本文關鍵詞：可見光通信系統(tǒng)建模與實驗研究

  更多相關文章： 可見光通信 系統(tǒng)建模 OOK調制 正交頻分復用 誤碼率

【摘要】：隨著多媒體技術的普及和智能網絡技術的迅速發(fā)展，人們可以在無線網絡覆蓋區(qū)域內的任何地點登陸到全球信息網，高速的獲取信息。雖然這為人們的生活帶來了極大的便利，但同時也對數據的無線傳輸速率與傳輸質量提出了更高的要求。而在射頻通信領域，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，可見光通信（VLC，Visible LightCommunication）技術作為傳統(tǒng)射頻通信技術的有力補充，引起了全球科研人員的廣泛關注，迅速成為了無線光通信領域的研究熱點�？梢姽馔ㄐ偶夹g，是利用實際照明中使用的發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode）發(fā)出快速的、人眼無法察覺的閃爍信號來傳輸信息，實現通信的。與現在常用的無線電射頻通信相比，可見光通信綠色環(huán)保，對人體無害，無需頻帶資源，保密性也很高。因此，可見光通信技術被普遍認為擁有較好的科研價值和應用前景。 本文對可見光通信系統(tǒng)進行了建模和實驗研究，重點是通過應用開關鍵控（OOK，On-Off Keying)技術和正交頻分復用技術（OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）提升可見光通信系統(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償方案。主要的研究內容如下： 1.對可見光信道及可見光通信系統(tǒng)進行建模。第一，討論了LED頻率響應特性，用光譜儀測出了LED的頻率響應特性曲線；第二，依據LED的朗伯分布特性建立了單光源點對點光強分布模型，并且對可見光探測器進行建模，推導了信噪比；第三，研究了可見光信道的頻域響應，建立了可見光信道的線性失真模型；第四，基于以上的分析，建立了可見光信道模型并且探討了室內可見光通信LED布局優(yōu)化問題，建立了可見光通信系統(tǒng)模型，推導了可見光探測器輸出電壓信號的一般表達式；第五，分別對基于二進制幅度鍵控(2ASK: BinaryAmplitude Shift Keying)編碼的OOK可見光通信系統(tǒng)和基于仿紅外編碼的OOK可見光通信系統(tǒng)進行了建模和仿真，仿真結果驗證了模型的準確性。 2.設計并集成了OOK可見光通信系統(tǒng)。本文在OOK調制方式下，利用LED單光源和可見光探測器，設計了一套可見光通信系統(tǒng)的發(fā)送裝置和接收裝置，實現了點對點的數據傳輸。發(fā)送端由信號調制器，LED光源驅動器及白光LED構成，接收端由可見光探測器、信號處理電路及信號解調器構成。編寫了通信程序并制定了相關通信協(xié)議，實現了系統(tǒng)的軟、硬件集成，并制作了樣機。通過對樣機的測試，獲得了通信距離、信噪比，光照度等參數對通信誤碼率的影響。實驗結果表明，在所選取的硬件及相關參數下，最好的光照度為200lx。當光照度為200lx時，通信距離從0到200cm變化時，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，并為此設計了一、二、三階高通濾波電路作為線性失真補償電路。引入線性失真補償電路后，利用網絡分析儀分別測量了熒光LED通信系統(tǒng)的幅頻響應。對比實驗結果可知，采用三階線性失真補償電路可以有效地補償通信系統(tǒng)的線性失真，將原系統(tǒng)幅頻響應由在0.3~6MHz范圍內衰減60dB，改善為在0.3~45MHz范圍內僅衰減20dB。當要求系統(tǒng)增益的波動小于10dB時，系統(tǒng)的通頻帶寬度可從補償前的1.8MHz提高到三階補償后的41MHz，增大了約23倍，且在此頻帶范圍內，系統(tǒng)具有相對較小的增益。本文的實驗測試和分析結果為研究熒光LED通信系統(tǒng)線性失真特性及其影響提供了數據依據，，也為進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能提供理論參考。 4.對OFDM通信系統(tǒng)進行了整體建模，給出了基于SIMULINK的OFDM系統(tǒng)電學發(fā)送端與接收端的模型框圖，確定了仿真模型的主要參數。將信道估計技術、數字調制技術、里所碼（RS，Reed-Solomon Code）糾錯編碼技術用于OFDM系統(tǒng)的建模中，構建出了OFDM可見光通信系統(tǒng)，在給定光源和探測器參數的前提下，仿真分析了調制方式、導頻形式、導頻比、信道編碼、通信距離等因素對誤碼率的影響。實驗結果表明：相同條件下，正交相移鍵控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keyin）調制方式下系統(tǒng)的誤碼率低于正交振幅（8QAM，8QuadratureAmplitudeModulation）調制方式，但同時也應該看到在8QAM調制方式下，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，對通信系統(tǒng)的性能的改善起到很積極的影響。當采用QPSK調制方式、引入RS信道編碼、導頻形式為塊狀導頻、且導頻比取為1/3時，通信系統(tǒng)誤碼率可降至10-5以下，通信距離可達0.9m。
【關鍵詞】：可見光通信 系統(tǒng)建模 OOK調制 正交頻分復用 誤碼率
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 可見光通信調制技術分類與特點18-22
• 1.2.1 OOK 調制技術19-21
• 1.2.2 OFDM 調制技術21-22
• 1.3 國內外可見光通信技術的研究現狀22-29
• 1.3.1 國外可見光通信技術的研究現狀22-28
• 1.3.2 國內可見光通信技術的研究現狀28-29
• 1.4 論文的主要工作29-33
• 1.4.1 文章結構30
• 1.4.2 主要研究內容30-31
• 1.4.3 主要工作成績31-33
• 第2章 可見光通信系統(tǒng)建模與仿真33-48
• 2.1 LED 光源及光譜響應33-37
• 2.1.1 LED 的結構及發(fā)光原理33-35
• 2.1.2 白光 LED 光譜響應35
• 2.1.3 LED 單光源發(fā)光模型35-37
• 2.2 探測器及其接收電路建模37-38
• 2.3 可見光信道的線性失真建模38-39
• 2.4 可見光通信信道建模39-43
• 2.4.1 可見光通信信道建模39-40
• 2.4.2 可見光通信系統(tǒng)光源布局建模與仿真40-43
• 2.5 可見光通信系統(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 可見光通信系統(tǒng)仿真46-47
• 2.6 本章小結47-48
• 第3章 基于 OOK 的可見光通信系統(tǒng)設計與實驗研究48-70
• 3.1 系統(tǒng)整體結構與工作原理48-50
• 3.1.1 系統(tǒng)結構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)設計50-58
• 3.2.1 白光 LED 陣列驅動電路設計51-53
• 3.2.2 信號放大與隔直電路的設計53-55
• 3.2.3 Bias-Tee 電路的設計55-56
• 3.2.4 數據幀協(xié)議與軟件系統(tǒng)設計56-58
• 3.3 接收端硬件與軟件系統(tǒng)設計58-65
• 3.3.1 光電檢測電路的設計59-60
• 3.3.2 信號放大電路的設計60-62
• 3.3.3 信號整形電路設計62-64
• 3.3.4 接收端軟件系統(tǒng)設計64-65
• 3.4 基于 OOK 可見光通信系統(tǒng)實驗與結果分析65-69
• 3.4.1 系統(tǒng)集成65-66
• 3.4.2 信噪比測試實驗66
• 3.4.3 誤碼率測試實驗66-68
• 3.4.4 通信穩(wěn)定性測試實驗68-69
• 3.5 本章小結69-70
• 第4章 熒光 LED 通信系統(tǒng)的線性失真及其補償70-83
• 4.1 熒光 LED 通信系統(tǒng)設計70-72
• 4.1.1 熒光 LED 通信系統(tǒng)的結構70-71
• 4.1.2 系統(tǒng)關鍵器件71-72
• 4.2 線性失真度測量實驗72-74
• 4.3 線性失真補償及實驗74-82
• 4.3.1 一階線性失真補償電路及實驗74-76
• 4.3.2 二階線性失真補償電路及實驗76-79
• 4.3.3 三階線性失真補償電路及實驗79-81
• 4.3.4 實驗結果及分析81-82
• 4.4 本章小結82-83
• 第5章 OFDM 可見光通信系統(tǒng)設計與仿真83-103
• 5.1 系統(tǒng)結構83-84
• 5.2 系統(tǒng)發(fā)送端設計與建模84-91
• 5.2.1 RS 信道編碼模塊84-85
• 5.2.2 數字調制模塊85-87
• 5.2.3 導頻產生模塊87
• 5.2.4 OFDM 信號產生模塊87-91
• 5.3 系統(tǒng)接收端設計與建模91-94
• 5.3.1 OFDM 信號解調模塊92
• 5.3.2 信道估計模塊92-93
• 5.3.3 信道補償模塊93-94
• 5.4 通信系統(tǒng)仿真94-101
• 5.4.1 調制方式對通信系統(tǒng)性能的影響96-97
• 5.4.2 RS 編碼對通信系統(tǒng)性能的影響97-98
• 5.4.3 導頻比（塊狀導頻）對通信系統(tǒng)的影響98-99
• 5.4.4 導頻比（梳狀導頻）對通信系統(tǒng)的影響99-100
• 5.4.5 導頻形式對通信性能的影響100-101
• 5.5 本章小結101-103
• 第6章 總結與展望103-107
• 6.1 全文總結103-105
• 6.2 工作展望105-107
• 參考文獻107-122
• 作者簡介及在學期間取得的科研成果122-124
• 致謝124

【參考文獻】

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本文編號：1095181