本文關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信系統(tǒng)建模與實(shí)驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 可見(jiàn)光通信 系統(tǒng)建模 OOK調(diào)制 正交頻分復(fù)用 誤碼率

【摘要】：隨著多媒體技術(shù)的普及和智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何地點(diǎn)登陸到全球信息網(wǎng)，高速的獲取信息。雖然這為人們的生活帶來(lái)了極大的便利，但同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸速率與傳輸質(zhì)量提出了更高的要求。而在射頻通信領(lǐng)域，由于信息傳輸需求的驟然增多，使得有限的頻譜資源變得非常緊缺。所以在這樣的背景之下，可見(jiàn)光通信（VLC，Visible LightCommunication）技術(shù)作為傳統(tǒng)射頻通信技術(shù)的有力補(bǔ)充，引起了全球科研人員的廣泛關(guān)注，迅速成為了無(wú)線光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)�？梢�(jiàn)光通信技術(shù)，是利用實(shí)際照明中使用的發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode）發(fā)出快速的、人眼無(wú)法察覺(jué)的閃爍信號(hào)來(lái)傳輸信息，實(shí)現(xiàn)通信的。與現(xiàn)在常用的無(wú)線電射頻通信相比，可見(jiàn)光通信綠色環(huán)保，對(duì)人體無(wú)害，無(wú)需頻帶資源，保密性也很高。因此，可見(jiàn)光通信技術(shù)被普遍認(rèn)為擁有較好的科研價(jià)值和應(yīng)用前景。 本文對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行了建模和實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)是通過(guò)應(yīng)用開(kāi)關(guān)鍵控（OOK，On-Off Keying)技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）提升可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的性能，另外分析了熒光LED通信系統(tǒng)的線性失真并且提出了有效的補(bǔ)償方案。主要的研究?jī)?nèi)容如下： 1.對(duì)可見(jiàn)光信道及可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行建模。第一，討論了LED頻率響應(yīng)特性，用光譜儀測(cè)出了LED的頻率響應(yīng)特性曲線；第二，依據(jù)LED的朗伯分布特性建立了單光源點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光強(qiáng)分布模型，并且對(duì)可見(jiàn)光探測(cè)器進(jìn)行建模，推導(dǎo)了信噪比；第三，研究了可見(jiàn)光信道的頻域響應(yīng)，建立了可見(jiàn)光信道的線性失真模型；第四，基于以上的分析，建立了可見(jiàn)光信道模型并且探討了室內(nèi)可見(jiàn)光通信LED布局優(yōu)化問(wèn)題，建立了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)模型，推導(dǎo)了可見(jiàn)光探測(cè)器輸出電壓信號(hào)的一般表達(dá)式；第五，分別對(duì)基于二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK: BinaryAmplitude Shift Keying)編碼的OOK可見(jiàn)光通信系統(tǒng)和基于仿紅外編碼的OOK可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。 2.設(shè)計(jì)并集成了OOK可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。本文在OOK調(diào)制方式下，利用LED單光源和可見(jiàn)光探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一套可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的發(fā)送裝置和接收裝置，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端由信號(hào)調(diào)制器，LED光源驅(qū)動(dòng)器及白光LED構(gòu)成，接收端由可見(jiàn)光探測(cè)器、信號(hào)處理電路及信號(hào)解調(diào)器構(gòu)成。編寫(xiě)了通信程序并制定了相關(guān)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟、硬件集成，并制作了樣機(jī)。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試，獲得了通信距離、信噪比，光照度等參數(shù)對(duì)通信誤碼率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所選取的硬件及相關(guān)參數(shù)下，最好的光照度為200lx。當(dāng)光照度為200lx時(shí)，通信距離從0到200cm變化時(shí)，誤碼率都在10-4左右。 3.建立了熒光LED通信系統(tǒng)，研究了該通信系統(tǒng)的線性失真特性，并為此設(shè)計(jì)了一、二、三階高通濾波電路作為線性失真補(bǔ)償電路。引入線性失真補(bǔ)償電路后，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)量了熒光LED通信系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用三階線性失真補(bǔ)償電路可以有效地補(bǔ)償通信系統(tǒng)的線性失真，將原系統(tǒng)幅頻響應(yīng)由在0.3~6MHz范圍內(nèi)衰減60dB，改善為在0.3~45MHz范圍內(nèi)僅衰減20dB。當(dāng)要求系統(tǒng)增益的波動(dòng)小于10dB時(shí)，系統(tǒng)的通頻帶寬度可從補(bǔ)償前的1.8MHz提高到三階補(bǔ)償后的41MHz，增大了約23倍，且在此頻帶范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有相對(duì)較小的增益。本文的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析結(jié)果為研究熒光LED通信系統(tǒng)線性失真特性及其影響提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，，也為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能提供理論參考。 4.對(duì)OFDM通信系統(tǒng)進(jìn)行了整體建模，給出了基于SIMULINK的OFDM系統(tǒng)電學(xué)發(fā)送端與接收端的模型框圖，確定了仿真模型的主要參數(shù)。將信道估計(jì)技術(shù)、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、里所碼（RS，Reed-Solomon Code）糾錯(cuò)編碼技術(shù)用于OFDM系統(tǒng)的建模中，構(gòu)建出了OFDM可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，在給定光源和探測(cè)器參數(shù)的前提下，仿真分析了調(diào)制方式、導(dǎo)頻形式、導(dǎo)頻比、信道編碼、通信距離等因素對(duì)誤碼率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同條件下，正交相移鍵控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keyin）調(diào)制方式下系統(tǒng)的誤碼率低于正交振幅（8QAM，8QuadratureAmplitudeModulation）調(diào)制方式，但同時(shí)也應(yīng)該看到在8QAM調(diào)制方式下，系統(tǒng)的通信速率更快一些。RS編碼可以大幅降低系統(tǒng)的誤碼率，對(duì)通信系統(tǒng)的性能的改善起到很積極的影響。當(dāng)采用QPSK調(diào)制方式、引入RS信道編碼、導(dǎo)頻形式為塊狀導(dǎo)頻、且導(dǎo)頻比取為1/3時(shí)，通信系統(tǒng)誤碼率可降至10-5以下，通信距離可達(dá)0.9m。
【關(guān)鍵詞】：可見(jiàn)光通信 系統(tǒng)建模 OOK調(diào)制 正交頻分復(fù)用 誤碼率
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-33
• 1.1 課題背景及研究意義16-18
• 1.2 可見(jiàn)光通信調(diào)制技術(shù)分類(lèi)與特點(diǎn)18-22
• 1.2.1 OOK 調(diào)制技術(shù)19-21
• 1.2.2 OFDM 調(diào)制技術(shù)21-22
• 1.3 國(guó)內(nèi)外可見(jiàn)光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀22-29
• 1.3.1 國(guó)外可見(jiàn)光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀22-28
• 1.3.2 國(guó)內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀28-29
• 1.4 論文的主要工作29-33
• 1.4.1 文章結(jié)構(gòu)30
• 1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容30-31
• 1.4.3 主要工作成績(jī)31-33
• 第2章 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)建模與仿真33-48
• 2.1 LED 光源及光譜響應(yīng)33-37
• 2.1.1 LED 的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理33-35
• 2.1.2 白光 LED 光譜響應(yīng)35
• 2.1.3 LED 單光源發(fā)光模型35-37
• 2.2 探測(cè)器及其接收電路建模37-38
• 2.3 可見(jiàn)光信道的線性失真建模38-39
• 2.4 可見(jiàn)光通信信道建模39-43
• 2.4.1 可見(jiàn)光通信信道建模39-40
• 2.4.2 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)光源布局建模與仿真40-43
• 2.5 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)建模與仿真43-47
• 2.5.1 基于 2ASK 編碼的 OOK 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)建模與仿真43-46
• 2.5.2 基于仿紅外編碼的 OOK 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)仿真46-47
• 2.6 本章小結(jié)47-48
• 第3章 基于 OOK 的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究48-70
• 3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與工作原理48-50
• 3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)48-49
• 3.1.2 系統(tǒng)工作原理49-50
• 3.2 VLC 發(fā)送端硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)50-58
• 3.2.1 白光 LED 陣列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)51-53
• 3.2.2 信號(hào)放大與隔直電路的設(shè)計(jì)53-55
• 3.2.3 Bias-Tee 電路的設(shè)計(jì)55-56
• 3.2.4 數(shù)據(jù)幀協(xié)議與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)56-58
• 3.3 接收端硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)58-65
• 3.3.1 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)59-60
• 3.3.2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)60-62
• 3.3.3 信號(hào)整形電路設(shè)計(jì)62-64
• 3.3.4 接收端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)64-65
• 3.4 基于 OOK 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析65-69
• 3.4.1 系統(tǒng)集成65-66
• 3.4.2 信噪比測(cè)試實(shí)驗(yàn)66
• 3.4.3 誤碼率測(cè)試實(shí)驗(yàn)66-68
• 3.4.4 通信穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)68-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 第4章 熒光 LED 通信系統(tǒng)的線性失真及其補(bǔ)償70-83
• 4.1 熒光 LED 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)70-72
• 4.1.1 熒光 LED 通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)70-71
• 4.1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵器件71-72
• 4.2 線性失真度測(cè)量實(shí)驗(yàn)72-74
• 4.3 線性失真補(bǔ)償及實(shí)驗(yàn)74-82
• 4.3.1 一階線性失真補(bǔ)償電路及實(shí)驗(yàn)74-76
• 4.3.2 二階線性失真補(bǔ)償電路及實(shí)驗(yàn)76-79
• 4.3.3 三階線性失真補(bǔ)償電路及實(shí)驗(yàn)79-81
• 4.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析81-82
• 4.4 本章小結(jié)82-83
• 第5章 OFDM 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真83-103
• 5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)83-84
• 5.2 系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)計(jì)與建模84-91
• 5.2.1 RS 信道編碼模塊84-85
• 5.2.2 數(shù)字調(diào)制模塊85-87
• 5.2.3 導(dǎo)頻產(chǎn)生模塊87
• 5.2.4 OFDM 信號(hào)產(chǎn)生模塊87-91
• 5.3 系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì)與建模91-94
• 5.3.1 OFDM 信號(hào)解調(diào)模塊92
• 5.3.2 信道估計(jì)模塊92-93
• 5.3.3 信道補(bǔ)償模塊93-94
• 5.4 通信系統(tǒng)仿真94-101
• 5.4.1 調(diào)制方式對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響96-97
• 5.4.2 RS 編碼對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響97-98
• 5.4.3 導(dǎo)頻比（塊狀導(dǎo)頻）對(duì)通信系統(tǒng)的影響98-99
• 5.4.4 導(dǎo)頻比（梳狀導(dǎo)頻）對(duì)通信系統(tǒng)的影響99-100
• 5.4.5 導(dǎo)頻形式對(duì)通信性能的影響100-101
• 5.5 本章小結(jié)101-103
• 第6章 總結(jié)與展望103-107
• 6.1 全文總結(jié)103-105
• 6.2 工作展望105-107
• 參考文獻(xiàn)107-122
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間取得的科研成果122-124
• 致謝124

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1095181