【摘要】：可見光通信是一種利用照明光束來傳輸信息的通信技術(shù),它的帶寬范圍廣泛,傳輸速率高,符合智能交通中綠色環(huán)保、快速出行的概念,滿足當(dāng)代通信需求,成為未來文明城市發(fā)展的必備技術(shù)。但是,由于室外環(huán)境復(fù)雜,LED交通燈在傳輸過程中會(huì)受到大氣湍流的影響,導(dǎo)致光脈沖能量衰減,通信距離變短。同時(shí),太陽光等其他光源也會(huì)在接收端產(chǎn)生輻射噪聲,造成系統(tǒng)誤碼率上升。因此,本文旨在依據(jù)脈沖調(diào)制技術(shù)、大氣湍流理論和背景光理論來分析大氣湍流和背景光對(duì)LED交通燈通信系統(tǒng)的影響,并研究減弱湍流和背景光的措施,提高系統(tǒng)通信質(zhì)量。本文主要工作如下:第一,介紹了室外可見光通信的構(gòu)成部分,包括光信號(hào)發(fā)射端、湍流和背景光信道、接收端。詳細(xì)介紹了影響可見光通信系統(tǒng)的因素,包括天氣情況、湍流、背景光等。描述了LED光脈沖在湍流、背景光環(huán)境下的變化趨勢(shì),使用隨機(jī)相位屏建立了大氣湍流模型,使用黑體輻射函數(shù)建立了太陽光產(chǎn)生的背景噪聲。第二,具體闡述了固定閾值檢測(cè)、均值檢測(cè)、傳統(tǒng)盲似然檢測(cè)的基本原理,并提出一種改進(jìn)的盲似然檢測(cè)算法,該算法結(jié)合發(fā)射端的PPM幀頭,在接收端實(shí)行按幀檢測(cè)分組和約束搜索的方法,不僅避免了平板現(xiàn)象,降低了復(fù)雜度,同時(shí)能夠降低對(duì)信道統(tǒng)計(jì)特性的依賴,剔除接近信號(hào)值的噪聲,抑制大氣湍流和背景光的影響,從而提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。最后通過仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。仿真結(jié)果表明:該算法有效地解決了平板問題,降低了復(fù)雜度。當(dāng)湍流強(qiáng)度、背景光強(qiáng)度、傳輸距離和發(fā)光強(qiáng)度改變時(shí),與其他三種檢測(cè)算法相比,改進(jìn)盲似然檢測(cè)算法的系統(tǒng)誤碼率最低,更適合應(yīng)用在室外可見光通信中,提高系統(tǒng)性能。第三,詳細(xì)介紹了功率倒置算法的原理以及均勻線陣接收模型,建立了強(qiáng)背景光下LED交通燈與車輛之間的可見光通信系統(tǒng),并將功率倒置算法引入到該系統(tǒng)中抑制強(qiáng)背景光的影響。分析比較了接收器個(gè)數(shù)和背景光強(qiáng)度對(duì)功率倒置算法的影響,分析比較了不同信干比條件下系統(tǒng)的誤碼率。仿真結(jié)果表明:功率倒置算法通過尋找最優(yōu)權(quán)值,使得接收器陣列在強(qiáng)背景光方向產(chǎn)生很深的零陷,在信號(hào)方向增益保持不變,達(dá)到抑制強(qiáng)背景光的目的。當(dāng)陣元個(gè)數(shù)為3時(shí),功率倒置算法能夠在強(qiáng)背景光方向上產(chǎn)生很深的零陷,信號(hào)方向上增益幾乎不變,而且成本最低,利于推廣。當(dāng)信干比小于-15時(shí),系統(tǒng)誤碼率始終位于10~(-4),能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量傳輸。第四,在室外湍流環(huán)境下,利用FPGA搭建了基于PPM調(diào)制的LED交通燈通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在接收端分別采用改進(jìn)的盲似然檢測(cè)算法和均值檢測(cè)算法恢復(fù)信號(hào),并比較這兩種檢測(cè)算法在不同距離下的誤碼率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,改進(jìn)的盲似然檢測(cè)算法對(duì)湍流的抑制作用更好。
【圖文】：

內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文- 14 -生折射的現(xiàn)象，導(dǎo)致接收端接收到的光束中心位置與預(yù)想的位置有偏差，如圖2.7所示。圖2.7 光束漂移現(xiàn)象(3)光強(qiáng)閃爍光強(qiáng)閃爍指的是可見光光束經(jīng)過湍流時(shí)，相較于可見光光束直徑，此時(shí)的渦旋尺度微乎其微，因此可見光光束經(jīng)過不同大小的渦旋時(shí)，一部分光進(jìn)行衍射，另一部分光進(jìn)行折射，最終合成光束在時(shí)間和空間上隨機(jī)起伏，接收端的光斑位置和強(qiáng)度都不確定，忽強(qiáng)忽弱，亮度分布也不均勻。這種現(xiàn)象也是光束經(jīng)過湍流后最為普遍的現(xiàn)象，如圖2.8所示。接收機(jī)發(fā)射機(jī)圖2.8 光強(qiáng)閃爍現(xiàn)象2.3.3 大氣湍流模型的建立可見光在湍流環(huán)境下的傳輸特性一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。目前，湍流信息的獲取主要有兩種方式：第一種是通過室外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)獲取湍流參數(shù)信息

從圖 2.9 可以看出，經(jīng)過隨機(jī)相位屏后的光強(qiáng)值變化毫無規(guī)律，這符合湍流的特性。圖2.9 隨機(jī)相位屏2.4 背景光介紹2.4.1 背景光的形成在室外環(huán)境中，LED 光束經(jīng)過大氣環(huán)境時(shí)受到湍流的影響，導(dǎo)致接收端接收的光十分微弱，同時(shí)，，由于 LED 燈發(fā)出的光屬于可見光，太陽、路邊標(biāo)志牌、廣告牌、LED液晶屏等其他光源發(fā)出的背景光也會(huì)隨著 LED 燈發(fā)出的光一起進(jìn)入到光電探測(cè)器中，產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射噪聲，若不能有效地區(qū)分背景噪聲與信號(hào)，就會(huì)造成系統(tǒng)誤碼率急劇上升，嚴(yán)重影響可見光通信系統(tǒng)性能。另外，當(dāng)背景光足夠強(qiáng)時(shí)，信號(hào)會(huì)完全淹沒在背景噪聲中
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2610813