可见光通信系统基带传输关键技术研究

发布时间：2020-11-08 22:58

　　 近年来,随着无线频谱资源稀缺问题严峻,可见光通信技术(Visible Light Communication,VLC)应运而生。可见光通信技术是以可见光取代传统射频通信中的射频或微波频段的电磁波作为无线通信信号传递的载体来进行通信的技术。它具有节能环保、频段不受限、电磁干扰小和安全防窃听等优点,因此近些年各国研究人员对VLC技术进行了广泛的关注,系统传输速率不断提升,实用性不断变强,体现了VLC技术的巨大潜力和应用价值。本文在多色可见光传输场景中主要开展了扩展LED带宽的预均衡技术以及削弱多色光间干扰的发送预编码技术的研究,并在实验平台中加以测试与验证。本文具体研究内容如下:首先本文介绍可见光通信系统的基本原理,并结合多色可见光传输系统中核心器件(包括了LED,滤光片以及光电接收器等)的特征对点对点传输信道进行了建模。之后为了最大限度的提高可见光传输系统的谱效率,本文将采用改进的直流偏置正交频分复用方案,即直流偏置OFDM(Direct Current Biased OFDM,DCO-OFDM)。为了充分挖掘可见光系统的传输资源,本文还针对多色传输系统进行研究,并为有色域间干扰的情况下对信道建立了多输入与多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)的模型。为了最大限度地拓展商用LED的传输带宽,论文研究了点对点可见光通信系统中的发射预均衡技术。本文从传统的均衡器方案出发,根据单发单收可见光通信系统的信道特性,提出三种预均衡方案:模拟滤波器预均衡、数字迫零频域预均衡、模拟和数字联合预均衡方案;随后结合实际系统,分别设计模拟滤波器预均衡和数字迫零预均衡方案,通过仿真和硬件验证以上两种方案在性能上的差别。最后综合考虑该两种方案在实现成本、难度和性能等多方面指标,确定了数字预均衡作为发送预均衡方案。之后考虑到单色光可见光通信系统对于提升系统信道容量的局限性,本文研究了多色可见光通信技术。但由于滤光片的非理想特性,多色可见光系统存在色域串扰,并且串扰随着用户的位置的变化而发生改变。为此,本文将考虑采用发送预编码技术来缓解上述串扰的影响。首先以最小化均方误差准则给出存在色域串扰的可见光通信系统预编码优化问题描述;然后,通过数学推导,提出了针对预编码矩阵行分块的求解方案。仿真表明本文提出的方案比现有文献中的收发循环迭代优化方法和梯度投影优化方法的性能更好,我们在硬件实验平台上验证了提出的预编码方案的有效性。最后本文介绍了两种可见光通信离线测试平台的FPGA设计方案以及DCO-OFDM多色可见光通信系统的演示平台的设计和实现方案;并给出了演示平台的硬件展示和关键性能指标。通过实际系统的搭建,我们证明了通过预均衡等技术,在红绿蓝(Red Green Blue,RGB)三色光通道的传输下,在3m的传输范围内,系统的净速率达到938.7Mbps,空口速率为1.25Gbps,误帧率小于10~(-4)。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
缩略词
第一章 绪论
    1.1 论文研究背景
        1.1.1 可见光通信中的正交频分复用技术
        1.1.2 可见光MIMO技术研究现状
        1.1.3 多色光通信系统研究现状
    1.2 硕士主要研究工作和本文章节安排
第二章 可见光通信系统概论
    2.1 引言
    2.2 可见光通信基本原理
        2.2.1 电光、光电转换器件
        2.2.2 发射模拟后端电路
        2.2.3 滤光片特性
        2.2.4 接收模拟前端电路
    2.3 单发单收可见光通信系统信道特性
        2.3.1 系统模型
        2.3.2 可见光通信信道特性
    2.4 OFDM可见光通信系统模型
    2.5 多色可见光MIMO通信系统
        2.5.1 系统模型
        2.5.2 多色可见光MIMO信道测量结果
    2.6 本章小节
第三章 OFDM可见光通信系统发送预均衡技术研究
    3.1 引言
    3.2 常用均衡器方案
        3.2.1 接收后均衡器方案
        3.2.2 发送预均衡器方案
    3.3 可见光通信系统预均衡方案
        3.3.1 模拟预均衡方案
        3.3.2 数字预均衡方案
        3.3.3 模拟与数字联合预均衡方案
    3.4 仿真性能分析及硬件平台验证
        3.4.1 模拟预均衡滤波器硬件测试结果
        3.4.2 数字预均衡仿真结果
        3.4.3 不同预均衡方案在实际信道下的验证与分析
    3.5 本章小结
第四章 RGBA多色可见光MIMO系统预编码优化
    4.1 引言
    4.2 最小化均方误差预编码优化问题的提出
    4.3 最小化均方误差预编码优化问题的求解
        4.3.1 基于循环迭代的优化算法
        4.3.2 梯度投影优化算法
        4.3.3 基于行分块的优化算法
    4.4 仿真性能分析及硬件平台验证
        4.4.1 仿真结果
        4.4.2 硬件平台测量结果
    4.5 本章小节
    4.6 附录
        4.6.1 引理1 证明
        4.6.2 引理2 证明
第五章 可见光通信系统硬件平台设计
    5.1 引言
    5.2 可见光通信离线测试平台
        5.2.1 基于Microblaze和 JTAG的离线测试平台
        5.2.2 基于以太网和DDR3 的离线测试平台
    5.3 室内可见光实时通信系统
        5.3.1 演示平台器件选型
        5.3.2 演示平台基带设计方案
        5.3.3 演示平台性能及展示
    5.4 本章小结
第六章 全文总结与展望
    6.1 论文工作总结
    6.2 进一步研究方向
参考文献
作者简介
致谢

【参考文献】

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1 陶于阳;高速多色光通信系统接收技术研究[D];东南大学;2016年

本文编号：2875480