and demodulation scheme, when used for highway communication intersymbol interference cause

10、d by multipath effect.Keywords:Visible light communication; White LED; Illuminance distribution; Multipath effect; Orthogonal frequency division multiplexing目 录1 绪论 11.1 研究的背景及意义 21.2 国内外的研究现状及趋势 31.3 可见光通信系统的基本结构及其特点 51.4 本文的主要工作及内容安排 62 LED 可见光通信技术概述 72.1 LED 简介 72.2 LED 的特性 82.2.1 伏安特性 .82.2.2 电光

11、转换特性 .102.2.3 光谱特性 .112.3 LED 白光辐射特性 132.3.1 白光 LED 辐射模式 .132.3.2 光子初射机理 .142.3.3 白光 LED 的数学模型 .152.4 室内可见光通信信道分析 .162.5 LED 光源布局设计 172.6 工作速率和接收机视角选择 173 VLC 系统的光能量分布与多径效应的实验介绍 193.1 VLC 系统的光照度测试实验 193.1.1 光照度的基本需求 .193.1.2 实验条件 .203.1.3 光源特性 213.2 光照度分布及墙壁反射对系统的影响 213.2.1 无墙壁反射时的光照度分布 223.2.2 存在一次

12、反射时的光照度分布 .233.2.3 存在两次反射时的光照度分布 .243.2.4 存在多次反射时的光照度分布 .273.3 多光源引起的多径效应对系统的影响 304 基于频分复用的白光 LED 调制技术 324.1 可见光通信调制技术的发展 324.2 室内可见光通信 OFDM 调制方式 .324.3 基于 SC-FDMA 的白光 LED 通信系统 .344.3.1 SC-FDMA 技术分析 .345 总结与展望 355.1 本文工作总结 365.2 展望 37参考文献 39致 谢 40武汉纺织大学毕业设计论文第 1 页1 绪论随着全光接入技术的发展和人们对无线宽带通信需求的日益强烈，结合了

13、无线通信和光通信技术的无线光通信技术(Wireless Optical Communication)应运而生 1。作为一种宽带无线接入技术，无线光通信技术以光信号为载体、大气作为传输媒质来传送信息，具有信息容量大、灵活方便、易于维护及安全保密等特点，从而越来越受到人们的关注。最早的无线光通信技术主要是 FSO(Free Space Optical communication，自由空间光通信) 和室内无线红外通信(Indoor Wireless Infrared Communication)，两者目前已较为成熟，并投入商用。FSO 一般利用 850nm 或 1550nm 的红外激光，目前可提供

14、10M-2.5Gbit/s 的传输速率，在天气晴好的情况下，最远可传送 4km距离 1。室内无线红外通信一般利用 LED 红外光，目前可提供的传输速率为100M-1Gbit/s，信号覆盖面积在 100m2 以上 2。但是，FSO 和室内无线红外通信在应用中存在许多问题，例如，在 FSO 系统中，激光发射机与接收机之间需要严格对准，应用于室外的楼宇或山顶时，风力作用或轻微的震动会导致发射机和接收机无法对准；在天气情况恶劣的条件下，光信号衰耗增加，严重影响接收的光信号质量；另外，由于是利用激光进行信号传输，必须限制功率范围，以保证人眼睛的安全。室内无线红外通信存在的问题主要有：红外光信号容易受其它

15、遮挡物影响；为提高信噪比需增加发射光光功率，同时为保护人眼不被高功率的光所损伤，也需要限制光功率等。与此同时，基于 LED(Light Emitting Diode，发光二极管 )的半导体照明技术不断发展。1994 年，日本科学家研制出第一只蓝色 LED；荧光发光的白光LED 于 1997 年诞生，标志着 LED 进入“全彩应用与普通照明阶段”。作为一种固态冷光源，LED 具有体积小、寿命长、易显色性及节能环保等优点 3。同时随着 LED 制造工艺、组装技术等的不断发展，LED 的性能一直在提高，照明价格则不断降低。目前，白光 LED 的发光效率可达 100lm/W，流明价格小于 5美元/kl

16、m ，这意味着同样亮度的 LED 价格更加低廉，也更加节约电力能源。所以，人们称这种基于白色 LED 新型光源的半导体照明（也称固态照明）技术为“绿色照明”，白光 LED 被认为是未来取代白炽灯和荧光灯的下一代照明光源 8。武汉纺织大学毕业设计论文第 2 页不但如此，LED 还具有高速点灭的发光响应特性，所以，一些有远见的科学家和工程师借此提出了一种大胆而创新的思路：让 LED 点亮、熄灭切换得足够快，以致于人眼无法分辨，从而用它们来传送数据。这种构想便是可见光通信的理论基础，即将信号调制到 LED 上，在可见光用以照明或显示的同时，进行数据传输，使可见光通信与 LED 照明相结合，将 LED

17、 照明光源用作光无线局域网络（Wireless Local Area Network，WLAN）的信号发射机，设计基于白光 LED 的可见光通信，从而提供一种全新的无线光通信接入方式。VLC(Visible Light Communication，可见光通信)是一种在白光 LED 技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。它利用白光 LED 发出的肉眼分辨不出的、高速明暗闪烁的信号来传输信息，从而构建 VLC 无线网络。例如，将高速互联网的电线装置，连接在 LED 照明装置上，插入电源插头就可以实现无线网络覆盖，可见光信号能够覆盖光照到达的范围，个人电脑等终端不需要有线连接，即可通过收发可见光信号

18、实现网络接入。而在室外，将信号调制到 LED 显示屏或指示灯上，人们除了能通过肉眼得到视觉信息，还能通过装有可见光信号接收器的移动设备接收更多的信息；两辆汽车的前后 LED 照灯之间也可以通过可见光信号传递刹车等信息，避免交通事故等。相比 FSO 和室内无线红外通信，VLC 有许多优点，比如可见光对人眼无伤害，所以 VLC 信号光源的发射功率高；由于没有无电磁干扰，故 VLC 可应用于医院、机场等严格限制电磁干扰的场所。1.1 研究的背景及意义我国是世界的第二大发电大国，但电量供应比较紧张，光照明用电量就己超过1500亿千瓦时，而其中大部分的发电量采用火力发电，产生的有害气体严重污染环境。另外

19、，我国是一个能源相对紧缺的国家，特别是暑假和春节等用电量大期间，供电量严重不足。用于第四代绿色照明的白光LED在节约能源的同时，更为高速、宽带的光无线接入提供了一种新途径，也为解决现有无线电频带资源严重有限的困境提供了一种新思路。 可见光无线通信是一种新兴的光无线通信技术，它是建立在白光基础上的，与传统的射频通信相比，可见光无线通信不用申请频谱证，也没有电磁波千扰。武汉纺织大学毕业设计论文第 3 页并且由于其是可见光，在室内用作通信时也可用于照明，在不影响照明的情况下可以实现通信。目前来说，已经用于照明的设备当中，荧光灯的废气对环境造成一定的污染，并且使用年限不长，寿命较短。白炽钨丝灯泡耗电量

20、高、易碎。高压钠灯灯耗电量高，效率低且使用寿命短。社会的飞速发展，人们对信息的需求和依赖程度进一步提高。而在对电磁干扰较为灵敏的场合，比如空间站，医院等，为了防止电磁干扰对电子仪器造成的影响，不能使用传统的射频通信，也避免发生灾害性的后果，因此，在这些特殊环境中一般禁止使用无线电产品。而如果在这些环境中使用红外通信，则需要限制其发射功率，那是因为大多数物质包括人体吸收红外辐射后会引起物体温度的提高，这也是在现实应用中不希望看到的现象，所以，在平时的应用中，红外通信的速率控制在比较低的水平，而且距离一般较短。 基于以上分析，要找到一种既没有电磁干扰也不会对人体造成损害的通信方案，而用室内照明的白

21、光LED光源作为通信基站进行信息无线传输的技术，由于LED的高灵敏度和线性调制特性，能够实现传输信号。而与传统的红外和无线电通信技术相比，LED可见光具有较明显的优势。因此国外白光无线通信领域成为研究热点之一，是一项有广阔发展前景的新兴技术。 1.2 国内外的研究现状及趋势可见光通信技术的发展研究，时间不长。日本在可见光通信领域，走在了世界的前列。早在2000年，可见光通信这个基本思想就被提出，提出这一基本思想的是日本学者中川正雄M.Nakagawa所在的KEIO大学课题组，中川正雄在2003 年成立了可见光通信协会(VLCC)并任会长。在接下来2004年的日本高新科技(CEATEC)大会上，

22、中川正雄教授公布了基于白光 LED 的光无线通信技术，对其基本原理和信道模型进行了阐述，它是一种基于封闭房间的通信模型，在光传输信道的直射和漫射信道进行了划分，第一次用白光LED照明灯实现室内的无线信息传输。 在此之后，可见光通信备受国内外研究机构及学者的关注。日本研究学者们首先进行了一系列的研究工作，日本KEIO大学的研究人员较早的进行了一系列基础性的理论研究工作，尤其以Tanaka 、Komine和Sugiyama 为代表。2000年，他们就对白光LED 无线通信系统进行了基础的理论研究，并且进行了数学分析武汉纺织大学毕业设计论文第 4 页和建模。对系统进行建模仿真，找出了影响通信质量的原

23、因，着手研究提高通信性能上。他们认为影响系统性能的两大因素为码间干扰ISD和多径效应。 日本公布可见光通信技术并着手研究后，德、英、荷兰、美、韩国等国觉察到它的重要性，竞相开展对可见光通信的技术研究，对可见光通信进行了广泛的技术交流与合作。 下面是这些项目和研究人员已取得的成果：日本科学家Tanaka 等对VLC系统进行了建模仿真，他们采用OOK-RZ（On-Off Keying Return to Zero，开关键控-归零调制）与OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）的方法，得到了速率、BER（ Bit Error Ra

24、te，误码率）及接收功率之间的关系，码间串扰和多径效应是影响系统性能的主要因素，求出了系统对LED的基木功率要求；Komine等研究了墙壁反射引起的多径效应等因素对VLC系统性能的影响；Sugiyama通过脉冲宽度调制（PWM），研究了光源的亮度控制对通信性能的影响。以 Nakagawa Laboratories Inc.为代表，日本学者们搭建了如数字声音通信系统、可见光身份（识别）系统等演示系统，并开始积极推行商用。在欧洲，Afgani研究了单 LED强度调制的OFDM 技术，结果表明在1m 范围内，OFDM技术可以有效消减峰平比（peak-to-average）；Haas 对正交相移键控(

25、QPSK)调制 COFDM（ coded OFDM），编码正交频分复用)技术进行了研究，结果显示：在90cm范围内，误码率可达到 210-5；牛津大学的Dominic OBrien 等人针对LED 光源窄带宽的特性，重点研究多谐振均衡技术，将光源的可用带宽提高至25MHz ，传输速率达到75Mb/s 4；2008年以来，Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institute和Siemens AG的研究人员就100MHz 的VLC宽带接入网物理层的基础问题进行了初步研究，并在之后逐步实现了125Mb/s、230Mb/s 、513Mb/s的传输速率。目前，Jelena Vui等人已

26、创造了803Mb/s 的最高速率记录 7。值得一提的是，2008年10月，美国开始意识到VLC技术的重要性和价值，启动了一项名为“智慧照明(smart lighting)”的科研计划。该计划由美国政府资助，投资额达 18, 500万美元，是一项美国国家科学基金会(NSF) 计划，为期10年，包括波士顿大学、新墨西哥大学等超过30所大学及研究人员参与其中。计划试图采用可见光光束来实现无线设备与LED照明设备间的通信。另外，可见武汉纺织大学毕业设计论文第 5 页光通信协会(Visible Light Communications Consortium，VLCC)在2003年成立，会长为M. Nak

27、agawa教授，该协会目前有包括东芝，NEC公司等28个成员 5。2008年，IEEE也成立了专门的可见光通信小组IEEE802.15.7，负责起草VLC技术标准等工作 6。 我国在可见光通信领域几乎是空白，对室内可见光无线通信技术的研究尚处与起步阶段。目前，国内大多数学者研究的方向停留在对某些局部问题的探讨和研究，对整体的系统还没有设计分析研究，对通信系统的整体硬件设计，程序编码等也还没有较系统的把握。特别是对上行链路的调制方式上，仍没有较系统的研究。基本集中在一些基础的理论研究以及根据模型进行的仿真计算。1.3 可见光通信系统的基本结构及其特点 可见光通信系统，是利用荧光灯或发光二极管等发

28、出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用的系统。该系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接。利用能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载高清晰的图像数据。该系统还具有安全性高的特点，用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度。可见光通信系统组成框图如下图 1 所示。 图1 可见光通信系统组成框图图1所示为可见光通信在办公室内的典型应用配置图。可见光通信作为一种武汉纺织大学毕业设计论文第 6 页无线的光通信方式，其系统包括下行链路（down link

29、）和上行链路（up link）两部分。 下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成，白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗。但是由于LED 光源个数较多 ,且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起所谓的码间干扰（ISI）。由于白光LED光源发出的是可见光,且发散角较大，对人眼睛基本无害，因而发射端可以具有较大的发射功率，使得系统的可靠性大大提高。 该系统的接收部分主要由光电检测器（PD）和相应信号处理单元

30、组成。室内的光信号被光电检测器转换为电信号,然后对电信号进行放大和处理，恢复成与发端一样的信号。 该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角(光束经过简单准直,类似于手电筒)，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。 若将上述基本结构在通信双方对称配置，就可以得到一个可以双向同时工作的全双工VLC 系统，由该系统组成的网络称为可见光网络。在VLC系统中，白光 LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED 的亮度很高 ,且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。 由于实现简单

31、,VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测(IM/DD) 系统，采用曼彻斯特编码和OOK(on-off-keying) 调制方式。在IM/DD系统中,由于存在多个光源，每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号，因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断，保证了通信的可靠性。 1.4 本文的主要工作及内容安排论文主要对基于白光LED的室内可见光通信系统进行了研究与介绍，我们首先需要对白光LED 的基本特性进行探讨，在此基础上研究了VLC信道模型和武汉纺织大学毕业设计论文第 7 页室内白光LED 照明灯的布局；分析了墙壁反射和多光源分别引起的多径效应；系统讨论了基于OFDM(Orthogonal

32、Frequency Division Multiplexing)调制方式的LED可见光通信系统的整体设计方案用于减弱高速通信时由多径效应带来的码间串扰。本论文共分为五个章节：第一章，介绍课题的来源、研究的背景以及国内外对本课题的研究现状和论文编排方式。第二章，介绍白光LED的工作特性及发光原理，并在此基础上研究了VLC信道模型和室内白光LED照明灯的布局。第三章，VLC系统的光能量分布与多径效应的实验介绍。第四章，系统讨论基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制方式的LED 可见光通信系统的整体设计方案。第五章，对论文进行了总结和

33、展望。总结了论文所做的工作，介绍了室内可见光通信未来的发展趋势。2 LED 可见光通信技术概述2.1 LED 简介发光二极管，通常称为 LED，是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发

34、光二极管的反向击穿电压大于 5 伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻 R 可用下式计算：R=（EUF）/IF (2.1)武汉纺织大学毕业设计论文第 8 页式中 E 为电源电压，UF 为 LED 的正向压降，IF 为 LED 的正常工作电流。发光二极管的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和 N 型半导体之间有一个过渡层，称为 PN 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种

35、利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向 工作状态 时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关 8。白光 LED 的实现方式有很多种，目前来说，基本上都是通过研制新型材料，将 LED 发出的单一色光激发材料合成白光来实现。 目前，主要通过以下六种方式来产生白光。 (1)用蓝色光激励荧光粉发出黄色光，使用蓝色 LED 芯片与之结合，从而混合成白光。通过调节荧光粉的厚度和比例，从而调节被荧光粉吸收发出的黄光与蓝光的强度比。当调节这种厚度和比例达到一种平衡时，就能发出一种人眼感觉到的白光。这

36、是一种单芯片型结构。 (2)使用紫外 LED 芯片，用紫外光激励荧光粉发 RGB 三基色。被紫外激励的三基色需使用三种荧光粉，将紫外 LED 芯片与荧光粉封装在一起。该方法的显色性较好，也是一种单芯片型结构。 (3)使用多芯片结构，将发三原色的三种 LED 芯片封装在一起发出白光，该方法没有荧光粉激励发光，不存在光转换过程，得到的白光亮度高。这是一种通过不同发光芯片产生不同颜色的单色光混和而产生白光的方式，其驱动电路的设计也比较复杂。 (4)日本 Sumitomo Electric 与美国 Boston 大学光子研究中心将蓝光基板与另一种半导体复合物发出互补的黄光形成白光光源。这是一种光转换型

37、的“光子再循环”白光 LED10。 (5)利用发多种光子的量子阱进行白光复合。首先，在基片中掺杂不同的杂质，得到不同结构的量子阱，通过其发多种光子，由不同光子复合发出白光。中国台湾的陈金源等人在 1998 年 8 月，通过调变晶体取向生长时的各种因素，武汉纺织大学毕业设计论文第 9 页得到发不同光子的量子阱。最终调变中白光。该方法可取得较高的发光效率，但技术难度相对较大。这是一种多量子阱型。 (6)采用量子点白光技术获得白光，通过改变量子点的尺寸调节发光的颜色，这也是量子点白光技术与传统的荧光粉发光不同之处，美国著名的 Sandia 国家实验室是世界上第一个采用量子点白光技术获得白光照明的研究

38、单位 9。2.2 LED 的特性2.2.1 伏安特性 伏安特性(U-I特性)，是表示LED芯片PN结制造性能方面里面的主要参数，是电压与电流之间的关系，即指加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系，可以反应LED 性能的优劣。 LED的伏安特性主要表现有三方面的特性，即具有单向导通性、非线性、整流性质三方面的特征。当其两端加正向偏置时导通，当两端加反向偏置时，表现为高电阻，这时则不导通。单芯片LED典型的伏安特性曲线如图2-1所示。图 2-1 LED的伏安特性一般来说，LED 的伏安特性可分为工作区、正向死区、截止区和击穿区。 由于LED 伏安特性的存在，利用白光 LED进行无线通信时

39、，应选用伏安特性相近的LED 。 不同的LED类型，其伏安特性稍有不同。通过测试，可以得到以下伏安特性数据，如表2-1所示：武汉纺织大学毕业设计论文第 10 页表2-1 LED伏安特性汇总表当电流较小时，曲线是非线性的，当电流大到一定值后可近似看做一条直线。 2.2.2 电光转换特性电光转换特性即 P-I 曲线，表示的是白光 LED 的光输出功率与注入电流的存在的关联，我们可以得到二者的关系曲线。在白光 LED 两端加上 V-I 电能后，可以转变成光功率辐射出来，白光 LED 的输出光功率是其重要参数之一，分为两种:直流输出功率和脉冲输出功率，两者之间的区别是工作电流的不同所造成的辐射光功率，

40、前者是 LED 在正向直流工作电流下;后者是 LED 在受到特定的矩形脉冲电流的作用，发光面所辐射出的光功率。此特定矩形脉冲电流的频率、幅度和占空比为某一特定值。P-I 曲线在不同类型产品的表现会有所不同，但是都具备其典型特性，如图 2-2 所示。 容易知道，LED 是电流控制器件，调整 LED 工作电流，可调整输出功率和亮度;驱动电流较小时，P-I 曲线线性较好；电流过大时，P-I 曲线的斜率减小，输出光功率饱和。一般 LED 的工作电流通常为 50 mA-100mA，偏置电压约为1.2V-3.0V，输出功率一般为几百 W 到 MW 量级。 武汉纺织大学毕业设计论文第 11 页图 2-2 白

41、光 LED 的电光转换特性曲线2.2.3 光谱特性白光LED 光谱一般是以自发辐射为主的，决定其发光光谱的因素为构成发光二极管的 PN结材料能带结构与器件的其他因素，比如几何形状、封装方式等无关，而与半导体材料，PN结结构，电流大小，环境温度有关。LED与金属、绝缘体不同，它对温度很敏感，其发光波长和发光强度这两个因素，它们都会随着温度的变化而发生变化。当温度升高时，禁带宽度减小，载流子复合速率也随着减少，LED 的发光波长增长。一般来说，波长随温度的变化率为 0.2 -0.3nm/ 0C。因此，光谱曲线会随着器件工作温度升高而向右移动。即温度升高，发光波长向红光方向移动，产生由温升引起的红移

42、 10。 无论是单芯片型还是多芯片型白光LED，都有一个以上的相对光强度最强处对应的波长（峰值波长），而并不是单一色的发光。对于单色性不好的LED，我们引入主波长的概念，它表示的是光的色度特性。其定义为人眼观察到的与LED光色感一致的单色光波长。而对于单色性很好的LED ，峰值波长就是它的主波长。由前面章节可知，白光是由发光二极管内的不同波长的光混合而成，单色性不好，即其有比较多的峰值波长，但是主波长却只有一个。武汉纺织大学毕业设计论文第 12 页图 a 单芯片 LED 光谱曲线图 b 多芯片 LED 光谱曲线图 2-3 LED 光谱特性曲线图LED光谱曲线如图 2-3所示。图 a为由蓝光LE

43、D 激发黄色荧光粉产生的白光LED 光谱，是单芯片 LED白光。图b为RGB 三原色混合产生的白光LED 光谱。 单芯片型白光LED 的特点是价格较低、亮度比较高；光源的颜色也会有一定的改变，尤其是受到荧光粉效应的调制信号影响。多芯片型白光LED则造价武汉纺织大学毕业设计论文第 13 页较高，一般采用并联制造工艺，但具有很大的潜在调制带宽，调制信号加载到光源上不会改变发光颜色。目前，由于单芯片型白光LED的性价比较高，在驱动调制电路设计中使用较多。但是，对于未来高速的调制电路设计的需求，多芯片型白光LED 具备更加优越的性能和潜力，本文采用单芯片型白光LED 。2.3 LED 白光辐射特性2.

44、3.1 白光 LED 辐射模式LED 灯具有辐射特性，LED 灯的发光强度随着辐射角度的变化而变化，因此接收端在与 LED 灯成不同角度时接收到的光强度是不同的，因此在研究白光 LED 无线通信系统之前需要研究 LED 灯的辐射特性。 在研究白光 LED 辐射特性中，发光强度和发光功率是基本的研究对象。一般认为，白光 LED 发出的光服从朗伯 (Lambent)发光模式。 图 2-4 朗伯辐射模型从图中易知，n 值的大小决定白光光束方向性，n 值越大，光束方向性越好，武汉纺织大学毕业设计论文第 14 页即在直接视距中，n 可取得较大值，而在散射链路中，通常取 n 为 1。 2.3.2 光子初射

45、机理图 2-5 白光 LED 光子初设示意图如图 2-5 所示为白光 LED 光子出射示意图。白光 LED 芯片是一个光强渐变的光源，向四周自发辐射光子，其光强分布遵循朗伯分布，由白光 LED 芯片产生的光子分为两部分，有些光子经过多次反射和折射，从密封层和透镜透射出 LED；另外一些则被材料吸收，或经内部全反射等因素导致无法透射出LED。透射出去的光子在以芯片的中心为原点的不同方向上的数目也是不同的，表现出在不同方向上的不同光强度。LED 不同方向的光强度分步可以用 LED的发光模式来描述。 由于存在不同的材料和不同类型的表面，芯片发出的光子在出射出 LED 前，经过这些不同表面时改变了最初

46、的发光模式。根据光子出射的路径，我们可以将出射光分成两部分，即直接折射出来的光和经多次反射后折射出来的光，前者直接从密封层和镜头出来，后者则要经密封层、透镜或反射片表面反射。最终发光模式受反射片、密封层、透镜的材料和几何特征的影响，经过漫反射和漫折射的光的发光模式可以认为是余弦函数或高斯函数的线性叠加，漫反射主要是发射片粗糙表面造成的，而漫折射则是密封层和透镜的缘故 11。综合影响发光模式的各种因素，发光芯片参数、反射杯、密封层和透镜参数是决定最终发光模式的主要参数。 武汉纺织大学毕业设计论文第 15 页2.3.3 白光 LED 的数学模型对于多数发光体来说，其发出的光强在各个方向的值并不相等

47、。白光 LED有着一定的规律，其发光强度有两类数学模型的分布，分别是高斯类与余弦类发光模型。高斯类发光模型可表示为：(2.1)213()explnii gIg余弦类发光模型表示为：(2.2)312()cosigiI其中 g1i，g 2i，g 3i 和 c1i，c 2i，c 3i 分别为高斯发光模式和余弦发光模式参数； 为光发射方向极角，I（）为发光强度分布函数。i 表示模式序号。一般来说，这两类数学发光模型能够较好的表示各类 LED 的发光强度分布，但对于不同的 LED，我们需要选择不同的数学模型，没有一种统一的数学模型，对模型的建立有着很大的影响。 为了得到一种通用的白光 LED 数学发光模

48、型，我们以高斯类发光模型为标准，对不同分量的高斯模式进行线性叠加，可得出一种通用的发光模型 20，其表达式可表示为:(2.3)220 ()()(1)1)cos(expexp22k i iiimI 一般认为白光 LED 是服从朗伯辐射模型，而模型中朗伯分量和朗伯模式的方向性是由发光芯片参数决定的;白光 LED 发光模式中的高斯分量和高斯模式的方向性则由 LED 自身结构中的反射片、密封层和透镜参数决定。其中设 LED的发光模式是旋转对称的。 式中 k 为高斯模式分量中的数量， i 为高斯发光模式中光的光斑半径， i武汉纺织大学毕业设计论文第 16 页为高斯模式光中心位置偏移角，密封层、透镜和反射

49、杯对发光模式的影响程度决定了 i， i 和 i 的值。m 为朗伯模式方向性指数，它与芯片表面的粗糙度有关， i 为高斯模式权重系数， 0 为朗伯传递函数，且： 1ki式中 K 为高斯模式分量中的数量。 2.4 室内可见光通信信道分析 在室内可见光通信系统中，一般存在上行和下行两种通信链路。而在一个完整的通信网络，上行和下行链路都应考虑在内。假设只考虑下行链路中的通信链路，我们可以认为其信道模型主要有两种:一种是直射链路，另一种就是反射链路，室内可见光通信发光源 LED 照明灯即要照明又要进行通信 13。由两种链路方式可将可见光通信系统光信道分为直射视距光信道(如图 2-6)和漫射光信道(如图 2-7)。 图 2-6 LED 直射视距光信道模型 图 2-7 LED 漫射光信道模型直射视距链路中，白光 LED 光源与接收机之间不存在墙面发射，易于实现高速数据链接，信号光源功率利用率高，但会因链路上存在的障碍物而阻断。武汉纺织大学毕业设计论文第 17 页漫射链路是考虑墙面的发射在内，因此其接收信