基于LED阵列照明光分布和光伏电池阵列的高速可见光通信技术
发布时间：2021-02-02 09:45
研究分析Si-PvCA物理结构、光电特性与其电路拓扑结构等关键因素,并在此基础上提出了利用LED阵列照明空间光分布和电池板可细分重构特征,改善信噪比,实现空分多址（Space Division Multiple Access,SDMA）多输入多输出并发VLC,为LED阵列照明与Si-PvCA的VLC应用发展提供了新的研究思路和框架。
【文章来源】：光电子技术. 2020,40(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
光伏电池组成及其单元的交流电路模型
如图3是并行采集多个光电池单元（图中光伏电池子单元）信号的电路逻辑框架，是细分方案实现的典型案例，其他可能案例可在未来进一步解析实现。图中串联光电池组收获的电能，通过电源管理单元实现稳定可靠,提供给前置放大、多路模拟开关、ADC（模数转换器）和数字信号处理单元工作。电池组内的相邻细分单元的DC电压值不同，通过差分隔直流（或高通）电容Cp和Cn只获取相应细分单元的差分AC信号(差分信号)。根据标准模型和细分模型，并由于规模尺寸的不同，细分单元所产生的差分信号幅值vd(ω)相对于标准整体v(ω)幅值应按比例缩小，但细分单元的vd(ω)可通过前置电路进行调理放大。根据式（8)～(11）的理论模型，影响信号带宽的主要因素是光电池内生电容。由于细分单元的内生Cd按规模比例减少，而其vd(ω)可被放大。显然对所有细分单元的信号vd(ω)进行放大处理的方式有助于提高细分单元的高频响应特性以致于提高并行接收系统的高频响应特性。虽然这种处理方式增加了有限的成本，但对实现效益而言仍然具有一定的吸引力。如何优化细分程度是系统性评价问题，将在后期研究中加以分析讨论。讨论实现方案的优化问题。存在两种基本通道信号采集方案，模拟多路开关方案和并行多路方案。选择的依据至少依赖于细分单元的频响上限和所选用ADC方案的性能,如采样位数、采样速率等。考虑性价比，模拟多路开关方案有助于降低单路实现成本。而根据差分信号vd(ω)的特性，如幅值大小，不同于图3所示的逻辑框架，考虑在前置调理电路之前部署模拟多路开关，可以进一步减少前置调理部分的实现代价，进而降低系统整体的实现代价。ADC的下一阶段进行信号分析、解调/解码，无论哪种信号采集方案，此阶段的实现代价主要取决于调制解调、编解码和数据带宽。在这点上，细分与整体方案没有根本的差别。
既然收发单元区的关联匹配是提高系统并行度的关键，需要定量分析模型。不难想象，在临界距离上，接收单元区与投射单元区完全重合，如图1(c）和1(d)所示，SDMA的并行效率达到最大，那么MIMO效率也有希望达到最大。即使针对现实所用的Si-Pv CA每个最小单元而言，既可以是正方形也可以是紧密排列的等边六角形，而达成一定投射条件下的最大匹配度，这时可看作投射区、接收区各自的单元组合特征至少是相同的。在此特征相同的条件下，要达到最小匹配度，可以通过平移接收区和发送区相对位置至接收单元区的中心点与3个相邻投射单元区中心点构成的等边三角形的中间点，这时一个接收区被三个投射单元区等分。基于以上的分析，可以给出收发区关联匹配度定量分析模型的构建思路，即参数化模型和平面积分重叠模型，在此仅讨论规则分布的参数化模型。首先，分别定义收发两端的单元区形位结构，可用单元区的中心点的连线结构描述，如图4所示，分别是等腰直角三角形和等边三角形（图4中，显然投射和接收形位是不匹配的），其定量参数是三角形边长和夹角。其次，如图5(a）所示，接收单元区，虚线所示（示例两种规则结构:等边六角形和正方形），接收单元区定量描述为边到中心的垂距分别为D1、D2,Rc是投射单元主能量区半径，Rp则代表次能量环区的外缘半径，投射区的等边六角形用于等效替代圆形，接收单元区中心与投射单元区中心的距离Rd。，子图标题中的Rd(*)中的符合代表子图号a,b,c。Ot和Or分别是投射区和接收区中心，θ是接收单元中心Or与投射单元中心Ot连线与水平的夹角，其中接收单元的一条边平行于水平线。图5(a）与图5(b）的区别是匹配的方向不一致，即Rd相等θ不等；图5(a）与图5(b）的区别是Rd不等θ相等；可以看出其匹配度，或者相对单元重合面积是不同的。还有具体参数将在后续的研究中进一步深入讨论。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光电池探测器的可见光通信系统无线供能技术研究[J]. 郭俊清,陈雄斌,李洪磊,陈弘达. 半导体光电. 2015(05)
[2]可见光通信系统中硅光电池响应特性研究[J]. 郭俊清,陈雄斌,李洪磊,黄涌,陈弘达. 光电子·激光. 2015(03)
本文编号：3014493
【文章来源】：光电子技术. 2020,40(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
光伏电池组成及其单元的交流电路模型
如图3是并行采集多个光电池单元（图中光伏电池子单元）信号的电路逻辑框架，是细分方案实现的典型案例，其他可能案例可在未来进一步解析实现。图中串联光电池组收获的电能，通过电源管理单元实现稳定可靠,提供给前置放大、多路模拟开关、ADC（模数转换器）和数字信号处理单元工作。电池组内的相邻细分单元的DC电压值不同，通过差分隔直流（或高通）电容Cp和Cn只获取相应细分单元的差分AC信号(差分信号)。根据标准模型和细分模型，并由于规模尺寸的不同，细分单元所产生的差分信号幅值vd(ω)相对于标准整体v(ω)幅值应按比例缩小，但细分单元的vd(ω)可通过前置电路进行调理放大。根据式（8)～(11）的理论模型，影响信号带宽的主要因素是光电池内生电容。由于细分单元的内生Cd按规模比例减少，而其vd(ω)可被放大。显然对所有细分单元的信号vd(ω)进行放大处理的方式有助于提高细分单元的高频响应特性以致于提高并行接收系统的高频响应特性。虽然这种处理方式增加了有限的成本，但对实现效益而言仍然具有一定的吸引力。如何优化细分程度是系统性评价问题，将在后期研究中加以分析讨论。讨论实现方案的优化问题。存在两种基本通道信号采集方案，模拟多路开关方案和并行多路方案。选择的依据至少依赖于细分单元的频响上限和所选用ADC方案的性能,如采样位数、采样速率等。考虑性价比，模拟多路开关方案有助于降低单路实现成本。而根据差分信号vd(ω)的特性，如幅值大小，不同于图3所示的逻辑框架，考虑在前置调理电路之前部署模拟多路开关，可以进一步减少前置调理部分的实现代价，进而降低系统整体的实现代价。ADC的下一阶段进行信号分析、解调/解码，无论哪种信号采集方案，此阶段的实现代价主要取决于调制解调、编解码和数据带宽。在这点上，细分与整体方案没有根本的差别。
既然收发单元区的关联匹配是提高系统并行度的关键，需要定量分析模型。不难想象，在临界距离上，接收单元区与投射单元区完全重合，如图1(c）和1(d)所示，SDMA的并行效率达到最大，那么MIMO效率也有希望达到最大。即使针对现实所用的Si-Pv CA每个最小单元而言，既可以是正方形也可以是紧密排列的等边六角形，而达成一定投射条件下的最大匹配度，这时可看作投射区、接收区各自的单元组合特征至少是相同的。在此特征相同的条件下，要达到最小匹配度，可以通过平移接收区和发送区相对位置至接收单元区的中心点与3个相邻投射单元区中心点构成的等边三角形的中间点，这时一个接收区被三个投射单元区等分。基于以上的分析，可以给出收发区关联匹配度定量分析模型的构建思路，即参数化模型和平面积分重叠模型，在此仅讨论规则分布的参数化模型。首先，分别定义收发两端的单元区形位结构，可用单元区的中心点的连线结构描述，如图4所示，分别是等腰直角三角形和等边三角形（图4中，显然投射和接收形位是不匹配的），其定量参数是三角形边长和夹角。其次，如图5(a）所示，接收单元区，虚线所示（示例两种规则结构:等边六角形和正方形），接收单元区定量描述为边到中心的垂距分别为D1、D2,Rc是投射单元主能量区半径，Rp则代表次能量环区的外缘半径，投射区的等边六角形用于等效替代圆形，接收单元区中心与投射单元区中心的距离Rd。，子图标题中的Rd(*)中的符合代表子图号a,b,c。Ot和Or分别是投射区和接收区中心，θ是接收单元中心Or与投射单元中心Ot连线与水平的夹角，其中接收单元的一条边平行于水平线。图5(a）与图5(b）的区别是匹配的方向不一致，即Rd相等θ不等；图5(a）与图5(b）的区别是Rd不等θ相等；可以看出其匹配度，或者相对单元重合面积是不同的。还有具体参数将在后续的研究中进一步深入讨论。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光电池探测器的可见光通信系统无线供能技术研究[J]. 郭俊清,陈雄斌,李洪磊,陈弘达. 半导体光电. 2015(05)
[2]可见光通信系统中硅光电池响应特性研究[J]. 郭俊清,陈雄斌,李洪磊,黄涌,陈弘达. 光电子·激光. 2015(03)
本文编号：3014493
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