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Abstrakt in Englisch

This thesis investigates the analog optical wireless frontend (AFE) and application-specific freeform lenses for optical wireless communications (OWC). Besides theoretical considerations, design examples are described, implemented at printed circuit board (PCB) level, and investigated metrologically. The design examples include a linear driver that interfaces multiple light-emitting diodes using a transistor precision current source. The receiver design examples compromise an unbalanced differential transimpedance amplifier (TIA) and a single-ended TIA with post-amplifier. The circuits are characterized with respect to their power consumption, transfer function, and linearity. Additionally, the receiver circuit noise is investigated and measured. Signals modulated by orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) are transmitted to evaluate the data transmission characteristics of the AFE. This work reports OFDM data rates of up to 1554 Mbit/s. The transmission is studied as a function of received signal strength, transmitter signal level, emitter operating point, bandwidth, and temperature. Thereby, the work quantifies how future transceivers can benefit from features, such as adaptive operating point adjustment, adaptive bandwidth adjustment, and a special type of adaptive power loading. The design examples are integrated into an Ethernet network using a commercial digital signal processor. Data rate measurements in point-to-point, point-to-multipoint, and multipoint-to-multipoint configurations underline the versatility of the transceiver. In addition, a network-based localization algorithm is applied to deliver location-specific content to mobile users within the network. The key feature of this work is the detailed investigation of freeform optics in the context of OWC. The work presents a design framework for freeform lenses, which is so far unique in terms of Li-Fi. By investigating several design examples, this work explores the potential of freeform optics for OWC. The framework uses ray-mapping algorithms to design transmitter lenses. Methods based on the edge ray principle are used to calculate receiver lenses. Using total internal reflection lenses, the optical efficiency and homogeneity within the field of view can be improved. Another design example is a multi-path lens that transforms an elliptical emission profile into a FOV with a rectangular cross section. With respect to eye safety, the lens allows an increase of the optical transmitter power by 13 dB compared to a transmitter without a lens. This result corresponds to a range improvement by a factor of 4.5. Another design example demonstrates how transmitter and receiver lens are combined into a new single hybrid lens to realize contactless data transmission in rotary applications. Finally, a simulative feasibility study investigates the combination of freeform Fresnel lenses with the considered AFE. The lenses extend the communication range to several tens of meters depending on the AFE configuration. In summary, this work demonstrates that discussed design examples can address various applications very well and thus represent a reasonable alternative to commercial radio frequency technologies. Freeform lenses are the key for an efficient solution with high performance.

Abstrakt in Deutsch

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.