基于室內可見光通信技術的新型兩級光學接收天線設計與分析?

彭星 孔令豹

(復旦大學信息科學與工程學院,上海超精密光學制造工程技術研究中心,上海 200433)

1 引 言

發光二極管(light emitting diode,LED)憑借其亮度高、壽命長、功耗低等優勢在視覺傳輸、信息顯示和照明等領域得到了廣泛應用[1].與此同時,LED能被高速調制,將照明和高速數據通信傳輸有機地結合起來[2,3].這種新型無線光通信方式被稱為可見光通信(visible light communication,VLC)[4].與傳統射頻通信方式相比,VLC無需申請頻譜資源,不受電子設備的電磁干擾,安全保密性高,且LED設備易于安裝,具有極大的發展潛力[5?7].2000年,隨著白光LED技術的快速發展,日本KEIO大學的Tanaka等[4]利用白光LED搭建室內VLC模型,并仿真和分析了直射鏈路下光電探測器的接收功率、信噪比和誤碼率,驗證了白光LED照明與通信結合的可能性.利用白光LED的發光特性,將高速調制信號加載到白光上,可以基于LED搭建VLC通信系統[8].

目前,室內VLC技術的主要研究范疇包括通信信道模型[9]、調制解調技術[10,11]以及光源的布局優化[12]等,但與可見光接收技術相關的研究甚少.在很多室內VLC系統中,接收端設計簡單,僅由匯聚透鏡和濾光片組成,難以滿足系統對光學接收端性能的要求[13].VLC系統的研究中,LED光源通常被認為是朗伯型的,其發射范圍廣.因此,光學接收端需要寬視角和高增益特性以保證足夠的光能量[14].傳統的光學天線如高斯天線具有非常小的接收視場角,僅1?;菲涅耳透鏡只能在入射光束為平行光時才實用,局限性大[13].半球形透鏡的光學增益隨光束入射角度增大而減小,當入射角為0—30?,光學增益僅保持在1.25—2.25[15].北京理工大學王云等[16]提出利用復合拋物面聚光器(compound parabolic concentrator,CPC)作為VLC的光學接收天線,分析得出CPC聚集的光斑尺寸大、均勻性差,光能量難以得到有效利用,且光學增益隨視場的增大而減小,CPC的體積隨視場的增大而增加.

綜合以上傳統光學天線的優勢和局限性,本文設計了一種基于室內VLC技術的新型兩級光學接收天線.相比于傳統CPC,新型兩級光學接收天線具有更大的光學增益和接收視場角,能夠有效地提高接收功率和信噪比,減小了光斑尺寸,提高了能量分布的均勻性.根據CPC的結構特性和光學特性,采用三維結構設計軟件Pro/E,將CPC截面基準曲線通過旋轉設計得到具有一定旋轉角與厚度的透鏡壁CPC,并將該透鏡壁CPC和半球透鏡結合成新型兩級光學接收天線.針對該新型兩級光學接收天線進行仿真和性能研究,采用光學仿真軟件TracePro,研究光學增益、光斑尺寸和光斑能量分布的均勻性.通過Matlab仿真5 m×5 m×3 m的房間,對比分析了采用CPC和新型兩級光學接收天線時作為接收端的光學接收功率與信噪比分布.分析結果表明,本文設計的新型兩級光學接收天線,在保證較高增益的同時能夠提供更大的視場,得到尺寸更小且能量分布均勻的光斑.相比于直接接收的情況,新型兩級光學接收天線的平均接收功率增幅為757.2%,是CPC平均接收功率的5.62倍;信噪比平均值增幅為28.07%,是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍;光學增益為11.49,是CPC光學增益的2.81倍.且光斑半徑僅為2.5 mm,較CPC光斑半徑減小了近37.5%,使得能量集中且均勻分布,保證了VLC系統高增益、大視場以及高穩定性的通信質量.

2 光學接收天線設計

2.1 透鏡壁CPC建模與分析

CPC是一種根據邊緣光線原理設計的非成像聚光器,其結構是由兩條對稱拋物線繞對稱軸旋轉而成[17].相關學者對CPC的研究結果表明,其接收功率和增益之間存在著反比關系,即通過增大視場角等手段增大接收功率的同時,系統增益會減小.如圖1所示,根據結構中的幾何關系構建如方程(1):

圖1 CPC截面示意圖Fig.1.Sectional view of CPC.

式中,θ是CPC的半視場角,為CPC出射口的直徑寬度,是入射口的直徑大小,f為拋物線的焦距,tC是C點的參數,H為CPC的高度.

然后,給定的數值并代入(1)式得到對應H,θ和f的值.構建出關于拋物線CB和C1F的方程如(2)和(3)式所示[18]:

式中,tC是參數,其取值范圍可以通過(4)式來描述:

CPC的內壁實質上起到鏡面反射的作用,視場角內入射的光線能夠在出射口處被有效接收,但是視場角以外的光線卻無法收集.根據邊緣光線原理,我們設想通過折射的方式接收更多視場角外的光線,在不削弱光學增益的基礎上增大光學天線的視場角.設計得到的透鏡壁CPC結構如圖2所示,其設計參數包括剖面曲線旋轉角度δ與底部壁厚BH.透鏡壁CPC外壁曲線是以內壁曲線為基準,以頂點為旋轉中心進行旋轉得到的.當光線以40?角入射的情況下,30?視場角的CPC難以收集視場角外的光線,而透鏡壁CPC中光線經透鏡壁折射和外壁反射之后能夠在出射口處被有效地接收和利用.

圖2 透鏡壁CPC接收光線示意圖Fig.2.Light collection diagram of lens-wall CPC.

選取光學接收端的光學接收效率和視場角為目標參數對透鏡壁CPC的結構進行優化,分析不同δ和BH對透鏡壁CPC性能的影響,得到最優化結構參數.通過對比透鏡壁CPC取不同δ和BH時光學效率隨入射角度的變化,得到δ=5?且BH=5的透鏡壁CPC在0—55?光線入射角范圍內,光學接收效率能夠始終保持在較高水平且明顯優于其他參數組合.如圖3所示,透鏡壁CPC在接收35?,40?以及45?的入射光線時,光學效率分別是87.91%,80.28%和45.17%,而傳統CPC對于30?視場角以外的光線,接收功率基本為0.這種透鏡壁結構的設計使得CPC的視場角從30?提升到50?,且大角度光線入射的情況下,光學效率也能維持在較高水平.在一定范圍內,大角度光線入射時的光學接收效率隨著BH的增大而增大,這是因為透鏡壁CPC的底部透鏡結構減少了鏡面反射帶來的光線損失,使得光線能夠通過折射在出射口處被有效接收.分析結果表明透鏡壁CPC能夠有效地將光學天線視場角增大近20?,保證了室內通信性能的穩定性.

圖3 δ=5?時光學天線的光學效率與入射角度的關系Fig.3.Relationship between the optical efficiency of the optical antenna and the incident angle for δ=5?.

2.2 新型兩級光學接收天線的建模與分析

通過前面的建模與分析發現,透鏡壁CPC能有效提高接收端的視場角和接收功率,且光斑均勻性遠大于傳統CPC.但是透鏡壁CPC得到的光斑相對分散,光能量分布不夠集中.在VLC系統中光電探測器的尺寸很小,為了提高光能的利用率并保證通信的穩定性,需要減小光斑面積以提高聚光度.我們結合透鏡壁CPC和半球形透鏡的優勢特征,設計得到了一種新型兩級光學接收天線.

半球形透鏡結構如圖4所示,其具有廣視角、低增益的特性,光線入射后發生一定角度的偏轉.根據光線傳播的幾何關系可以得到:

式中,R表示半球形透鏡的半徑,n1是空氣的折射率,n2是半球形透鏡的折射率.可知當n1惟一確定,R和n2越大,則越小,得到的光斑尺寸越小.

圖4 半球形透鏡結構示意圖Fig.4.Schematic diagram of hemispherical lens structure.

半球形透鏡和透鏡壁CPC之間用圓柱形鏡面反射壁連接,以防止光線遺失,保證光學接收效率,得到新型兩級光學接收天線結構如圖5所示.為了進一步優化天線結構,下面探究半球形透鏡的半徑R及半球形透鏡頂點到透鏡壁CPC底部的距離h對光學天線性能的影響.

圖5 兩級光學接收天線結構示意圖Fig.5.Structure diagram of two-stage optical receiving antenna.

在TracePro中設置四個60 mm×60 mm規格的LED陣列光源,每盞功率均為1 W,半球形透鏡材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),得到測試結果如圖6和圖7所示.對比分析結果顯示:隨著半球形透鏡半徑R的增加,接收光線數目明顯上升,光學天線的增益呈直線上升,但是光斑尺寸也在不斷增大,而VLC系統中光學接收端的光電探測器尺寸非常小;在一定范圍內,隨著距離h的增大,光學增益呈明顯上升的趨勢,但是光斑的均勻性卻逐漸變差.為了保證兩級光學天線結構連接和安裝的方便,得到尺寸小、能量分布均勻性好的光斑,以滿足VLC系統穩定、高速的通信需求,優化后得到天線結構參數組合為:R=7.5 mm,h=0.圖8所示為半球形透鏡半徑取7.5 mm時光學接收天線的光斑分布;圖9是距離h=0時光學接收天線的坎德拉分布示意圖.

圖6 距離h與光學增益之間的關系Fig.6.Relationship between the distance h and the optical gain.

圖7 半徑R與光學增益之間的關系Fig.7.Relationship between the radius R and the optical gain.

圖8 R=7.5 mm時光學接收天線的光斑分布Fig.8.Spot distribution of hemispherical lens for R=7.5 mm.

圖9 h=0時光學接收天線的光斑分布Fig.9.Spot distribution of two-stage optical receiving antenna for h=0.

2.3 光學性能對比分析

為了進一步評估天線的光學性能,將新型兩級光學接收天線和CPC、透鏡壁CPC的光學增益及光斑質量進行對比分析.仿真結果如圖10所示.圖10(a)未加任何光學天線,探測器直接接收光線,共接收光線809條,且光斑分布散亂,無法滿足VLC系統高速、穩定通信的需求.圖10(b)中CPC作為光學前端,起到聚光的作用,接收入射光線為3310條,光學增益約為4.09.通過圖10(b)可以看出CPC聚集光能量主要分布在光斑外圍,且光斑的均勻性差,顯然難以滿足系統對通信質量的要求.圖10(c)選用透鏡壁CPC作為光學天線,接收端共接收光線5852條,光學增益是7.23.通過觀察可以發現,透鏡壁CPC收集光斑的均勻性明顯優于CPC,但是其光斑尺寸較大,而VLC系統中光電探測器的尺寸很小,光能量難以得到充分利用.圖10(d)采用新型兩級光學接收天線,接收光線數目9298條,光學增益為11.49.與前三種光學天線接收的光斑進行對比和分析發現,新型兩級光學接收天線的光學增益是CPC光學增益的2.81倍,是透鏡壁CPC光學增益的1.59倍.且新型兩級光學接收天線接收到的光斑能量分布均勻性好,光斑半徑僅2.5 mm,光斑尺寸較CPC和透鏡壁CPC減小了近37.5%,保證了光信息被光電探測器有效接收和利用,能夠滿足VLC系統高速、穩定的通信需求.

圖10 光學天線增益對比分析示意圖 (a)無光學天線;(b)CPC;(c)透鏡壁CPC;(d)新型兩級光學接收天線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 光學接收端信道性能分析

3.1 光學接收功率分析

VLC系統中,信道的增益和脈沖響應直接相關聯,如下式所示[19]:

因此,在直射視距鏈路中,信道的增益可以表示為[20]

式中,i指代第i個LED,θc為光學接收端的半視場角,g(θi)為聚光器的直流增益,Ts(θi)為濾波器的增益,AR為探測器有效接收面積,?i為光源輻射角.光學聚光器的增益可以用下式表示[20]:

式中,n是光學接收端的折射率.

因此,直射視距中系統的光學接收功率為

式中,PS是單個LED燈珠的電功率.

通過Toshihiko和Masao[21]的研究可知,對于非直射視距鏈路而言,直射視距鏈路傳播占據的光功率高于95%,一次墻壁反射大概占總體的3.37%,二次墻壁反射光功率僅占1.27%.因此,在這里,兩次及兩次以上墻壁反射的情況可以忽略不計,得到信道的增益為

式中,dAwall是墻壁微小面元面積,D1,i是第i個LED發射單元到墻壁某一點的距離,γ1,i是第i個LED發射單元入射到墻壁的光線與墻壁法線的夾角,ρ是墻壁反射率.

系統的接收功率為

綜上可知,室內VLC系統中光學接收端的總光學接收功率為

根據(12)式,采用本文設計的新型兩級光學接收天線作為光學接收前端,建立室內VLC系統模型.利用Matlab仿真軟件,對VLC系統進行信道建模和仿真分析.在一個5 m×5 m×3 m的空曠房間,采用60×60的LED陣列單元,LED陣列尺寸是59×59,單顆LED光功率為20 mW,LED的中心光強為0.73 cd,LED單元間距10 mm.LED陣列光源根據照度最小均方差的原則進行放置[22],四組LED陣列放置的中心坐標分別為A(0.815,0.815),B(4.185,0.815),C(4.185,4.185)與D(0.815,4.185).通過計算得到未安裝光學天線、安裝CPC,安裝透鏡壁CPC和安裝新型兩級光學接收天線四種情況下的光學接收功率.圖11是未安裝光學天線時房間內的功率分布.光電探測器的具體參數列于表1.

圖11 未安裝光學天線時房間中的功率分布Fig.11.Power distribution in the room when the optical antenna is not installed.

從圖11可以看出,在沒有安裝光學天線的情況下,接收端接收功率的最大值為?0.2428 dBm,最小值為?4.2258 dBm,平均值為?2.505 dBm.接收功率整體呈現距離燈光較近位置的功率高,邊緣位置功率低的分布.這是因為光學接收端的接收功率受視場角限制,在距離光源近的位置,光線入射角度小,因此會有更多的光線被光學接收端接收.

表1 光電探測器參數[23?25]Table 1.Parameters of the photo detector[23?25].

采用設計得到的新型兩級光學接收天線時,房間內的接收功率分布如圖12所示.其中,接收功率的最大值為9.3524 dBm,最小值為?45.6190 dBm,平均值為6.8259 dBm.相對于直接接收的情況,最大接收功率增幅為811.03%,平均接收功率增幅為757.2%.由于新型兩級光學接收天線設計的視場角大,光斑能量分布均勻,因此房間內功率分布均勻性好,大大減小了通信盲區.表2列出了不同接收條件下房間內接收功率分布的最大值、最小值和平均值,以及此時接收功率相對于直接接收情況下的增幅.

圖12 安裝新型兩級光學接收天線時房間中的功率分布Fig.12.Power distribution in the room when a new two-stage optical receiving antenna is installed.

表2 安裝不同光學天線時接收功率對比Table 2.Receiving power comparison for different optical antennas.

從表2可以看出,安裝傳統CPC的情況下房間內的最大接收功率PRmax為4.8688 dBm,最小接收功率PRmin為?45.6190 dBm,平均接收功率PRmean為1.1994 dBm;與直接接收的情況相比,最大接收功率增幅為224.47%,平均接收功率增幅為134.66%.CPC作為光學前端起到會聚光線的作用,因此相比于直接接收的情況,最大接收功率和平均接收功率均有明顯增加,但是受CPC視場角的限制,最小接收功率大幅降低.采用本文設計的透鏡壁CPC,其信道性能明顯優于傳統CPC,與直接接收的情況相比,最大接收功率增幅為473.36%,是CPC最大接收功率增幅的2.11倍;平均接收功率增幅為439.40%,是CPC平均接收功率增幅的3.26倍.通過透鏡壁結構的設計增大了天線的視場角,在房間內能夠接收更多的光線.綜上數據分析可知,新型兩級光學接收天線的光學性能遠遠優于傳統的CPC結構,能夠有效會聚光線,滿足了VLC系統的需求.

3.2 信噪比分析

室內VLC系統的噪聲主要是加性高斯白噪聲,包括前置放大器噪聲和散粒噪聲,系統的通信質量主要受到散粒噪聲的影響,且背景光產生的光量子散粒噪聲遠大于信號本身產生的散粒噪聲.因此,當背景光較強時,忽略信號本身產生的噪聲[26];當背景光較弱時,主要考慮前置放大器噪聲.散粒噪聲可以通過下式表示[21]:

式中,PR(signal)是接收到的信號光功率,B是等效噪聲帶寬,PR(ISI)為碼間干擾的功率,I2是噪聲帶寬因子,Ibg是暗電流,γ是光電探測器的響應度.

熱噪聲由下式表示:

式中,G是開環電壓增益,Γ是場效應晶體管(FET)的溝道噪聲因子,η是光電探測器的單位面積電容,k是玻爾茲曼常數,gm是FET的跨導,Tk是絕對溫度.

綜上可知,系統的噪聲總和為

因此室內VLC系統的信噪比表達式是為

根據(16)式,利用Matlab進行仿真,計算房間內的信噪比分布.其中,探測器的響應率是0.53 A/W各參數的具體數值分別列于表3中.

表3 室內VLC系統仿真設計參數Table 3.The simulation and design parameters of indoor visible light communication system.

通過計算分別得到未安裝光學天線、安裝CPC、安裝透鏡壁CPC和安裝新型兩級光學接收天線四種情況下的信噪比.圖13是安裝新型兩級光學接收天線的情況下房間內的信噪比分布.

圖13 安裝新型兩級光學接收天線時房間中的信噪比分布Fig.13.Signal-to-noise ratio distribution in a room when a new two-stage optical receiving antenna is installed.

根據(16)式計算得到安裝新型兩級光學接收天線的情況下,系統信噪比最大值為78.3381 dB,最小值為69.4945 dB,平均值為76.0632 dB.對比于直接接收的情況,最大值增幅為18.17%,平均值增幅為28.07%,最小值的增幅為550.72%.在OOK調制的VLC系統中,13.6 dB是系統信噪比需滿足的最小值[27?29].從圖13可以看出,房間內的信噪比分布顯然能夠滿足通信的需求.且距離光源越近的位置信噪比越大,通信的穩定性越強.表4列出了不同接收條件下房間內信噪比分布的最大值、最小值和平均值,以及此時信噪比相對于直接接收情況下的增幅.

從表4的數據可以看出:安裝CPC作為光學前端與直接接收的情況相比,最大值增幅9.61%,最小值增幅373.01%,平均值增幅16.76%;透鏡壁CPC接收的信噪比最大值SNRmax為76.2349 dB,最小值SNRmin為62.8584 dB,平均值SNRmean為73.1634 dB,與直接接收的情況相比,最大值增幅為15.00%,最小值增幅為488.58%,平均值增幅為23.19%.通過透鏡壁接收結構的設計,增大了接收器的視場角,光學接收端能夠接收到更多的光線,信噪比明顯增加.采用新型兩級光學接收天線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,是透鏡壁CPC信噪比平均值增幅的1.21倍.

表4 安裝不同光學天線時信噪比對比Table 4.Comparison of signal-to-noise ratio when different optical antennas are installed.

綜合以上數據結果和分析可知,我們設計的新型兩級光學接收天線不僅光學增益大,且光斑均勻性好、尺寸小,天線信道性明顯優于一些傳統光學天線,能夠滿足VLC系統高速、高穩定性通信的需求.

4 光學天線試驗驗證方案

本文利用室內LED燈作為光源仿真了新型兩級光學接收天線的性能,在此基礎上提出光學天線系統的試驗驗證方案,評估新型兩級光學接收天線的性能并驗證設計的合理性.圖14所示為光學接收天線試驗驗證系統的示意圖,根據軟件模擬的情況設置室內VLC系統模型.

圖14 光學天線試驗驗證系統示意圖Fig.14.Test veri fication of the optical antenna system.

試驗驗證方案中,試驗測試數據包括信噪比、光學增益、光學接收功率和光斑分布.測試儀器包括光功率計、電荷耦合器(CCD)工業相機和垂直輻射計.在新型兩級光學接收天線焦面位置放置CCD工業相機,根據會聚光斑的實際大小微調CCD相機的位置,盡量確保全部會聚光線被CCD探測器接收.利用CCD相機采集聚光光斑的圖像信息,并通過軟件進行圖像處理,收集光斑能量分布狀況.利用光功率計測量聚光光斑的光功率,接收天線的入射功率通過垂直輻射計進行測量.

5 結 論

本文設計了一種用于室內VLC系統的新型兩級光學接收天線.對于單個CPC光學接收天線來說,光學增益隨視場的增大而減小,且體積隨視場的增大而逐漸增加.通過CPC截面基準曲線旋轉設計得到具有一定旋轉角與厚度的透鏡壁CPC.進一步結合透鏡壁CPC和半球透鏡的優勢設計了一種新型兩級光學接收天線,增益保持的情況下視場角增大了近20?.采用TracePro建立光學天線分析模型,對比不同光學天線系統的光學增益、光斑尺寸及均勻性.通過Matlab軟件對室內VLC系統進行信道建模,得到不同光學天線系統的接收功率分布與信噪比分布.仿真結果表明:與直接接收的情況相比,新型兩級光學接收天線的平均接收功率增幅為757.2%,是CPC平均接收功率增幅的5.62倍;信噪比平均值增幅為28.07%,是CPC信噪比平均值增幅的1.67倍;光學增益為11.49,是CPC光學增益的2.81倍.且光斑半徑僅為2.5 mm,較CPC光斑半徑減小了近37.5%,使得能量會聚并均勻分布.因此,采用這種設計的新型兩級光學接收天線,能夠滿足室內VLC系統高速、穩定的通信需求.最后,給出了該新型兩級光學接收天線性能分析和試驗驗證的方案.

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