可见光通信系统建模与实验研究

发布时间：2017-10-25 19:24

  本文关键词：可见光通信系统建模与实验研究

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【摘要】：随着多媒体技术的普及和智能网络技术的迅速发展，人们可以在无线网络覆盖区域内的任何地点登陆到全球信息网，高速的获取信息。虽然这为人们的生活带来了极大的便利，但同时也对数据的无线传输速率与传输质量提出了更高的要求。而在射频通信领域，由于信息传输需求的骤然增多，使得有限的频谱资源变得非常紧缺。所以在这样的背景之下，可见光通信（VLC，Visible LightCommunication）技术作为传统射频通信技术的有力补充，引起了全球科研人员的广泛关注，迅速成为了无线光通信领域的研究热点。可见光通信技术，是利用实际照明中使用的发光二极管（LED，Light Emitting Diode）发出快速的、人眼无法察觉的闪烁信号来传输信息，实现通信的。与现在常用的无线电射频通信相比，可见光通信绿色环保，对人体无害，无需频带资源，保密性也很高。因此，可见光通信技术被普遍认为拥有较好的科研价值和应用前景。 本文对可见光通信系统进行了建模和实验研究，重点是通过应用开关键控（OOK，On-Off Keying)技术和正交频分复用技术（OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）提升可见光通信系统的性能，另外分析了荧光LED通信系统的线性失真并且提出了有效的补偿方案。主要的研究内容如下： 1.对可见光信道及可见光通信系统进行建模。第一，讨论了LED频率响应特性，用光谱仪测出了LED的频率响应特性曲线；第二，依据LED的朗伯分布特性建立了单光源点对点光强分布模型，并且对可见光探测器进行建模，推导了信噪比；第三，研究了可见光信道的频域响应，建立了可见光信道的线性失真模型；第四，基于以上的分析，建立了可见光信道模型并且探讨了室内可见光通信LED布局优化问题，建立了可见光通信系统模型，推导了可见光探测器输出电压信号的一般表达式；第五，分别对基于二进制幅度键控(2ASK: BinaryAmplitude Shift Keying)编码的OOK可见光通信系统和基于仿红外编码的OOK可见光通信系统进行了建模和仿真，仿真结果验证了模型的准确性。 2.设计并集成了OOK可见光通信系统。本文在OOK调制方式下，利用LED单光源和可见光探测器，设计了一套可见光通信系统的发送装置和接收装置，实现了点对点的数据传输。发送端由信号调制器，LED光源驱动器及白光LED构成，接收端由可见光探测器、信号处理电路及信号解调器构成。编写了通信程序并制定了相关通信协议，实现了系统的软、硬件集成，并制作了样机。通过对样机的测试，获得了通信距离、信噪比，光照度等参数对通信误码率的影响。实验结果表明，在所选取的硬件及相关参数下，最好的光照度为200lx。当光照度为200lx时，通信距离从0到200cm变化时，误码率都在10-4左右。 3.建立了荧光LED通信系统，研究了该通信系统的线性失真特性，并为此设计了一、二、三阶高通滤波电路作为线性失真补偿电路。引入线性失真补偿电路后，利用网络分析仪分别测量了荧光LED通信系统的幅频响应。对比实验结果可知，采用三阶线性失真补偿电路可以有效地补偿通信系统的线性失真，将原系统幅频响应由在0.3~6MHz范围内衰减60dB，改善为在0.3~45MHz范围内仅衰减20dB。当要求系统增益的波动小于10dB时，系统的通频带宽度可从补偿前的1.8MHz提高到三阶补偿后的41MHz，增大了约23倍，且在此频带范围内，系统具有相对较小的增益。本文的实验测试和分析结果为研究荧光LED通信系统线性失真特性及其影响提供了数据依据，，也为进一步优化系统性能提供理论参考。 4.对OFDM通信系统进行了整体建模，给出了基于SIMULINK的OFDM系统电学发送端与接收端的模型框图，确定了仿真模型的主要参数。将信道估计技术、数字调制技术、里所码（RS，Reed-Solomon Code）纠错编码技术用于OFDM系统的建模中，构建出了OFDM可见光通信系统，在给定光源和探测器参数的前提下，仿真分析了调制方式、导频形式、导频比、信道编码、通信距离等因素对误码率的影响。实验结果表明：相同条件下，正交相移键控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keyin）调制方式下系统的误码率低于正交振幅（8QAM，8QuadratureAmplitudeModulation）调制方式，但同时也应该看到在8QAM调制方式下，系统的通信速率更快一些。RS编码可以大幅降低系统的误码率，对通信系统的性能的改善起到很积极的影响。当采用QPSK调制方式、引入RS信道编码、导频形式为块状导频、且导频比取为1/3时，通信系统误码率可降至10-5以下，通信距离可达0.9m。
【关键词】：可见光通信 系统建模 OOK调制 正交频分复用 误码率
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-33
• 1.1 课题背景及研究意义16-18
• 1.2 可见光通信调制技术分类与特点18-22
• 1.2.1 OOK 调制技术19-21
• 1.2.2 OFDM 调制技术21-22
• 1.3 国内外可见光通信技术的研究现状22-29
• 1.3.1 国外可见光通信技术的研究现状22-28
• 1.3.2 国内可见光通信技术的研究现状28-29
• 1.4 论文的主要工作29-33
• 1.4.1 文章结构30
• 1.4.2 主要研究内容30-31
• 1.4.3 主要工作成绩31-33
• 第2章 可见光通信系统建模与仿真33-48
• 2.1 LED 光源及光谱响应33-37
• 2.1.1 LED 的结构及发光原理33-35
• 2.1.2 白光 LED 光谱响应35
• 2.1.3 LED 单光源发光模型35-37
• 2.2 探测器及其接收电路建模37-38
• 2.3 可见光信道的线性失真建模38-39
• 2.4 可见光通信信道建模39-43
• 2.4.1 可见光通信信道建模39-40
• 2.4.2 可见光通信系统光源布局建模与仿真40-43
• 2.5 可见光通信系统建模与仿真43-47
• 2.5.1 基于 2ASK 编码的 OOK 可见光通信系统建模与仿真43-46
• 2.5.2 基于仿红外编码的 OOK 可见光通信系统仿真46-47
• 2.6 本章小结47-48
• 第3章 基于 OOK 的可见光通信系统设计与实验研究48-70
• 3.1 系统整体结构与工作原理48-50
• 3.1.1 系统结构48-49
• 3.1.2 系统工作原理49-50
• 3.2 VLC 发送端硬件与软件系统设计50-58
• 3.2.1 白光 LED 阵列驱动电路设计51-53
• 3.2.2 信号放大与隔直电路的设计53-55
• 3.2.3 Bias-Tee 电路的设计55-56
• 3.2.4 数据帧协议与软件系统设计56-58
• 3.3 接收端硬件与软件系统设计58-65
• 3.3.1 光电检测电路的设计59-60
• 3.3.2 信号放大电路的设计60-62
• 3.3.3 信号整形电路设计62-64
• 3.3.4 接收端软件系统设计64-65
• 3.4 基于 OOK 可见光通信系统实验与结果分析65-69
• 3.4.1 系统集成65-66
• 3.4.2 信噪比测试实验66
• 3.4.3 误码率测试实验66-68
• 3.4.4 通信稳定性测试实验68-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第4章 荧光 LED 通信系统的线性失真及其补偿70-83
• 4.1 荧光 LED 通信系统设计70-72
• 4.1.1 荧光 LED 通信系统的结构70-71
• 4.1.2 系统关键器件71-72
• 4.2 线性失真度测量实验72-74
• 4.3 线性失真补偿及实验74-82
• 4.3.1 一阶线性失真补偿电路及实验74-76
• 4.3.2 二阶线性失真补偿电路及实验76-79
• 4.3.3 三阶线性失真补偿电路及实验79-81
• 4.3.4 实验结果及分析81-82
• 4.4 本章小结82-83
• 第5章 OFDM 可见光通信系统设计与仿真83-103
• 5.1 系统结构83-84
• 5.2 系统发送端设计与建模84-91
• 5.2.1 RS 信道编码模块84-85
• 5.2.2 数字调制模块85-87
• 5.2.3 导频产生模块87
• 5.2.4 OFDM 信号产生模块87-91
• 5.3 系统接收端设计与建模91-94
• 5.3.1 OFDM 信号解调模块92
• 5.3.2 信道估计模块92-93
• 5.3.3 信道补偿模块93-94
• 5.4 通信系统仿真94-101
• 5.4.1 调制方式对通信系统性能的影响96-97
• 5.4.2 RS 编码对通信系统性能的影响97-98
• 5.4.3 导频比（块状导频）对通信系统的影响98-99
• 5.4.4 导频比（梳状导频）对通信系统的影响99-100
• 5.4.5 导频形式对通信性能的影响100-101
• 5.5 本章小结101-103
• 第6章 总结与展望103-107
• 6.1 全文总结103-105
• 6.2 工作展望105-107
• 参考文献107-122
• 作者简介及在学期间取得的科研成果122-124
• 致谢124

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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1 谭家杰;室内LED可见光MIMO通信研究[D];华中科技大学;2011年

本文编号：1095181