Untersuchungen zu linearen optisch-drahtlosen Frontends und applikationsspezifischen Freiformlinsen für die optisch-drahtlose Kommunikation

Diese Arbeit widmet sich der detaillierten Untersuchung von analogen optisch-drahtlosen Frontends (AFE) und applikationsspezifischen Freiformlinsen für die optisch-drahtlose Kommunikation (OWC). Neben theoretischen Überlegungen werden Entwurfsbeispiele beschrieben, auf Leiterplattenebene mit Hilfe kommerzieller Komponenten realisiert und messtechnisch untersucht.
Ein Entwurfsbeispiel dieser Arbeit umfasst einen linearen Treiber, welcher mittels Transistor/-präzisionsstromquelle mehrere Leuchtdioden ansteuert. Am Receiver wird ein nicht ausbalancierter, differentieller Transimpedanzverstärker (TIA) und ein TIA mit Nachverstärker untersucht. Die Charakterisierung der Schaltungen erfolgt hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme, ihrer Übertragungsfunkion sowie ihrer Linearität. An den Receiverschaltungen werden zudem Rauschmessungen durchgeführt.
Zur Untersuchung der Datenübertragungseigenschaften werden Signale übertragen, die nach dem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) moduliert sind. Die maximale OFDM-Datenrate beträgt dabei 1554 Mbit/s. Die Übertragung wird in Abhängigkeit vom Empfangspegel, der Signalaussteuerung, dem LED-Arbeitspunkt, der Bandbreite und der Temperatur untersucht. So kann quantitativ gezeigt werden, wie zukünftige Transceiver von einer adaptiven Arbeitspunkteinstellung, einer adaptiven Bandbreite oder einer adaptiven Transmitteraussteuerung profitieren können.
Die Entwurfsbeispiele werden mit Hilfe eines kommerziell erhältlichen digitalen Signalprozessors in ein konventionelles Ethernet-Netzwerk integriert. Messungen der Datenrate in Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Multipunkt- und Multipunkt-zu-Multipunkt-Konfigurationen zeigen ihr vielseitige Anwendbarkeit. Darüber hinaus wird ein netzwerkbasierter Ortungsalgorithmus verwendet, um mobilen Teilnehmern im Netzwerk ortsspezifische Inhalte zu übermitteln.
Das wesentliche Herausstellungsmerkmal dieser Arbeit ist die detaillierte Untersuchung von Freiformoptiken im Kontext der OWC. Es wird ein Framework zur Berechnung von Freiformlinsen vorgestellt, welches in Bezug auf Li-Fi bisher einzigartig ist. Das Potential für die OWC wird mit Hilfe zahlreicher exemplarischer Transmitter- und Receiverlinsen untersucht. Das Framework nutzt ray-mapping-Algorithmen zur Konstruktion von Transmitterlinsen. Für den Entwurf von Receiverlinsen werden auf dem Randstrahlenprinzip aufbauende Methoden verwendet. Mittels Entwurfsbeispiel wird gezeigt, dass sich die optische Effizienz und die Homogenität innerhalb des Sichtfeldes (FOV) durch den Einsatz von totalreflektierenden Linsen verbessern lassen. Ein weiteres Entwurfsbeispiel stellt eine Mehrwegelinse am Transmitter vor, die ein elliptisches Emissionsprofil in ein FOV mit rechteckigen Querschnitt überführt. Gleichzeitig erlaubt sie es, die zulässige Transmitterleistung unter dem Gesichtspunkt der Augensicherheit um 13 dB gegenüber einem Transmitter ohne Linse zu erhöhen. Dies entspricht einer Reichweitenverbesserung um den Faktor 4,5. Ein anderes Entwurfsbeispiel demonstriert, wie Transmitter- und Receiverlinse zu einer Hybridlinse kombiniert werden können, um einen kontaktlosen Drehübertrager zu realisieren.
Simulativen Untersuchungen zeigen, dass eine Kombination von Freiform-Fresnellinsen mit dem betrachteten AFE, je nach Konfiguration, eine Datenübertragung über Reichweiten von mehreren zehn Metern bis knapp 100 m erlaubt.
Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit, dass die vorgestellten Entwurfsbeispiele verschiedene Anwendungen sehr gut adressieren können und damit eine sinnvolle Alternative zu kommerziellen Funktechnologien darstellen. Die Freiformlinsen sind dabei der Schlüssel zu einer effizienten Lösung mit hoher Performanz.