基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析∗

彭星 孔令豹

(复旦大学信息科学与工程学院,上海超精密光学制造工程技术研究中心,上海 200433)

1 引 言

发光二极管(light emitting diode,LED)凭借其亮度高、寿命长、功耗低等优势在视觉传输、信息显示和照明等领域得到了广泛应用[1].与此同时,LED能被高速调制,将照明和高速数据通信传输有机地结合起来[2,3].这种新型无线光通信方式被称为可见光通信(visible light communication,VLC)[4].与传统射频通信方式相比,VLC无需申请频谱资源,不受电子设备的电磁干扰,安全保密性高,且LED设备易于安装,具有极大的发展潜力[5−7].2000年,随着白光LED技术的快速发展,日本KEIO大学的Tanaka等[4]利用白光LED搭建室内VLC模型,并仿真和分析了直射链路下光电探测器的接收功率、信噪比和误码率,验证了白光LED照明与通信结合的可能性.利用白光LED的发光特性,将高速调制信号加载到白光上,可以基于LED搭建VLC通信系统[8].

目前,室内VLC技术的主要研究范畴包括通信信道模型[9]、调制解调技术[10,11]以及光源的布局优化[12]等,但与可见光接收技术相关的研究甚少.在很多室内VLC系统中,接收端设计简单,仅由汇聚透镜和滤光片组成,难以满足系统对光学接收端性能的要求[13].VLC系统的研究中,LED光源通常被认为是朗伯型的,其发射范围广.因此,光学接收端需要宽视角和高增益特性以保证足够的光能量[14].传统的光学天线如高斯天线具有非常小的接收视场角,仅1◦;菲涅耳透镜只能在入射光束为平行光时才实用,局限性大[13].半球形透镜的光学增益随光束入射角度增大而减小,当入射角为0—30◦,光学增益仅保持在1.25—2.25[15].北京理工大学王云等[16]提出利用复合抛物面聚光器(compound parabolic concentrator,CPC)作为VLC的光学接收天线,分析得出CPC聚集的光斑尺寸大、均匀性差,光能量难以得到有效利用,且光学增益随视场的增大而减小,CPC的体积随视场的增大而增加.

综合以上传统光学天线的优势和局限性,本文设计了一种基于室内VLC技术的新型两级光学接收天线.相比于传统CPC,新型两级光学接收天线具有更大的光学增益和接收视场角,能够有效地提高接收功率和信噪比,减小了光斑尺寸,提高了能量分布的均匀性.根据CPC的结构特性和光学特性,采用三维结构设计软件Pro/E,将CPC截面基准曲线通过旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁CPC,并将该透镜壁CPC和半球透镜结合成新型两级光学接收天线.针对该新型两级光学接收天线进行仿真和性能研究,采用光学仿真软件TracePro,研究光学增益、光斑尺寸和光斑能量分布的均匀性.通过Matlab仿真5 m×5 m×3 m的房间,对比分析了采用CPC和新型两级光学接收天线时作为接收端的光学接收功率与信噪比分布.分析结果表明,本文设计的新型两级光学接收天线,在保证较高增益的同时能够提供更大的视场,得到尺寸更小且能量分布均匀的光斑.相比于直接接收的情况,新型两级光学接收天线的平均接收功率增幅为757.2%,是CPC平均接收功率的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍;光学增益为11.49,是CPC光学增益的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较CPC光斑半径减小了近37.5%,使得能量集中且均匀分布,保证了VLC系统高增益、大视场以及高稳定性的通信质量.

2 光学接收天线设计

2.1 透镜壁CPC建模与分析

CPC是一种根据边缘光线原理设计的非成像聚光器,其结构是由两条对称抛物线绕对称轴旋转而成[17].相关学者对CPC的研究结果表明,其接收功率和增益之间存在着反比关系,即通过增大视场角等手段增大接收功率的同时,系统增益会减小.如图1所示,根据结构中的几何关系构建如方程(1):

图1 CPC截面示意图Fig.1.Sectional view of CPC.

式中,θ是CPC的半视场角,为CPC出射口的直径宽度,是入射口的直径大小,f为抛物线的焦距,tC是C点的参数,H为CPC的高度.

然后,给定的数值并代入(1)式得到对应H,θ和f的值.构建出关于抛物线CB和C1F的方程如(2)和(3)式所示[18]:

式中,tC是参数,其取值范围可以通过(4)式来描述:

CPC的内壁实质上起到镜面反射的作用,视场角内入射的光线能够在出射口处被有效接收,但是视场角以外的光线却无法收集.根据边缘光线原理,我们设想通过折射的方式接收更多视场角外的光线,在不削弱光学增益的基础上增大光学天线的视场角.设计得到的透镜壁CPC结构如图2所示,其设计参数包括剖面曲线旋转角度δ与底部壁厚BH.透镜壁CPC外壁曲线是以内壁曲线为基准,以顶点为旋转中心进行旋转得到的.当光线以40◦角入射的情况下,30◦视场角的CPC难以收集视场角外的光线,而透镜壁CPC中光线经透镜壁折射和外壁反射之后能够在出射口处被有效地接收和利用.

图2 透镜壁CPC接收光线示意图Fig.2.Light collection diagram of lens-wall CPC.

选取光学接收端的光学接收效率和视场角为目标参数对透镜壁CPC的结构进行优化,分析不同δ和BH对透镜壁CPC性能的影响,得到最优化结构参数.通过对比透镜壁CPC取不同δ和BH时光学效率随入射角度的变化,得到δ=5◦且BH=5的透镜壁CPC在0—55◦光线入射角范围内,光学接收效率能够始终保持在较高水平且明显优于其他参数组合.如图3所示,透镜壁CPC在接收35◦,40◦以及45◦的入射光线时,光学效率分别是87.91%,80.28%和45.17%,而传统CPC对于30◦视场角以外的光线,接收功率基本为0.这种透镜壁结构的设计使得CPC的视场角从30◦提升到50◦,且大角度光线入射的情况下,光学效率也能维持在较高水平.在一定范围内,大角度光线入射时的光学接收效率随着BH的增大而增大,这是因为透镜壁CPC的底部透镜结构减少了镜面反射带来的光线损失,使得光线能够通过折射在出射口处被有效接收.分析结果表明透镜壁CPC能够有效地将光学天线视场角增大近20◦,保证了室内通信性能的稳定性.

图3 δ=5◦时光学天线的光学效率与入射角度的关系Fig.3.Relationship between the optical efficiency of the optical antenna and the incident angle for δ=5◦.

2.2 新型两级光学接收天线的建模与分析

通过前面的建模与分析发现,透镜壁CPC能有效提高接收端的视场角和接收功率,且光斑均匀性远大于传统CPC.但是透镜壁CPC得到的光斑相对分散,光能量分布不够集中.在VLC系统中光电探测器的尺寸很小,为了提高光能的利用率并保证通信的稳定性,需要减小光斑面积以提高聚光度.我们结合透镜壁CPC和半球形透镜的优势特征,设计得到了一种新型两级光学接收天线.

半球形透镜结构如图4所示,其具有广视角、低增益的特性,光线入射后发生一定角度的偏转.根据光线传播的几何关系可以得到:

式中,R表示半球形透镜的半径,n1是空气的折射率,n2是半球形透镜的折射率.可知当n1惟一确定,R和n2越大,则越小,得到的光斑尺寸越小.

图4 半球形透镜结构示意图Fig.4.Schematic diagram of hemispherical lens structure.

半球形透镜和透镜壁CPC之间用圆柱形镜面反射壁连接,以防止光线遗失,保证光学接收效率,得到新型两级光学接收天线结构如图5所示.为了进一步优化天线结构,下面探究半球形透镜的半径R及半球形透镜顶点到透镜壁CPC底部的距离h对光学天线性能的影响.

图5 两级光学接收天线结构示意图Fig.5.Structure diagram of two-stage optical receiving antenna.

在TracePro中设置四个60 mm×60 mm规格的LED阵列光源,每盏功率均为1 W,半球形透镜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),得到测试结果如图6和图7所示.对比分析结果显示:随着半球形透镜半径R的增加,接收光线数目明显上升,光学天线的增益呈直线上升,但是光斑尺寸也在不断增大,而VLC系统中光学接收端的光电探测器尺寸非常小;在一定范围内,随着距离h的增大,光学增益呈明显上升的趋势,但是光斑的均匀性却逐渐变差.为了保证两级光学天线结构连接和安装的方便,得到尺寸小、能量分布均匀性好的光斑,以满足VLC系统稳定、高速的通信需求,优化后得到天线结构参数组合为:R=7.5 mm,h=0.图8所示为半球形透镜半径取7.5 mm时光学接收天线的光斑分布;图9是距离h=0时光学接收天线的坎德拉分布示意图.

图6 距离h与光学增益之间的关系Fig.6.Relationship between the distance h and the optical gain.

图7 半径R与光学增益之间的关系Fig.7.Relationship between the radius R and the optical gain.

图8 R=7.5 mm时光学接收天线的光斑分布Fig.8.Spot distribution of hemispherical lens for R=7.5 mm.

图9 h=0时光学接收天线的光斑分布Fig.9.Spot distribution of two-stage optical receiving antenna for h=0.

2.3 光学性能对比分析

为了进一步评估天线的光学性能,将新型两级光学接收天线和CPC、透镜壁CPC的光学增益及光斑质量进行对比分析.仿真结果如图10所示.图10(a)未加任何光学天线,探测器直接接收光线,共接收光线809条,且光斑分布散乱,无法满足VLC系统高速、稳定通信的需求.图10(b)中CPC作为光学前端,起到聚光的作用,接收入射光线为3310条,光学增益约为4.09.通过图10(b)可以看出CPC聚集光能量主要分布在光斑外围,且光斑的均匀性差,显然难以满足系统对通信质量的要求.图10(c)选用透镜壁CPC作为光学天线,接收端共接收光线5852条,光学增益是7.23.通过观察可以发现,透镜壁CPC收集光斑的均匀性明显优于CPC,但是其光斑尺寸较大,而VLC系统中光电探测器的尺寸很小,光能量难以得到充分利用.图10(d)采用新型两级光学接收天线,接收光线数目9298条,光学增益为11.49.与前三种光学天线接收的光斑进行对比和分析发现,新型两级光学接收天线的光学增益是CPC光学增益的2.81倍,是透镜壁CPC光学增益的1.59倍.且新型两级光学接收天线接收到的光斑能量分布均匀性好,光斑半径仅2.5 mm,光斑尺寸较CPC和透镜壁CPC减小了近37.5%,保证了光信息被光电探测器有效接收和利用,能够满足VLC系统高速、稳定的通信需求.

图10 光学天线增益对比分析示意图 (a)无光学天线;(b)CPC;(c)透镜壁CPC;(d)新型两级光学接收天线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 光学接收端信道性能分析

3.1 光学接收功率分析

VLC系统中,信道的增益和脉冲响应直接相关联,如下式所示[19]:

因此,在直射视距链路中,信道的增益可以表示为[20]

式中,i指代第i个LED,θc为光学接收端的半视场角,g(θi)为聚光器的直流增益,Ts(θi)为滤波器的增益,AR为探测器有效接收面积,ϕi为光源辐射角.光学聚光器的增益可以用下式表示[20]:

式中,n是光学接收端的折射率.

因此,直射视距中系统的光学接收功率为

式中,PS是单个LED灯珠的电功率.

通过Toshihiko和Masao[21]的研究可知,对于非直射视距链路而言,直射视距链路传播占据的光功率高于95%,一次墙壁反射大概占总体的3.37%,二次墙壁反射光功率仅占1.27%.因此,在这里,两次及两次以上墙壁反射的情况可以忽略不计,得到信道的增益为

式中,dAwall是墙壁微小面元面积,D1,i是第i个LED发射单元到墙壁某一点的距离,γ1,i是第i个LED发射单元入射到墙壁的光线与墙壁法线的夹角,ρ是墙壁反射率.

系统的接收功率为

综上可知,室内VLC系统中光学接收端的总光学接收功率为

根据(12)式,采用本文设计的新型两级光学接收天线作为光学接收前端,建立室内VLC系统模型.利用Matlab仿真软件,对VLC系统进行信道建模和仿真分析.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间,采用60×60的LED阵列单元,LED阵列尺寸是59×59,单颗LED光功率为20 mW,LED的中心光强为0.73 cd,LED单元间距10 mm.LED阵列光源根据照度最小均方差的原则进行放置[22],四组LED阵列放置的中心坐标分别为A(0.815,0.815),B(4.185,0.815),C(4.185,4.185)与D(0.815,4.185).通过计算得到未安装光学天线、安装CPC,安装透镜壁CPC和安装新型两级光学接收天线四种情况下的光学接收功率.图11是未安装光学天线时房间内的功率分布.光电探测器的具体参数列于表1.

图11 未安装光学天线时房间中的功率分布Fig.11.Power distribution in the room when the optical antenna is not installed.

从图11可以看出,在没有安装光学天线的情况下,接收端接收功率的最大值为−0.2428 dBm,最小值为−4.2258 dBm,平均值为−2.505 dBm.接收功率整体呈现距离灯光较近位置的功率高,边缘位置功率低的分布.这是因为光学接收端的接收功率受视场角限制,在距离光源近的位置,光线入射角度小,因此会有更多的光线被光学接收端接收.

表1 光电探测器参数[23−25]Table 1.Parameters of the photo detector[23−25].

采用设计得到的新型两级光学接收天线时,房间内的接收功率分布如图12所示.其中,接收功率的最大值为9.3524 dBm,最小值为−45.6190 dBm,平均值为6.8259 dBm.相对于直接接收的情况,最大接收功率增幅为811.03%,平均接收功率增幅为757.2%.由于新型两级光学接收天线设计的视场角大,光斑能量分布均匀,因此房间内功率分布均匀性好,大大减小了通信盲区.表2列出了不同接收条件下房间内接收功率分布的最大值、最小值和平均值,以及此时接收功率相对于直接接收情况下的增幅.

图12 安装新型两级光学接收天线时房间中的功率分布Fig.12.Power distribution in the room when a new two-stage optical receiving antenna is installed.

表2 安装不同光学天线时接收功率对比Table 2.Receiving power comparison for different optical antennas.

从表2可以看出,安装传统CPC的情况下房间内的最大接收功率PRmax为4.8688 dBm,最小接收功率PRmin为−45.6190 dBm,平均接收功率PRmean为1.1994 dBm;与直接接收的情况相比,最大接收功率增幅为224.47%,平均接收功率增幅为134.66%.CPC作为光学前端起到会聚光线的作用,因此相比于直接接收的情况,最大接收功率和平均接收功率均有明显增加,但是受CPC视场角的限制,最小接收功率大幅降低.采用本文设计的透镜壁CPC,其信道性能明显优于传统CPC,与直接接收的情况相比,最大接收功率增幅为473.36%,是CPC最大接收功率增幅的2.11倍;平均接收功率增幅为439.40%,是CPC平均接收功率增幅的3.26倍.通过透镜壁结构的设计增大了天线的视场角,在房间内能够接收更多的光线.综上数据分析可知,新型两级光学接收天线的光学性能远远优于传统的CPC结构,能够有效会聚光线,满足了VLC系统的需求.

3.2 信噪比分析

室内VLC系统的噪声主要是加性高斯白噪声,包括前置放大器噪声和散粒噪声,系统的通信质量主要受到散粒噪声的影响,且背景光产生的光量子散粒噪声远大于信号本身产生的散粒噪声.因此,当背景光较强时,忽略信号本身产生的噪声[26];当背景光较弱时,主要考虑前置放大器噪声.散粒噪声可以通过下式表示[21]:

式中,PR(signal)是接收到的信号光功率,B是等效噪声带宽,PR(ISI)为码间干扰的功率,I2是噪声带宽因子,Ibg是暗电流,γ是光电探测器的响应度.

热噪声由下式表示:

式中,G是开环电压增益,Γ是场效应晶体管(FET)的沟道噪声因子,η是光电探测器的单位面积电容,k是玻尔兹曼常数,gm是FET的跨导,Tk是绝对温度.

综上可知,系统的噪声总和为

因此室内VLC系统的信噪比表达式是为

根据(16)式,利用Matlab进行仿真,计算房间内的信噪比分布.其中,探测器的响应率是0.53 A/W各参数的具体数值分别列于表3中.

表3 室内VLC系统仿真设计参数Table 3.The simulation and design parameters of indoor visible light communication system.

通过计算分别得到未安装光学天线、安装CPC、安装透镜壁CPC和安装新型两级光学接收天线四种情况下的信噪比.图13是安装新型两级光学接收天线的情况下房间内的信噪比分布.

图13 安装新型两级光学接收天线时房间中的信噪比分布Fig.13.Signal-to-noise ratio distribution in a room when a new two-stage optical receiving antenna is installed.

根据(16)式计算得到安装新型两级光学接收天线的情况下,系统信噪比最大值为78.3381 dB,最小值为69.4945 dB,平均值为76.0632 dB.对比于直接接收的情况,最大值增幅为18.17%,平均值增幅为28.07%,最小值的增幅为550.72%.在OOK调制的VLC系统中,13.6 dB是系统信噪比需满足的最小值[27−29].从图13可以看出,房间内的信噪比分布显然能够满足通信的需求.且距离光源越近的位置信噪比越大,通信的稳定性越强.表4列出了不同接收条件下房间内信噪比分布的最大值、最小值和平均值,以及此时信噪比相对于直接接收情况下的增幅.

从表4的数据可以看出:安装CPC作为光学前端与直接接收的情况相比,最大值增幅9.61%,最小值增幅373.01%,平均值增幅16.76%;透镜壁CPC接收的信噪比最大值SNRmax为76.2349 dB,最小值SNRmin为62.8584 dB,平均值SNRmean为73.1634 dB,与直接接收的情况相比,最大值增幅为15.00%,最小值增幅为488.58%,平均值增幅为23.19%.通过透镜壁接收结构的设计,增大了接收器的视场角,光学接收端能够接收到更多的光线,信噪比明显增加.采用新型两级光学接收天线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,是透镜壁CPC信噪比平均值增幅的1.21倍.

表4 安装不同光学天线时信噪比对比Table 4.Comparison of signal-to-noise ratio when different optical antennas are installed.

综合以上数据结果和分析可知,我们设计的新型两级光学接收天线不仅光学增益大,且光斑均匀性好、尺寸小,天线信道性明显优于一些传统光学天线,能够满足VLC系统高速、高稳定性通信的需求.

4 光学天线试验验证方案

本文利用室内LED灯作为光源仿真了新型两级光学接收天线的性能,在此基础上提出光学天线系统的试验验证方案,评估新型两级光学接收天线的性能并验证设计的合理性.图14所示为光学接收天线试验验证系统的示意图,根据软件模拟的情况设置室内VLC系统模型.

图14 光学天线试验验证系统示意图Fig.14.Test veri fication of the optical antenna system.

试验验证方案中,试验测试数据包括信噪比、光学增益、光学接收功率和光斑分布.测试仪器包括光功率计、电荷耦合器(CCD)工业相机和垂直辐射计.在新型两级光学接收天线焦面位置放置CCD工业相机,根据会聚光斑的实际大小微调CCD相机的位置,尽量确保全部会聚光线被CCD探测器接收.利用CCD相机采集聚光光斑的图像信息,并通过软件进行图像处理,收集光斑能量分布状况.利用光功率计测量聚光光斑的光功率,接收天线的入射功率通过垂直辐射计进行测量.

5 结 论

本文设计了一种用于室内VLC系统的新型两级光学接收天线.对于单个CPC光学接收天线来说,光学增益随视场的增大而减小,且体积随视场的增大而逐渐增加.通过CPC截面基准曲线旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁CPC.进一步结合透镜壁CPC和半球透镜的优势设计了一种新型两级光学接收天线,增益保持的情况下视场角增大了近20◦.采用TracePro建立光学天线分析模型,对比不同光学天线系统的光学增益、光斑尺寸及均匀性.通过Matlab软件对室内VLC系统进行信道建模,得到不同光学天线系统的接收功率分布与信噪比分布.仿真结果表明:与直接接收的情况相比,新型两级光学接收天线的平均接收功率增幅为757.2%,是CPC平均接收功率增幅的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍;光学增益为11.49,是CPC光学增益的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较CPC光斑半径减小了近37.5%,使得能量会聚并均匀分布.因此,采用这种设计的新型两级光学接收天线,能够满足室内VLC系统高速、稳定的通信需求.最后,给出了该新型两级光学接收天线性能分析和试验验证的方案.

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