-PAGE38-可見光通信信道分析案例概述可見光通信的信道即為傳送信息的物理性通道，是以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通路[16]。信息是抽象的，但傳送信息必須通過(guò)具體的媒質(zhì)。例如兩人撥打固定電話時(shí)，聲音經(jīng)由電話轉(zhuǎn)換成電波通過(guò)電話線傳輸，電話線即為通信的信道。當(dāng)人們?cè)诩沂褂秒娔X在網(wǎng)上與人交流時(shí)，信息從光纖經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)送至對(duì)方的電腦，光纖即為通信信道。當(dāng)兩個(gè)人面對(duì)面交談時(shí)，說(shuō)話的聲音通過(guò)空氣的震動(dòng)傳到對(duì)方的耳中，二人中間的空氣即為信道。而本文中的可見光通信信道則是可見光存在的空間。1.1室內(nèi)可見光通信信道模型光源發(fā)出的光可以被看作無(wú)數(shù)條單一光線的組合，研究人員將一條光線的傳播的路徑成為鏈路。而在可見光通信系統(tǒng)中，從信號(hào)發(fā)射器發(fā)出至信號(hào)接收器這條光線傳播路徑就被稱為信道鏈路?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)信號(hào)發(fā)射器發(fā)射光束做判斷進(jìn)行分類：定向鏈路、非定向鏈路和混合鏈路[16]。當(dāng)信號(hào)發(fā)射器發(fā)出的光束集中不發(fā)散，而且信號(hào)接收器的接收范圍小，基本與信號(hào)發(fā)射器相適配時(shí)，則稱其為定向鏈路，反之則為非定向鏈路。同時(shí)還可以根據(jù)信號(hào)接收器所接收信號(hào)的傳輸形式分為視距鏈路和非視距鏈路兩種不同的鏈路。如果信號(hào)接收器所接收到的信號(hào)都是通過(guò)光線直射進(jìn)入，這一過(guò)程距離可以非常遠(yuǎn)，便可以將該鏈路稱之為非視距鏈路。而信號(hào)不局限于通過(guò)直射傳播至信號(hào)接收器，還通過(guò)各種物體反射、漫反射進(jìn)入信號(hào)接收器，這一過(guò)程距離有限，則將該鏈路稱為視距鏈路。在室內(nèi)條件下，可見光通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸鏈路通常情況下只有兩種：直射模式和非直射模式[17]。如圖1.1所示。圖1.1可見光通信直射視距鏈接和非直射鏈接由于室內(nèi)空間大小有限，所以都是視距鏈路。當(dāng)鏈路為直射模式時(shí)，幸好傳輸過(guò)程只有空氣對(duì)光線的傳播會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，所以傳輸效率更高。但是由于直射時(shí)，接收端信號(hào)接收范圍小，所以需要校準(zhǔn)對(duì)齊才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作，如果傳輸過(guò)程中有物體經(jīng)過(guò)便會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸中斷，工作環(huán)境要求苛刻。當(dāng)鏈路是非直射模式，信號(hào)接收器的接受范圍廣闊，如果信號(hào)被物體阻礙而發(fā)生反射，也有極大的可能性被接收器正常接收，便可以避免了由于物體遮擋帶來(lái)的干擾。凡是都有利有弊，伴隨著接收范圍大的便是會(huì)發(fā)生多徑效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)乃俣让黠@不如折射模式。1.2室內(nèi)LED的照明分布在現(xiàn)實(shí)生活中，由于每個(gè)房間的內(nèi)物品拜訪都不同，每個(gè)光線可能照射到而發(fā)生反射的平面反射率各不相同，使用的LED的參數(shù)性能也不可能保證完全一樣，所以通信系統(tǒng)的使用效能天差地別。需要詳盡的考慮到每一個(gè)會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素，才能保證分析的準(zhǔn)確可靠。LED燈越多，室內(nèi)的光照度便會(huì)越大。但實(shí)際生活中不可能安裝無(wú)限制的安裝照明器材，便需要選擇一個(gè)合理的LED燈數(shù)量和安裝位置，在保證照明功能的同時(shí)也能保證通信系統(tǒng)的正常運(yùn)作。白光LED的功能特性符合朗伯輻射模型。；理論上，在忽略墻壁對(duì)光線的吸收時(shí)，接收器接收到的光可以在室內(nèi)任意反射。所以接收點(diǎn)的光照度時(shí)每一次反射的光的疊加[18]。（2-1）上式中En為通信系統(tǒng)中信號(hào)載體可見光，在n次反射后到達(dá)接收點(diǎn)的光照度值。當(dāng)可見光沒(méi)有發(fā)生反射時(shí)，即直接從發(fā)射器至接收器的直射條件下的光照度為E0[19]：（2-2）式（2-2）中，d0接收器到光源之間光路傳播長(zhǎng)度，I(0)是1個(gè)LED光源的發(fā)光強(qiáng)度，ψ0是光信號(hào)的入射角，φ0為光源輻射角，朗伯指數(shù)m取決于光源的半光強(qiáng)角θ1/2得大小，表達(dá)式如下： （2-3）1.3直射條件下接收到的功率/光照度及相關(guān)公式[18]將光源平均發(fā)射功率Pt定義為： （2-4）接收端功率pτ定義為：（2-5） H(0)=?∞∞?(t)dt式(2-5)中，H(0)為信道直流增益，在可見光通信中，信道直流增益是直視鏈路信道的一個(gè)重要的特征參數(shù)，可以通過(guò)式（2-6）得到。在可見光通信系統(tǒng)中，信噪比(SNR)表示接收到的有用信號(hào)和噪聲之比，是接收信號(hào)質(zhì)量的有效指標(biāo)。SNR中的信號(hào)功率由S表示為（2-7） （2-8）上式中T為信號(hào)周期。而噪聲功率N由散粒噪聲、熱噪聲和碼間干擾共同組成：（2-9）其中（2-10）（2-11）（2-12）q是電子的電量，B為等效噪聲帶寬，Ibg是背景電流，I2和I3為噪聲帶寬因子，k是玻爾茲曼常數(shù)，TK是絕對(duì)溫度，G是開環(huán)電壓增益，η為接收器電容，Г是FET溝道噪聲因子，gm是FET的跨導(dǎo)。1.4反射條件下接收到的功率/光照度及相關(guān)公式現(xiàn)實(shí)中，室內(nèi)光線的傳播必定會(huì)發(fā)生反射，在可見光通訊系統(tǒng)中必須充分考慮各種情況。Hd(0)為直射路徑，接收端接收到的光照度大小由其和下式一起決定。（2-13） （2-14）在式（2-14）中，L1，L2分別表示反射點(diǎn)到信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)接收器的距離，ρ是反射系數(shù)，dAwall為微分的反射區(qū)。φ為反射點(diǎn)的輻射角。α是反射點(diǎn)的入射角，β是反射點(diǎn)到接收器的輻射角，Ψ是接收器的入射角[18]。 (2-15)