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1、 基于ＯFDＭ的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù) 摘 要 本文研究了OFDM在不同應(yīng)用場景下的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)，以及介紹了各種調(diào)光控制技術(shù)，并結(jié)合OFDM技術(shù)應(yīng)用在可見光中領(lǐng)域。針對可見光通信對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，將OFDM技術(shù)引入可見光通信，并針對可見光通信對傳輸信號(hào)極性的相關(guān)特性，研究了單極OFDM系統(tǒng)在可見光通信中的應(yīng)用。詳細(xì)分析了可見光OFDM系統(tǒng)的工作原理，從多個(gè)角度分析比較了幾種0FDM系統(tǒng)的性能。為了滿足可見光通信對通信和照明的雙重要求，本文研究了光OFDM系統(tǒng)中采用的調(diào)光控制技術(shù)的系統(tǒng)性能和調(diào)光性能，并提出了最適合室內(nèi)可見光通信的光OFDM系統(tǒng)的調(diào)光控制方案。結(jié)果

2、發(fā)現(xiàn)。更符合節(jié)能理念的綠色照明室內(nèi)VLC高速數(shù)據(jù)傳輸調(diào)光控制方案。本文的創(chuàng)新工作是將可見光通信系統(tǒng)的調(diào)光控制技術(shù)應(yīng)用于目前國內(nèi)外尚未報(bào)道的U-0FDM系統(tǒng)。本文提出了一種更有效的ZACO-OFDM系統(tǒng)，來作為0FDM傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于室內(nèi)可見光領(lǐng)域。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)在不犧牲系統(tǒng)可靠性的前提下，可以提高系統(tǒng)的電能效率，節(jié)約能源。 關(guān)鍵詞：OFDM；ZACO-OFDM；ZACO-OFDM；VLC；調(diào)光控制技術(shù) ABSTRACT In this paper, the indoor visible communication sys

3、tem of OFDM under different application scenarios is studied, and various dimming control technologies are introduced, which are applied in the field of visible light in combination with OFDM technology. Aiming at the requirement of high speed data transmission in visible light communication, OFDM t

4、echnology is introduced into visible light communication, and the application of unipolar OFDM system in visible light communication is studied according to the correlation characteristics of visible light communication to transmission signal polarity. The working principle of visible light OFDM sys

5、tem is analyzed in detail, and the performance of several 0FDM systems is analyzed and compared from multiple angles. In order to meet the dual requirements of visible light communication for communication and lighting, this paper studies the system performance and dimming performance of dimming con

6、trol technology used in optical OFDM system, and puts forward the dimming control scheme of optical OFDM system which is most suitable for indoor visible light communication. The results were found. More in line with the concept of energy-saving green lighting indoor VLC high-speed data transmission

7、 dimming control scheme. The innovative work of this paper is to apply the dimming control technology of visible light communication system to the U-0FDM system which has not been reported at home and abroad. In this paper, a more effective ZACO-OFDM system is proposed to be used as a 0FDM transmiss

8、ion system in the field of indoor visible light. Practice has proved that the system can improve the power efficiency of the system and save energy without sacrificing the reliability of the system. Key words: OFDM; ZACO-OFDM; ZACO-OFDM; VLC; dimming control technology 目錄 摘

9、 要 1 Abstract 2 第1章 緒論 5 1.1室內(nèi)可見光通信技術(shù)發(fā)展背景 5 1.2可見光通信技術(shù)的優(yōu)勢 5 1.3可見光通信技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6 1.4課題的提出與研究意義 7 第2章0FDM技術(shù) 8 2.1 0FDM技術(shù)綜述 8 2.2 0FDM技術(shù)原理 8 第3章 室內(nèi)可見光OFDM系統(tǒng) 9 3.1室內(nèi)可見光0FDM技術(shù)綜述 9 3.2室內(nèi)可見光0FDM技術(shù)原理 10 第4章 可見光0FDM信號(hào)單極化方法 11 4.1可見光0FDM單極化原理 11 4.2直流偏置光0FDM系統(tǒng)(DCO-0FDM) 11 4.3非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(ACO

10、-0FDM) 11 4.4單極光OFDM系統(tǒng)(U-OFDM) 13 4.5改進(jìn)非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(MACO-0FDM) 14 第5章室內(nèi)可見光0FDM通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù) 14 5.1調(diào)光控制技術(shù)簡述 14 5.2調(diào)光控制技術(shù)原理 15 5.2.1連續(xù)電流調(diào)節(jié)調(diào)光控制(CCR) 15 5.2.2脈沖寬度調(diào)制調(diào)光控制(PWM) 15 5.3基于光0FDM系統(tǒng)的調(diào)光控制研究 16 5.3.1基于AC0—0FDM系統(tǒng)的調(diào)光控制 16 5.3.2基于U—OFDM系統(tǒng)的調(diào)光控制 17 5.4最優(yōu)化光0FDM系統(tǒng)調(diào)光控制 18 第6章 總結(jié)與展望 21 6.1全文小結(jié) 21

11、 6.2論文的主要工作 22 6.3論文的創(chuàng)新點(diǎn) 22 參考文獻(xiàn) 23 致 謝 25 第1章 緒論 1.1室內(nèi)可見光通信技術(shù)發(fā)展背景 可見光通信技術(shù)(簡稱VLC)具有豐富的頻譜資源，在傳輸過程中幾乎沒什么能量損耗，具有低功耗的優(yōu)良特性，尤其使在傳輸信息方面，這種方式具有很高的安全性?；谑覂?nèi)傳輸這樣一個(gè)前提下，選擇短距離傳輸及高速接入技術(shù)是目前發(fā)展的趨勢，VLC是眾多方案中最有吸引力的選擇，射頻通信與VLC可以優(yōu)勢互補(bǔ)。 隨著世界科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相應(yīng)的固態(tài)照明技術(shù)也得到了突破

12、性的發(fā)展，尤其是LED的發(fā)現(xiàn)，是具有獨(dú)特意義，并且是劃時(shí)代的，具有很廣闊的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。我們發(fā)現(xiàn)LED光源的亮度很高，并且該裝置很穩(wěn)定且不易損壞，正常使用的壽命非常久，從電學(xué)方面來說，它的開通和關(guān)斷的響應(yīng)時(shí)間很短，最重要的一點(diǎn)就是整個(gè)結(jié)構(gòu)的組成很簡單，元器件的成本不高，性價(jià)比很高且適合大面積推廣，同時(shí)其顏色多種多樣也成為其賣點(diǎn)之一特別適合眾多不同場景的使用，收獲很多場景的青睞，并且它還具有環(huán)保、使用清潔能源等多方面的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)開始大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈和市面上大部分的節(jié)能燈，作為一種新的照明工具之一。 因?yàn)長ED的出現(xiàn)并且具有上述的眾多優(yōu)勢，在日常生活中得到大面積的推廣和普及。目前基于L

13、ED的照明燈具和LED顯示板已經(jīng)在市面上隨處可見。像家庭用的照明燈目前都已經(jīng)換成節(jié)能環(huán)保的LE燈，還有商場的門口用的基于LED燈組的LED顯示板，它是由很多的LED單元組成的一個(gè)巨大的顯示系統(tǒng)，他可以自由組合和拆卸，還能對顯示的內(nèi)容進(jìn)行自主設(shè)置，靈活多變而且整個(gè)裝置的功耗很低，非常適合日常使用。 雖然目前LED的使用已經(jīng)令人滿意，但科技創(chuàng)新的腳步永遠(yuǎn)不會(huì)停止。目前許多科學(xué)家們已經(jīng)開始進(jìn)軍基于LED的可見光通信領(lǐng)域，希望在其照明發(fā)光的基礎(chǔ)上，對可見光進(jìn)一步利用，通過這種可見光來進(jìn)行通信，并且已經(jīng)取得了許多突破性的進(jìn)展。 日常生活中LED設(shè)施無處不在，它的出現(xiàn)就伴隨著可見光頻譜資源的產(chǎn)生，具有

14、很高的使用價(jià)值，由于可見光具有可通信的特點(diǎn)，再加上LED目前主要應(yīng)用于室內(nèi)的照明環(huán)境，因此我們想把LED設(shè)備充分利用，即把LED發(fā)光和室內(nèi)通信結(jié)合到一起，作為室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)選擇方案。并且由于室內(nèi)的面積有限，傳輸距離相對比較短，傳輸環(huán)境一般來說比較空曠，這使LED可以作為室內(nèi)可見光通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)比較好的選擇方案，具有傳輸速度快的優(yōu)良特性，這樣也增加了LED可見光設(shè)備的吸引力和競爭力 [2,3]。 綜合目前的研究方向來看，針對白光LED的可見光通訊的熱度最高，逐步成為人們的研究首選，并且具有很強(qiáng)的實(shí)際意義，在無線短距離傳輸領(lǐng)域?qū)?huì)是一個(gè)新的研究方向，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 1.2可見

15、光通信技術(shù)的優(yōu)勢 在目前來說，可見光通信是一種新的無線通信技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的射頻無線通信來說，可見光具有很多傳統(tǒng)射頻技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的的優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：較低的電磁輻射，良好的室內(nèi)設(shè)備使用環(huán)境以及良好的使用安全性。 (1)我們知道無線頻譜資源現(xiàn)在越來越稀缺，近年來提出的可見光通信，對通信頻譜層面來說是內(nèi)容的拓展和補(bǔ)充。并且目前越來越多的移動(dòng)設(shè)備的使用，大大減少無線頻譜的可用資源，針對目前的現(xiàn)狀，我們需要對無線頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，這就要求我們積極研發(fā)新技術(shù)、新設(shè)備來解決這一窘境。通過了解發(fā)現(xiàn)，可見光能夠提供很多的頻帶寬度的資源，正好可以解決目前無線頻譜不夠用的難題。通過對可見光的使用和

16、開發(fā)，解決無線頻譜資源越來越少的現(xiàn)狀已經(jīng)成為一種必然趨勢。 (2)可見光通信技術(shù)是利用發(fā)光器件比如熒光燈或者發(fā)光二極管，這種技術(shù)傳輸信息的方式是通過光來傳播的，考慮到對人體的影響，我們特別了解到可見光無輻射作用，所以對人體健康來說這種無線通信技術(shù)是綠色環(huán)保的。 因此我們在現(xiàn)有的可見光通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用LED燈來代替光源，因?yàn)長ED燈具有可高速調(diào)制的特點(diǎn)，兼顧通信與照明這兩個(gè)功能，而且我們知道LED燈一直都是節(jié)能環(huán)保的代表。由此可以看出，在照明、通信、控制這三個(gè)方面，可見光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三者的有機(jī)融合，為人類提供了一種新的更加節(jié)能環(huán)保且可控的光通信技術(shù)。 (3) 在應(yīng)用場景層面，可見光

17、通信技術(shù)也具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，也是目前使用的無線通信的完善和補(bǔ)充?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的工作原理我們在上面已經(jīng)講過，可以看到它沒有一般射頻通信技術(shù)工作時(shí)伴隨的電磁污染現(xiàn)象，因此可以應(yīng)用于醫(yī)院、高精度工業(yè)控制生產(chǎn)等領(lǐng)域；其次，由于它是照明與通信的兩者的結(jié)合體，兼顧兩者的應(yīng)用場景，即可在照明領(lǐng)域異軍突起，具有新穎的特點(diǎn)和優(yōu)勢，也可在通信領(lǐng)域大放異彩，具有很大的帶寬，同時(shí)也可以便于家庭智能家居設(shè)備的安裝和適配。由此可見，這種技術(shù)可應(yīng)用于目前比較流行的智能家居控制以及未來將會(huì)普及的智能化的交通等領(lǐng)域；在我們不常接觸到的水下通信層面，可見光通信技術(shù)也能很好的勝任此項(xiàng)工作，目前實(shí)踐證明采用藍(lán)綠光LED燈的這種通

18、信技術(shù)已經(jīng)成功研制，它是一種半導(dǎo)體照明技術(shù)，同時(shí)也能在水下進(jìn)行高帶寬的通信功能；在信息安全領(lǐng)域，目前使用的通訊設(shè)備容易被人監(jiān)聽，造成信息的泄露，因此信息安全也是目前討論的熱點(diǎn)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)在此方面應(yīng)用廣泛，它的原理之處在于可見光通信技術(shù)，由于光傳播的特性，我們知道，每當(dāng)光傳播的路徑中出現(xiàn)只障礙物阻擋時(shí)，這時(shí)候光就不能繼續(xù)傳播，此時(shí)整個(gè)傳輸過程就會(huì)中斷。這里的光傳播路徑中出現(xiàn)障礙物就可以理解為在通訊設(shè)備上有外加設(shè)備想要通過這種方式竊取傳輸?shù)男畔?。但由于光傳播的不可透性，此時(shí)信息就不會(huì)被竊取，這樣也證明了該通信方式的可靠性和安全性。 (4)可見光通信技術(shù)最重要的優(yōu)勢在于高速通信，特別是已經(jīng)在

19、各地展開的5G通信技術(shù)，屆時(shí)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度將達(dá)到一個(gè)新的高度。因此，本文研究的可見光通信將具有更廣闊的應(yīng)用場景，得益于高信噪比、對人體無害、功率大以及傳輸速度快的巨大優(yōu)勢，未來將在5G的通信建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。 1.3可見光通信技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 關(guān)于室內(nèi)可見光通信這一技術(shù)的研究進(jìn)程，最開始是由日本學(xué)者提出，2000年，利用白光LED在室內(nèi)進(jìn)行光通信的設(shè)想第一次被提出，在接下來的十多年，針對這一設(shè)想的相關(guān)研究如火如荼，陸續(xù)的開始進(jìn)行中。在這段時(shí)間，白光通信技術(shù)逐步得到完善，研究內(nèi)容也不斷得到補(bǔ)充。比如：針對提高白光傳輸速率的研究、針對該系統(tǒng)性能如何提高和優(yōu)化的研究、針對室內(nèi)光的信

20、道仿真建模的研究、針對白光通信的調(diào)制方式的研究、針對室內(nèi)光強(qiáng)的亮度控制研究以及室內(nèi)的LED光源的布局和通信方案的研究等等，這些研究大都取得了很大的成果，有些甚至是突破性的發(fā)現(xiàn)。隨著越來越多的組織和個(gè)人的加入，對可見光通信的研究也越來越深入。 在國內(nèi)，我們了解到最開始接觸這一概念的是2006年，當(dāng)時(shí)據(jù)報(bào)道稱丁德強(qiáng)與柯熙政等人正在研究可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)，整個(gè)報(bào)道對這個(gè)新概念進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時(shí)也吸引了了眾多國內(nèi)人士的目光。從那時(shí)開始，國內(nèi)關(guān)于可見光通信這一領(lǐng)域的研究正式開始。在這之后的時(shí)間內(nèi)，研究內(nèi)容越來越豐富，研究的層次也越來越深入。像一開始的基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐，對于開展室內(nèi)通信的研究奠定

21、了基礎(chǔ)；針對這一概念實(shí)施的可能性的研究，包括光源特性的結(jié)構(gòu)分析、通信過程中的鏈路和信道的建模仿真等，這些為進(jìn)一步展開相應(yīng)研究提供了具體可行的實(shí)踐意義；還有針對傳輸過程中的調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)，提供了具體的技術(shù)支持和方案標(biāo)準(zhǔn)。在2012年復(fù)旦大學(xué)的遲楠等人提出一種基于副載波復(fù)用的新型的多輸入單輸出(MISO)正交頻分復(fù)用(OFDM)可見光通信系統(tǒng)，是國內(nèi)關(guān)于可見光通信技術(shù)研究的重大發(fā)現(xiàn)，他提出的這種光通信系統(tǒng)可以使得光通信的傳輸距離達(dá)140cm[22]，而且把這種技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位，利用光通信技術(shù)對室內(nèi)的物體進(jìn)行位置確定，具有實(shí)際的使用意義，并且在當(dāng)時(shí)這個(gè)方向是極具發(fā)展前景的，是一個(gè)全新的新領(lǐng)域。 由

22、此可見，可見光通信技術(shù)理論技術(shù)成熟，且應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景和很高的使用價(jià)值，在日常生活中也具有實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域，它在不久的未來中的應(yīng)用令人十分期待。 1．4課題的提出與研究意義 正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的提出不是想當(dāng)然出現(xiàn)的，而是基于目前的研究，出于滿足室內(nèi)光通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾市枨?，提高光通信傳輸速率的目的，在可見光通信領(lǐng)域中廣泛使用的一種有效的改善方法。它能夠避免在光傳輸?shù)臒o線信道中的串?dāng)_問題，尤其是碼間串?dāng)_，還可以減小非線性失真現(xiàn)象，像由于LED光源的非線性頻率響應(yīng)所產(chǎn)生的一些問題。但是采用這種技術(shù)的要求就是，我們需要在光通信過程中進(jìn)行單極化處理，這樣做的目的

23、就是要保證OFDM的符號(hào)的“實(shí)正性”。因此在采用這種做法后，我們就必須面臨另一個(gè)問題，那就是單極化，我們需要優(yōu)化其算法，改進(jìn)OFDM的傳輸問題。接下來，本文將對這個(gè)問題進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，對OFDM系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行全面的分析，具體包括：功率的利用、使用的頻帶寬度以及傳輸過程中的誤碼率等問題。 考慮到目前全世界提倡的節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，可見光通信技術(shù)也是最能體現(xiàn)這一理念的先行者。因此，我們不僅要想方設(shè)法的提高其傳輸性能，還要從節(jié)能環(huán)保的角度去考慮。針對這一問題，我們又提出了調(diào)光控制技術(shù)。它的出現(xiàn)是為了解決節(jié)能環(huán)保的問題，同時(shí)也要保證傳輸性能，通過調(diào)光控制，合理分配光源布局，避免光污染，同時(shí)也要

24、本著節(jié)能的目的，在不損害照明這一功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電源的消耗問題，節(jié)約能源，減少功耗。體現(xiàn)了綠色照明這一未來照明發(fā)展的主題。 同時(shí)，針對室內(nèi)光照這一應(yīng)用場景，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它不同于其他使用場合，具體來說就是不需要提供特別強(qiáng)的光照強(qiáng)度，有些特定的場合比如樓梯間、衛(wèi)生間、臥室以及會(huì)議室等都是需要使用不同強(qiáng)度的光照，由于使用要求不同，基于這一目的，我們需要設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度可控的可見光通信系統(tǒng)，這是因?yàn)樘峁┕庹帐俏覀兊某霭l(fā)點(diǎn)，然后才能研究光通信。因此，調(diào)光控制技術(shù)是必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的使用場景調(diào)節(jié)不同的光強(qiáng)，有利于控制該系統(tǒng)的功耗，減少能源的消耗，具有重要的實(shí)用價(jià)值。 所以本文把

25、調(diào)光技術(shù)作為研究的起點(diǎn)，在多種可見光OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)，然后再考慮可見光的傳輸性能，結(jié)合具體情況對多種方案進(jìn)行分析比較，尋求最適于室內(nèi)傳輸?shù)墓釵FDM調(diào)光系統(tǒng)。 第2章0FDM技術(shù) 2.1 0FDM技術(shù)綜述 正交頻分復(fù)用技術(shù)，簡稱OFDM，它是目前研究比較熱門的用于可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)，在光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用。具體來說，它通過改善后的高效的編碼技術(shù)，應(yīng)用多載波調(diào)制的技術(shù)手段，在通信過程中普遍面臨的多路徑出現(xiàn)的干擾問題方面能夠進(jìn)行有效的抑制。通過這種方法的實(shí)施，我們發(fā)現(xiàn)它可以使通信過程中頻帶信道利用率低的問題迎刃而解，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的頻帶利用效率，可以有效解

26、決目前頻帶寬度資源緊缺的這一窘境。隨著科技水平的不斷提高以及眾多研究人員的不懈努力，該技術(shù)得到了很大的提升和不斷的完善，目前已知該技術(shù)已經(jīng)更新多代。目前得益于數(shù)字信號(hào)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字處理算法以及數(shù)字邏輯運(yùn)算速度的快速提高，現(xiàn)代OFDM技術(shù)也得到了徹底的改變，在很多地方采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來完善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及傳輸性能。常見的有：在載波的發(fā)送和接受端采用數(shù)字信號(hào)來完成，同時(shí)采用數(shù)字算法來處理繁雜的運(yùn)算過程，這樣的做法可以使的該系統(tǒng)的元件數(shù)量大大減少，但其功能不會(huì)縮水反而更加靈敏、全面。還比如在提高頻譜利用率這一方面上，通過多路徑傳輸、多載波頻譜重疊的方式，解決頻譜資源緊缺的現(xiàn)況，從而提高頻譜的

27、利用率；同時(shí)由于這種做法可以保證整個(gè)周期內(nèi)OFDM符號(hào)滿足正交性，這樣會(huì)避免信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過程，具體來說就是信號(hào)還原過程，不會(huì)發(fā)生失真這一現(xiàn)象。 2.2 0FDM技術(shù)原理 正交頻分復(fù)用技術(shù)，簡稱OFDM，從他的工作原理來看，它的實(shí)質(zhì)就是多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)，具體做法就是將串行方式傳輸改為并行方式傳輸。串行數(shù)據(jù)就比如單行道，車輛都一個(gè)接一個(gè)的經(jīng)過，速度很快，但由于只有一條通道，反而制約了其快速傳輸?shù)谋举|(zhì)；并行數(shù)據(jù)就相當(dāng)于多車道同時(shí)運(yùn)行，相對于單車道來說，雖然在運(yùn)行速度上沒有很大的優(yōu)勢，但是由于其能單次傳輸多路數(shù)據(jù)，在相同的傳輸時(shí)延中，并行傳輸反而能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)量。通過分析我們發(fā)現(xiàn)

28、，多載波調(diào)制這種做法提高了傳輸效率，并且可以使的OFDM符號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行擴(kuò)充和延展，而且由于采用多路徑傳輸，該方案相比于其它方式，在遠(yuǎn)距離傳輸過程中經(jīng)常無法避免的信號(hào)衰落等問題上，可以很好的避免，提高了系統(tǒng)抗衰落的能力。 在傳輸過程中，利用相關(guān)技術(shù)我們可以把一個(gè)完整的、綜合的正交信號(hào)分開，分開傳輸信號(hào)有利于避免眾多子信道之間的互相干擾等問題。像常見的干擾有：載波信號(hào)之間的干擾、OFDM符號(hào)之間的干擾，保證傳輸信道之間互補(bǔ)干擾，互相平衡。 我們發(fā)現(xiàn)OFDM的一個(gè)符號(hào)是合成的信號(hào)，它是把眾多的子載波通過某種算法合到一起，變成一個(gè)新的信號(hào)。相應(yīng)的，我們也可以通過解調(diào)的原理來把這個(gè)信號(hào)分解出來，

29、然后對每個(gè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，常見的調(diào)制方法有：相移鍵控(PSK)或正交幅度調(diào)制(QAM)。這樣一個(gè)OFDM符號(hào)可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下： St=i=0N-1di rect(t-T2)exp?(j2πiTt),0

30、 （2-2） 通過上述的公式，我們可以看到，經(jīng)過該算法的還原，我們可以得到N路子載波以及該信道上傳輸?shù)男盘?hào)。由于采用多載波調(diào)制會(huì)造成信號(hào)頻譜的重疊問題，但是我們可以通過調(diào)整子載波問頻率間隔，具體就是把為符號(hào)周期的整數(shù)倍，那么合成的信號(hào)經(jīng)過式中的匹配濾波器進(jìn)行恢復(fù)后，并沒有引入載波間干擾(ICI)。 第3章室內(nèi)可見光OFDM系統(tǒng) 我們知道，在可見光通信過程中會(huì)出現(xiàn)多徑串?dāng)_以及碼間干擾的問題，無法避免，這是因?yàn)椴捎枚鄰絺鞑ニ鶐в械谋举|(zhì)上的缺陷；還有一點(diǎn)就是，在可見光通信中由于使用了開關(guān)鍵控

31、技術(shù)以及PWM脈沖調(diào)制的調(diào)制方法，信道間的干擾問題也是很難解決的難題。 通過對該技術(shù)的進(jìn)一步研究，尤其是把該技術(shù)同具體的使用環(huán)境結(jié)合起來后，我們發(fā)現(xiàn)，整個(gè)通信過程是非常復(fù)雜和多變的。舉例來說：在白光通信系統(tǒng)中，特別是使用了多個(gè)LED光源的白光系統(tǒng)，由于采用多徑傳輸，經(jīng)過調(diào)制后的多路光脈沖分別沿特定的信道單獨(dú)傳播，然后被接收端的探測器感應(yīng)到，從而接受傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。正是因?yàn)椴捎昧诉@種多路徑傳輸?shù)姆椒?，我們發(fā)現(xiàn)不同路徑上的光脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上的相互重疊，就如串?dāng)_問題，這樣就影響了系統(tǒng)的傳輸準(zhǔn)確度和傳輸效率。 因此要想繼續(xù)使用多徑傳輸?shù)姆绞?，同時(shí)強(qiáng)化和提高可見光通信系統(tǒng)的傳輸性能和通信能力，我們需

32、要提出一種新的調(diào)制技術(shù)，這種調(diào)制方式要能夠有效減弱或者抵消多徑干擾，提高多徑傳輸過程中的傳輸性能，同時(shí)也要保證在信道中傳輸?shù)母咚俾屎透叻€(wěn)定性?；谶@一出發(fā)點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)OFDM調(diào)制技術(shù)正是我們需要的關(guān)鍵技術(shù)，它最突出的優(yōu)勢就是能夠抗多徑干擾，適用于多徑傳輸環(huán)境和高速率傳輸特性。因此將OFDM技術(shù)融入到可見光通信中來，不僅提高了系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且保證了系統(tǒng)傳輸?shù)母咚俾市枨?，提高了傳輸?shù)乃俣?，由此可?這將會(huì)是一次質(zhì)的飛躍。 3.1室內(nèi)可見光0FDM技術(shù)綜述 關(guān)于OFDM技術(shù)，我們知道這種基帶信號(hào)通常都是復(fù)數(shù)形式表現(xiàn)出來的，有些還會(huì)是雙極性的形式，這是由

33、于它的算法所決定的。但是在無線通信中，特別是在可見光的通信系統(tǒng)中，必須使用“實(shí)、正”的調(diào)制信號(hào)來做為傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，這是該方法所決定的硬性要求，必須滿足。因此我們需要將復(fù)數(shù)形式的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行實(shí)數(shù)化，即將其變成我們需要的“實(shí)、正”的調(diào)制信號(hào)。通過研究我們發(fā)現(xiàn)，離散傅里葉變換這種方法能夠滿足我們的需要，這種方法的特點(diǎn)是具有共軛對稱性。通過這種離散化的方法，我們可以把復(fù)數(shù)形式的OFDM信號(hào)變成實(shí)數(shù)形式，但是實(shí)數(shù)形式也有正負(fù)的差別，仍然是雙極性的，因此我們還需要把雙極性的信號(hào)經(jīng)過單極化處理，從而把信號(hào)變成單極性的信號(hào)，這樣的單極性信號(hào)才是可見光通信中所需要的調(diào)制信號(hào)。 3．2室內(nèi)可見光0FDM技

34、術(shù)原理 得益于OFDM技術(shù)的良好的傳輸特性，在目前特別是在可見光通信領(lǐng)域，這種技術(shù)被廣泛采用，其自身也得到了飛速的發(fā)展。我們知道OFDM技術(shù)之所以具有如此大的應(yīng)用價(jià)值，是因?yàn)槠湓诠馔ㄐ胖芯哂幸韵聝蓚€(gè)關(guān)鍵性的優(yōu)勢：第一點(diǎn)就是介質(zhì)光的數(shù)據(jù)傳輸速率高，能夠適應(yīng)人們對于光通信中對于傳輸速率越來越高的追求；第二點(diǎn)就是由于采用了數(shù)字信號(hào)技術(shù)，通過數(shù)字算法的大運(yùn)算量以及快速的運(yùn)算能力，可以提高可見光傳輸過程中對調(diào)制信號(hào)的快速計(jì)算能力，這樣也間接的提高了光信號(hào)的傳輸速率。 光通信OFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)有很多不同之處，表3.1列出了其中幾項(xiàng)。 表3.1 傳統(tǒng)OFDM與光系統(tǒng)的比較 傳統(tǒng)O

35、FDM系統(tǒng) 光OFDM系統(tǒng) 雙極性 單極性 信號(hào)在電領(lǐng)域傳輸 信號(hào)在光領(lǐng)域傳輸 接收端本地振蕩器 接收端無需本地振蕩器 相干接受 直接檢測 通過比較上述表格我們可以看出，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)和光OFDM系統(tǒng)在很多方面都是不同的，具有很大的差別。首先是信號(hào)的極性上不同，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)的傳輸光信號(hào)是雙極性的，而我們研究的光OFDN系統(tǒng)采用的單極性的光信號(hào)，這點(diǎn)我們在前面章節(jié)已經(jīng)有過說明；然后再傳輸領(lǐng)域上不同，就傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)來說，它的信號(hào)是在電領(lǐng)域之中進(jìn)行傳輸?shù)?，而就光OFDM系統(tǒng)來說，它的光信號(hào)實(shí)在光領(lǐng)域之中進(jìn)行傳輸?shù)?，兩者?yīng)用的傳輸介質(zhì)不同，因此在傳輸效果上有很大

36、的差別；在接受端來看，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)本地振蕩器，用來接受傳輸?shù)碾娦盘?hào)，而光OFDM系統(tǒng)由于采用的是可見光信號(hào)傳輸，所以不需要設(shè)置本地振蕩器，相對來說整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡潔，同時(shí)也相應(yīng)的降低了整個(gè)系統(tǒng)的使用成本；最后，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)采用相干接受這種被動(dòng)檢測技術(shù)，而光OFDM系統(tǒng)則采用的是直接檢測技術(shù)，相比之下更實(shí)用。 可見光系統(tǒng)在通信過程中采用強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測技術(shù)，通過變化的光照強(qiáng)度來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用光電二極管在接收端直接檢測光照強(qiáng)度，然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流值，因此它的信號(hào)只能是單極性的。 可見光OFDM系統(tǒng)的組成原理可由圖3．1所示的框圖表示。 圖3．1 OF

37、DM系統(tǒng)組成框圖 通過上述框圖，我們可以看出整個(gè)OFDM系統(tǒng)的完整組成部分。它的發(fā)送處理過程可以理解為：光信號(hào)經(jīng)過映射后進(jìn)行OFDM調(diào)制，常用的方法是QAM調(diào)制，然后該信號(hào)要進(jìn)行單極化的處理，一般要經(jīng)過IFFT和單極化的變換，通過這兩步，就可以得到調(diào)制后的OFDM信號(hào)。調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過放大后，使該信號(hào)能夠工作在LED的線性工作區(qū)間，并且通過LED將其轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射出去，這樣就完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。 它的處理過程其實(shí)可以理解為發(fā)送過程的逆過程：光電二極管檢測到光信號(hào)，其實(shí)就是LED的光，此時(shí)因?yàn)楣馐俏锢砹?，光照?qiáng)度要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能被識(shí)別和處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，再將多路徑的該信號(hào)

38、通過并/串變換，變成單路徑的信號(hào)，然后再經(jīng)過OFDM解調(diào)操作，即FFT變換其實(shí)就是調(diào)制的逆過程，這樣就能將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)解讀出來。 如圖3．1所示，這是可見光OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。IFFT與FFT就是我們所說的調(diào)制和解調(diào)環(huán)節(jié)，它在OFDM算法中具有非常重要的意義，是該技術(shù)的核心。調(diào)制過程中輸入端序列為[X0、X1、X2…Xn-1]，學(xué)過復(fù)變函數(shù)的都知道頻域信號(hào)表達(dá)式，其中n是子載波數(shù)，同時(shí)也是IFFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)，Xi代表每個(gè)子載波上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；解調(diào)過程中的輸出端向量為是時(shí)域信號(hào)。本文所采用的IFFT與FFT算法的定義式形式分別為: xm=1NK=0N-1XKexpj2πkmN,0≤m≤N-1

39、XK=1Nm=0N-1Xmexp-j2πkmN,0≤k≤N-1 （3-1） 之所以要這樣定義算法的原因是可以使整個(gè)算法得到一定程度上的簡化和優(yōu)化，通過這樣做，我們可以看到，五無論是變換之前還是變換后，整個(gè)信號(hào)不管是時(shí)域形式還是頻域形式，他們的總能量是一樣的，即沒有出現(xiàn)能量的衰減，并且他們的平均功率也是相當(dāng)?shù)?，這也間接說明了這種算法是切實(shí)有效的。 假設(shè)可見光通信系統(tǒng)的信道噪聲為AWGN(加性高斯白噪聲)，那么接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的關(guān)系為: ym=xm+ωm （3-2） 則在接收端解調(diào)時(shí)： YK=

40、1NM=0N-1ymexp-j2πkmN,0≤k≤N-1 YK=XK+ωK （3-3） 其中， ωK=1Nm=0N-1ωmexp-j2πkmN,0≤k≤N-1 （3-4） 從上述的公式可以看出，這是在解調(diào)過程中的相關(guān)計(jì)算。ωK為第七路子載波上的噪聲，由于在一開始我們假設(shè)出現(xiàn)的噪聲是高斯白噪聲，所以該噪聲也是基于n路相互不獨(dú)立合成信號(hào)的采樣值，每路噪聲之間由于互不獨(dú)立，然后再加上在算法中使用FEC(前向糾錯(cuò))，降低了該噪聲對整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能的影響。 經(jīng)調(diào)制過程后得到的OFDM符號(hào)，一般情況下都是以復(fù)

41、數(shù)的表現(xiàn)形式出現(xiàn)的，具體來說都是一個(gè)或者多個(gè)離散的復(fù)數(shù)，通過離散化的方法，我們可以把復(fù)數(shù)形式的OFDM信號(hào)變成實(shí)數(shù)形式，但是實(shí)數(shù)形式也有正負(fù)的差別，仍然是雙極性的，因此我們還需要把雙極性的信號(hào)經(jīng)過單極化處理，從而把信號(hào)變成單極性的信號(hào)，這樣的單極性信號(hào)才是可見光通信中所需要的調(diào)制信號(hào)。 第4章 可見光0FDM信號(hào)單極化方法 本章主要介紹OFDM技術(shù)對信號(hào)進(jìn)行單極化的幾種常見有效的方法，并對其具體的操作過程進(jìn)行簡要的說明，從而選擇一種最適合的方法，來作為本文基于白光LED的可見光通信系統(tǒng)的選擇方案。常用的可見光信號(hào)單極化的方法主要以下四種：加直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)

42、、非對稱性限幅光OFDM(ACO-0FDM)、單極性光OFDM(U-OFDM)和改進(jìn)的AC0-OFDM(MACO-OFDM)。 4.1可見光0FDM單極化原理 在可見光通信系統(tǒng)中，決定該系統(tǒng)傳輸性能的關(guān)鍵因素就是在信號(hào)傳輸過程中的功率問題，一般來說，傳輸功率越大的話，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，傳輸信號(hào)的質(zhì)量更好，信號(hào)的保真度越高。因此對于IM/DD系統(tǒng)來說，平均功率的大小制約著整個(gè)系統(tǒng)傳輸性能的好壞程度，具體來說，要想保證信號(hào)傳輸過程中盡可能少的出現(xiàn)信號(hào)誤碼的情況，提高平均傳輸功率是必須的，但同時(shí)我們還需要對光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和完善，這也是保證系統(tǒng)誤碼率的有效手段?；陔姽β屎凸夤β手g的

43、轉(zhuǎn)換過程，我們對以下幾種光OFDM系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送電功率信噪比的前提下的仿真實(shí)驗(yàn)，從而判斷各個(gè)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。 4.2直流偏置光0FDM系統(tǒng)(DCO-0FDM) DCO-OFDM的工作原理框圖如圖4．1所示。 圖4．1 DCO-OFDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖 4.3非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(ACO-0FDM) 直流偏置法，這種技術(shù)手段也是在可見光通信中常用的進(jìn)行單極化的主要方法之一。這種方法的原理就是通過加直流偏置裝置，對OFDM信號(hào)進(jìn)行單極化處理。但是這種做法也會(huì)有很大的問題，就比如說這種做法會(huì)損失一部分的傳輸功率，與就是說要增加功率的消耗，這樣一來就會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)

44、的利用率降低很多，而且還有一點(diǎn)就是，這樣會(huì)使的調(diào)制的深度發(fā)生改變，具體來說就是會(huì)變淺，使系統(tǒng)的傳輸性能變差，得不償失。因?yàn)檫@個(gè)原因，我們參考了目前已知的解決方法，其中最合適的一種就是 ACO-OFDM系統(tǒng)。 非對稱限幅技術(shù)是目前普遍認(rèn)為可行的能夠解決單極化的問題而又不會(huì)降低調(diào)制深度的有效方法，它的原理其實(shí)也不難理解，就是在光信號(hào)的調(diào)制過程中進(jìn)行一定程度的改進(jìn)，但是不能改變其共軛對稱性這一基本要求，所以這種方法采用的做法就是將眾多的子載波分成奇載波和偶載波兩種，有選擇的利用奇載波來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，在偶載波上不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，即輸入為0，具體的實(shí)現(xiàn)過程同上。圖4．2為ACO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

45、原理圖。 圖4．2 ACO-0FDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖 ACO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如下： (1) QAM星座映射，具體來說就是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行這種形式的映射過程。一般情況下，輸入的數(shù)據(jù)都是基于二進(jìn)制的相應(yīng)序列，再將這些二進(jìn)制序列捷星星座映射就可以了。 (2)將產(chǎn)生的二進(jìn)制序列進(jìn)行映射后是復(fù)數(shù)形式的信號(hào)，為了滿足信號(hào)的共軛對稱性，我們需要對這些復(fù)數(shù)信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，一般來說就是添加共軛數(shù)據(jù)，然后按照上述的方法，將眾多的子載波分成奇載波和偶載波兩種，有選擇的利用奇載波來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，在偶載波上不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，即輸入為0，接下來需要將這些單信道的信號(hào)進(jìn)行變換，將其變成多徑傳輸

46、的信號(hào)，即我們所說的串／并轉(zhuǎn)換，最后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制操作。 (3)將經(jīng)過調(diào)制過程后的雙極性數(shù)據(jù)進(jìn)行非對稱限幅操作，具體做法見下面的分段函數(shù)所示，就是在0值處對數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅，大于0的部分?jǐn)?shù)據(jù)將給定幅值為x，小于0的數(shù)據(jù)將其幅值限制為0。通過在零值處限幅將實(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)變?yōu)閱螛O性的正信號(hào)，即 x'=x,x≥00,x<0 (4-1) (4)通過非對稱限幅后，基帶信號(hào)變成正實(shí)數(shù)信號(hào)，但是整個(gè)過程還沒有結(jié)束，我們還需要對這些正實(shí)數(shù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，粗腰在這些正實(shí)數(shù)信號(hào)前面添加循環(huán)前綴，此時(shí)還需要將并行數(shù)據(jù)再次變回串行數(shù)據(jù)，這樣才

47、能最終輸出該信號(hào)。這就是并／串轉(zhuǎn)換，也是之前提到的串/并轉(zhuǎn)換的逆過程。 盡管ACO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能不如OFDM系統(tǒng)，但其具有獨(dú)特的優(yōu)勢： (1)該系統(tǒng)在接受和發(fā)送信號(hào)端的結(jié)構(gòu)簡單。在對信號(hào)進(jìn)行單極化的過程中產(chǎn)生的是正實(shí)數(shù)信號(hào)，因而不需要其它的處理，優(yōu)化了就夠也節(jié)約了成本。 (2)對光功率的利用程度高，沒有造成不必要的浪費(fèi)。就是在0值處對數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅，大于0的部分?jǐn)?shù)據(jù)將給定幅值為x，小于0的數(shù)據(jù)將其幅值限制為0。通過在零值處限幅將實(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)變?yōu)閱螛O性的正信號(hào)。由于采用了這種做法，不需要加額外的直流偏置裝置，在提高光功率的利用程度的基礎(chǔ)上，不增加光照強(qiáng)度，從而避免了增加光照強(qiáng)度對人眼

48、經(jīng)的損傷。 (3)在不采用直流偏置的基礎(chǔ)上，保證相當(dāng)高的調(diào)制深度。 (4)抗非線性能力強(qiáng)。我們知道光功率越大，它所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)就越明顯，因?yàn)楣夤β适怯绊懛蔷€性效應(yīng)的最主要的影響因素。但是通過上述分析我們可以發(fā)現(xiàn)，ACO-OFDM技術(shù)由于在0值處進(jìn)行限幅，這樣減小光功率，同時(shí)提高了利用率。 4.4單極光OFDM系統(tǒng)(U-OFDM) U—OFDM算法與Flip-0FDM有很多相似之處，可以說F1ip-OFDM算法是U-OFDM的基礎(chǔ)，U-0FDM技術(shù)能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。 U—OFDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖如圖4．3所示 圖4．3 U-OFDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖

49、 通過上述的單極光OFDM系統(tǒng)的原理圖可以看出，這種方法的主要不同之處在于將雙極性O(shè)FDM符號(hào)進(jìn)行時(shí)域極性編碼，這種做法不同于前面提到的非對稱限幅的方法，只是針對發(fā)送端的極性變換。 具體做法如下所示：在接受端，通過對信號(hào)一對一對的檢測判別，比較每一對信號(hào)的幅值，從而判斷出他們的符號(hào)位和數(shù)值位，然后在解調(diào)過程時(shí)，將符號(hào)位去掉，將數(shù)值位保留，然后通過解調(diào)操作，得出進(jìn)行編碼之前的OFDM符號(hào)，從而再通過FFT方法得出最開始從發(fā)送端發(fā)出的原始數(shù)據(jù)。 在進(jìn)行符號(hào)位和數(shù)值位的判別時(shí)，通過比較幅值來決定，誰的幅值大誰就是數(shù)值位，然后保留數(shù)值位，去掉符號(hào)位，這樣可以避免進(jìn)行不必要的解調(diào)操作，節(jié)約了信號(hào)的

50、解調(diào)時(shí)延。 4.5改進(jìn)非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(MACO一0FDM) 改進(jìn)的非對稱限幅系統(tǒng)，顧名思義就是在非對稱限幅技術(shù)上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和完善后形成的一種新的技術(shù)手段。非對稱限幅技術(shù)是目前普遍認(rèn)為可行的能夠解決單極化的問題而又不會(huì)降低調(diào)制深度的有效方法，它的原理其實(shí)也不難理解，就是在光信號(hào)的調(diào)制過程中進(jìn)行一定程度的改進(jìn)，但是不能改變其共軛對稱性這一基本要求，所以這種方法采用的做法就是將眾多的子載波分成奇載波和偶載波兩種，有選擇的利用奇載波來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，在偶載波上不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，即輸入為0。 其具有獨(dú)特的優(yōu)勢： (1)該系統(tǒng)在接受和發(fā)送信號(hào)端的結(jié)構(gòu)簡單。在對信號(hào)進(jìn)行單極化的過

51、程中產(chǎn)生的是正實(shí)數(shù)信號(hào)，因而不需要其它的處理，優(yōu)化了就夠也節(jié)約了成本。 (2)對光功率的利用程度高，沒有造成不必要的浪費(fèi)。就是在0值處對數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅，大于0的部分?jǐn)?shù)據(jù)將給定幅值為x，小于0的數(shù)據(jù)將其幅值限制為0。通過在零值處限幅將實(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)變?yōu)閱螛O性的正信號(hào)。由于采用了這種做法，不需要加額外的直流偏置裝置，在提高光功率的利用程度的基礎(chǔ)上，不增加光照強(qiáng)度，從而避免了增加光照強(qiáng)度對人眼經(jīng)的損傷。 (3)在不采用直流偏置的基礎(chǔ)上，保證相當(dāng)高的調(diào)制深度。 (4)抗非線性能力強(qiáng)。我們知道光功率越大，它所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)就越明顯，因?yàn)楣夤β适怯绊懛蔷€性效應(yīng)的最主要的影響因素。但是通過上述分析我們可以

52、發(fā)現(xiàn)，ACO-OFDM技術(shù)由于在0值處進(jìn)行限幅，這樣可以減小光功率，同時(shí)提高了利用率。 改進(jìn)的非對稱限幅系統(tǒng)或者說MACO-OFDM，它在原有的基礎(chǔ)上又優(yōu)化了相關(guān)算法，IFFT輸入端序列滿足共軛對稱，利用奇載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)IFFT變換得到具有特殊對稱性的雙極性O(shè)FDM符號(hào)后，相比于原來的非對稱限幅系統(tǒng)在0值處進(jìn)行限幅處理的方法，改進(jìn)后的方案是做U-OFDM算法中的極性編碼，即將一位時(shí)域樣值編碼成為一對，其中一位保留原數(shù)值的絕對值，另一位(“0”)表示符號(hào)位，這個(gè)“0”在數(shù)值位后，則原數(shù)值是正數(shù)，這個(gè)“O”在數(shù)值位前，則原數(shù)值為負(fù)值，將雙極性O(shè)FDM符號(hào)轉(zhuǎn)變成非負(fù)符號(hào)，然后在信道中傳輸.

53、 第5章室內(nèi)可見光0FDM通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù) 5.1調(diào)光控制技術(shù)簡述 眾所周知，由于LED具有的眾多優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)簡單、制造成本第、功耗小、實(shí)用經(jīng)濟(jì)以及光照強(qiáng)度大等等，目前在我們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)領(lǐng)域都有涉及，現(xiàn)在已經(jīng)基本取代原有的白熾燈成為室內(nèi)照明的首要選擇。 考慮到目前全世界提倡的節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，LED的出現(xiàn)也是最能體現(xiàn)這一理念的先行者。因此，我們不僅要想方設(shè)法的提高其優(yōu)良性能，還要從節(jié)能環(huán)保的角度去考慮。針對這一問題，我們又提出了調(diào)光控制技術(shù)。它的出現(xiàn)是為了解決節(jié)能環(huán)保的問題，同時(shí)也要保證傳輸性能，通過調(diào)光控制，合理分配光源布局，避免光污染，同時(shí)也要本著節(jié)能的目的，在不損

54、害照明這一功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電源的消耗問題，節(jié)約能源，減少功耗。體現(xiàn)了綠色照明這一未來照明發(fā)展的主題。 同時(shí)，針對室內(nèi)光照這一應(yīng)用場景，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它不同于其他使用場合，具體來說就是不需要提供特別強(qiáng)的光照強(qiáng)度，有些特定的場合比如樓梯間、衛(wèi)生間、臥室以及會(huì)議室等都是需要使用不同強(qiáng)度的光照，由于使用要求不同，基于這一目的，我們需要設(shè)計(jì)光照強(qiáng)度可控的可見光通信系統(tǒng)，這是因?yàn)樘峁┕庹帐俏覀兊某霭l(fā)點(diǎn)，然后才能研究光通信。因此，調(diào)光控制技術(shù)是必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的使用場景調(diào)節(jié)不同的光強(qiáng)，有利于控制該系統(tǒng)的功耗，減少能源的消耗，具有重要的實(shí)用價(jià)值。 調(diào)光技術(shù)作為研究的起點(diǎn)，也是我們

55、必須了解的關(guān)鍵技術(shù)。目前常見的調(diào)光技術(shù)有兩種比較成熟的方案，一種是CCR調(diào)光技術(shù)，另一種是PWM調(diào)光技術(shù)。 兩種調(diào)光方式的本質(zhì)不同，調(diào)節(jié)效果也互不相同。CCR調(diào)光方法的原理是：通過降低電流的大小來實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)，因?yàn)橹灰刂屏鬟^發(fā)光器件的電流大小，這種方法比較簡單，實(shí)現(xiàn)起來也相對比較容易，由于能提供更高的照明效率，所以在工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛；PWM調(diào)光技術(shù)的原理是：PWM控制的基本原理實(shí)際上就是面積等效原理，面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要的理論基礎(chǔ)，原理的內(nèi)容為:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。在這個(gè)原理內(nèi)容里，有幾點(diǎn)需要提出來跟大家重點(diǎn)講解，第一沖量

56、，什么叫沖量？沖量實(shí)際上就是指窄脈沖的面積，什么又叫效果基本相同？實(shí)際上它是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。效果基本相同，我們可以這樣去理解，就是把各輸出波形利用傅里葉變換分析手段，來對輸出波形進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上，它所產(chǎn)生的效果或者說這個(gè)響應(yīng)，它的低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 PWM調(diào)光技術(shù)主要基于面積等效原理，它把連續(xù)的電壓信號(hào)變成一個(gè)個(gè)窄脈沖，能夠提供很大的調(diào)節(jié)范圍，即調(diào)節(jié)光源的亮度能夠?qū)崿F(xiàn)任何你想要的亮度，全程可控。 這兩種調(diào)光技術(shù)都可以提供較小的色差，也就是說不會(huì)造成光源的色彩在調(diào)光過程中發(fā)生失真，這一點(diǎn)已經(jīng)在近期被證實(shí)，但相比于照明

57、效率這點(diǎn)，還是CCR調(diào)光技術(shù)更勝一籌。 5.2調(diào)光控制技術(shù)原理 5.2.1連續(xù)電流調(diào)節(jié)調(diào)光控制(CCR) CCR調(diào)光方法的原理是：通過降低電流的大小來實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)，因?yàn)橹灰刂屏鬟^發(fā)光器件的電流大小，這種方法比較簡單，實(shí)現(xiàn)起來也相對比較容易，由于能提供更高的照明效率，所以在工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中通過增大或者減小輸入信號(hào)的電功率，這樣就可以增大或者減小流過LED的驅(qū)動(dòng)電流，電流改變相應(yīng)的燈光強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。原理如圖5．1所示。 圖5．1 CCR調(diào)光技術(shù)原理框圖 5.2.2脈沖寬度調(diào)制調(diào)光控制(PWM) PWM調(diào)光技術(shù)主要基于面積等效原理，

58、它把連續(xù)的電壓信號(hào)變成一個(gè)個(gè)窄脈沖，能夠提供很大的調(diào)節(jié)范圍，即調(diào)節(jié)光源的亮度能夠?qū)崿F(xiàn)任何你想要的亮度，在調(diào)光過程中，輸入和輸出是成線性關(guān)系的，并且全程可控。因此在工業(yè)上得到很多領(lǐng)域的青睞。 本文所采用的PWM調(diào)光技術(shù)優(yōu)勢在于： (1)傳輸數(shù)據(jù)速率不受脈沖寬度調(diào)制信號(hào)頻率的限制； (2)可以有效的利用LED的特性，即LED具有的線性動(dòng)態(tài)范圍，能夠有效降低它的非線性失真； (3)能夠在一定的范圍內(nèi)保持良好的誤碼性能。 下面介紹這種PWM調(diào)光技術(shù)的工作原理。 如下圖所示這是一個(gè)基于PWM技術(shù)的電流信號(hào)圖。如圖5．2所示，整個(gè)PWM的周期中的導(dǎo)通時(shí)間為T，信號(hào)周期為Tpwm， Tpwm=q

59、TOFDM (q=2，3，4，．．．)，占空比為調(diào)光控制因子，與調(diào)光程度成正比，IH和IL分別為LED光電轉(zhuǎn)換特性處于線性工作區(qū)間時(shí)輸入電流的上限和下限，它的表達(dá)式可用公式(5-1)表示： iPWMt=IH,0≤t

60、該系統(tǒng)的工作框圖。分別如圖5.3和5.4所示。 圖5.3 基于CCR調(diào)光技術(shù)的AC0-OFDM系統(tǒng)工作框圖 圖5.4 基于PWM調(diào)光技術(shù)的ACO-OFDM系統(tǒng)工作框圖 5.3.2基于U—OFDM系統(tǒng)的調(diào)光控制 如下圖所示，我們將上述提到的兩種調(diào)光技術(shù)同U-OFDM相結(jié)合，即把CCR調(diào)光技術(shù)、PWM調(diào)光技術(shù)應(yīng)用到該可見光通信系統(tǒng)中來，下面是這兩種調(diào)光技術(shù)下該系統(tǒng)的工作框圖。如圖5.5和5.6所示。 圖5.5 基于CCR調(diào)光技術(shù)的U-OFDM系統(tǒng)工作框圖 圖5.6 基于PWM調(diào)光技術(shù)的U-OFDM系統(tǒng)工作框圖 針對上述兩種系統(tǒng)，我們設(shè)置了如下所示的兩種系

61、統(tǒng)的性能仿真實(shí)驗(yàn)。具體設(shè)置如下所示：采用QAM調(diào)制方式，U-OFDM系統(tǒng)符號(hào)具有128個(gè)子載波數(shù)量，直流偏置bias=10dBm，信道噪聲AWGN=-3dBm。通過仿真我們可以得到在這兩種調(diào)光技術(shù)下的該系統(tǒng)的電流值以及誤碼性能曲線圖，如下圖5-7、圖5-8所示。 通過分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在一定程度上，兩種調(diào)光技術(shù)的誤碼率很相近，但總體來說在整體的誤碼率上，PWM還是要優(yōu)于CCR技術(shù)；在調(diào)光性能這點(diǎn)上，兩種調(diào)光技術(shù)下該系統(tǒng)的調(diào)光性能差不多；但在照明光強(qiáng)度調(diào)控范圍及靈活度上，PWM完勝CCR。 圖5.7 CCR和PWM調(diào)光控制下ACO-OFDM系統(tǒng)的性能 圖5.8 U-OFDM系統(tǒng)

62、調(diào)光控制性能 5.4最優(yōu)化光0FDM系統(tǒng)調(diào)光控制 如下圖所示，我們將上述提到的兩種調(diào)光技術(shù)同ACO-OFDM、U-OFDM以及ZACO-0FDM三種上述已經(jīng)介紹過的可見光系統(tǒng)相結(jié)合，即把CCR調(diào)光技術(shù)、PWM調(diào)光技術(shù)應(yīng)用到該可見光通信系統(tǒng)中來，通過仿真比較他們各自的性能優(yōu)劣，尋找最適于室內(nèi)光通信的OFDM系統(tǒng)及調(diào)光控制方案。 (1)CCR調(diào)光控制 基于CCR調(diào)光技術(shù)，通過對選取的ACO-OFDM系統(tǒng)、U-OFDM系統(tǒng)及ZACO-0FDM系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，主要對三種系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值和系統(tǒng)的誤碼性能關(guān)系進(jìn)行比較。 具體仿真設(shè)置如下：采用64QAM調(diào)制方式， ACO-OFDM

63、系統(tǒng)、U-OFDM系統(tǒng)及ZACO-OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)為128，直流偏置為10dBm，信道噪聲AWGN為-3dBm，仿真結(jié)果分別如圖5.9和圖5.10所示。 圖5.9 ACO-OFDM系統(tǒng)、U-OFDM系統(tǒng)及ZAC0-OFDM系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值 圖5.10 ACO-OFDM系統(tǒng)、U-OFDM系統(tǒng)及ZACO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能 通過上述的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)射電功率相同時(shí)，ACO-OFDM系統(tǒng)與U-OFDM系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值基本相同，這兩個(gè)光通信系統(tǒng)的性能相同；而ZACO-OFDM系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值小于AC0-OFDM系統(tǒng)和U-OFDM系統(tǒng)，調(diào)光深度最深，該系統(tǒng)具有更高的功率

64、利用效率，節(jié)能高效。綜合來看，選擇ZACO-OFDM系統(tǒng)效果更好。 但從系統(tǒng)誤碼率來看，具體參考圖5．10中，我們可以看到，當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)射電功率相同時(shí)，ACO-OFDM系統(tǒng)和ZACO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能相同，U-OFDM系統(tǒng)要優(yōu)于兩者。所以若要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即誤碼率越低越好，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們應(yīng)該選擇U-OFDM系統(tǒng)的性能會(huì)更好。 (2)PWM調(diào)光控制 基于PWM調(diào)光技術(shù)，通過對選取的ACO-OFDM系統(tǒng)、U-OFDM系統(tǒng)及ZACO-0FDM系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，主要對三種系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值和系統(tǒng)的誤碼性能關(guān)系進(jìn)行比較。 具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：采用64QAM調(diào)制方式， 三種系

65、統(tǒng)的子載波數(shù)為128，直流偏置為10dBm，信道噪聲AWGN為-3dBm，仿真結(jié)果分別如圖5.11和圖5.12所示。 通過下面的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)射電功率相同時(shí)，ACO-OFDM系統(tǒng)與U-OFDM系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值基本相同，這兩個(gè)光通信系統(tǒng)的性能相同；而ZACO-OFDM系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流值小于AC0-OFDM系統(tǒng)和U-OFDM系統(tǒng)，調(diào)光深度最深，該系統(tǒng)具有更高的功率利用效率，節(jié)能高效。雖然我們看到ZACO-OFDM系統(tǒng)的調(diào)光控制范圍比ACO-OFDM要小,但是同樣來說ZACO-OFDM系統(tǒng)的電流值處于一個(gè)比較低的范圍內(nèi)，這樣的話可以減小能耗，具體來說就是降低了輸出光功率?；诠?jié)能方面，我們選

66、擇該系統(tǒng)。 但如果不考慮節(jié)能只求具有調(diào)光控制的范圍的話, ZACO-OFDM系統(tǒng)的調(diào)光性能是遠(yuǎn)不如前兩者的，因此這里不推薦ZACO-OFDM系統(tǒng)。 圖5.11(a) 采用PWM調(diào)光控制的ACO-OFDM與U-0FDM驅(qū)動(dòng)電流性能對比 圖5.11（b） 采用PWM調(diào)光控制的ACO-OFDM與ZACO-OFDM驅(qū)動(dòng)電流性能對比 圖5.12 采用PWM調(diào)光控制的ACO-OFDM系統(tǒng)、U-OFDMM系統(tǒng) 綜上所述，不管采用這兩者調(diào)光控制技術(shù)的哪一種，基于該調(diào)光技術(shù)的三種可見光通信方案在某些方面都有各自的可取支持，即具有其它系統(tǒng)不具有的優(yōu)勢，但同樣也具有一些不足之處。當(dāng)我們需要穩(wěn)定的系統(tǒng)，具有很高的可靠性時(shí)，我們可以選擇U-OFDM系統(tǒng)；如果我們注重調(diào)光的控制范圍和調(diào)節(jié)深度時(shí)，可以選擇ZAC0-0FDM系統(tǒng)。 但是考慮在相同的可見光通信系統(tǒng)下，比較兩者調(diào)光技術(shù)，綜合比較可以看出，在調(diào)光范圍和誤碼率這兩個(gè)層面，PWM都要明顯優(yōu)于CCR。 所以根據(jù)上述結(jié)論，我們可以總結(jié)如下結(jié)論：基于室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)來說，若看重調(diào)光控制這方面，我們可以選擇U-OFDM的PWM調(diào)光控制