基于荧光物质的通信系统的建模与性能分析

作     者：潘琪琪 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李上宾;徐正元

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：无线光通信 照明通信 荧光光电探测器 信号恢复 

摘      要：日益增长的通信需求使得研究者们将目光投向了无线光通信(optical wire-less communication,OWC)。其中室内可见光通信(visible light communication,VLC)方案基于现有的照明设备——发光二极管(light emitting diode,LED)进行高速通信,最常见的白光LED是由蓝光LED和黄色荧光物质组成。在室外短波光通信中,高速光电探测器——雪崩二极管(avalanche photodiode,APD)对短波长光响应度较差,因此可以考虑在现有APD的基础上使用荧光物质,将短波长光转换到响应度较好的波段的光,从而提高信号强度。本文主要围绕荧光物质在OWC系统中的作用,进行理论、仿真和实验探究。首先,我们通过调研,从分子能级层面理解了荧光发光的具体过程,了解了荧光发光过程中必然的能量损失,基本确定了短波激发光在一定范围内的波长改变不影响荧光物质的发射光谱和能级寿命。通过实验,探究了荧光层厚度以及激发光功率对出射光中激发光和荧光光功率的影响,为满足照明需求和后续的荧光作用建模工作打下实验基础。同时我们测试了荧光片对系统带宽的影响,并观察到荧光层中波长越长的光,频响曲线下降越快。然后,我们根据以上的调研及实验结果建立了荧光作用的数学模型。模型中的各个参数都可以由荧光层的厚度,荧光层对光的吸收常数,荧光物质的能级寿命,光电探测器灵敏度等器件参数确定。该模型可以为各类照明与通信一体化系统和荧光增强型接收机的荧光层设计和探测器选取提供参考。在单指数模型的基础上,提出了更接近实际的多指数模型。实验测试了多种荧光层的荧光效应频响曲线,并用两种模型拟合,从拟合优度上来看,效果都很好,双指数模型略优。最后,对荧光作用进行了仿真和实验分析。仿真中,详细分析了荧光作用对开关键控(on-offkey,OOK)调制OWC系统和正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)调制OWC系统的信号功率以及解调误比特率(bit error rate,BER)的影响。根据模型提出了荧光作用后OOK信号的恢复方法,并仿真信号恢复后的BER,计算了荧光效应为系统带来的增益随比特速率的变化。搭建了激光白光照明VLC平台,使用OOK调制,测试了不同比特速率下,荧光作用带来的信号功率增益以及BER变化,并分别使用单指数模型和双指数模型对白光信号进行恢复,两种方法的恢复效果都很好,使得该激光白光照明VLC系统中,250Mbps的白光OOK信号BER从0.0424降至1.05×10-5。简单分析了荧光作用对系统原有噪声的影响。