基于ＯFDＭ的室內可見光通信系統(tǒng)調光控制技術

1、基于FD的室內可見光通信系統(tǒng)調光控制技術摘 要本文研究了OFDM在不同應用場景下的室內可見光通信系統(tǒng)，以及介紹了各種調光控制技術，并結合OFDM技術應用在可見光中領域。針對可見光通信對高速數據傳輸的要求，將OFDM技術引入可見光通信，并針對可見光通信對傳輸信號極性的相關特性，研究了單極OFDM系統(tǒng)在可見光通信中的應用。詳細分析了可見光OFDM系統(tǒng)的工作原理，從多個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)中采用的調光控制技術的系統(tǒng)性能和調光性能，并提出了最適合室內可見光通信的光OFDM系統(tǒng)的調光控制方案。結果發(fā)現。更符合節(jié)能理念的綠

2、色照明室內VLC高速數據傳輸調光控制方案。本文的創(chuàng)新工作是將可見光通信系統(tǒng)的調光控制技術應用于目前國內外尚未報道的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)應用于室內可見光領域。實踐證明，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。關鍵詞：OFDM；ZACO-OFDM；ZACO-OFDM；VLC；調光控制技術ABSTRACT In this paper, the indoor visible communication system of OFDM under different application scenarios i

3、s 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 technology is introduced into visible light communic

4、ation, 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 system is analyzed in detail, and the performance of s

5、everal 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 control technology used in optical OFDM system, and pu

6、ts 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 dimming control scheme. The innovative work of thi

7、s 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 transmission system in the field of indoor visible light. Pr

8、actice 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 要1Abstract2第1章 緒論51.1室內可見光通信技術發(fā)展背景51.2可見光通信技術的優(yōu)勢51.3可見光通信技術國內外發(fā)展現狀61.4課題的提出與研究

9、意義7第2章0FDM技術82.1 0FDM技術綜述82.2 0FDM技術原理8第3章 室內可見光OFDM系統(tǒng)93.1室內可見光0FDM技術綜述93.2室內可見光0FDM技術原理10第4章 可見光0FDM信號單極化方法114.1可見光0FDM單極化原理114.2直流偏置光0FDM系統(tǒng)(DCO-0FDM)114.3非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(ACO-0FDM)114.4單極光OFDM系統(tǒng)(U-OFDM)134.5改進非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(MACO-0FDM)14第5章室內可見光0FDM通信系統(tǒng)調光控制技術145.1調光控制技術簡述145.2調光控制技術原理155.2.1連續(xù)電流調節(jié)調光控制(CC

10、R)155.2.2脈沖寬度調制調光控制(PWM)155.3基于光0FDM系統(tǒng)的調光控制研究165.3.1基于AC00FDM系統(tǒng)的調光控制165.3.2基于UOFDM系統(tǒng)的調光控制175.4最優(yōu)化光0FDM系統(tǒng)調光控制18第6章 總結與展望216.1全文小結216.2論文的主要工作226.3論文的創(chuàng)新點22參考文獻23致 謝25第1章 緒論1.1室內可見光通信技術發(fā)展背景可見光通信技術(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?；谑覂葌鬏斶@樣一個前提下，選擇短距離傳輸及高速接入技術是目前發(fā)展的趨勢，VL

11、C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。隨著世界科學技術的進步，相應的固態(tài)照明技術也得到了突破性的發(fā)展，尤其是LED的發(fā)現，是具有獨特意義，并且是劃時代的，具有很廣闊的實際應用價值。我們發(fā)現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，從電學方面來說，它的開通和關斷的響應時間很短，最重要的一點就是整個結構的組成很簡單，元器件的成本不高，性價比很高且適合大面積推廣，同時其顏色多種多樣也成為其賣點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，目前已經開始大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈和市面上大部分的節(jié)能燈，

12、作為一種新的照明工具之一。因為LED的出現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LED的照明燈具和LED顯示板已經在市面上隨處可見。像家庭用的照明燈目前都已經換成節(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，還能對顯示的內容進行自主設置，靈活多變而且整個裝置的功耗很低，非常適合日常使用。雖然目前LED的使用已經令人滿意，但科技創(chuàng)新的腳步永遠不會停止。目前許多科學家們已經開始進軍基于LED的可見光通信領域，希望在其照明發(fā)光的基礎上，對可見光進一步利用，通過這種可見光來進行通信，

13、并且已經取得了許多突破性的進展。日常生活中LED設施無處不在，它的出現就伴隨著可見光頻譜資源的產生，具有很高的使用價值，由于可見光具有可通信的特點，再加上LED目前主要應用于室內的照明環(huán)境，因此我們想把LED設備充分利用，即把LED發(fā)光和室內通信結合到一起，作為室內數據傳輸的一個選擇方案。并且由于室內的面積有限，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可以作為室內可見光通信數據傳輸的一個比較好的選擇方案，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

14、強的實際意義，在無線短距離傳輸領域將會是一個新的研究方向，具有很高的應用價值。1.2可見光通信技術的優(yōu)勢在目前來說，可見光通信是一種新的無線通信技術，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)射頻技術無法實現的的優(yōu)點，具體表現在以下三個方面：較低的電磁輻射，良好的室內設備使用環(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容的拓展和補充。并且目前越來越多的移動設備的使用，大大減少無線頻譜的可用資源，針對目前的現狀，我們需要對無線頻譜進行擴展，這就要求我們積極研發(fā)新技術、新設備來解決這一窘境。通過了解發(fā)現，可見光能夠提供很多

15、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開發(fā)，解決無線頻譜資源越來越少的現狀已經成為一種必然趨勢。(2)可見光通信技術是利用發(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是綠色環(huán)保的。因此我們在現有的可見光通信技術的基礎上，采用LED燈來代替光源，因為LED燈具有可高速調制的特點，兼顧通信與照明這兩個功能，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、控制這三個方面，可見光通信系統(tǒng)實現了三者的有機融合，為人類提供了一種新

16、的更加節(jié)能環(huán)保且可控的光通信技術。(3) 在應用場景層面，可見光通信技術也具有得天獨厚的優(yōu)勢，也是目前使用的無線通信的完善和補充?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的工作原理我們在上面已經講過，可以看到它沒有一般射頻通信技術工作時伴隨的電磁污染現象，因此可以應用于醫(yī)院、高精度工業(yè)控制生產等領域；其次，由于它是照明與通信的兩者的結合體，兼顧兩者的應用場景，即可在照明領域異軍突起，具有新穎的特點和優(yōu)勢，也可在通信領域大放異彩，具有很大的帶寬，同時也可以便于家庭智能家居設備的安裝和適配。由此可見，這種技術可應用于目前比較流行的智能家居控制以及未來將會普及的智能化的交通等領域；在我們不常接觸到的水下通信層面，可見光通信技

17、術也能很好的勝任此項工作，目前實踐證明采用藍綠光LED燈的這種通信技術已經成功研制，它是一種半導體照明技術，同時也能在水下進行高帶寬的通信功能；在信息安全領域，目前使用的通訊設備容易被人監(jiān)聽，造成信息的泄露，因此信息安全也是目前討論的熱點?？梢姽馔ㄐ偶夹g在此方面應用廣泛，它的原理之處在于可見光通信技術，由于光傳播的特性，我們知道，每當光傳播的路徑中出現只障礙物阻擋時，這時候光就不能繼續(xù)傳播，此時整個傳輸過程就會中斷。這里的光傳播路徑中出現障礙物就可以理解為在通訊設備上有外加設備想要通過這種方式竊取傳輸的信息。但由于光傳播的不可透性，此時信息就不會被竊取，這樣也證明了該通信方式的可靠性和安全性。

18、 (4)可見光通信技術最重要的優(yōu)勢在于高速通信，特別是已經在各地展開的5G通信技術，屆時網絡的傳輸速度將達到一個新的高度。因此，本文研究的可見光通信將具有更廣闊的應用場景，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的通信建設中發(fā)揮更大的作用。1.3可見光通信技術國內外發(fā)展現狀關于室內可見光通信這一技術的研究進程，最開始是由日本學者提出，2000年，利用白光LED在室內進行光通信的設想第一次被提出，在接下來的十多年，針對這一設想的相關研究如火如荼，陸續(xù)的開始進行中。在這段時間，白光通信技術逐步得到完善，研究內容也不斷得到補充。比如：針對提高白光傳輸速率的研究、針對該

19、系統(tǒng)性能如何提高和優(yōu)化的研究、針對室內光的信道仿真建模的研究、針對白光通信的調制方式的研究、針對室內光強的亮度控制研究以及室內的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。隨著越來越多的組織和個人的加入，對可見光通信的研究也越來越深入。在國內，我們了解到最開始接觸這一概念的是2006年，當時據報道稱丁德強與柯熙政等人正在研究可見光通信及其關鍵技術，整個報道對這個新概念進行了詳細的介紹，同時也吸引了了眾多國內人士的目光。從那時開始，國內關于可見光通信這一領域的研究正式開始。在這之后的時間內，研究內容越來越豐富，研究的層次也越來越深入。像一開始的基礎

20、性的技術支撐，對于開展室內通信的研究奠定了基礎；針對這一概念實施的可能性的研究，包括光源特性的結構分析、通信過程中的鏈路和信道的建模仿真等，這些為進一步展開相應研究提供了具體可行的實踐意義；還有針對傳輸過程中的調制解調環(huán)節(jié)，提供了具體的技術支持和方案標準。在2012年復旦大學的遲楠等人提出一種基于副載波復用的新型的多輸入單輸出(MISO)正交頻分復用(OFDM)可見光通信系統(tǒng)，是國內關于可見光通信技術研究的重大發(fā)現，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140cm22，而且把這種技術應用于室內定位，利用光通信技術對室內的物體進行位置確定，具有實際的使用意義，并且在當時這個方向是極具發(fā)

21、展前景的，是一個全新的新領域。由此可見，可見光通信技術理論技術成熟，且應用領域很廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景和很高的使用價值，在日常生活中也具有實際的應用領域，它在不久的未來中的應用令人十分期待。14課題的提出與研究意義正交頻分復用(OFDM)技術的提出不是想當然出現的，而是基于目前的研究，出于滿足室內光通信數據傳輸的高速率需求，提高光通信傳輸速率的目的，在可見光通信領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的無線信道中的串擾問題，尤其是碼間串擾，還可以減小非線性失真現象，像由于LED光源的非線性頻率響應所產生的一些問題。但是采用這種技術的要求就是，我們需要在光通信過程中進行單極化處理

22、，這樣做的目的就是要保證OFDM的符號的“實正性”。因此在采用這種做法后，我們就必須面臨另一個問題，那就是單極化，我們需要優(yōu)化其算法，改進OFDM的傳輸問題。接下來，本文將對這個問題進行進一步的深入研究，對OFDM系統(tǒng)的傳輸性能進行全面的分析，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?？紤]到目前全世界提倡的節(jié)能環(huán)保的號召，可見光通信技術也是最能體現這一理念的先行者。因此，我們不僅要想方設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，我們又提出了調光控制技術。它的出現是為了解決節(jié)能環(huán)保的問題，同時也要保證傳輸性能，通過調光控制，合理分配光源布局，避免光污染

23、，同時也要本著節(jié)能的目的，在不損害照明這一功能的基礎上，優(yōu)化電源的消耗問題，節(jié)約能源，減少功耗。體現了綠色照明這一未來照明發(fā)展的主題。同時，針對室內光照這一應用場景，我們會發(fā)現它不同于其他使用場合，具體來說就是不需要提供特別強的光照強度，有些特定的場合比如樓梯間、衛(wèi)生間、臥室以及會議室等都是需要使用不同強度的光照，由于使用要求不同，基于這一目的，我們需要設計光照強度可控的可見光通信系統(tǒng)，這是因為提供光照是我們的出發(fā)點，然后才能研究光通信。因此，調光控制技術是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。實際應用中，針對不同的使用場景調節(jié)不同的光強，有利于控制該系統(tǒng)的功耗，減少能源的消耗，具有重要的實用價值。所以本文

24、把調光技術作為研究的起點，在多種可見光OFDM系統(tǒng)中應用該技術，然后再考慮可見光的傳輸性能，結合具體情況對多種方案進行分析比較，尋求最適于室內傳輸的光OFDM調光系統(tǒng)。第2章0FDM技術2.1 0FDM技術綜述正交頻分復用技術，簡稱OFDM，它是目前研究比較熱門的用于可見光通信的關鍵技術，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，應用多載波調制的技術手段，在通信過程中普遍面臨的多路徑出現的干擾問題方面能夠進行有效的抑制。通過這種方法的實施，我們發(fā)現它可以使通信過程中頻帶信道利用率低的問題迎刃而解，從而提高整個系統(tǒng)的頻帶利用效率，可以有效解決目前頻帶寬度資源緊缺的這

25、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，該技術得到了很大的提升和不斷的完善，目前已知該技術已經更新多代。目前得益于數字信號技術的迅速發(fā)展，數字處理算法以及數字邏輯運算速度的快速提高，現代OFDM技術也得到了徹底的改變，在很多地方采用數字信號處理技術來完善系統(tǒng)的結構以及傳輸性能。常見的有：在載波的發(fā)送和接受端采用數字信號來完成，同時采用數字算法來處理繁雜的運算過程，這樣的做法可以使的該系統(tǒng)的元件數量大大減少，但其功能不會縮水反而更加靈敏、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況，從而提高頻譜的利用率；同時由于這種做法可

26、以保證整個周期內OFDM符號滿足正交性，這樣會避免信號的調制解調過程，具體來說就是信號還原過程，不會發(fā)生失真這一現象。2.2 0FDM技術原理正交頻分復用技術，簡稱OFDM，從他的工作原理來看，它的實質就是多載波調制(MCM)技術，具體做法就是將串行方式傳輸改為并行方式傳輸。串行數據就比如單行道，車輛都一個接一個的經過，速度很快，但由于只有一條通道，反而制約了其快速傳輸的本質；并行數據就相當于多車道同時運行，相對于單車道來說，雖然在運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據，在相同的傳輸時延中，并行傳輸反而能夠傳輸更多的數據量。通過分析我們發(fā)現，多載波調制這種做法提高了傳輸效率，并

27、且可以使的OFDM符號的脈沖寬度進行擴充和延展，而且由于采用多路徑傳輸，該方案相比于其它方式，在遠距離傳輸過程中經常無法避免的信號衰落等問題上，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，利用相關技術我們可以把一個完整的、綜合的正交信號分開，分開傳輸信號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：載波信號之間的干擾、OFDM符號之間的干擾，保證傳輸信道之間互補干擾，互相平衡。我們發(fā)現OFDM的一個符號是合成的信號，它是把眾多的子載波通過某種算法合到一起，變成一個新的信號。相應的，我們也可以通過解調的原理來把這個信號分解出來，然后對每個信號進行調制，常見的調制方法有：相移

28、鍵控(PSK)或正交幅度調制(QAM)。這樣一個OFDM符號可以用數學表達式表示如下：St=i=0N-1di rect(t-T2)exp(j2iTt),0tTrectt=1,t2T （2-1）那么，在接收端：dn=1T0Texp(-jnt)m=0N-1dmexp(jnt)dt =1T0Texp(-jnt)dnexp(jnt) dt =1T0Tdndt （2-2）通過上述的公式，我們可以看到，經過該算法的還原，我們可以得到N路子載波以及該信道上傳輸的信號。由于采用多載波調制會造成信號頻譜的重疊問題，但是我們可以通過調整子載波問頻率間隔，具體就是把為符號周期的整數倍，那么合成的信號經過式中的匹配濾

29、波器進行恢復后，并沒有引入載波間干擾(ICI)。第3章室內可見光OFDM系統(tǒng)我們知道，在可見光通信過程中會出現多徑串擾以及碼間干擾的問題，無法避免，這是因為采用多徑傳播所帶有的本質上的缺陷；還有一點就是，在可見光通信中由于使用了開關鍵控技術以及PWM脈沖調制的調制方法，信道間的干擾問題也是很難解決的難題。通過對該技術的進一步研究，尤其是把該技術同具體的使用環(huán)境結合起來后，我們發(fā)現，整個通信過程是非常復雜和多變的。舉例來說：在白光通信系統(tǒng)中，特別是使用了多個LED光源的白光系統(tǒng)，由于采用多徑傳輸，經過調制后的多路光脈沖分別沿特定的信道單獨傳播，然后被接收端的探測器感應到，從而接受傳輸的數據。正是

30、因為采用了這種多路徑傳輸的方法，我們發(fā)現不同路徑上的光脈沖信號會產生時間上的相互重疊，就如串擾問題，這樣就影響了系統(tǒng)的傳輸準確度和傳輸效率。因此要想繼續(xù)使用多徑傳輸的方式，同時強化和提高可見光通信系統(tǒng)的傳輸性能和通信能力，我們需要提出一種新的調制技術，這種調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，同時也要保證在信道中傳輸的高速率和高穩(wěn)定性?；谶@一出發(fā)點，我們發(fā)現OFDM調制技術正是我們需要的關鍵技術，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

31、統(tǒng)傳輸的高速率需求，提高了傳輸的速度，由此可見 這將會是一次質的飛躍。3.1室內可見光0FDM技術綜述 關于OFDM技術，我們知道這種基帶信號通常都是復數形式表現出來的，有些還會是雙極性的形式，這是由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、正”的調制信號來做為傳輸的基帶信號，這是該方法所決定的硬性要求，必須滿足。因此我們需要將復數形式的調制信號進行實數化，即將其變成我們需要的“實、正”的調制信號。通過研究我們發(fā)現，離散傅里葉變換這種方法能夠滿足我們的需要，這種方法的特點是具有共軛對稱性。通過這種離散化的方法，我們可以把復數形式的OFDM信號變成實數形式，

32、但是實數形式也有正負的差別，仍然是雙極性的，因此我們還需要把雙極性的信號經過單極化處理，從而把信號變成單極性的信號，這樣的單極性信號才是可見光通信中所需要的調制信號。32室內可見光0FDM技術原理得益于OFDM技術的良好的傳輸特性，在目前特別是在可見光通信領域，這種技術被廣泛采用，其自身也得到了飛速的發(fā)展。我們知道OFDM技術之所以具有如此大的應用價值，是因為其在光通信中具有以下兩個關鍵性的優(yōu)勢：第一點就是介質光的數據傳輸速率高，能夠適應人們對于光通信中對于傳輸速率越來越高的追求；第二點就是由于采用了數字信號技術，通過數字算法的大運算量以及快速的運算能力，可以提高可見光傳輸過程中對調制信號的快

33、速計算能力，這樣也間接的提高了光信號的傳輸速率。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。表3.1 傳統(tǒng)OFDM與光系統(tǒng)的比較傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)光OFDM系統(tǒng)雙極性單極性信號在電領域傳輸信號在光領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。首先是信號的極性上不同，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)的傳輸光信號是雙極性的，而我們研究的光OFDN系統(tǒng)采用的單極性的光信號，這點我們在前面章節(jié)已經有過說明；然后再傳輸領域上不同，就傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)來說，它的信號是在電領域

34、之中進行傳輸的，而就光OFDM系統(tǒng)來說，它的光信號實在光領域之中進行傳輸的，兩者應用的傳輸介質不同，因此在傳輸效果上有很大的差別；在接受端來看，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)需要單獨設置一個本地振蕩器，用來接受傳輸的電信號，而光OFDM系統(tǒng)由于采用的是可見光信號傳輸，所以不需要設置本地振蕩器，相對來說整個系統(tǒng)的結構更簡潔，同時也相應的降低了整個系統(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檢測技術，而光OFDM系統(tǒng)則采用的是直接檢測技術，相比之下更實用。可見光系統(tǒng)在通信過程中采用強度調制直接檢測技術，通過變化的光照強度來進行數據傳輸，利用光電二極管在接收端直接檢測光照強度，然后轉化為相應的電

35、流值，因此它的信號只能是單極性的?？梢姽釵FDM系統(tǒng)的組成原理可由圖31所示的框圖表示。圖31 OFDM系統(tǒng)組成框圖通過上述框圖，我們可以看出整個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：光信號經過映射后進行OFDM調制，常用的方法是QAM調制，然后該信號要進行單極化的處理，一般要經過IFFT和單極化的變換，通過這兩步，就可以得到調制后的OFDM信號。調制后的信號經過放大后，使該信號能夠工作在LED的線性工作區(qū)間，并且通過LED將其轉換成光信號發(fā)射出去，這樣就完成數據的發(fā)送。它的處理過程其實可以理解為發(fā)送過程的逆過程：光電二極管檢測到光信號，其實就是LED的光，此時因為光是物理量

36、，光照強度要轉換成電信號才能被識別和處理，然后通過A/D轉換變成數字信號，再將多路徑的該信號通過并/串變換，變成單路徑的信號，然后再經過OFDM解調操作，即FFT變換其實就是調制的逆過程，這樣就能將傳輸的數據解讀出來。如圖31所示，這是可見光OFDM系統(tǒng)結構框圖。IFFT與FFT就是我們所說的調制和解調環(huán)節(jié)，它在OFDM算法中具有非常重要的意義，是該技術的核心。調制過程中輸入端序列為X0、X1、X2Xn-1，學過復變函數的都知道頻域信號表達式，其中n是子載波數，同時也是IFFT計算點數，Xi代表每個子載波上傳輸的數據；解調過程中的輸出端向量為是時域信號。本文所采用的IFFT與FFT算法的定義式

37、形式分別為:xm=1NK=0N-1XKexpj2kmN,0mN-1XK=1Nm=0N-1Xmexp-j2kmN,0kN-1 （3-1）之所以要這樣定義算法的原因是可以使整個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，整個信號不管是時域形式還是頻域形式，他們的總能量是一樣的，即沒有出現能量的衰減，并且他們的平均功率也是相當的，這也間接說明了這種算法是切實有效的。假設可見光通信系統(tǒng)的信道噪聲為AWGN(加性高斯白噪聲)，那么接收信號與發(fā)送信號的關系為:ym=xm+m （3-2）則在接收端解調時：YK=1NM=0N-1ymexp-j2kmN,0kN-1YK=

38、XK+K （3-3）其中，K=1Nm=0N-1mexp-j2kmN,0kN-1 （3-4）從上述的公式可以看出，這是在解調過程中的相關計算。K為第七路子載波上的噪聲，由于在一開始我們假設出現的噪聲是高斯白噪聲，所以該噪聲也是基于n路相互不獨立合成信號的采樣值，每路噪聲之間由于互不獨立，然后再加上在算法中使用FEC(前向糾錯)，降低了該噪聲對整個系統(tǒng)的傳輸性能的影響。經調制過程后得到的OFDM符號，一般情況下都是以復數的表現形式出現的，具體來說都是一個或者多個離散的復數，通過離散化的方法，我們可以把復數形式的OFDM信號變成實數形式，但是實數形式也有正負的差別，仍然是雙極性的，因此我們還需要把雙

39、極性的信號經過單極化處理，從而把信號變成單極性的信號，這樣的單極性信號才是可見光通信中所需要的調制信號。第4章 可見光0FDM信號單極化方法本章主要介紹OFDM技術對信號進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。常用的可見光信號單極化的方法主要以下四種：加直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)、非對稱性限幅光OFDM(ACO-0FDM)、單極性光OFDM(U-OFDM)和改進的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)傳輸性能的關鍵因

40、素就是在信號傳輸過程中的功率問題，一般來說，傳輸功率越大的話，傳輸的距離越遠，傳輸信號的質量更好，信號的保真度越高。因此對于IM/DD系統(tǒng)來說，平均功率的大小制約著整個系統(tǒng)傳輸性能的好壞程度，具體來說，要想保證信號傳輸過程中盡可能少的出現信號誤碼的情況，提高平均傳輸功率是必須的，但同時我們還需要對光電轉換環(huán)節(jié)進行優(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的轉換過程，我們對以下幾種光OFDM系統(tǒng)進行發(fā)送電功率信噪比的前提下的仿真實驗，從而判斷各個系統(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41所示。圖41 DCO-OF

41、DM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，這種技術手段也是在可見光通信中常用的進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信號進行單極化處理。但是這種做法也會有很大的問題，就比如說這種做法會損失一部分的傳輸功率，與就是說要增加功率的消耗，這樣一來就會使得整個系統(tǒng)的利用率降低很多，而且還有一點就是，這樣會使的調制的深度發(fā)生改變，具體來說就是會變淺，使系統(tǒng)的傳輸性能變差，得不償失。因為這個原因，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)。非對稱限幅技術是目前普遍認為可行的能夠解決單極化的問題而

42、又不會降低調制深度的有效方法，它的原理其實也不難理解，就是在光信號的調制過程中進行一定程度的改進，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行數據的發(fā)送，在偶載波上不進行數據發(fā)送，即輸入為0，具體的實現過程同上。圖42為ACO-OFDM調制系統(tǒng)的實現原理圖。圖42 ACO-0FDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖ACO-OFDM調制系統(tǒng)實現原理如下：(1) QAM星座映射，具體來說就是在傳輸的數據進行這種形式的映射過程。一般情況下，輸入的數據都是基于二進制的相應序列，再將這些二進制序列捷星星座映射就可以了。(2)將產生的二

43、進制序列進行映射后是復數形式的信號，為了滿足信號的共軛對稱性，我們需要對這些復數信號進行結構改進，一般來說就是添加共軛數據，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行數據的發(fā)送，在偶載波上不進行數據發(fā)送，即輸入為0，接下來需要將這些單信道的信號進行變換，將其變成多徑傳輸的信號，即我們所說的串并轉換，最后將這些數據進行調制操作。 (3)將經過調制過程后的雙極性數據進行非對稱限幅操作，具體做法見下面的分段函數所示，就是在0值處對數據進行限幅，大于0的部分數據將給定幅值為x，小于0的數據將其幅值限制為0。通過在零值處限幅將實數的數據變?yōu)閱螛O性的正信號，即x=x

44、,x00,x0 (4-1) (4)通過非對稱限幅后，基帶信號變成正實數信號，但是整個過程還沒有結束，我們還需要對這些正實數信號進行相應的處理，粗腰在這些正實數信號前面添加循環(huán)前綴，此時還需要將并行數據再次變回串行數據，這樣才能最終輸出該信號。這就是并串轉換，也是之前提到的串/并轉換的逆過程。盡管ACO-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能不如OFDM系統(tǒng)，但其具有獨特的優(yōu)勢：(1)該系統(tǒng)在接受和發(fā)送信號端的結構簡單。在對信號進行單極化的過程中產生的是正實數信號，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。就是在0值處對數據進行限幅，大于0的部分數據將給定幅

45、值為x，小于0的數據將其幅值限制為0。通過在零值處限幅將實數的數據變?yōu)閱螛O性的正信號。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上，不增加光照強度，從而避免了增加光照強度對人眼經的損傷。(3)在不采用直流偏置的基礎上，保證相當高的調制深度。(4)抗非線性能力強。我們知道光功率越大，它所產生的非線性效應就越明顯，因為光功率是影響非線性效應的最主要的影響因素。但是通過上述分析我們可以發(fā)現，ACO-OFDM技術由于在0值處進行限幅，這樣減小光功率，同時提高了利用率。4.4單極光OFDM系統(tǒng)(U-OFDM)UOFDM算法與Flip-0FDM有很多相似之處，可以說F1i

46、p-OFDM算法是U-OFDM的基礎，U-0FDM技術能夠進一步提高系統(tǒng)的性能。UOFDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖如圖43所示圖43 U-OFDM系統(tǒng)發(fā)端極性變換原理圖通過上述的單極光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OFDM符號進行時域極性編碼，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，通過對信號一對一對的檢測判別，比較每一對信號的幅值，從而判斷出他們的符號位和數值位，然后在解調過程時，將符號位去掉，將數值位保留，然后通過解調操作，得出進行編碼之前的OFDM符號，從而再通過FFT方法得出最開始從發(fā)送端發(fā)出的原始

47、數據。在進行符號位和數值位的判別時，通過比較幅值來決定，誰的幅值大誰就是數值位，然后保留數值位，去掉符號位，這樣可以避免進行不必要的解調操作，節(jié)約了信號的解調時延。4.5改進非對稱限幅光0FDM系統(tǒng)(MACO一0FDM)改進的非對稱限幅系統(tǒng)，顧名思義就是在非對稱限幅技術上進行相應的改進和完善后形成的一種新的技術手段。非對稱限幅技術是目前普遍認為可行的能夠解決單極化的問題而又不會降低調制深度的有效方法，它的原理其實也不難理解，就是在光信號的調制過程中進行一定程度的改進，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行數

48、據的發(fā)送，在偶載波上不進行數據發(fā)送，即輸入為0。其具有獨特的優(yōu)勢：(1)該系統(tǒng)在接受和發(fā)送信號端的結構簡單。在對信號進行單極化的過程中產生的是正實數信號，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。就是在0值處對數據進行限幅，大于0的部分數據將給定幅值為x，小于0的數據將其幅值限制為0。通過在零值處限幅將實數的數據變?yōu)閱螛O性的正信號。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上，不增加光照強度，從而避免了增加光照強度對人眼經的損傷。(3)在不采用直流偏置的基礎上，保證相當高的調制深度。(4)抗非線性能力強。我

49、們知道光功率越大，它所產生的非線性效應就越明顯，因為光功率是影響非線性效應的最主要的影響因素。但是通過上述分析我們可以發(fā)現，ACO-OFDM技術由于在0值處進行限幅，這樣可以減小光功率，同時提高了利用率。改進的非對稱限幅系統(tǒng)或者說MACO-OFDM，它在原有的基礎上又優(yōu)化了相關算法，IFFT輸入端序列滿足共軛對稱，利用奇載波進行數據傳輸，經IFFT變換得到具有特殊對稱性的雙極性OFDM符號后，相比于原來的非對稱限幅系統(tǒng)在0值處進行限幅處理的方法，改進后的方案是做U-OFDM算法中的極性編碼，即將一位時域樣值編碼成為一對，其中一位保留原數值的絕對值，另一位(“0”)表示符號位，這個“0”在數值位

50、后，則原數值是正數，這個“O”在數值位前，則原數值為負值，將雙極性OFDM符號轉變成非負符號，然后在信道中傳輸.第5章室內可見光0FDM通信系統(tǒng)調光控制技術5.1調光控制技術簡述眾所周知，由于LED具有的眾多優(yōu)勢，如結構簡單、制造成本第、功耗小、實用經濟以及光照強度大等等，目前在我們日常生活中的各個領域都有涉及，現在已經基本取代原有的白熾燈成為室內照明的首要選擇?？紤]到目前全世界提倡的節(jié)能環(huán)保的號召，LED的出現也是最能體現這一理念的先行者。因此，我們不僅要想方設法的提高其優(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，我們又提出了調光控制技術。它的出現是為了解決節(jié)能環(huán)保的問題，同時也要保

51、證傳輸性能，通過調光控制，合理分配光源布局，避免光污染，同時也要本著節(jié)能的目的，在不損害照明這一功能的基礎上，優(yōu)化電源的消耗問題，節(jié)約能源，減少功耗。體現了綠色照明這一未來照明發(fā)展的主題。同時，針對室內光照這一應用場景，我們會發(fā)現它不同于其他使用場合，具體來說就是不需要提供特別強的光照強度，有些特定的場合比如樓梯間、衛(wèi)生間、臥室以及會議室等都是需要使用不同強度的光照，由于使用要求不同，基于這一目的，我們需要設計光照強度可控的可見光通信系統(tǒng)，這是因為提供光照是我們的出發(fā)點，然后才能研究光通信。因此，調光控制技術是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。實際應用中，針對不同的使用場景調節(jié)不同的光強，有利于控制該系

52、統(tǒng)的功耗，減少能源的消耗，具有重要的實用價值。調光技術作為研究的起點，也是我們必須了解的關鍵技術。目前常見的調光技術有兩種比較成熟的方案，一種是CCR調光技術，另一種是PWM調光技術。兩種調光方式的本質不同，調節(jié)效果也互不相同。CCR調光方法的原理是：通過降低電流的大小來實現燈光亮度的調節(jié)，因為只要控制流過發(fā)光器件的電流大小，這種方法比較簡單，實現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)生產中使用廣泛；PWM調光技術的原理是：PWM控制的基本原理實際上就是面積等效原理，面積等效原理是PWM控制技術的重要的理論基礎，原理的內容為: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，

53、其效果基本相同。在這個原理內容里，有幾點需要提出來跟大家重點講解，第一沖量，什么叫沖量？沖量實際上就是指窄脈沖的面積，什么又叫效果基本相同？實際上它是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。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，來對輸出波形進行分析，會發(fā)現這個沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上，它所產生的效果或者說這個響應，它的低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。PWM調光技術主要基于面積等效原理，它把連續(xù)的電壓信號變成一個個窄脈沖，能夠提供很大的調節(jié)范圍，即調節(jié)光源的亮度能夠實現任何你想要的亮度，全程可控。這兩種調光技術都可以提供較小的色差，也就是說不會造成光

54、源的色彩在調光過程中發(fā)生失真，這一點已經在近期被證實，但相比于照明效率這點，還是CCR調光技術更勝一籌。5.2調光控制技術原理5.2.1連續(xù)電流調節(jié)調光控制(CCR)CCR調光方法的原理是：通過降低電流的大小來實現燈光亮度的調節(jié)，因為只要控制流過發(fā)光器件的電流大小，這種方法比較簡單，實現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)生產中使用廣泛。在實際調節(jié)過程中通過增大或者減小輸入信號的電功率，這樣就可以增大或者減小流過LED的驅動電流，電流改變相應的燈光強度就會發(fā)生變化。原理如圖51所示。圖51 CCR調光技術原理框圖5.2.2脈沖寬度調制調光控制(PWM)PWM調光技術主要基于

55、面積等效原理，它把連續(xù)的電壓信號變成一個個窄脈沖，能夠提供很大的調節(jié)范圍，即調節(jié)光源的亮度能夠實現任何你想要的亮度，在調光過程中，輸入和輸出是成線性關系的，并且全程可控。因此在工業(yè)上得到很多領域的青睞。本文所采用的PWM調光技術優(yōu)勢在于：(1)傳輸數據速率不受脈沖寬度調制信號頻率的限制；(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保持良好的誤碼性能。下面介紹這種PWM調光技術的工作原理。如下圖所示這是一個基于PWM技術的電流信號圖。如圖52所示，整個PWM的周期中的導通時間為T，信號周期為Tpwm， Tpwm=qTOFDM

56、(q=2，3，4，)，占空比為調光控制因子，與調光程度成正比，IH和IL分別為LED光電轉換特性處于線性工作區(qū)間時輸入電流的上限和下限，它的表達式可用公式(5-1)表示：iPWMt=IH,0tTIL,TtTPWM (5-1)圖5.2 PWM（脈沖寬度調制）5.3基于光0FDM系統(tǒng)的調光控制研究5.3.1基于AC00FDM系統(tǒng)的調光控制如下圖所示，我們將上述提到的兩種調光技術同改進的非對稱限幅系統(tǒng)相結合，即把CCR調光技術、PWM調光技術應用到該可見光通信系統(tǒng)中來，下面是這兩種調光技術下該系統(tǒng)的工作框圖。分別如圖5.3和5.4所示。圖5.3 基于CCR調光技術的AC0-OFDM系統(tǒng)工作框圖圖5.4 基于PWM調光技術的ACO-OFDM系統(tǒng)工作框圖5.3.2基于UOFDM系統(tǒng)的調光控制如下圖所示，我們將上述提到的兩種調光技術同U-OFDM相結合，即把CCR調光技術、PWM調光技術應用到該可見光通信系統(tǒng)中來，下面是這兩種調光技術下該系統(tǒng)的工作框圖。如圖5.5和5.6所示。圖5.5 基于CCR調光技術的U-OFDM系統(tǒng)工作框圖圖5.6 基于PWM調光技術的U-OFDM系統(tǒng)工作框圖針對上述兩種系統(tǒng)，我們設置了如下所示的兩種系統(tǒng)的性能仿真實驗。具體設置如下所示：采用QAM調制方式，U-OFDM