基于單載波調(diào)制的可見光通信傳輸系統(tǒng)建模與仿真

1、基于單載波調(diào)制的可見光通信傳輸系統(tǒng)建模與仿真摘 要可見光通信技術(shù)是近年來新興的一種無線通信技術(shù)，利用白光 LED 的高速明暗閃爍來傳輸信息，使得 LED 兼有照明和通信的兩大用途。白光不僅頻譜很寬，而且這些資源的使用不需要經(jīng)過授權(quán)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)又使得上網(wǎng)更加方便快捷，而且相比傳統(tǒng)通信的建立基站，要更方便，更容易搭建和拆卸。綜上，研究可見光通信技術(shù)意義重大。為研究可見光通信，本文先研究了LED的發(fā)光機理和主要特性。由于單載波避免了多載波系統(tǒng)的在各相位相同時的最大瞬時電功率與平均電功率的比值(PAPR)很大的問題，這樣在設(shè)計中可以采用更經(jīng)濟高效的功率放大器，所以本文主要研究了基于PPM.PAM等

2、單載波調(diào)制技術(shù)的可見光通信建模及仿真，并通過仿真分析了PPM.PAM在高斯白噪聲及非成像增益基礎(chǔ)上的誤碼性能。關(guān)鍵詞：可見光通信；單載波調(diào)制；LED誤碼性能；調(diào)制性能ABSTRACTVisible light communication technology is a new wireless communication technology in recent years. It makes use of the high speed light and dark flicker of white light LED to transmit information, which makes

3、LED have both lighting and communication applications. White light not only has a wide spectrum, but also does not require authorization to use these resources. The combination of visible light communication technology and power line technology makes the wiring of visible light communication more co

4、nvenient, compared with the traditional communication base station, it is more convenient to set up and disassemble the visible light communication technology, and the combination of visible light communication technology and powerdy visible optical communication, this paper first studies The line t

5、echnology makes it more convenient to set up and disassemble the visible light communication. In summary, the study of visible light communication technology is of great significance. In order to stuluminescence mechanism and main characteristics of LED were investigated. Since the single carrier av

6、oids the problem of the ratio of the maximum instantaneous power to the average electric power of the multicarrier system (PAPR) with the same phase, a more economical and efficient power amplifier can be used in the design. Therefore, this paper mainly studies the modeling and simulation of visible

7、 lightcommunication based on PPM.PAM and other single carrier modulation techniques, and analyzes the error performance of PPM.PAM under Gao Si white noise by simulation. Finally, the effects of various parameters on the modulation performance are analyzed with eye images and other simulation images

8、.Keywords: Thesis; template; criterion; figure; table目 錄第1章 緒論51.1 本論文的背景和意義51.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀91.3 本文結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容11第2章 LED的發(fā)光機理及特性132.1 LED的發(fā)光原理132.2 LED的物理特性132.2.1 LED的光譜特性132.2.2 伏安特性152.2.3 輻射特性15第3章 可見光通信主要調(diào)制技術(shù)173.1 可見光通信技術(shù)173.2 脈沖調(diào)制技術(shù)193.2.1 PPM調(diào)制193.2.2 PPM調(diào)制技術(shù)193.2.3 PPM解調(diào)技術(shù)193.3 PAM調(diào)制213.3.1 自然抽樣的脈沖調(diào)

9、幅213.3.2 平頂抽樣的脈沖調(diào)幅213.3.3 誤碼性能23第4章 表的格式要求74.1 表的格式74.1.1 表74.2 表的內(nèi)容7第5章 結(jié)論與展望95.1 結(jié)論95.2 不足之處及未來展望9參考文獻11致 謝12附錄A： 作者在校期間發(fā)表的論文13附錄B：14第1章 緒論1.1本論文的背景和意義 由于信息技術(shù)的發(fā)展和全球智能終端的受歡迎，移動用戶的規(guī)模飛速增長，創(chuàng)造了巨大的移動互聯(lián)網(wǎng)市場。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU - R）發(fā)布的報告，預(yù)計2015年中國移動電話用戶將達到870萬人，到2020年將增長到1070萬人。隨著移動用戶數(shù)量的急劇增加，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的新內(nèi)容和應(yīng)用也高漲，數(shù)據(jù)業(yè)

10、務(wù)的需求也在指數(shù)函數(shù)上增加。2010年，產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)省，說了10年，移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)，1000次增長。同時，中國制造業(yè)（2015年、2025年）的開發(fā)計劃發(fā)布表明，中國進入了新的信息產(chǎn)業(yè)革命的重要時刻。2互聯(lián)網(wǎng)，例如，互聯(lián)網(wǎng)、智能城市、汽車網(wǎng)絡(luò)等新型產(chǎn)業(yè)和理念對于移動互聯(lián)網(wǎng)具有更大的容量和超高速要求。但是，傳統(tǒng)的射頻（rf）通信技術(shù)由于頻譜資源不足，無法滿足超高速移動互聯(lián)網(wǎng)的需求，顯示出了嚴(yán)重的瓶頸問題。為了從根本上解決超大容量通信的需求和光譜危機的矛盾，開發(fā)新的光譜是當(dāng)務(wù)之急。這種情況下，由于可見帶寬頻譜資源豐富而受到關(guān)注，國內(nèi)外的研究領(lǐng)域開始探索可見域的巨大透過潛力。另一方面，發(fā)光二極管

11、技術(shù)急速發(fā)展。LED是將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體電子部件。經(jīng)過幾十年的技術(shù)更新和開發(fā)，1962年出現(xiàn)后，今天的LED技術(shù)非常成熟。最初，它可以發(fā)出低光度紅燈，現(xiàn)在它發(fā)光了。通過可見光、紅外線等。與以往的白熾燈泡和節(jié)能燈相比作為新的光源，LED具有電光學(xué)轉(zhuǎn)換效率、小型、長壽命、低能耗等諸多優(yōu)點。其壽命可達10小時，僅為節(jié)能燈的1 / 4的白熾燈泡的1 / 10。這些優(yōu)點使得LED逐漸取代傳統(tǒng)照明設(shè)備。另外，由于成熟的生產(chǎn)工藝，LED的制造成本也大幅降低，其廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、交通燈、汽車前燈及生活顯示屏等各個方面。除了照明的優(yōu)點之外，LED也具有良好的調(diào)制性能。該發(fā)光強度根據(jù)驅(qū)動電流急速變化，調(diào)制

12、帶寬能從數(shù)十MHz達到數(shù)百MHz，能使用高速無線通信用的可視帶寬 6 。在RF光譜資源不足和LED技術(shù)成熟的雙重背景下，可見光通信(VLC)成為研究熱點。VLC是將led技術(shù)與信息傳輸組合的通信技術(shù)。發(fā)送信息經(jīng)由驅(qū)動電路加載到由LED發(fā)出的高速變化光，光在接收端由光檢測器(PD)接收。通過后續(xù)的信號處理能夠容易地恢復(fù)發(fā)送信息。在調(diào)制頻率足夠高的情況下，由于人的眼睛無法檢測光的變化，因此不影響LED的本來的照明效果，并且確保同時的數(shù)據(jù)通信和室內(nèi)照明功能。VLC技術(shù)的傳輸距離由數(shù)米變化為數(shù)十米。與越來越普及的led室內(nèi)照明系統(tǒng)結(jié)合，它可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境以解決通信傳輸?shù)摹白詈笠环忄]件”問題。圖1

13、.1示出了典型的室內(nèi)VLC系統(tǒng)。作為重要的室內(nèi)無線通信技術(shù)，VLC為了其大容量、綠色和環(huán)保，在國內(nèi)外越來越受到奧斯卡和產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。目前，在日本設(shè)立的可見光通信協(xié)會，多數(shù)團體致力于實現(xiàn)具有代表性的vlc標(biāo)準(zhǔn)化。IEEE 802.15.7無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)委員會(IE 802.15.7可見光通信任務(wù)組、IE 802.15 WPAN任務(wù)組7)的VLCA 8及VLC工作組。在無線通信領(lǐng)域，rf無線通信技術(shù)正在普及。與rf通信相比，vlc具有以下特征。(1)光譜資源豐富，不要求光譜容許性。無線電頻譜是非常寶貴的有限資源。對于頻帶的使用，需要無線管理部門嚴(yán)厲的批準(zhǔn)。隨著通信服務(wù)的持續(xù)增長，可用的無線頻譜

14、資源越來越少。相反，VLC具有多個電勢光譜資源 10 。如圖1.2所示，可見光的頻率范圍從380 THz到790 THz，這彌補了無線頻譜資源的不足。VLC可以不干擾RF頻帶，而無頻譜許可地自由地獲得電荷。 (2) 電磁輻射，綠色環(huán)保。隨著社會的發(fā)展，環(huán)境保護和低碳的概念深深扎根在人們的心中。RF通信依賴于引起特定電磁輻射的無線電波的傳輸。許多研究表明，長期暴露電磁輻射對人體健康有害。VLC作為不生成電磁波的信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，使用日常的照明，保證用戶長時間處于無線通信網(wǎng)絡(luò)，不損害他們的健康。另外，VLC在LED照明中完成信息的傳輸，LED設(shè)備的能源消耗低，降低資源及碳排放量的成本，最大限度地保證

15、環(huán)境保護11。 (3) 那個機密性很高。在以往的rf通信中，在宇宙空間中很容易獲得電磁波信號。因此，以往的rf通信的安全性一直是課題。通常，一些額外的加密方法需要確保通信的安全性。因為可見光的波長比較短，其折射非常弱，所以在透過過程中，可見光不會通過墻壁泄漏到室外，所以防止發(fā)送信息的惡意干擾。并且，VLC方向性良好，光沿設(shè)定的方向擴展，通信的秘密性提高12。 (4) 安裝成本低。RF通信需要特別的通信基礎(chǔ)設(shè)施。為了覆蓋信號的所有方面，需要投資更多的成本來構(gòu)建基站?；趌ed照明開發(fā)了vlc。因此，VLC網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不僅需要重建特別的基礎(chǔ)設(shè)施，還需要擴展到現(xiàn)有的可見光LED系統(tǒng)來執(zhí)行通信功能，從而

16、降低實施成本 13?；谶@些獨特的優(yōu)勢，VLC可為區(qū)域信息基礎(chǔ)建設(shè)提供快速大容量的解決。同時，VLC在許多情況下（醫(yī)院、礦山、發(fā)動機房、加油站等）都有廣泛的應(yīng)用前景?？傊跓o線光譜資源不足和高速傳輸?shù)木o急任務(wù)中，vlc是國家信息化的重要方向之一，研究的重要性非常重要。首先，各國正在努力探索巨大的可見光譜傳輸容量，VLC的研究可以使國家國際化。這是獲得第一個機會和光譜競爭聲線的重大戰(zhàn)略意義。其次，VLC實現(xiàn)的低成本，結(jié)合LED所有照明覆蓋網(wǎng)絡(luò)，可以促進巨大的VLC市場，帶來相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟利益。因此，vlc的研究具有重要的經(jīng)濟意義。最后，led的低能耗可削減溫室效應(yīng)氣體排放量，通信過程中不存在電磁波

17、。輻射對環(huán)境保護起著重要的作用。調(diào)制技術(shù)：近年來，可見光無線通信技術(shù)急速發(fā)展，從數(shù)十兆位/秒到500 mb/s，甚至千兆位/秒。其中，選擇合適的調(diào)制格式是提高傳輸速度的重要方法之一?？梢姛o線通信系統(tǒng)的主要調(diào)制技術(shù)是開關(guān)鍵控（ook）、脈沖位置調(diào)制（ppm）、dc偏置光正交頻分復(fù)用（dco-ofdm）。在非同步剪輯光OFDM(ACO - OFDM)和脈沖幅度調(diào)制離散多音調(diào)(PAM - DMT)、單載波頻域均衡(SC - FDE)、載波幅度相位調(diào)制(CAM)度、相位、蓋等輔助光功率信號平移信道中，射頻無線通信系統(tǒng)中的調(diào)制模式可以使用DC偏置來應(yīng)用于可見光無線通信系統(tǒng)，該DC偏置包括DC偏置PAM、

18、DC偏置PM和DC偏置正交調(diào)幅(QAM)。sc-fde調(diào)制的頻譜效率與ofdm相同，sc-fde調(diào)制的計算復(fù)雜度與ofdm相同。然而，SC-FDE調(diào)制的兩個FFT在接收器中完成，且發(fā)射器簡單。單載波方式避免以O(shè)FDM方式導(dǎo)入的高PAPR的問題，LED燈、功率放大器、光檢測器的線性要求明顯降低，能夠有效地降低VLC信道的非線性效果。 1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀關(guān)于可見光通信國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)VLC研究開始比較遲緩，還在被逼得走投無路。對可見光譜資源的興趣高漲，為了促進vlc的研究投入了大量的研究資金。2013年，全國863項目“可見通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究”正式啟動。項目由信息工程PLA大學(xué)主導(dǎo)，并由中

19、國一些主要研究機構(gòu)共同完成。項目開發(fā)潛在的可見光譜資源，研究在復(fù)雜的信道條件下的VLC主要技術(shù)，建立對應(yīng)的通信實驗系統(tǒng)，證實典型應(yīng)用，建立VLC 37 工業(yè)化的基礎(chǔ)。同年，由清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北京郵政大學(xué)、東南大學(xué)、半導(dǎo)體研究所共同實施的全國973項目“廣譜信號無線傳輸理論與方法研究”啟動。研究基于廣譜載波的無線通信理論和方法。）。隨著研究的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)研究機構(gòu)在vlc研究領(lǐng)域取得了進步。這里簡單介紹了近年來的成果。富丹大學(xué)的研究小組實施了使用紅色綠色(RGB)3色LED燈和熒光體熒光體LED 39 - 41 的高速VLC傳輸系統(tǒng)。2014年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所證實了基于

20、熒光體熒光體LED的低復(fù)雜性VLC系統(tǒng)。在傳輸距離為60 cm的情況下，實時傳輸速率可達到550 mbit/s42。另外，信息工程系的專家還將vlc的應(yīng)用方案擴展到水下通信場，利用可見光實現(xiàn)了高速水下通信。另外，清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和后臺交流的北京大學(xué)、華盛科技大學(xué)等研究小組還從事了VLC研究，在這里取得了豐碩的研究成果。在VLC工業(yè)化和研究成果的轉(zhuǎn)換方面，國內(nèi)的相關(guān)單位也做了很多工作。廣東半導(dǎo)體光源工業(yè)會正在積極推進vlc技術(shù)工業(yè)化。協(xié)會為了引導(dǎo)廣東省VLC工業(yè)化未來的方向，實施“廣東可見光通信與標(biāo)準(zhǔn)光模塊產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖（2015年2019年）”的編譯。2016年1月16日，廣東

21、省可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖準(zhǔn)備在廣州召開專家研討會。在研討會上，論述了vlc應(yīng)用的現(xiàn)狀、今后的開發(fā)動向和工業(yè)化前景。各種各樣的大學(xué)積極致力于vlc技術(shù)的變革。例如，清華大學(xué)多媒體傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)研究中心在可見光通信電力線通信以太網(wǎng)、室內(nèi)定位及導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他vlc系統(tǒng)原型2的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，將基于vlc的雙向聲音傳輸系統(tǒng)開發(fā)了項目。研究生Wu Jiangxing、PLA大學(xué)信息工程教授Honghongyi率領(lǐng)研發(fā)團隊完成包括“可見光隱性廣告”和“在我手下可見光通信與定位”在內(nèi)的9個示威系統(tǒng)。其中兩項已被證實在礦道領(lǐng)域環(huán)境 44 。除了大學(xué)的科學(xué)研究機關(guān)以外，從事VLC的研究開發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)也啟動

22、著對應(yīng)的產(chǎn)品。2013年11月，深圳Guangqi技術(shù)有限公司公布了東南大學(xué)博士論文付款系統(tǒng)的研究開發(fā)。明年6月，Pan - an集團與深圳Guangqi簽署了一項戰(zhàn)略聯(lián)盟，以解決照片支付問題。同時，該公司還開發(fā)了光子覆蓋系統(tǒng)和光子接入控制系統(tǒng) 44 ?？梢姽馔ㄐ艊獍l(fā)展?fàn)顩r 由于VLC的重要實用價值和廣泛應(yīng)用前景，VLC的廣泛應(yīng)用前景開闊，推動其工業(yè)化，日本、歐洲聯(lián)盟、英國以及美國等許多國家開始了VLC的研究工作。蘇格蘭科學(xué)家亞歷山大格雷厄姆貝爾發(fā)明了第一部光學(xué)電話可以追溯到1880年。但是，VLC的快速發(fā)展，多虧LED技術(shù)的成熟，在過去10年里(上)集中著 14 。日本是進行可見光通信研究

23、的早期國家，取得了許多成果。2000年初慶應(yīng)義塾大學(xué)的中川教授團隊開發(fā)了基于白色LED的室內(nèi)VLC概念，進行了信道模型和系統(tǒng)性能的預(yù)備調(diào)查。此后，研究小組調(diào)查了VLC的調(diào)制模式、多路徑傳輸、系統(tǒng)性能等許多方面 16 - 19 ，把高度的VLC拓展到了智能運輸和場所 20、21 等新的應(yīng)用方案。特別是在2004年，進行了基于led vlc的基本解析。在分析過程中綜合考察led照明和信息傳達兩個方面。論述了光反射、碼間干擾等實際因素的影響。符號間干擾是降低vlc系統(tǒng)性能的重要因素。同時，vlc實現(xiàn)了10 gbit/s的通信速度。在2009年，為了解決isi的問題，提出了基于自適應(yīng)均衡的vlc系統(tǒng)，

24、通過模擬對高速傳輸?shù)倪m用性進行了驗證23。 此外，日本以推動vlc工業(yè)化為目標(biāo)，于2003年成立了vlca組織。東京大學(xué)、慶應(yīng)義塾大學(xué)、早稻田大學(xué)等卡西歐、松下、東京電力、東芝等知名企業(yè)全部是團體。組織率領(lǐng)了許多VLC研究項目，與三星公司合作，以1 m的工作距離和100 Mbit / s的傳輸速度開發(fā)了VLCA組織。同時，致力于vlc的標(biāo)準(zhǔn)化。2007年，提出了由電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會（jeita），即jeita cp-1221和jeita cp-1222采用的vlc兩種系統(tǒng)規(guī)格。2009年，提出了vlc物理層規(guī)格。為了抓住光通信發(fā)展的機會，歐洲于2008年開始訪問（）網(wǎng)站，以推進光通信的研究。

25、該學(xué)術(shù)項目由西門子、法國電信、亨利希爾茲研究所（HHI）等知名企業(yè)從歐洲學(xué)院和工業(yè)20多個機構(gòu)完成。產(chǎn)業(yè)研究機關(guān)也參與著。VLC被記載為提供家庭高速無線接入新型項目的重要組成部分。從2011到德國使用紅、綠、藍(lán)三色LED和波長分復(fù)用（WDM），中國研究小組最多達到了803 Mbit / s 26 的峰值。2014年，歐盟開始計劃投資約800億歐元的地平線2020項目。我們打算在2020年之前在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要的技術(shù)革新和突破，vlc顯然是其支撐的重要研究領(lǐng)域之一。英國也在可見光通信研究的最前線。許多著名的大學(xué)，包括牛津大學(xué)、愛丁堡大學(xué)、南安普頓大學(xué)等進行了VLC研究。牛津大學(xué)的奧布賴恩

26、教授團隊在2009年實施了100 mbit / s的VLC系統(tǒng)。同年，以到1 Gbit / s 29 為止的傳輸速度，對VLC應(yīng)用了復(fù)數(shù)的輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。2013年，mimo vlc系統(tǒng)具有幾個gbit/s30的傳輸速度。2010年，由愛丁堡大學(xué)電子通信學(xué)部移動通信學(xué)科的HASS教授組成的研究小組率領(lǐng)了以研究開發(fā)作為目標(biāo)的D - Light的項目。與VLC原型和促進商業(yè)的WiFi一樣，教授Hass提出了VLC的“Li - Fi”的概念，并推進了這一概念。2012年，純利法創(chuàng)立了專門生產(chǎn)Lifi模塊。南安普頓大學(xué)的Hanzo教授團隊也以VLC算法實現(xiàn)了許多。例如，在2015年提出了v

27、lc和wi-fi通信混合系統(tǒng)的多用戶調(diào)度算法，有效提高了系統(tǒng)速度。提出了2016年對vlc系統(tǒng)的資源分配方式33。 美國也是促進VLC發(fā)展和應(yīng)用的重要國家。2008年初，美國國家科學(xué)財團（NSF）在波士頓大學(xué)設(shè)立了智能照明工程研究中心。到2018年，預(yù)定開發(fā)基于VLC的智能照明框架 34 。另一個重要的VLC研究所是UC光（光泛交流中心）。而且，那要依賴加利福尼亞大學(xué)和國立研究所。現(xiàn)在，光學(xué)設(shè)備研究、led照明、光通信網(wǎng)絡(luò)等研究成果如下。同時，美國的一些企業(yè)也致力于VLC的應(yīng)用。2015年，零售巨人目標(biāo)，在其正面安裝了VLC導(dǎo)航系統(tǒng)。另外，2016年，基于自由空間（FSO）技術(shù)的無線產(chǎn)品制造商

28、Lightpointe成立了新公司、Firefly無線網(wǎng)絡(luò)。總結(jié)一下，VLC的研究吸引了外國科研機構(gòu)的密切關(guān)注，成果逐步得到應(yīng)用。關(guān)于可見光通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的研究現(xiàn)狀:2010年的文件 3 提出了脈沖和OFDM的雙重調(diào)制技術(shù)。這降低脈沖和OFDM的碼間干擾和雙數(shù)據(jù)調(diào)制模式，以便使用OFDM調(diào)制技術(shù)來改進系統(tǒng)的傳輸速率。simlink模擬表明該方法可實現(xiàn)，傳輸速度可達18 mbps。2013年的文件 24 提出了多帶可變周期調(diào)制方式。根據(jù)模擬的結(jié)果，該方法顯示了比傳統(tǒng)的帶寬調(diào)制技術(shù)更好的帶寬利用。但是，這種方法存在光源合成的問題。為了解決這個問題，提出了多帶可變寬度固定周期調(diào)制法和改善了的工作周

29、期固定多帶可變周期調(diào)制法。分析和比較了2014年的三個調(diào)制技術(shù)的性能。平衡正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)、無載波相位調(diào)制技術(shù)、頻域均衡載波無源調(diào)制技術(shù)。實驗結(jié)果證實了在改善信道容量方面對調(diào)制技術(shù)的作用進行驗證，利用調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)高速數(shù)字通信。2015年的文件 26 提出了使用16階段PAM調(diào)制使數(shù)據(jù)傳輸速度提高4倍的雙調(diào)制技術(shù)。光的強度由PWM調(diào)制技術(shù)調(diào)制。MATLAB的仿真結(jié)果指示雙重調(diào)制技術(shù)在一定信號與噪聲比的條件下具有低于常規(guī)00 K調(diào)制技術(shù)的比特錯誤率。 在2015年的文檔 27 中，在DCO - OFDM方式中，提出了高頻余弦變換和分組循環(huán)移位方式。模擬結(jié)果顯示ccdf104修正系統(tǒng)的峰值對平均

30、比減少5 . 4 db。在2015年的文檔28中，提出了將dft與slm組合以改善slm的方法，進一步降低可見光通信中的ofdm系統(tǒng)的papr。模擬結(jié)果表明，這種方法具有比以前的slm低的papr。2015年的文件 29 提議將離散傅立葉變換與以往的PTS法組合而成的DFT - S - PTS，將可見OFDM的峰值對平均比減少到3 SdB。綜合分析了上述情況。雖然在vlc系統(tǒng)中的led陣列光源的布局設(shè)計和光信道特性有很多研究成果，但仍然存在缺乏單一和矛盾的最優(yōu)化設(shè)計基準(zhǔn)這樣的系統(tǒng)性研究，沒有考慮重要的性能指標(biāo)。1.3 本文結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容本文主要研究可見光通信中的單載波調(diào)制技術(shù)及相應(yīng)的建模與仿真

31、，所以論文分為以下章節(jié)內(nèi)容：第一章 緒論。主要闡述了可見光通信的起源及國內(nèi)外的發(fā)展，以及近年來可見光通信及其在調(diào)制技術(shù)方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章 對LED的發(fā)光機理和特性進行研究。主要包括LED的伏安特性、光譜特性、輻射特性等。第三章 PAM.PPM等單載波調(diào)制方式的可見光通信系統(tǒng)的建模方案,以及仿真PPM.PAM單載波調(diào)制方式在高斯白信道下和非成像增益基礎(chǔ)上的的誤碼性能，采用圖形輸出結(jié)果并對結(jié)果進行分析。第四章 進一步研究室內(nèi)可見光通信，仿真在非成像增益基礎(chǔ)上的誤碼率性能。 第五章 總結(jié)與展望第2章 LED 的發(fā)光機理及特性與傳統(tǒng)光源相比，LED光源不僅具有功耗低、體積小、壽命長、環(huán)保等優(yōu)

32、點，而且具有響應(yīng)時間短、調(diào)制性能好等優(yōu)點。基于LED照明系統(tǒng)的可見光通信技術(shù)是一種以可見光為載體的新型無線通信技術(shù)。LED可以取代傳統(tǒng)的白熾燈，使其成為無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機。2.1 LED的發(fā)光原理發(fā)光二極管的核心部是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的晶片。在被稱為p-n耦合的p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體之間存在轉(zhuǎn)變層。在某些半導(dǎo)體材料的pn連接中，如果注入的少數(shù)載波與多個載波相結(jié)合，則過剩的能量以光的形式釋放，電能可直接轉(zhuǎn)換為光能。由于若干載波難以注入具有逆電壓的pn接合，因此不放出光。這種二極管被稱作發(fā)光二極管(LED)，通過電子注入原理形成。在正的動作狀態(tài)(即，兩端+正電壓)的情況下，電流從LED陽極流

33、向陰極，半導(dǎo)體晶體進行從紫外線到紅外線的不同顏色的發(fā)光。光的強度依賴于電流。電子與正孔之間的能量(帶隙)越大，所生成的光子的能量越高。光子的能量順序?qū)?yīng)于光的顏色。在可見光譜范圍內(nèi)，藍(lán)光和紫光運送最能量，另一方面，橙色光和紅光運送最小能量。由于不同材料具有不同的帶隙，所以它們可以發(fā)出不同顏色的光。2.2 LED 的物理特性2.2.1 LED 的光譜特性LED的發(fā)光光譜指的是光學(xué)感應(yīng)的能量和頻率的關(guān)系。led的發(fā)光色和照明效率與它們有很大的關(guān)系。峰值波長和半強度寬度是描述發(fā)光譜特性的兩個重要參數(shù)。峰值波長對應(yīng)于LED的最大相對光強度，不同LED具有不同的頻譜特性分布曲線。在單色光的情況下，存在獨

34、特的峰值波長。由LED放出的光雖然不是單色，但僅單色光理論上具有峰值波長。因此，LED的光譜有一個或多個相對強度的峰值，對應(yīng)的峰值波長較多。為了適應(yīng)這種現(xiàn)象，導(dǎo)入了“主波長”來描述led的頻譜特性。主波長是指由LED發(fā)射的黑白光的波長。另外，led的光譜特性具有某種對稱性，其對稱性取決于led的材料和結(jié)構(gòu)。LED 的典型波長分布圖如圖所示 LED 單色光的光譜是典型的線光譜，其峰值波長與禁帶寬度之間的關(guān)系，可以表示為：p=1239Eg,式中：Eg 表示禁帶寬度，單位為電子伏特（eV）；p為峰值波長，單位為納米（nm）。除了峰值波長外，描述LED光譜特性的另一個參數(shù)是光譜的半寬。也就是說，在LE

35、D的峰值波長兩側(cè)的相應(yīng)位置存在一個相對強度，它是對應(yīng)于峰值波長的最大相對強度的一半。兩個波長之間的距離稱為光譜的半寬。用表示，單位為 nm。是 LED 的單色性參數(shù)，用來表示 LED 的光譜純度。通常情況下，40nm，具體由p和熱力學(xué)溫度 T(K)確定，可表示為：=1.2510-7P2T2.2.2 伏安特性LED 的核心部分是由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體所構(gòu)成的 PN 結(jié)，所以它具有與 PN 一樣的伏安特性31。其正向伏安特性可以表示為IF=IS(eeqVF-nKTnKT) 式中：Is為反向飽和電流，q 為電荷量，q=1.60210-19C, n 為常數(shù)，n=12；k 為玻爾茲曼常數(shù),k=

36、1.3810-23J/K ；T為熱力學(xué)溫度，在室溫 25 C 時，T=273+25=298K，qkT26mv LED與 PN 結(jié)具有相似的特性，即正向?qū)ā⒎聪蚪刂?，?dāng)LED的兩端的前向電壓超過LED的開動電壓時，電壓與電流的關(guān)系成為指數(shù)函數(shù)。當(dāng)LED的兩端的前向電壓小于開始電壓時，或者當(dāng)LED的電流到達逆飽和電流時，在兩種情況下LED被斷開。當(dāng)在LED的兩端施加逆電壓時，LED的電阻變得非常高，電流不流通，LED位于相反的死區(qū)。當(dāng)逆電壓非常高時，LED發(fā)生故障并指示逆降狀態(tài)。如圖所示，LED具有四個狀態(tài)。前方死區(qū)、前方動作區(qū)域、反死區(qū)和逆投降區(qū)域。 LED的伏安特性2.2.3 輻射特性LED

37、燈 32 的放射特性是根據(jù)放射角度其發(fā)光強度變化，根據(jù)受光端和LED形成的角度受光端的光強度變化。白色led的輻射模型一般遵循lambert輻射模型。 白光朗伯輻射模型圖 從白光朗伯輻射模型圖中可以看出n值的大小決定了白光光束方向，隨著n值得增大，方向性變得越來越好。所以，在直接視距中的n值通常取得比較大，而在散射鏈路中n值通常取1。將白光LED的光源模型近似等效為一個點光源，圖中表示發(fā)光半角，表示接收半角，d表示LED到探測器表面的距離。假設(shè)LED芯片中的發(fā)光模式為朗伯發(fā)光模式，則LED光強度表達式為：I=ddw式中表示空間角度，表示光通量，它的計算表達式為：=Km308780V()e()d

38、式中V(）表示標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)光曲線，Km為最大可見度。LED發(fā)射和接收示意圖沿某一發(fā)光角度的發(fā)光強度為中心光強度在這一方向上的分量即：I（）=I0cosm單個白光LED的中心發(fā)光強度用Io表示，其單位是坎德拉(cd)。在某點的光照度可由LED的發(fā)光強度表示，其表達式為:E(,)=I0COSmcosd2當(dāng)白色LED用于通信時，該發(fā)光功率表示發(fā)光的光的能量。是研究可見通信系統(tǒng)的重要參數(shù)。單個LED的發(fā)光功率主要指其中心發(fā)光功率。表達式為:Pt（）=P0R0其中，P0表示單個LED中心發(fā)光功率另外:R0=m+cosm2它表示的是發(fā)光功率隨發(fā)光角的朗伯分布情況，發(fā)光功率單位為mv，也可以用dBm表示。總結(jié)

39、：白色LED適用于可見光，因為其低功率損失、長壽命及快速明亮消光特性。在通信中，作為光源發(fā)揮作用，從室內(nèi)無線通信的基站發(fā)送信息。因此，研究了成為可見光通信研究基礎(chǔ)的白色led發(fā)光機構(gòu)、分光特性和放射特性。3 可見光通信主要調(diào)制技術(shù)3.1可見光通信系統(tǒng)下圖，示出代表性的可見光通信系統(tǒng)的基本框圖。在發(fā)射機中，通過信道編碼和調(diào)制要發(fā)送的信息，利用LED燈反射，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。光信號經(jīng)由空間的直接散射和反射路徑到達接收端。光接收器收集并處理到達光信號，以實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在解調(diào)和信道解碼之后，原始發(fā)射信號最終被恢復(fù)。 可見光通信系統(tǒng)框圖 3.2 脈沖調(diào)制技術(shù)脈沖調(diào)制是VLC中的一般調(diào)制方

40、法。基本方法是使用脈沖的振幅、位置或位置。接收機寬度的變化顯示要發(fā)送的不同消息。這種調(diào)制技術(shù)具有容易實現(xiàn)和低系統(tǒng)復(fù)雜性的優(yōu)點，并且在VLC中廣泛使用一般的，脈沖調(diào)制可以分為脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation, PAM）、脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation, PPM）和脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）等，相比PWM調(diào)制，PAM和PPM調(diào)在VLC中更經(jīng)常被用于實現(xiàn)信息傳輸，PWM則通常用于輔助LED亮度控制，因此，本小節(jié)將著重介紹PAM和PPM調(diào)制方案。3.2.1 PPM調(diào)制模擬信息源A/D模擬接收

41、端D/A調(diào)制解調(diào) PAM/PPM原理圖模擬信息源向PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換后的信號。輸出信號在數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換后被轉(zhuǎn)換為模擬接收機。PPM的原理是將一定期間分割為m等分，各部分稱為時隙。在一個時隙中發(fā)生脈沖并且在其它時隙中不發(fā)生脈沖的情況下，恒定時間段是PPM信號。考慮到頻帶、電力等的利用，選擇l-ppm作為實現(xiàn)ppm的具體方法。用于PPM調(diào)制的載波是周期性不連續(xù)的光脈沖。若PPM調(diào)制信號是L位，那么傳送的數(shù)據(jù)比特為log2L.若將發(fā)送的a位數(shù)據(jù)組記為M=(m1, m2，m3.mn), 時隙位置記為L,則可以得到單脈沖PPM調(diào)制的映射編碼關(guān)系: L=m1+2m2+.+2n-1 mn, n

42、0，1, . n-1).如果選擇4-PPM調(diào)制發(fā)送二進制數(shù)據(jù)，設(shè)-幀傳輸時間為T,那么信息傳遞速率T/2 bits.調(diào)制后（0, 0)所對應(yīng)的位置為0時隙; (0, 1)對應(yīng) 1時隙; (1, 0)對應(yīng)2時隙: (1, 1)對應(yīng)3時隙， 映射是一一映射, 滿足調(diào)制的唯-一性。3.2.2 PPM調(diào)制技術(shù)PPM調(diào)制實際上是定時輸出脈沖的處理。如果標(biāo)準(zhǔn)時間間隔已知，則可以將定時處理轉(zhuǎn)換成計數(shù)處理。當(dāng)時鐘的上升邊緣到來時，計數(shù)器開始動作，計數(shù)直至輸出脈沖為止，確定脈沖的位置。當(dāng)計數(shù)數(shù)據(jù)等于二值調(diào)制數(shù)據(jù)時，向?qū)?yīng)的時隙輸出高電平，向其他時隙輸出低電平。調(diào)制系統(tǒng)由7個模塊、并行轉(zhuǎn)換、4分頻器、8分頻器、計

43、數(shù)器、比較器、脈沖整形器及延遲構(gòu)成。串行并行轉(zhuǎn)換模塊主要完成輸入串行數(shù)據(jù)的二進制編碼，而當(dāng)4分頻器和8分頻器主要用于產(chǎn)生其它模塊所需的時鐘的NVersion輸出和兩個相等時，它將脈沖信號輸出：delayer主要用于脈沖整形器模塊和儀表。編號模塊、比較器模塊和串行并行轉(zhuǎn)換模塊提供使能器。狹窄的脈沖整形器用于限制輸出脈沖的帶寬，以便于信道的傳輸，以便形成比較器的輸出脈沖。PPM調(diào)制是一般的二進制調(diào)制方式。k位信號u(4 u，2)。0，1*由m-ary ppm(m2*)調(diào)制。信號x= 0 , 0 , 0 , 0 ,0 0 , 1 m得到，根據(jù)U的二進制表示值指定的位置有 1 。該調(diào)制格式由固定M符號

44、構(gòu)成，各自具有相同的持續(xù)時間。為了方便起見，M可以考慮拍攝圖像作為信息比特到PPM符號的信息序列（即，M2 *，因此PPM符號中包含的信息比特的數(shù)量為log 2 m），每個PPM調(diào)制符號分配1比特。圖4示出了4 ppm調(diào)制的示例。2比特的信息序列通過自然映射被映射到4個4 ppm符號。信息序列的值表示4 ppm符號內(nèi)的脈沖的位置。 對于M進制PPM調(diào)制方案，假設(shè)信源速率為Re,每k:(k=log,M)個比特構(gòu)成一個碼字，表示M個時隙中的-一個位置有脈沖。M進制PPM的脈沖寬度為TM-PPM=log2M /(MRB),可得M進制PPM調(diào)制所占帶寬為:WM-PPM=12TM-PPM=MRb2log

45、2M 其帶寬效率為RM-PPM=RbWM-PPM=2log2MMbits/HZ如從該公式可知，m次ppm調(diào)制的帶寬效率隨著調(diào)制階數(shù)的增加而急劇減少。m = 2時，2 ppm具有最高帶寬效率。并且，那個是OOK調(diào)制的帶寬效率的一半。m帶ppm調(diào)制的功率效率如下：M-PPM=Mlog2Mbit/s/W可以看出，調(diào)制階數(shù)M越高，PPM調(diào)制的功率效率越高。3.2.3 PPM解調(diào)技術(shù)PPM的解調(diào)過程基本上是ppm調(diào)制的逆過程。在此設(shè)計中，PPM的解調(diào)處理主要包括4分割器、8分頻器、窄脈沖恢復(fù)、脈沖定位、脈沖成形、并行串行轉(zhuǎn)換、延遲等。4分頻器和8分頻器用于提供用于其它模塊的時鐘信號。窄脈沖再生模塊實現(xiàn)從

46、狹窄脈沖到廣角脈沖的功能，脈沖定位模塊實現(xiàn)脈沖位置檢測，脈沖整形模塊實現(xiàn)脈沖位置整形，并行串行轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)二值解碼。為了實現(xiàn)解碼，接收器使用ML解碼，并且接收器和每個符號對比度距離選擇要解碼的最小距離。3.3 PAM調(diào)制調(diào)制采樣轉(zhuǎn)換成信號（時間或空間連續(xù)函數(shù)）的數(shù)值序列（時間或空間離散函數(shù)）。采樣后的離散信號是維持后的步驟信號，即具有零階維護者的特性。如果信號是帶寬限制的，并且采樣頻率是信號的最大頻率的兩倍，則可以完全從采樣樣樣樣本重新配置原始連續(xù)信號。抽樣定理的定義：設(shè)時間連續(xù)信號，其最高截止頻率為fm，如果用時間間隔為T12fm的開關(guān)信號對f(t)進行抽樣時，則f(t)就可被樣值信號唯一地表示。脈沖振幅調(diào)制(PAM)是根據(jù)基帶信號脈沖載波的振幅變化的調(diào)制模式。如果脈沖載波是脈沖脈沖序列，則采樣定理是脈沖振幅調(diào)制的原理。即在采樣定理中采樣的信號M(t)是PAM信號。然而，使用脈沖序列的采樣是理想的