可见光通信系统中联合快速盲似然检测算法的研究

发布时间：2020-04-01 18:34

【摘要】：可见光通信是一种利用照明光束来传输信息的通信技术,它的带宽范围广泛,传输速率高,符合智能交通中绿色环保、快速出行的概念,满足当代通信需求,成为未来文明城市发展的必备技术。但是,由于室外环境复杂,LED交通灯在传输过程中会受到大气湍流的影响,导致光脉冲能量衰减,通信距离变短。同时,太阳光等其他光源也会在接收端产生辐射噪声,造成系统误码率上升。因此,本文旨在依据脉冲调制技术、大气湍流理论和背景光理论来分析大气湍流和背景光对LED交通灯通信系统的影响,并研究减弱湍流和背景光的措施,提高系统通信质量。本文主要工作如下:第一,介绍了室外可见光通信的构成部分,包括光信号发射端、湍流和背景光信道、接收端。详细介绍了影响可见光通信系统的因素,包括天气情况、湍流、背景光等。描述了LED光脉冲在湍流、背景光环境下的变化趋势,使用随机相位屏建立了大气湍流模型,使用黑体辐射函数建立了太阳光产生的背景噪声。第二,具体阐述了固定阈值检测、均值检测、传统盲似然检测的基本原理,并提出一种改进的盲似然检测算法,该算法结合发射端的PPM帧头,在接收端实行按帧检测分组和约束搜索的方法,不仅避免了平板现象,降低了复杂度,同时能够降低对信道统计特性的依赖,剔除接近信号值的噪声,抑制大气湍流和背景光的影响,从而提高检测准确度。最后通过仿真验证了该算法的有效性。仿真结果表明:该算法有效地解决了平板问题,降低了复杂度。当湍流强度、背景光强度、传输距离和发光强度改变时,与其他三种检测算法相比,改进盲似然检测算法的系统误码率最低,更适合应用在室外可见光通信中,提高系统性能。第三,详细介绍了功率倒置算法的原理以及均匀线阵接收模型,建立了强背景光下LED交通灯与车辆之间的可见光通信系统,并将功率倒置算法引入到该系统中抑制强背景光的影响。分析比较了接收器个数和背景光强度对功率倒置算法的影响,分析比较了不同信干比条件下系统的误码率。仿真结果表明:功率倒置算法通过寻找最优权值,使得接收器阵列在强背景光方向产生很深的零陷,在信号方向增益保持不变,达到抑制强背景光的目的。当阵元个数为3时,功率倒置算法能够在强背景光方向上产生很深的零陷,信号方向上增益几乎不变,而且成本最低,利于推广。当信干比小于-15时,系统误码率始终位于10~(-4),能够实现高质量传输。第四,在室外湍流环境下,利用FPGA搭建了基于PPM调制的LED交通灯通信系统的实验平台,在接收端分别采用改进的盲似然检测算法和均值检测算法恢复信号,并比较这两种检测算法在不同距离下的误码率。实验结果显示,改进的盲似然检测算法对湍流的抑制作用更好。
【图文】：

亮度分布,光束漂移,现象

内蒙古科技大学硕士学位论文- 14 -生折射的现象，导致接收端接收到的光束中心位置与预想的位置有偏差，如图2.7所示。图2.7 光束漂移现象(3)光强闪烁光强闪烁指的是可见光光束经过湍流时，相较于可见光光束直径，此时的涡旋尺度微乎其微，因此可见光光束经过不同大小的涡旋时，一部分光进行衍射，另一部分光进行折射，最终合成光束在时间和空间上随机起伏，接收端的光斑位置和强度都不确定，忽强忽弱，亮度分布也不均匀。这种现象也是光束经过湍流后最为普遍的现象，如图2.8所示。接收机发射机图2.8 光强闪烁现象2.3.3 大气湍流模型的建立可见光在湍流环境下的传输特性一直是国内外学者关注的热点问题。目前，湍流信息的获取主要有两种方式：第一种是通过室外实验进行数据采集，然后根据采集到的数据获取湍流参数信息

背景光,背景噪声,可见光,标志牌

从图 2.9 可以看出，经过随机相位屏后的光强值变化毫无规律，这符合湍流的特性。图2.9 随机相位屏2.4 背景光介绍2.4.1 背景光的形成在室外环境中，LED 光束经过大气环境时受到湍流的影响，导致接收端接收的光十分微弱，同时，，由于 LED 灯发出的光属于可见光，太阳、路边标志牌、广告牌、LED液晶屏等其他光源发出的背景光也会随着 LED 灯发出的光一起进入到光电探测器中，产生很强的辐射噪声，若不能有效地区分背景噪声与信号，就会造成系统误码率急剧上升，严重影响可见光通信系统性能。另外，当背景光足够强时，信号会完全淹没在背景噪声中
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1

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