[发明专利]室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种基于半球形透镜的室内可见光通信系统中成像接收机设计方法。

背景技术

LED灯具有使用寿命长、节能、发光效率高等诸多优点，被广泛地用于室内照明，未来会逐步取代传统的荧光灯和白炽灯等，成为主流的室内照明器件。近来研究表明，LED器件在照明的同时，也可以进行高速的数字通信，且基于LED的室内可见光通信系统具有成本低、传输速率高、保密性好等优点，因此，被认为是一种重要的室内无线通信技术。室内可见光通信与现有的无线电通信相比，具有绿色环保，没有电磁辐射，频谱资源丰富等优势，此外，室内可见光通信特别适合应用在一些无线电设备禁止使用的场合，如飞机、医院等。

在光无线通信系统中，接收机可以分为非成像和成像两种接收机，成像接收机由光学成像器件和光电管阵列构成，是一种实现角度分集的有效手段，与非成像接收机相比，具有很大的性能优势。在室内可见光通信系统中，常常采用基于半球形透镜的成像接收机，这类接收机可以实现较大的视角和分集增益。接收机的视角是指接收机能够检测到的光线的最大的入射角度，视角在一定程度上可以影响通信系统的码间干扰、可达速率、背景噪声等因素，是通信系统的重要参数。实际应用中，光无线通信系统常常需要采用具有一定视角的接收机来提高通信系统的性能。

目前，成像接收机主要有三种实现方案，第一种方案由多个方向性非成像接收机组合在一起实现，这种方案可以实现分集增益，从而提高传输速率，但接收机结构比较复杂，体积比较大。第二种方案是基于标准相机技术，这种成像接收机具有较小的接收视角，接收机需对准光器件发送阵列才能实现比较好的接收性能，但在室内环境中，LED通常散布在整个房间来提供均匀的照明，因此，这种接收机不适合应用在室内可见光通信中。第三种方案由半球形透镜和位于其下方的光电管阵列组成，这种接收机可以实现成本低，可以提供较大的接收视角，非常适合应用在室内可见光通信系统中，已经引起了学术界广泛的研究兴趣。但是，由于半球形透镜成像过程的复杂性，尚无系统有效的方法实现基于半球形透镜成像接收机的设计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种室内可见光通信系统中成像接收机设计的方法，采用在可见光通信系统中，通过计算光电管阵列接收面的尺寸，实现设计具有目标视角的成像接收机。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际工作要求选择半径为R，折射率为n的半球形透镜，将所述的半球形透镜的凸面朝下，光电管阵列所处的接收平面位于半球形透镜的下方，接收平面与半球形透镜的平面平行，并设定接收平面与半球形透镜平面的距离为d。

步骤二：将需要设计的成像接收机的视角大小表示为ψ，根据ψ、R、n和d，计算得到光电管阵列的尺寸，具体为：

步骤2.1)：假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为x_a，光线的入射角度等于目标视角大小ψ，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为α，则α＝arsin(sinψ/n)，光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为x_b，x_b可由下式计算：

根据全反射定理，当时，光线可以折射出透镜，到达接收面的c点，c点的横坐标表示为x_c，x_c计算为：

其中Γ为中间变量，可以表示为：

将式(1)中x_b的表达式代入式(2)，获得x_c与x_a的关系，记为x_c＝f(x_a)，将f(x_a)关于x_a求导，并令其等于零，对上述求导方程式化简获得化简后的结果记为g₁(x_a)＝0，其中g₁(x_a)可以表示为：