高速可见光通信的调制关键技术研究

发布时间：2017-08-21 10:30

  本文关键词：高速可见光通信的调制关键技术研究

  更多相关文章： 发光二极管(LED) 可见光通信 调制 正交频分复用(OFDM)

【摘要】：随着移动互联网、移动流媒体等新型业务的不断普及,人们对高速无线通信的需求越来越大。然而,传统的无线射频频谱逐渐被各种无线通信技术占用殆尽,低于10GHz的电磁频谱资源已经接近枯竭。因此,各种新兴的通信技术应运而生,如毫米波、太赫兹波和可见光波技术等。其中最具代表性的就是基于发光二极管(LED)的可见光通信技术。可见光通信技术融合了室内照明和通信技术,成为近几年来研究的热点。然而,可见光通信系统的传输速率受LED的物理带宽的限制。为了提高系统的传输速率,可以利用多维度的资源来实现更高效调制。目前的研究主要集中在对LED的空间资源和频域资源的利用。对于空间资源的利用,可以使用多入多出(MIMO)技术来提升LED的传输速率。然而,阵列LED的空间子信道相关性很强,使得MIMO技术无法发挥出优势。对频域资源的利用,一般通过OFDM技术来对频带进行子信道的划分,从而达到频分复用。然而,LED的非线性效应限制了OFDM的传输速率。因此,如何根据LED的自身特点,来充分利用LED的空间和频域资源,就是当前可见光调制技术所面临的主要问题和挑战。因此,本论文以LED的调制技术为研究对象,对LED阵列调制的空问特性和LED调制的非线性效应进行深入研究。本文主要取得了以下几个方面的创新：一,提出了空间脉冲幅值叠加调制(SPAM),实现了对阵列LED的空间资源的利用,提高了系统的传输速率。对于室内应用场景来说,LED灯主要的作用是作为照明设备。目前一般的商用LED单芯片的功率一般为0.1-1w。所以在实际的照明系统中,采用LED阵列结构才能满足室内的照明要求。因此,如何将这种LED本身空间特性充分利用起来,来达到提升传输速率的目的,就是本文所研究的亮点。当多路光信号以视线传输(LOS)并行发送时,多路信号会在自由空间叠加。根据上述原理,本文根据LED阵列的几何特性、阵列数目,研究了新型的基于空间调制的技术来提高传输速率。在本文中给出了空间线性叠加的理论分析及仿真结果,最后,实验结果证明在相同条件下,SPAM调制的传输速率比开关键控(OOK)提升了约50%,同时,SPAM具有较低的实现成本和复杂度。二,提出了极性分离光OFDM (PSO-OFDM)调制技术,利用LED的空间特性改善了OFDM调制的动态范围,提高了系统的传输速率。目前,在可见光通信中最具代表性的OFDM技术就是直流偏置光OFDM (DCO-OFDM)和非对称切除光OFDM (ACO-OFDM)调制技术。DCO-OFDM具有较高的频谱效率,但是需要具有较大的LED线性动态范围,所以要承受较大LED非线性影响。ACO-OFDM承受较低的非线性,但是频谱利用率较低。本文所提出的PSO-OFDM调制技术综合了两者的优点,它具有与DCO-OFDM相同的频谱效率,同时与ACO-OFDM一样承受较低的非线性效应。最后,本文搭建了实验系统来对三种调制技术进行了验证,实验结果表明DCO-OFDM, ACO-OFDM和PSO-OFDM最大的传输速率分别为0.85Gb/s,0.84Gb/s和1.1Gb/s。三,提出了混合时-频域非线性均衡技术来消除OFDM调制系统中的非线性影响,提升了OFDM的调制系数。在可见光通信系统中,发射端LED往往是具有非常大的非线性。当把OFDM信号加载在LED上时,如果OFDM信号超出LED的线性范围,那么非线性效应会使得OFDM的子载波产生串扰,使得信号频谱的带宽内部和带宽外部都引入噪声,从而使得系统性能恶化。实验证明,低频的子载波承受较高的非线性,所以通过预均衡技术来抑制低频功率并增强高频功率,就可以在一定程度上缓解非线性的影响。最后,本文使用混合时-频域的非线性均衡技术来彻底消除非线性。OFDM系统中的线性失真可用预均衡来补偿,其中非线性失真部分由一个非线性时域均衡器来补偿,实验结果表明,通过混合时-频非线性补偿后,带内和带外的非线性噪声都被消除掉,系统的最大传输速率从0.9Gb/s提升到1.4Gb/s。
【关键词】：发光二极管(LED) 可见光通信 调制 正交频分复用(OFDM)
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 引言13-15
• 1.2 可见光通信技术概述15-21
• 1.2.1 可见光通信系统简介15-17
• 1.2.2 可见光通信技术主要特点17-19
• 1.2.3 可见光通信的未来应用与相关进展19-21
• 1.3 标准化组织与国内外研究实体21-22
• 1.4 论文主要内容与创新22-24
• 1.5 论文结构安排24-25
• 参考文献25-33
• 第二章 可见光通信系统的调制技术及面临的挑战33-53
• 2.1 可见光通信调制中的关键器件34-38
• 2.1.1 LED发射器特性34-36
• 2.1.2 光电接收器特性36-38
• 2.2 可见光通信主要的调制技术38-44
• 2.2.1 LED的调制原理38-39
• 2.2.2 脉冲调制技术39-41
• 2.2.3 OFDM调制技术41-44
• 2.3 面临的问题和挑战44-47
• 2.4 离线实验系统47-48
• 2.5 本章小结48
• 参考文献48-53
• 第三章 基于LED空间特性的脉冲调制技术研究53-71
• 3.1 空间叠加调制原理53-60
• 3.1.1 调制方案设计54-57
• 3.1.2 仿真与结果分析57-60
• 3.2 空间脉冲幅值叠加调制技术60-67
• 3.2.1 系统方案设计60-62
• 3.2.2 实验装置62-64
• 3.2.3 实验结果分析64-67
• 3.3 本章小结67
• 参考文献67-71
• 第四章 基于LED空间特性的OFDM调制技术研究71-91
• 4.1 PSO-OFDM调制技术72-79
• 4.1.1 DCO-OFDM72-74
• 4.1.2 ACO-OFDM74-76
• 4.1.3 PSO-OFDM76-79
• 4.2 实验装置及光学照明设计79-83
• 4.2.1 实验装置79-80
• 4.2.2 光学照明设计及测量结果80-83
• 4.3 实验结果及分析83-87
• 4.4 本章小结87
• 参考文献87-91
• 第五章 基于LED非线性的OFDM调制研究91-121
• 5.1 LED的非线性效应92-95
• 5.1.1 LED非线性模型92-93
• 5.1.2 LED非线性谐波分析93-95
• 5.2 OFDM预均衡对LED非线性的缓解95-101
• 5.2.1 OFDM预均衡技术95-97
• 5.2.2 实验装置97-98
• 5.2.3 实验结果及分析98-101
• 5.3 OFDM的混合时-频域非线性均衡技术101-117
• 5.3.1 Volterra非线性模型101-102
• 5.3.2 基于混合时-频域均衡的OFDM系统102-104
• 5.3.3 自适应N-TDE的设计与实现104-107
• 5.3.4 实验装置107-109
• 5.3.5 实验结果及分析109-117
• 5.3.5.1 固定速率实验109-112
• 5.3.5.2 自适应比特-功率载入实验112-115
• 5.3.5.3 N-TDE的收敛特性115-117
• 5.4 本章总结117
• 参考文献117-121
• 第六章 总结与展望121-125
• 6.1 论文工作总结121-122
• 6.2 工作展望122-125
• 缩略语125-129
• 致谢129-131
• 攻读博士学位期间发表论文情况131

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