基于白光LED的室内点对点可见光通信系统研究
发布时间：2020-04-12 07:09
【摘要】：在信息爆炸的时代,随着科学技术的突飞猛进,当前无线通信网络存在着信息不安全、频谱资源紧缺、电磁干扰等问题,无线通信已经不能满足人们的生活需求。可见光通信作为一种可以兼顾照明和通信功能、绿色环保的新型无线通信技术,因其安装简单、使用方便和通信速度快的优点,近年来受到了全球研究人员的广泛关注,其研究成果颇丰。可见光通信系统使用白光LED作为光源。信号通过处理单元进行编码调制转化为电信号,电信号再传送到光源处形成光信号,光信号经自由空间传输,由接收端光电探测器接收并转为电信号,最后经过解调译码,将信号显示出来,从而完成信号的传输。本文研究重点为基于白光LED的室内点对点可见光通信系统搭建和OFDM技术仿真分析。所做的具体工作如下:(1)针对目前可见光通信的研究大部分停留在理论分析阶段这种情况,本文设计了一套基于白光LED的室内可见光通信方案并研制出了一套可实现字符和音频实时传输的可见光通信系统样机,实验样机选择的是同时同频单工通信方式,收发端控制芯片均为STM32。在调制解调方面系统选用的是抗干扰能力比较强且易于实现的PWM调制技术。最后对搭建的实验平台进行了测试,该样机通信距离能够达到3米,通信速率稳定在200Kbps,并验证了设计方案的可行性。(2)为了解决实际应用中因光源分散产生的多径效应问题,提高系统通信性能,本文又深入研究了可见光通信的OFDM调制技术,利用MATLAB软件进行了一系列仿真验证。结果表明子载波QAM/PSK根据具体信道情况合理添加编码方式,能有效降低误码率。为后续可见光通信系统投入实际生活中提供了理论支撑。
【图文】：
无线通信技术已经相当发达，我们可以在学习、工作、生活中随时通过无线网络连接互联网。然而随着无线电频谱资源的紧缺，电磁信号的干扰，以及信息泄密等问题的日益严重，应运而生的可见光通信技术以其特有的优势迅速发展，成为目前国内外无线通信领域研究的热点。早期的光通信主要以激光通信和红外通信为主[1]，，信息加载到激光或红外线上进行传输，接收端通过光电探测器进行光信号到电信号的转换，进而得到原始信息。与传统光纤通信相比，激光与红外线具有安装方便，成本较低等优点，但其通信距离受外界影响较大，同时，激光对人体具有一定的伤害，安全性能得不到保证，由于半导体技术的发展，LED 灯的出现解决了早期光通信的问题。最早的 LED 灯只有红光，随着科技的发展，五颜六色的 LED 灯逐渐出现在市场中，其中发白光的 LED 亮度较高，低能耗，寿命长，绿色环保等特点受到人们的喜爱，并逐渐替代了白炽灯成为了照明的存在。另外，该种灯拥有反应时间短，调制性能好等优势，可代替激光与红外线成为信号的传送载体，成为可见光通信技术光源的最佳选择。
对于可见光通信的研究，国外要比国内起步的早，在日本最先展开。在 2000年，中川研究室的科学家们[1]首先对系统光源进行了选择分析，综合各方面因素，白光 LED 以高速调制、提供光亮的同时还能频闪传输信号的优势成为实验研究重点，之后该研究室又对通信信道进行了数学建模和理论仿真。2004 年，M.Nakagawa 研究团队[1]对室内 LED 可见光通信系统的可行性进行了具体分析，主要包括适合室内通信的灯光阵列布局、直射和漫射式传输信道可能会产生的符号间干扰以及多径效应。2007 年，该科研团队的研究人员又对可见光通信系统中亮度的调整进行了一系列实验，先采用控制光源属性 LED 调制深度的方式，之后又研究了 PWM（脉冲宽度调制）中亮度随信号频率变化的规律，通过对比实验结果发现在控制亮度的性能方面，采用 PWM 的方法不如采用调节调制深度方法[1]。2008 至 2009 年，他们又继续研究了目前应用比较广泛的室内可见光定位系统，通过实验证明可以实现室内高精度定位功能[1]。2010 年,欧洲 OMEGA 成员使用雪崩二极管,利用 DMT-QAM 技术将可见光通信速率提高到 513Mbps[1]。2011 年,他们又在原有系统基础上将荧光体白光LED 换为 RGB 型白光 LED,利用波分复用的原理,取得了 803Mbps 的通信速率。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【图文】：
无线通信技术已经相当发达，我们可以在学习、工作、生活中随时通过无线网络连接互联网。然而随着无线电频谱资源的紧缺，电磁信号的干扰，以及信息泄密等问题的日益严重，应运而生的可见光通信技术以其特有的优势迅速发展，成为目前国内外无线通信领域研究的热点。早期的光通信主要以激光通信和红外通信为主[1]，，信息加载到激光或红外线上进行传输，接收端通过光电探测器进行光信号到电信号的转换，进而得到原始信息。与传统光纤通信相比，激光与红外线具有安装方便，成本较低等优点，但其通信距离受外界影响较大，同时，激光对人体具有一定的伤害，安全性能得不到保证，由于半导体技术的发展，LED 灯的出现解决了早期光通信的问题。最早的 LED 灯只有红光，随着科技的发展，五颜六色的 LED 灯逐渐出现在市场中，其中发白光的 LED 亮度较高，低能耗，寿命长，绿色环保等特点受到人们的喜爱，并逐渐替代了白炽灯成为了照明的存在。另外，该种灯拥有反应时间短，调制性能好等优势，可代替激光与红外线成为信号的传送载体，成为可见光通信技术光源的最佳选择。
对于可见光通信的研究，国外要比国内起步的早，在日本最先展开。在 2000年，中川研究室的科学家们[1]首先对系统光源进行了选择分析，综合各方面因素，白光 LED 以高速调制、提供光亮的同时还能频闪传输信号的优势成为实验研究重点，之后该研究室又对通信信道进行了数学建模和理论仿真。2004 年，M.Nakagawa 研究团队[1]对室内 LED 可见光通信系统的可行性进行了具体分析，主要包括适合室内通信的灯光阵列布局、直射和漫射式传输信道可能会产生的符号间干扰以及多径效应。2007 年，该科研团队的研究人员又对可见光通信系统中亮度的调整进行了一系列实验，先采用控制光源属性 LED 调制深度的方式，之后又研究了 PWM（脉冲宽度调制）中亮度随信号频率变化的规律，通过对比实验结果发现在控制亮度的性能方面，采用 PWM 的方法不如采用调节调制深度方法[1]。2008 至 2009 年，他们又继续研究了目前应用比较广泛的室内可见光定位系统，通过实验证明可以实现室内高精度定位功能[1]。2010 年,欧洲 OMEGA 成员使用雪崩二极管,利用 DMT-QAM 技术将可见光通信速率提高到 513Mbps[1]。2011 年,他们又在原有系统基础上将荧光体白光LED 换为 RGB 型白光 LED,利用波分复用的原理,取得了 803Mbps 的通信速率。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 敖s
本文编号：2624429
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/2624429.html
