基于菲涅尔透镜的室内可见光通信光学接收天线研究与设计

发布时间：2020-06-26 18:29

【摘要】：室内可见光通信作为一个新兴的研究领域,与传统无线通信技术相比具有绿色环保、高传输速率的优点,受到了各大科研机构的广泛关注。光学接收天线在可见光通信系统中扮演着重要的角色,能提高光学系统的光学增益、提升可见光通信系统的信噪比。本文以室内可见光通信为背景,分析了光学接收天线的基础理论,针对当前系统信噪比低、接收视场角较大的情况下光学增益低的问题,对可见光通信接收端的光学接收天线进行研究。本文主要研究的内容如下:1.针对室内可见光通信系统接收功率较低的问题,通过分析菲涅尔透镜的材料、口径、焦径比F数、棱镜环数等参数,设计了一款适用于室内可见光通信系统的菲涅尔透镜。利用3D建模软件、光学软件建模仿真,并对菲涅尔透镜的光学效率、视场角进行了分析。仿真结果表明,菲涅尔透镜的光学效率达到90%。同时对设计的菲涅尔透镜进行了实物加工与测试,在实验室已搭建好的可见光通信系统接收前端中加入菲涅尔透镜,根据测试结果计算出系统信噪比。结果表明,加入菲涅尔透镜光学接收天线与未加入接收天线相比,信噪比提高了13dB。2.为提升菲涅尔透镜的光学效率,采用分区法,设计了一款复合型菲涅尔透镜,其内环区为传统透镜结构,外环区采用二次全反射棱镜结构,并对设计的复合型菲涅尔透镜的光学效率、视场角、均匀性进行了分析。同时针对光斑能量分布不均匀会影响到光电探测器的寿命的问题,对透镜计算方法进行改进,优化结构,以实现较大光学效率下的能量均匀分布。仿真结果表明,光学效率达到91.1%,均匀性为1.78。3.针对室内可见光通信不能较好满足高增益和大视场角的问题,结合菲涅尔透镜光学增益大,半球透镜视场大的特点,提出一种菲涅尔透镜-半球透镜组合式光学接收天线的设计方法。通过对菲涅尔透镜和半球透镜的间距d,半球透镜的半径r进行优化,当接收视场角达到40°时,光学增益达到6.88。利用Matlab软件进行仿真实验,仿真环境为一个5m×5m×3m的房间,视场角为40°,将未加光学接收天线、加单个菲涅尔透镜光学接收天线以及增加组合式光学接收天线的接收前端依次进行建模仿真。结果显示,当组合式光学接收天线加入可见光通信系统接收前端时,探测器接收到的信号功率在三者中提升效果最优。并通过仿真分析得到,当接收视场角为40°时,在室内不同位置处,可接收到光信号。综上,本文对室内可见光通信光学接收天线进行了研究,设计出三款光学接收天线,通过仿真验证了其可行性,所提方法具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1;TN827.2
【图文】：

示意图,可见光,通信系统,示意图

趋严重[1]，使得越来越多学者开始考虑可见光波段。可见光通信电通信相比，具有发射功率高，对人体无害，保密性强，节约能2-5]，同时适用于对电磁环境要求苛刻的特殊环境，例如医院、矿光通信是一种基于白光 LED，具有高速发光响应特性的新兴无利用闪烁的白光 LED 来实现信息的传递，使 LED 运用于数据通此通信方式，可提供一种全新的宽带接入方式[7]。可见光通信系分和接收部分，其中发射端有 LED 驱动和信号两个部分，主要出光信号来调制和传输信息；接收部分一般在光电探测器前端加自由空间中背景光、日照光等的干扰，并利用光电转换器件将接换成电信号，从而正确地接收发射端传递的信息[8-11]，其系统模型

角度分集,接收器

光斑均匀度差的问题，提出了离轴旋转对称对称叠加三种改进的菲涅尔透镜设计方案，得出采用离轴非旋转对称叠加方法改进的菲匀性，并保证了较高的聚光效率[30]。 Min-Soo 等人搭建了由超高亮白光发光二极透镜组成的可见光通信系统。由于信号功率管，在 500lx 的照度下可以传输传输速率高，在PIN光电二极管前加入菲涅尔透镜，可将rton 等人设计了一款由 7 个子接收机组成的接方法，将具有最强信号的接收机用于可见光境中实现了完全的移动性，并防止了信号阻较单个接收机相比，系统信噪比提高了 13.6

【参考文献】