无源光通信的原理设计及应用领域研究

121无源光通信的原理设计Seyed KeyarashGhiasiTU Delfts.k.tudelft.nlMarco A. ZúñigaZamalloaTU Delft m.a.tudelft.nl科恩·兰根多恩代尔夫en@tudelft.nl理工大学摘要为了将可见光通信（VLC）用于低功率应用（例如物联网标签），研究人员一直在开发使用LC快门调制（反向散射）环境光的系统。已经针对单像素发射器探索了各种方法，但是没有遵循原则性方法。这导致了相对较低的数据速率、短距离，或者2.01.51.00.50.030.0时间e（ms）642035.02.01.51.00.50.030.0时间e（ms）642035.0需要强大的人造光源。本文以一个(a) 现有技术(b) ChromaLux退一步，并提出了一个更理论化的框架：ChromaLux。通过考虑液晶的基本特性（双折射和厚度），我们证明了设计空间比以前探索的要大得多，可以实现更好的系统。特别是，我们发现存在一个瞬态的开关时间可以减少一个数量级，而不会显着降低对比度，提高范围和数据速率。使用一个原型，我们证明了我们的框架是适用于不同的LC。我们的研究结果表明，国家的最先进的单像素系统的显着改善，实现50米的范围在1 kbps和误码率低于1%。CCS概念• 计算机系统组织→嵌入式和网络物理系统;·网络→物理链路。关键词可见光通信，后向散射，液晶显示器ACM参考格式：作 者 ： Seyed Keyarash Ghiasi ， Marco A. Zúñiga Zamalloa 和 KoenLangendoen。2021. 一种无源光通信的原理设计。 在第27届移动计算和网络国际年会（ACM WEBCOM '21）上，2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州 新 奥 尔 良 。 ACM ， 美 国 纽 约 州 纽 约 市 ， 13 页 。https://doi.org/10.1145/3447993.34486291介绍对无线通信不断增长的需求促使研究人员在传统的无线电频谱之外寻找带宽。在过去的十年中，可见光光谱因其开放、自由和广泛而受到极大的关注如今，任何带有LED的物体都可以转变为无线发射器，并且已经有了广泛的新颖应用。允许制作本作品的全部或部分数字或硬拷贝供个人或课堂使用，无需付费，前提是复制品不以营利或商业利益为目的制作或分发，并且复制品在第一页上带有此通知和完整的引用。必须尊重作者以外的其他人所拥有的本作品组件的版权。允许用信用进行提取 复制，或重新发布，张贴在服务器上或重新分发到列表，需要事先特定的许可和/或费用。 请求权限请发邮件至permissions@acm.org。图1：关键见解：现有研究假设液晶的最终状态之间的转变是单调的，这导致符号具有高对比度，但带宽较低（如A基于第一原理，ChromaLux暴露了一种瞬态，其中符号可以具有高对比度和带宽（如A和B）。从新一代玩具的设计[20]和室内定位系统[11]到人体感应[13]。可见光通信（VLC）是一项重大进步，但它有一个主要缺点：功耗高，因为它需要打开LED，这不是最节能的通信方式。 为了克服这个问题，研究人员已经提出使用液晶（LC）单元来调制外部环境光。 LC单元是可以使用非常小的功率（ W）阻挡或允许环境光通过的设备。在这一领域已经作出了一些显著的贡献一些研究使用慢开关LC作为单像素发射器1，其获得的数据速率范围从每秒几位[9，14，27]到1 kbps [6，26]。其他研究开发了先进的系统，使用具有多像素/传感器发射器的快速开关LC，可以在不同范围内实现1 kbps [22]和8 kbps [25]。所有这些进展都是有价值的，但他们一直在假设LC在不透明和半透明状态之间转换时仅提供光强度的单调变化。这一假设限制了研究人员的设计空间，他们必须选择使用（i）最终状态（不透明和半透明）来调制光，提供高对比度但低带宽[9，27]，或（ii）瞬态（单调）状态中的中间点，提供更高的带宽但低对比度[6，26]。基于液晶的基本物理特性，我们设计了具有非单调瞬态的单像素发射器。 这种非单调特性允许我们使用具有高切换速度和良好对比度的符号来调制光。如图1所示，这一关键见解使我们能够将远程链路的带宽提高一个数量级。总的来说，2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，©2021版权归所有者/作者所有。出版权授权给ACM。ACM ISBN 978-1-4503-8342-4/21/10。- 是的- 是的十五块https://doi.org/10.1145/3447993.34486291 LC单元的表面可以被视为调制环境光的单个（大）像素。多像素发射器使用一个以上的LC表面（像素），这有助于提高系统的数据速率。一B'B一光强度脉冲电压（V）光强度脉冲电压（V）2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ghiasi等人122−没有光晶体样品白光晶体样品颜色偏光分析仪偏光分析仪(a) 单频光(b) 白光图2：液晶单元的操作我们的工作，被称为ChromaLux，对可见光被动通信领域1) 暴露一个尚未利用的瞬态[第3节]。 基于液晶的基本物理性质，我们证明了调制过程不需要被约束到最先进的技术中使用的简单的单调函数。通过串联放置多个单元，我们发现了一个更宽的调制频谱，其中包含一个具有多个峰和谷的瞬态在这种瞬态的极端提供高对比度和快速切换，我们利用增加通道容量。2) 提出单像素发射器的星座图[第4节]。 与传统VLC相反，在传统VLC中，有一个完善的方法来设计LED发射器，无源VLC没有理论框架。基于第一性原理，我们提出了一个星座图，以获得我们的单像素LC发射机的设计的基本准则 我们的框架允许我们从理论上证实需要（i）使用最佳数量的LC来最大化信道的性能，以及（ii）在瞬态的特定区域上使用符号。3) 设计一种新颖的调制方案[第5节]。瞬态允许利用具有高对比度和切换速度的符号，但是它是不稳定的，并且不能实现基于幅度、频率或相移键控的标准调制技术。为了实现稳定的无线链路，我们提出了一种新的占空比方法来调制位的基础上的3电平电压输入。4) 使用人工和自然环境光评估我们的平台[第6节和第7节]。我们建立了一个概念验证平台，并在人工和自然环境光下进行了 我们的研究结果表明，我们可以实现一个50米的范围与低日照条件（3-6 klux）的数据速率为1 kbps和误码率低于1%。与其他研究相比，我们将范围增加了20倍，传输速度增加了10倍。 更重要的是，为了展示我们的方法的一般有效性，我们评估了两种不同的液晶，并证明了它们的带宽都增加了一个数量级。2回到基本为了从现有的LC快门中挤出最佳性能（数据速率，BER，范围），重要的是要对底层物理有很好的了解。2.1一个被忽视的功能：双折射首先，我们描述了LC的基本操作，然后，我们专注于双折射的变化，一个重要的LC属性，迄今尚未被认为是反向散射通信的作用图3：双折射对晶体的影响LC的基本操作如图2所示。 一些研究描述了LC的内部工作原理[5]。因此，我们只提供一个简洁的解释。首先，入射光被偏振膜偏振。然后，该偏振光进入LC单元。 如果没有电压施加在电池上，薄层晶体将入射光的偏振面旋转90°，如果施加电压，偏振方向保持不变。第二个偏振器，称为检偏器，根据其与出射光的偏振方向的对准来阻挡或允许光通过。折射和双折射半透明和不透明状态之间的变化在反向散射通信中得到了充分的研究，但这些变化与双折射有关的事实在很大程度上被忽视了，限制了LC的潜力。在透明材料中，光的传播速度比在自由空间中慢。这种降低的速度相对于折射率的比率称为折射率（n）。一些材料，如大多数晶体，对于不同的光偏振角有不同的折射率[8]。���折射率的最高值和最低值很重要，因为它们允许计算任何偏振角的折射率由于这两个值，这些材料被称为双折射。 图3a中给出了一个示例。 在进入材料时，偏振光（ A-红色）沿着最大和最小的轴被分成两个正交分量，每个分量以不同的速度行进，一个快（B-绿色），另一个慢（C-黄色）。双折射率参数 表 示 为 Δn ， 是 材料的最 快 轴和 最 慢 轴 的折射率之差：Δn= fast���slow。由于速度的不同，两条光线离开了水晶-用不同相位说话如果不是假设单频光线（颜色），我们考虑偏振白光（所有颜色），每种颜色最终都会有不同的相位变化。 肉眼将这些异相信号感知为白光，但如果我们使用分析仪，如图3b所示，我们将看到不同的颜色，取决于其方向。 对于ChromaLux来说，双折射引起的各种相位变化是关键，因为它们可以实现高对比度的快速过渡。2.2液晶中的双折射材料科学家已经开发了许多方法来研究晶体的性质。考虑夹在两个正交偏振器之间的固体晶体 当白光进入这种结构时，只有特定的颜色出来，这取决于晶体的双折射b和厚度d [28]。这些颜色由所谓的Michel-Lévy图表捕获，如图4所示。在该图中，径向线对应于晶体的双折射，水平线对应于其厚度（以nm测量）。因此，对于固体5 V光一CB0v的光光无源光通信的原理设计2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，123Δn100806040命令I命令II命令III命令IV命令V2000 500 1000Γ（nm）150020002500颜色顺序 我二、三、四、五图5：液晶的理论颜色响应图4：Michel-Levy图表[4]。径向线表示双折射值（Δλ，顶部的数字），图中显示颜色（水平轴）如何随宽度（垂直轴）变化。按照惯例，每个550 nm的路径差被命名为阶，并以洋红色的阴影结束晶体，颜色输出由径向线和水平使液晶与众不同的是，它们的双折射率会随着外部电场的变化而变化。 在其工作范围内的每个电压导致不同的双折射值。 在Michel-Lévy图中，LC单元由两条径向线和一条水平线（厚度）表示。这两条径向线分别代表晶体的最大和最小双折射率，外加电压与双折射率之间存在非线性反比关系。当电压降低时，双折射增加，覆盖两条径向线内的所有光谱该覆盖的频谱确定LC瞬态相位。例如，一个厚度为25 µ ，Δ 为0.005和0.015的晶体，其光谱介于灰色和黄色之间。2.2.1将Michel-Lévy图置于后向散射通信的背景下。典型LC光闸的双折射和厚度选择为仅覆盖Michel-Lévy图中深色和浅色之间的狭窄高对比度区域，并且几项研究利用该区域调制信息（在第8节中讨论）。 据我们所知，没有先前的研究已经将LC的基本物理性质与后向散射通信联系起来。 为了制定理论框架，我们建立在用于创建Michel-Lévy图表的方程上，该图表表示���对于波长为 ：（r，���������其中，伽马（Γ）被称为路径差，其将晶体的主要特性、双折射（Δλ）和厚度（Δ λ）结合在单个参数上。Γ = Δλ×λ（2）通过对可见光谱中的所有频率求和可以获得分析仪输出的结果颜色重要的是要注意，该方程仅捕获最常见的LC配置，其中偏振器之间的角度分析仪为90° C。 关于更一般的方程的细节，请参见[17]。2.2.2色敏元件与液晶的理论响应。ChromaLux的方法需要将光分解为颜色分量。 对于这项任务，我们利用颜色传感器，这是简单的单像素接收器。 它们可以被看作是光电二极管，前面有廉价的彩色滤光片。 有多种类型的颜色传感器，我们决定使用一种称为真彩色传感器的类型，因为它模仿了人类对颜色的感知。之所以选择这种方法，是因为Michel-Lévy图表也被设计用于捕捉人们对颜色的感知，因此，我们的传感器（经验实验）将与理论结果（公式1）一致。 当提到真彩色传感器的输出时，我们将遵循使用（X，Y，Z）坐标的惯例，这是众所周知的（R，G，B）空间的变换。将光线分解成不同的颜色通道可以让我们更深入地了解Michel-Lévy图表。使用公式1，我们在图5中显示了一个样本理论响应，其中晶体的路径差（Γ）逐渐增加。为了构造该图，我们使用等式1生成（Γ， ）元组。r值选自0至2500 nm，并且���值选自可见光谱。然后，输出光中波长的振幅被转换为（X，Y，Z）值[17]。最初，所有通道都以零强度（黑色）开始，然后通道以相当同步的方式增加其值，直到第一个峰值（白色）。在此之后，通道变得异相，导致在Michel-Lévy图表中观察到的颜色范围。注意，理论响应与时间无关;它是Gamma（r）的函数，而Gamma（ r）又是双折射率的函数（公式2）。在实践中，我们必须考虑到LC单元的时间依赖特性。接下来，我们分析LC的经验响应及其增加系统带宽的能力。3谱分析基于上一节，我们知道LC可以设计为在Michel-Levy图表中的任何两种颜色之间振荡设计者只需要为液晶层选择合适的双折射值（径向线）和厚度（水平线）。我们设计了一个简单的设置，使用手电筒和颜色传感器来测量单个和多个LC单元的光谱这些细胞被串联放置在偏振器和分析器50454035302520151050Γ（nm）XYZ样品厚度（um）04008001200160020002400传播率（%）28002021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ghiasi等人124图6：测量色谱的设置图7：不同细胞数量的色谱如图6所示，具有正交方向，并且施加不同的电压电平。需要强调的是，市场上现有的LC不提供具有详细光学特性的数据表，但对这些特性的深入理解是定义完整设计空间的基础我们的框架的推导（第3-5节）集中在用于3D眼镜的流行扭曲向列晶体上，该晶体已在先前的后向散射研究中进行了探索[1]，但为了证明我们方法的通用性，我们还利用我们的框架来提高第7节中不同LC快门的性能。3.1单细胞案例为了查看LC叠层的色谱，我们在偏振器和分析器之间放置一到六个单元，并改变叠层上的DC电压。 我们以0.1伏为步长扫描直流电压，并在每一步拍摄输出光的照片，以获得图7。该图的底行描绘了当施加不同的静态DC电压电平时单个电池的色谱。 正如预期的那样，光谱覆盖了Michel-Levy图的一阶区域中的暗到白的过渡。这个结果的重要观察是，虽然大多数后向散射研究利用了这个光谱，但他们忽略了这样一个事实，即这种转变是由于细胞双折射值的变化。如果不使用静态电压值，而是使用动态电压脉冲，则可以获得电池的时间响应。图8显示了当我们施加0 V和5 V之间的下降和上升脉冲时，单个电池的时间响应这三个通道是同相的，并且具有相同的强度2，这是导致光谱单调变化的原因。鉴于2重要的是要记住，XYZ空间对于每个通道具有不同的范围为（a）下降脉冲（b）上升脉冲图8：单个单元格的过渡状态。LC单元最普遍的应用是作为光闸，设计其唯一目的是在半透明（白色）和不透明（黑色）状态之间振荡的单元是有意义的。这种单调行为已经以两种主要方式被用于反向散射通信：（i）通过使用稳定状态下的端值来编码数据[9，27]，其最大化对比度（SNR），但以降低切换速度（带宽）为代价;或者（ii）通过使用中间值，其具有相反的权衡，较低的对比度但较高的切换速度[6，26]。重要的是，为了获得黑/灰/白标度中的单调递减行为，制造商生产的晶体的双折射值和厚度仅覆盖图5中理论响应的非常特定和狭窄的部分：伽马范围在0和250之间。3.2多细胞的情况下为了增加LC的调制光谱，我们需要增加其厚度或使用更宽范围的双折射值。不幸的是，液晶的厚度和双折射值在制造过程中是固定和确定的。为了扩展调制谱，我们堆叠多个单元以增加晶体层的厚度。在Michel-Levy光谱中，我们的方法转化为使用更高的水平线，同时保持相同的径向线。图7的顶部五行描绘了在堆叠多个电池之后利用静态电压获得的光谱由于我们增加了厚度，色谱向Michel- Levy图表的右侧移动。例如，具有两个LC的配置覆盖第一阶的大部分，并且具有六个LC的配置覆盖从第一阶的中间直到第三阶。注意，在低电压（低于2 V）下，没有颜色转换。这是因为我们的电池的最低工作电压约为1.4 V。低于该电压，电池不会改变其状态。该最小电压被称为Fréedericksz阈值[10]。接下来，我们将看到为什么具有频繁颜色转换的瞬态对ChromaLux有益图9描绘了当我们堆叠2个、4个和6个电池时下降脉冲的时间响应 我们专注于下降脉冲，因为它们是已知的反向散射通信3的主要瓶颈。 这些时间响应提供了两个重要的见解。首先，增加的光谱暴露出具有相当大的对比度水平的非单调瞬态当我们增加例如，在RGB空间中，所有通道的范围都相同[0，255]，这意味着白光用具有相同值（255，255，255）的所有通道表示;但XYZ空间中的白光用非均匀水平表示：（0.9642，1.0000，0.8252）。3下降脉冲比上升脉冲慢。 在上升脉冲的情况下，电场迫使重新对准，而在下降脉冲的情况下，只有内部（低）扭矩改变液晶分子的取向。无源光通信的原理设计2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，125（+）(a) 2LC（b）4 LC（c）6 LC（d）能力分析。图9：串联容量分析中多个LC的时间响应晶体层的厚度，我们涵盖了更广泛的伽玛值。例如，对于两个单元格，我们覆盖的Gamma范围约为[150，500]，对于六个单元格，范围约为[300，1500]。瞬态中存在的众多峰和谷意味着，在多小区情况下，与单小区情况下的相同的两个附近点相比，两个附近点可以提供高得多的对比度（SNR）。其次，对于任何数量的单元，瞬态的持续时间保持相同注意，图8和图9在所有情况下都约为5 ms如果过渡状态以增加过渡期为代价，暴露出波峰和波谷，这将是没有帮助的。即使瞬态的形态随着不同数量的细胞而改变，其周期保持不变。这是因为我们并行控制LC原则上，电池越厚，在状态之间切换所需的时间就越长。因此，在切换速度方面，最好通过使用���电池（每个电池具有厚度���）来增加厚度，而不是使用具有厚度×的单个（较慢）电池������。关键见解：通过堆叠电池来增加发射器的厚度会暴露出一个瞬态，在该瞬态中，我们可以在具有相同调制点的单个电池的更高对比度下实现附近点之间的高3.3分析信道任何无线通信系统的基本目标是增加其容量。对于LC，信道容量由其对比度和切换速度决定，但最大化这两个参数代表相反的设计目标。因此，一个关键的问题是：如果必须选择，LC中哪个更好，更高的对比度还是更快的速度？ 深入了解这种权衡是最大限度地提高环境光链路容量的关键。我们使用著名的��������������� 如图8所示，现有LC被设计为通过覆盖理论响应中的最低谷（黑色）和最高峰（白色）来最大化对比度（SNR）。重点在于对比度（SNR），而不是切换速度（B）对于以人为中心的应用是有意义的，因为人眼具有缓慢的频率响应。然而，对于无线通信，必须优先考虑切换速度（B），因为它线性地增加容量，而对比度（SNR）仅给出对数改善。由于这个原因，我们的重点将是增加ChromaLux的带宽。 如图9d所示，ChromaLux的关键思想是用一点SNR（使用单个小区作为基线）来换取带宽的主要增益。图10：理论星座图4Pretzel星座如前一节所述，增加LC会将瞬态内的更多峰和谷聚集在一起，这会增加带宽，因为连续极值之间的周期缩短了。因此，人们可能认为堆叠尽可能多的LC将是增加带宽的最佳方法。但事实并非如此。为了理解瞬态的约束，我们将首先描述理想发射机和实际发射机之间的差异，然后提出一个星座来指导小区和符号数量的选择。一个理想的发射机。理论上，由多个LC组成的理想发射器将覆盖从接近零到高值的伽马范围。接近零的双折射值（相当于Michel Levy图中几乎垂直的径向线）意味着瞬态包括理论响应中的第一个谷和峰，这提供了最高的对比度（类似于使用单个单元）。高双折射值将允许我们压缩瞬态相位内的多个峰和谷，从而降低符号之间的切换速度（高带宽）。一个实用的发射机。在实践中，一旦多个电池堆叠，现成电池中的最小双折射值太高而不能包括理论响应的第一谷，参见图1。图7. 添加细胞是有益的，但对于我们添加的每个细胞，频谱进一步移动到理论响应的右侧（图5），其中信号的对比度降低。在接下来的小节中，我们提供了一个理论框架来指导选择（i）优化瞬态形态的单元数量，以及（ii）瞬态内的最佳区域，放置我们的符号4.1光域对于传统的RF和VLC系统，存在用于设计符号空间的已建立的方法。最常见的方法是使用2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ghiasi等人126−独立于时间的星座图为了创建一个与时间无关的星座图，将ChromaLux的理论与实践联系起来，我们绘制了（i）理论响应的Z与X通道，其中通道是Gamma的函数以及（ii）经验时间响应，其中通道是时间的函数。理论上的星座如图10所示，它看起来像一个椒盐卷饼。 该图是通过绘制图5所示数据的（X，Z）对而获得的。 在星座内，目标是将符号彼此尽可能远地放置以最大化信号与干扰加噪声比（SINR）。然而，与用于RF或VLC的标准星座相反，符号可以放置在任何地方，我们只能将符号放置在所描绘的曲线上。图10所示的星座图是理论上的，完整到第三阶（绘制更多阶将继续向内的趋势实际上，ChromaLux只能看到星座的一个子集，这取决于我们使用的细胞数量 图11显示了使用1个和3个单元获得的下降和上升脉冲的部分星座图。上升脉冲以逆时针方向移动，而下降脉冲以顺时针方式移动。这些图中的每一个都覆盖了理论星座的一个子部分，从第一阶开始我们的理论和经验星座提供了一个重要的设计准则，应使用的细胞数量。添加太多的小区会将星座域向内推，这将导致紧耦合的符号（低SINR）。在添加小区时，设计者应该尝试保持在最低可能的阶（最向外）以维持高SINR。在Chro-maLux中，我们的目标是第一个强度峰（r = 250 nm，参见图5）在我们的LC单元堆叠的光谱内。通过堆叠单元，我们远离第一个谷（黑色）;因此，我们不应该错过第一个峰（白色），因为这提供了理论响应中的第二高对比度。在下一节中，我们将看到六个单元是我们考虑的LC类型的最佳数量4.2时域在传统的星座中，在任何一对符号之间移动所需的时间是相同的。LC的情况并非如此。ChromaLux星座有两个重要的区别。首先，在点之间移动的时间根据所选择的对而变化例如，在瞬态边缘处的符号之间移动-图11中星座的“开始”和“结束”点-可以比在连续极端中的符号之间移动长一个数量级。第二，运动的方向很重要。 在下降脉冲期间的移动比在相反方向（上升脉冲）上的移动慢。重要的是要记住，LC的行为几乎像电容器。电容器的放电遵循时间的指数衰减（Δ-Δ），其充电遵循（1Δ-Δ）趋势。为了将这些方程与我们的星座联系起来，让我们在图11 d中定义三个符号，并在图10中定义它们的（近似）对应物。经验星座图中的符号可以被映射到时间，而理论星座图中的符号可以被映射到伽马值。如果4注意，原则上，星座应该是一个覆盖XYZ维度的3D空间，但这很难可视化。XYZ颜色空间具有将大多数颜色投影到由X和Z通道捕获的2-D空间上的良好属性。Y通道称为光度。(a)1 LC：下降脉冲（b）1 LC：上升脉冲(c) 3 LC：下降脉冲（d）3 LC：上升脉冲图11：多个LC的星座图图12：伽马与时间我们绘制这些符号的伽马与时间的关系曲线，得到图12。 该图显示，从带宽的角度来看，在我们的星座中，并非所有符号都是生来平等的。由于指数趋势，出现在脉冲开始处的符号是优选的，因为它们在时间上更紧凑，但是存在不期望的折衷：出现在下降脉冲的尾部处的慢符号是上升脉冲中的最快符号，反之亦然。在下一节中，我们将进一步分析这种权衡，以选择我们的最终符号。我们星座的独特时间属性为以下场景提供了重要的设计指南：如果系统需要传输多个符号（4，8或更多），使用单像素发射机传输所有符号是否更好或者是一组多像素发射机，每个像素发射一对符号？答案是，最好实现每个像素具有两个符号的多像素发射器。这是因为单像素发射机有一个关键的缺点：如果发射多个符号，带宽会显著减少，因为在末端不同符号之间切换所花费的时间会无源光通信的原理设计2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，1271.21.00.80.60.40.20.01.21.00.80.60.40.20.02.52.01.51.030.0 40.0时间（ms）642050.02.52.01.51.0一XB0 1 2 3 4 5晶体上的电压-0.2-0.2(a) 动态脉冲。(b) DC电压0.0 0.51.0X通道，标准化(a) 6 LC：下降脉冲0.0 0.51.0X通道，标准化(b) 6 LC：上升脉冲800600图15：通信符号图13：六个LC的星座图400顶部电极顶部电极20001000 0tsf tf0tf1Tf0tr0t r1t srT r传播率（%）时间（ms）时间（ms）底部电极(a) 未变形状态底部电极(b) 扭曲状态图16：理论框架。理论响应（左图）可用于获得Gamma的有效范围图14：显示回流效应的LC单元的横截面分子的颜色用来突出它们在瞬变区的扭曲位移，红色箭头表示液体流动方向。更细粒度的分析见[16]。太久了。例如，对于图12中的下降脉冲，符号F和H之间的时间差比符号F和G之间的时间差长得多。如果我们使用多像素发射器，每个像素可以传输一对附近的符号，从而增加系统鉴于我们在3.3小节中的分析表明，增加带宽比增加符号数更相关，我们的重点将是设计一个调制两个符号的快速单像素发射机。5通信系统更快调制背后的想法依赖于这样一个事实，即通过堆叠液晶，我们可以在不等待完全转变的情况下获得开/关状态之间的可区分对比度在本节中，我们将描述定义LC数量、符号和调制方法的方法。5.1单元数量和符号选择选择正确的单元数量是增加瞬态频谱和减少瞬态频谱之间的微妙平衡对比度由于市场上可用的大多数LC单元缺乏重要的光学和电气规格，我们首先提到如何根据经验选择符号，然后在规格已知的情况下从理论上经验方法。 为了最大化对比度，要捕获的重要极值是图5中的最高峰（白色），假定使用多个单元排除最低谷。图7显示了使用六个单元格可以实现这种平衡。的值，而电容响应（中心和右侧图）可用于将Gamma值映射到时间值。光谱开始于白色峰值周围并继续覆盖几个阶。 为了选择该频谱的最佳符号对，我们使用图13所示的星座。请注意，对于六个细胞，经验星座是理论星座的高度扭曲版本。当使用四个或更多这种特定类型的细胞时，这些主要的扭曲开始出现。请注意，当我们使用三个单元格时，cf。图11，理论和经验星座有更密切的相似之处。我们假设这种扭曲是由于液晶的当施加电场时，LC分子不会以有序的方式重新排列，如图14a所示。事实上，电场产生了暂时的内部流动，类似于漩涡，如图14 b所示。 我们使用的LC单元越多，由于并行发生的多个回流的复合效应，这种效应变得越明显。回流效应是一种瞬态现象，在接近端态时消散。因此，星座的开始和结束显示出更强的对称性，这对于调制是期望的。在图13中，这些对称区域存在于点P/我们决定使用符号P/P'和Q/Q'，每个符号映射到图9c中的时间响应中的（X，Y，Z）元组。我们选择通道X作为我们的载波，因为通道X和Y之间没有太大的差异，并且通道Z具有较低的峰谷差异。最后的符号A和B如图15 a（通道X）所示，位于采样上升和下降脉冲的顶部。理论方法。本文提出的方法主要是经验性的，因为现成的LC不提供详细的光学和电学参数。如果LC的折射率指定了以下参数，则可以使用理论框架来确定系统��������� ���������的符号：单元的厚度、最小和最大双折射值（Δ和Δ）以及始端M'N'P'Q'始端MNPQ一一个'BB'XZ通道，归一化Z通道，归一化颜色电压（V）伽马脉冲电压（V）颜色电压（V）回流XYZ nΓ1Γbf1Γbf0ΓSnΓ02021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ghiasi等人128C（）C× []×1−电容理论程序包括以下步骤：步骤1：获得最佳细胞数（ ）。沿着路径在等式2中定义的并且表示以nm为单位的Γ0= Δ λ和Γ1=Δλλ的差（Γ）的情况下，光谱Γ0、Γ1由单个单元覆盖���������如果我们堆叠n个单元格，则Γ的新范围是[nΓ0，nΓ1]。最佳的对比度值是仍然覆盖第一个峰值的最大值（因为它提供了最高的对比度）。如果λ超过这个值，我们就会错过那个重要的（白光）峰值。在图16的左侧描绘了理论最佳范围[n r0，nr1]。 步骤2：丢弃不对称回流区域。步骤1中定义的范围包括回流效应引起的畸变区域。为了识别和避免该区域，可以使用[16]中描述的方法来模拟时间段的上升（下降）脉冲������������。该模拟将精确定位失真如此之高以至于星座图中没有保持对称的区域图16中红色突出显示了捕获不期望回流（ ���）区域[Γ������0，Γ������1]的Gamma范围。步骤3：将Gamma值映射到时间值。到目前为止，理论框架只关注Gamma值（图16中的左图 所有这些Gamma值都可以使用由电容定义的时间响应映射到时间值���（图16中的中心和右侧图例如，选择作为我们的符号的“Γ”可以映射到“”和“5”。������在图13中，Γ������0和Γ������1之间的区域的实验对应物是Q和N之间的线（或等效地Q '和N'之间的线）。因此，我们必须从以下集合中选择符号：[r0，r���r0][r���r1，rr1]由于我们的LC单元缺乏规格，我们决定1和0经验，使用之前显示的椒盐卷饼图。我们将在下一节中使用该定时信息来设计调制方案。5.2调制与SoA中发现的那些相比，瞬态的独特性质需要不同的调制方法。首先，我们将描述为什么现有的方法基于两个电压电平不工作，然后，我们提出了我们的三个电压电平的方法。5.2.1两个电压等级。调制LC的最常见方法是将电压电平映射到符号。考虑到电压控制LC的双折射（和伽马）值，（a）发送信号（b）接收信号（X通道）图17：发送器和接收器处的采样信号图18：发射器的状态机。选择的符号之间的转换仿真DC值等于最大电压（5 V）乘以脉冲串的占空比对于我们的情况，10 kHz信号足以产生所需的电压电平。与使用直流选项相比，这种方法的缺点是高频振荡会增加噪声水平和功耗。5.2.2三个电压等级。 为了结合[0，5] V范围的快速转换和DC电压的稳定性，我们建议使用三个电压电平：0、2.2和5。 发射和接收信号的样本波形如图17所示。 为了发送位0，我们使用2.2V将LC保持在状态A。接收器将比特0视为噪声 为了发送比特1，我们通过使用5-0的电压序列来生成转换A-B-A。如果这两个电压保持适当的持续时间，那么接收器将看到位1作为我们的发射机的状态机如图18所示。 每个状态表示一个元组（ ，���），其中���表示电压电平和���在该状态下花费的时间量。状态0：考虑到LC（如电容器）在断开连接时可能会存储随机电荷在启动时，我们需要通过将电压保持在0一段时间来重置（复位）电压足以达到稳定状态：= 8毫秒。这次必须是可以使用静态DC电压电平来将LC保持在状态A或B。图15 b描绘了当我们施加DC电压时的X通道值比你的如图16所示。以0.1的步长从0到5。该直流响应是图15a中动态上升和下降响应的未失真稳定版本。 符号A和B分别位于2.2 V和2.4 V。使用具有这些电压的直接OOK调制的问题在于，系统将具有比当电压摆幅为5伏时更慢的转变为了克服电压之间的缓慢（指数）转换，另一种选择是通过0至5V之间的高频脉冲模拟2.2 V和2.4 V。更宽的电压范围提供更快的5请注意，图16中的理论响应和时间电容图为状态1：复位的第二部分使用5 V信号，时间= 0.9 ms。该持续时间可以从图15a中测量，表示上升脉冲到达符号A所需的时间量。如果我们看一下图16中的理论图，则在通道X的最大值出现的地方此时，设备可以开始传输比特。状态2：如果在复位状态结束时，变送器必须发送“1”，则必须从A点转换到B点这个过渡表示在接收器中看到的V形的施加5 V信号，持续时间为1ms = 0.2 ms，因此LC可以达到���B点在图16中，仅取决于单个电池的光学/电气规格 只有理论响应向上移动（左图）取决于细胞数量。1等于。在该时间段之后，自动进行到状态3的转换。无源光通信的原理设计2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，12910∼∼发射机接收器阳光接收器发射机状态3：施加0 V，持续时间������= 0.8 ms。该持续时间是从B '到A'所需的时间，A'是符号“1”的V形的“/”。在图16中，我们必须施加持续时间为的低脉冲���������。当该步骤的时间到时，发射机可以发送新的比特。状态4：如果下一个要发送的比特是0，发送器需要做的唯一事情就是将LC保持在A点为了实现这一点，在LC叠层上施加中间电压（2.2）持续时间ΔV = 1ms。5.3解调为了解调接收到的信号，我们采取以下步骤。我们的数据包结构有一个重置阶段，一个用于同步的位1，以及之后的84位数据。步骤1：接收机不断测量信号步骤2：如果方差相对于在空闲周期期间测量的噪声方差改变了1/4或更大的因子，则接收机进入锁相阶段。步骤3：假定复位阶段之后的第一位是接收器电路LC堆叠偏振器可调透镜和偏振器发射器电路图19：PCB外壳：TX（左）、RX（右）接收器寻找第一个最小值。这使得接收器能够锁定到发射器的相位在那之后，我们开始解码(a) 发送器(b) 接收方数据位。步骤4：如果在符号周期期间接收到的信号的方差低于阈值（由LC的噪声基底确定，其与信道噪声相当），则符号被解调为“0”。 如果方差高于阈值，我们使用窗口中的最大值和最小值来构建参考“V”形，并且使用Pearson相关的匹配滤波器确定符号是否确实是位1。步骤5：每次在输入信号中发现符号“1”时，校正接收器的相位以解决符号长度的小漂移和失配，这是由LC在不稳定区域中操作的事实引起的当接收到一长串“0”时，我们不能执行任何这样的漂移校正，但是对于我们使用的数据包大小（84位），没有出现主要的6平台我们为发射器和接收器设计了PCB和3D打印外壳，两者都配备了电池。6.1发射机我们使用一个STM32L031K6微控制器与四个不同的电压输出。当使用多个单元时，输出可以充当高容性负载，这可能使电路不稳定。在我们的实现中，液晶单元的最大电容为72 nF，这不会造成任何问题。我们在微控制器输出引脚和六个商用LC快门之间使用基本运算放大器（OPA2325）变送器的外壳允许使用环境光对于人造光，我们使用智能手机的手电筒，对于环境光，金属表面充当光反射器。我们对平台进行了编程，使其始终发送相同的数据包：图20：远程实验设置6.2接收器我们使用MAZeT真彩色传感器。 该颜色传感器的响应符合CIE1931标准。可以使用任意数量的放大器级来获得所需的信号幅度;我们使用三级。一个跨阻放大器被用作第一级（47千欧跨阻电阻）。我们可以根据到发射机的距离改变信号的放大系数，低范围为31倍增益，长范围为143倍增益。为了使平台能够进行远距离通信，我们使用了一个镜头。镜头缩小了视野，但它显著提高了信噪比。镜头是可调的，因此平台可以从很短的距离（1米）到很长的距离（50米）使用。我们利用一个著名的光学概念，称为“超焦距”，它允许前景和背景出现合理的尖锐。在我们的工作中，镜头的位置对于超过15米（大约）的任何范围都是固定的。也就是说，我们不需要在超过该范围的任何范围内调整镜头;我们只在小于15 m的范围内校准镜头7评价为了评估该平台，我们研究了两种不同的场景。 对于自然光，我们将发射机放在靠近窗户的长通道上，如图20所示。在我们的评估期间，光强度在3 kLux（部分多云天）至6 kLux（晴朗天）之间。对于人造光，我们把我们的平台放在一个房间里，并使用一个手电筒，辐射300至700勒克斯之间，这取决于我们如何接近手电筒放置到发射机。值得注意的是，我们的系统不会引起任何闪烁效果。与其他研究类似[ 9，22，25，27 ]，我们的调制是基于偏振的变化，这是肉眼不可见的2021年10月25日至29日，美国路易斯安那州新奥尔良市，Ghiasi等人1302×∼60 1 2 3 457.2能耗为