LED无线光通信的空间和水下视频传输

摘要

无线光通信具有保密性强、无电磁干扰、不占用无线电频谱资源等优点，可以广泛地应用在各种环境例如医院、矿井、飞机、楼宇间等。同时，利用水介质对光的吸收损耗存在蓝绿窗口，无线光通信在水下无线通信中也有较好的应用前景。近些年来发光二极管（LED）向大功率和高效率发展，同时它的光电响应速度快，可用于无线光通信光源。与过去常用的激光二极管（LD）相比，LED的优势在于功率大、驱动易于设计、寿命更长，可选自日常照明产品无需专用光源，其发散角较大的特点使得光束易于对准接收目标。在大功率发射下，近距离可达到宽范围信号覆盖，也可通过一定的聚光设计达到较远的通信距离，可以实现中短距离的无线光通信定向传输。本文的主要目标就是通过大功率发射和一定的光学设计，增加LED无线光通信的传输距离，将之扩展到室外空间和水下光通信，进行数字视频传输的实际应用研究。 本文首先介绍了当前LED无线光通信的研究现状、LED和相关器件的工作原理和光电特性，主要研究内容包括：（1）探讨了不同调制方式应用于LED无线光通信的优点和不足之处，从实际应用的角度出发采用了脉冲调制技术。为实现较远距离的传输，采用大功率LED并设计了调制/驱动电路。（2）在发射端聚束光学设计中，针对近焦发散角较大远焦则光收集率过低的矛盾，分析透镜焦距、光收集率和LED芯片尺寸大小三者之间的关系，采用合适焦距透镜达到收集率和发散角两者之间的折中。（3）根据光电二极管的工作特点和性能指标，设计了光接收模块包括低噪声宽带宽的前置放大器、AGC电路和整形电路以达到足够的动态范围适应接收光强的波动。（4）在ARM的嵌入式Linux开发平台上，借助基于V4L2的视频采集和H.264编解码技术，将压缩视频信号调制到LED驱动电路发射到光接收端，成功实现数字视频信号的无线光传输。（5）利用水介质绿光传输损耗低的特点，在合成人工水体中研究了LED可见光通信在水下无线视频传输的应用。 论文最终建立了一套LED无线光通信视频传输系统，测试了在空间的LED无线光通信视频传输实验，实验表明，系统在空间信道中，传输320x240分辨率的准实时视频可以实现中短距离的通信范围；采用模拟海水的方式进行水下LED无线光通信视频传输实验，经实验测试表明系统在水下通信可以实现短距离的传输。

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第一章 绪论

§1.1研究背景

§1.2 LED与LD的对比

§1.3 LED无线光通信的应用

§1.4国内外研究现状

§1.5课题研究意义

§1.6论文研究内容与创新点

第二章 LED无线光通信基本理论

§2.1 LED发光原理

§2.2 LED的器件特性

§2.3光电检测器及其工作原理

§2.4 PIN光电二极管

§2.5不同调制方案及其特点

§2.6本章小结

第三章 LED无线光通信系统的实现

§3.1 LED无线光通信视频传输系统

§3.2发射端电路设计

§3.3光接收机实现

§3.4系统光学设计

§3.5本章小结

第四章 视频信号采集和处理

§4.1 视频信号处理框架与ARM开发平台介绍

§4.2 H.264编解码技术

§4.3嵌入式Linux开发环境搭建

§4.4发射端视频信号采集与处理

§4.5接收端视频信号处理

§4.6本章小结

第五章 实验测试与结果分析

§5.1实验设计及系统测试

§5.2空间LED无线光通信视频传输实验

§5.3模拟水下LED无线光通信视频传输实验

§5.4本章小结

第六章 总结与展望

§6.1总结

§6.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读研究生期间主要研究成果