本文關(guān)鍵詞：高速可見光通信的調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 發(fā)光二極管(LED) 可見光通信 調(diào)制 正交頻分復(fù)用(OFDM)

【摘要】：隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、移動流媒體等新型業(yè)務(wù)的不斷普及,人們對高速無線通信的需求越來越大。然而,傳統(tǒng)的無線射頻頻譜逐漸被各種無線通信技術(shù)占用殆盡,低于10GHz的電磁頻譜資源已經(jīng)接近枯竭。因此,各種新興的通信技術(shù)應(yīng)運而生,如毫米波、太赫茲波和可見光波技術(shù)等。其中最具代表性的就是基于發(fā)光二極管(LED)的可見光通信技術(shù)�？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)融合了室內(nèi)照明和通信技術(shù),成為近幾年來研究的熱點。然而,可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率受LED的物理帶寬的限制。為了提高系統(tǒng)的傳輸速率,可以利用多維度的資源來實現(xiàn)更高效調(diào)制。目前的研究主要集中在對LED的空間資源和頻域資源的利用。對于空間資源的利用,可以使用多入多出(MIMO)技術(shù)來提升LED的傳輸速率。然而,陣列LED的空間子信道相關(guān)性很強,使得MIMO技術(shù)無法發(fā)揮出優(yōu)勢。對頻域資源的利用,一般通過OFDM技術(shù)來對頻帶進行子信道的劃分,從而達到頻分復(fù)用。然而,LED的非線性效應(yīng)限制了OFDM的傳輸速率。因此,如何根據(jù)LED的自身特點,來充分利用LED的空間和頻域資源,就是當(dāng)前可見光調(diào)制技術(shù)所面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。因此,本論文以LED的調(diào)制技術(shù)為研究對象,對LED陣列調(diào)制的空問特性和LED調(diào)制的非線性效應(yīng)進行深入研究。本文主要取得了以下幾個方面的創(chuàng)新：一,提出了空間脈沖幅值疊加調(diào)制(SPAM),實現(xiàn)了對陣列LED的空間資源的利用,提高了系統(tǒng)的傳輸速率。對于室內(nèi)應(yīng)用場景來說,LED燈主要的作用是作為照明設(shè)備。目前一般的商用LED單芯片的功率一般為0.1-1w。所以在實際的照明系統(tǒng)中,采用LED陣列結(jié)構(gòu)才能滿足室內(nèi)的照明要求。因此,如何將這種LED本身空間特性充分利用起來,來達到提升傳輸速率的目的,就是本文所研究的亮點。當(dāng)多路光信號以視線傳輸(LOS)并行發(fā)送時,多路信號會在自由空間疊加。根據(jù)上述原理,本文根據(jù)LED陣列的幾何特性、陣列數(shù)目,研究了新型的基于空間調(diào)制的技術(shù)來提高傳輸速率。在本文中給出了空間線性疊加的理論分析及仿真結(jié)果,最后,實驗結(jié)果證明在相同條件下,SPAM調(diào)制的傳輸速率比開關(guān)鍵控(OOK)提升了約50%,同時,SPAM具有較低的實現(xiàn)成本和復(fù)雜度。二,提出了極性分離光OFDM (PSO-OFDM)調(diào)制技術(shù),利用LED的空間特性改善了OFDM調(diào)制的動態(tài)范圍,提高了系統(tǒng)的傳輸速率。目前,在可見光通信中最具代表性的OFDM技術(shù)就是直流偏置光OFDM (DCO-OFDM)和非對稱切除光OFDM (ACO-OFDM)調(diào)制技術(shù)。DCO-OFDM具有較高的頻譜效率,但是需要具有較大的LED線性動態(tài)范圍,所以要承受較大LED非線性影響。ACO-OFDM承受較低的非線性,但是頻譜利用率較低。本文所提出的PSO-OFDM調(diào)制技術(shù)綜合了兩者的優(yōu)點,它具有與DCO-OFDM相同的頻譜效率,同時與ACO-OFDM一樣承受較低的非線性效應(yīng)。最后,本文搭建了實驗系統(tǒng)來對三種調(diào)制技術(shù)進行了驗證,實驗結(jié)果表明DCO-OFDM, ACO-OFDM和PSO-OFDM最大的傳輸速率分別為0.85Gb/s,0.84Gb/s和1.1Gb/s。三,提出了混合時-頻域非線性均衡技術(shù)來消除OFDM調(diào)制系統(tǒng)中的非線性影響,提升了OFDM的調(diào)制系數(shù)。在可見光通信系統(tǒng)中,發(fā)射端LED往往是具有非常大的非線性。當(dāng)把OFDM信號加載在LED上時,如果OFDM信號超出LED的線性范圍,那么非線性效應(yīng)會使得OFDM的子載波產(chǎn)生串?dāng)_,使得信號頻譜的帶寬內(nèi)部和帶寬外部都引入噪聲,從而使得系統(tǒng)性能惡化。實驗證明,低頻的子載波承受較高的非線性,所以通過預(yù)均衡技術(shù)來抑制低頻功率并增強高頻功率,就可以在一定程度上緩解非線性的影響。最后,本文使用混合時-頻域的非線性均衡技術(shù)來徹底消除非線性。OFDM系統(tǒng)中的線性失真可用預(yù)均衡來補償,其中非線性失真部分由一個非線性時域均衡器來補償,實驗結(jié)果表明,通過混合時-頻非線性補償后,帶內(nèi)和帶外的非線性噪聲都被消除掉,系統(tǒng)的最大傳輸速率從0.9Gb/s提升到1.4Gb/s。
【關(guān)鍵詞】：發(fā)光二極管(LED) 可見光通信 調(diào)制 正交頻分復(fù)用(OFDM)
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-33
• 1.1 引言13-15
• 1.2 可見光通信技術(shù)概述15-21
• 1.2.1 可見光通信系統(tǒng)簡介15-17
• 1.2.2 可見光通信技術(shù)主要特點17-19
• 1.2.3 可見光通信的未來應(yīng)用與相關(guān)進展19-21
• 1.3 標(biāo)準(zhǔn)化組織與國內(nèi)外研究實體21-22
• 1.4 論文主要內(nèi)容與創(chuàng)新22-24
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)安排24-25
• 參考文獻25-33
• 第二章 可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)33-53
• 2.1 可見光通信調(diào)制中的關(guān)鍵器件34-38
• 2.1.1 LED發(fā)射器特性34-36
• 2.1.2 光電接收器特性36-38
• 2.2 可見光通信主要的調(diào)制技術(shù)38-44
• 2.2.1 LED的調(diào)制原理38-39
• 2.2.2 脈沖調(diào)制技術(shù)39-41
• 2.2.3 OFDM調(diào)制技術(shù)41-44
• 2.3 面臨的問題和挑戰(zhàn)44-47
• 2.4 離線實驗系統(tǒng)47-48
• 2.5 本章小結(jié)48
• 參考文獻48-53
• 第三章 基于LED空間特性的脈沖調(diào)制技術(shù)研究53-71
• 3.1 空間疊加調(diào)制原理53-60
• 3.1.1 調(diào)制方案設(shè)計54-57
• 3.1.2 仿真與結(jié)果分析57-60
• 3.2 空間脈沖幅值疊加調(diào)制技術(shù)60-67
• 3.2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計60-62
• 3.2.2 實驗裝置62-64
• 3.2.3 實驗結(jié)果分析64-67
• 3.3 本章小結(jié)67
• 參考文獻67-71
• 第四章 基于LED空間特性的OFDM調(diào)制技術(shù)研究71-91
• 4.1 PSO-OFDM調(diào)制技術(shù)72-79
• 4.1.1 DCO-OFDM72-74
• 4.1.2 ACO-OFDM74-76
• 4.1.3 PSO-OFDM76-79
• 4.2 實驗裝置及光學(xué)照明設(shè)計79-83
• 4.2.1 實驗裝置79-80
• 4.2.2 光學(xué)照明設(shè)計及測量結(jié)果80-83
• 4.3 實驗結(jié)果及分析83-87
• 4.4 本章小結(jié)87
• 參考文獻87-91
• 第五章 基于LED非線性的OFDM調(diào)制研究91-121
• 5.1 LED的非線性效應(yīng)92-95
• 5.1.1 LED非線性模型92-93
• 5.1.2 LED非線性諧波分析93-95
• 5.2 OFDM預(yù)均衡對LED非線性的緩解95-101
• 5.2.1 OFDM預(yù)均衡技術(shù)95-97
• 5.2.2 實驗裝置97-98
• 5.2.3 實驗結(jié)果及分析98-101
• 5.3 OFDM的混合時-頻域非線性均衡技術(shù)101-117
• 5.3.1 Volterra非線性模型101-102
• 5.3.2 基于混合時-頻域均衡的OFDM系統(tǒng)102-104
• 5.3.3 自適應(yīng)N-TDE的設(shè)計與實現(xiàn)104-107
• 5.3.4 實驗裝置107-109
• 5.3.5 實驗結(jié)果及分析109-117
• 5.3.5.1 固定速率實驗109-112
• 5.3.5.2 自適應(yīng)比特-功率載入實驗112-115
• 5.3.5.3 N-TDE的收斂特性115-117
• 5.4 本章總結(jié)117
• 參考文獻117-121
• 第六章 總結(jié)與展望121-125
• 6.1 論文工作總結(jié)121-122
• 6.2 工作展望122-125
• 縮略語125-129
• 致謝129-131
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文情況131

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