相关信息技术教学论文

室内可见光ofdm通信系统调光控制技术

发布时间:2019-09-14 11:21

  摘 要:本文研究了OFDM在不同应用场景下的室内可见光通信系统,以及介绍了各种调光控制技术,并结合OFDM技术应用在可见光中领域。针对可见光通信对高速数据传输的要求,将OFDM技术引入可见光通信,并针对可见光通信对传输信号极性的相关特性,研究了单极OFDM系统在可见光通信中的应用。详细分析了可见光OFDM系统的工作原理,从多个角度分析比较了几种0FDM系统的性能。为了满足可见光通信对通信和照明的双重要求,本文研究了光OFDM系统中采用的调光控制技术的系统性能和调光性能,并提出了最适合室内可见光通信的光OFDM系统的调光控制方案。结果发现。更符合节能理念的绿色照明室内VLC高速数据传输调光控制方案。本文的创新工作是将可见光通信系统的调光控制技术应用于目前国内外尚未报道的U-0FDM系统。本文提出了一种更有效的ZACO-OFDM系统,来作为0FDM传输系统应用于室内可见光领域。实践证明,该系统在不牺牲系统可靠性的前提下,可以提高系统的电能效率,节约能源。

  关键词:OFDM,ZACO-OFDM,ZACO-OFDM,VLC,调光控制技术

  1 绪论

  1.1室内可见光通信技术发展背景

  可见光通信技术(简称VLC)具有丰富的频谱资源,在传输过程中几乎没什么能量损耗,具有低功耗的优良特性,尤其使在传输信息方面,这种方式具有很高的安全性。基于室内传输这样一个前提下,选择短距离传输及高速接入技术是目前发展的趋势,VLC是众多方案中最有吸引力的选择,射频通信与VLC可以优势互补。

  随着世界科学技术的进步,相应的固态照明技术也得到了突破性的发展,尤其是LED的发现,是具有独特意义,并且是划时代的,具有很广阔的实际应用价值。我们发现LED光源的亮度很高,并且该装置很稳定且不易损坏,正常使用的寿命非常久,从电学方面来说,它的开通和关断的响应时间很短,最重要的一点就是整个结构的组成很简单,元器件的成本不高,性价比很高且适合大面积推广,同时其颜色多种多样也成为其卖点之一特别适合众多不同场景的使用,收获很多场景的青睐,并且它还具有环保、使用清洁能源等多方面的优点,目前已经开始大规模取代传统的白炽灯和市面上大部分的节能灯,作为一种新的照明工具之一。

  因为LED的出现并且具有上述的众多优势,在日常生活中得到大面积的推广和普及。目前基于LED的照明灯具和LED显示板已经在市面上随处可见。像家庭用的照明灯目前都已经换成节能环保的LE灯,还有商场的门口用的基于LED灯组的LED显示板,它是由很多的LED单元组成的一个巨大的显示系统,他可以自由组合和拆卸,还能对显示的内容进行自主设置,灵活多变而且整个装置的功耗很低,非常适合日常使用。

  虽然目前LED的使用已经令人满意,但科技创新的脚步永远不会停止。目前许多科学家们已经开始进军基于LED的可见光通信领域,希望在其照明发光的基础上,对可见光进一步利用,通过这种可见光来进行通信,并且已经取得了许多突破性的进展。

  日常生活中LED设施无处不在,它的出现就伴随着可见光频谱资源的产生,具有很高的使用价值,由于可见光具有可通信的特点,再加上LED目前主要应用于室内的照明环境,因此我们想把LED设备充分利用,即把LED发光和室内通信结合到一起,作为室内数据传输的一个选择方案。并且由于室内的面积有限,传输距离相对比较短,传输环境一般来说比较空旷,这使LED可以作为室内可见光通信数据传输的一个比较好的选择方案,具有传输速度快的优良特性,这样也增加了LED可见光设备的吸引力和竞争力 [2,3]。

  综合目前的研究方向来看,针对白光LED的可见光通讯的热度最高,逐步成为人们的研究首选,并且具有很强的实际意义,在无线短距离传输领域将会是一个新的研究方向,具有很高的应用价值。

  1.2可见光通信技术的优势

  在目前来说,可见光通信是一种新的无线通信技术,相比于传统的射频无线通信来说,可见光具有很多传统射频技术无法实现的的优点,具体表现在以下三个方面:较低的电磁辐射,良好的室内设备使用环境以及良好的使用安全性。

  (1)我们知道无线频谱资源现在越来越稀缺,近年来提出的可见光通信,对通信频谱层面来说是内容的拓展和补充。并且目前越来越多的移动设备的使用,大大减少无线频谱的可用资源,针对目前的现状,我们需要对无线频谱进行扩展,这就要求我们积极研发新技术、新设备来解决这一窘境。通过了解发现,可见光能够提供很多的频带宽度的资源,正好可以解决目前无线频谱不够用的难题。通过对可见光的使用和开发,解决无线频谱资源越来越少的现状已经成为一种必然趋势。

  (2)可见光通信技术是利用发光器件比如荧光灯或者发光二极管,这种技术传输信息的方式是通过光来传播的,考虑到对人体的影响,我们特别了解到可见光无辐射作用,所以对人体健康来说这种无线通信技术是绿色环保的。

  因此我们在现有的可见光通信技术的基础上,采用LED灯来代替光源,因为LED灯具有可高速调制的特点,兼顾通信与照明这两个功能,而且我们知道LED灯一直都是节能环保的代表。由此可以看出,在照明、通信、控制这三个方面,可见光通信系统实现了三者的有机融合,为人类提供了一种新的更加节能环保且可控的光通信技术。

  (3) 在应用场景层面,可见光通信技术也具有得天独厚的优势,也是目前使用的无线通信的完善和补充。可见光通信系统的工作原理我们在上面已经讲过,可以看到它没有一般射频通信技术工作时伴随的电磁污染现象,因此可以应用于医院、高精度工业控制生产等领域;其次,由于它是照明与通信的两者的结合体,兼顾两者的应用场景,即可在照明领域异军突起,具有新颖的特点和优势,也可在通信领域大放异彩,具有很大的带宽,同时也可以便于家庭智能家居设备的安装和适配。由此可见,这种技术可应用于目前比较流行的智能家居控制以及未来将会普及的智能化的交通等领域;在我们不常接触到的水下通信层面,可见光通信技术也能很好的胜任此项工作,目前实践证明采用蓝绿光LED灯的这种通信技术已经成功研制,它是一种半导体照明技术,同时也能在水下进行高带宽的通信功能;在信息安全领域,目前使用的通讯设备容易被人监听,造成信息的泄露,因此信息安全也是目前讨论的热点。可见光通信技术在此方面应用广泛,它的原理之处在于可见光通信技术,由于光传播的特性,我们知道,每当光传播的路径中出现只障碍物阻挡时,这时候光就不能继续传播,此时整个传输过程就会中断。这里的光传播路径中出现障碍物就可以理解为在通讯设备上有外加设备想要通过这种方式窃取传输的信息。但由于光传播的不可透性,此时信息就不会被窃取,这样也证明了该通信方式的可靠性和安全性。

  (4)可见光通信技术最重要的优势在于高速通信,特别是已经在各地展开的5G通信技术,届时网络的传输速度将达到一个新的高度。因此,本文研究的可见光通信将具有更广阔的应用场景,得益于高信噪比、对人体无害、功率大以及传输速度快的巨大优势,未来将在5G的通信建设中发挥更大的作用。

  1.3可见光通信技术国内外发展现状

  关于室内可见光通信这一技术的研究进程,最开始是由日本学者提出,2000年,利用白光LED在室内进行光通信的设想第一次被提出,在接下来的十多年,针对这一设想的相关研究如火如荼,陆续的开始进行中。在这段时间,白光通信技术逐步得到完善,研究内容也不断得到补充。比如:针对提高白光传输速率的研究、针对该系统性能如何提高和优化的研究、针对室内光的信道仿真建模的研究、针对白光通信的调制方式的研究、针对室内光强的亮度控制研究以及室内的LED光源的布局和通信方案的研究等等,这些研究大都取得了很大的成果,有些甚至是突破性的发现。随着越来越多的组织和个人的加入,对可见光通信的研究也越来越深入。

  在国内,我们了解到最开始接触这一概念的是2006年,当时据报道称丁德强与柯熙政等人正在研究可见光通信及其关键技术,整个报道对这个新概念进行了详细的介绍,同时也吸引了了众多国内人士的目光。从那时开始,国内关于可见光通信这一领域的研究正式开始。在这之后的时间内,研究内容越来越丰富,研究的层次也越来越深入。像一开始的基础性的技术支撑,对于开展室内通信的研究奠定了基础;针对这一概念实施的可能性的研究,包括光源特性的结构分析、通信过程中的链路和信道的建模仿真等,这些为进一步展开相应研究提供了具体可行的实践意义;还有针对传输过程中的调制解调环节,提供了具体的技术支持和方案标准。在2012年复旦大学的迟楠等人提出一种基于副载波复用的新型的多输入单输出(MISO)正交频分复用(OFDM)可见光通信系统,是国内关于可见光通信技术研究的重大发现,他提出的这种光通信系统可以使得光通信的传输距离达140cm[22],而且把这种技术应用于室内定位,利用光通信技术对室内的物体进行位置确定,具有实际的使用意义,并且在当时这个方向是极具发展前景的,是一个全新的新领域。

  由此可见,可见光通信技术理论技术成熟,且应用领域很广泛,具有广阔的发展前景和很高的使用价值,在日常生活中也具有实际的应用领域,它在不久的未来中的应用令人十分期待。

  1.4课题的提出与研究意义

  正交频分复用(OFDM)技术的提出不是想当然出现的,而是基于目前的研究,出于满足室内光通信数据传输的高速率需求,提高光通信传输速率的目的,在可见光通信领域中广泛使用的一种有效的改善方法。它能够避免在光传输的无线信道中的串扰问题,尤其是码间串扰,还可以减小非线性失真现象,像由于LED光源的非线性频率响应所产生的一些问题。但是采用这种技术的要求就是,我们需要在光通信过程中进行单极化处理,这样做的目的就是要保证OFDM的符号的“实正性”。因此在采用这种做法后,我们就必须面临另一个问题,那就是单极化,我们需要优化其算法,改进OFDM的传输问题。接下来,本文将对这个问题进行进一步的深入研究,对OFDM系统的传输性能进行全面的分析,具体包括:功率的利用、使用的频带宽度以及传输过程中的误码率等问题。

  考虑到目前全世界提倡的节能环保的号召,可见光通信技术也是最能体现这一理念的先行者。因此,我们不仅要想方设法的提高其传输性能,还要从节能环保的角度去考虑。针对这一问题,我们又提出了调光控制技术。它的出现是为了解决节能环保的问题,同时也要保证传输性能,通过调光控制,合理分配光源布局,避免光污染,同时也要本着节能的目的,在不损害照明这一功能的基础上,优化电源的消耗问题,节约能源,减少功耗。体现了绿色照明这一未来照明发展的主题。

  同时,针对室内光照这一应用场景,我们会发现它不同于其他使用场合,具体来说就是不需要提供特别强的光照强度,有些特定的场合比如楼梯间、卫生间、卧室以及会议室等都是需要使用不同强度的光照,由于使用要求不同,基于这一目的,我们需要设计光照强度可控的可见光通信系统,这是因为提供光照是我们的出发点,然后才能研究光通信。因此,调光控制技术是必不可少的一个重要环节。实际应用中,针对不同的使用场景调节不同的光强,有利于控制该系统的功耗,减少能源的消耗,具有重要的实用价值。

  所以本文把调光技术作为研究的起点,在多种可见光OFDM系统中应用该技术,然后再考虑可见光的传输性能,结合具体情况对多种方案进行分析比较,寻求最适于室内传输的光OFDM调光系统。

  2 0FDM技术

  2.1 0FDM技术综述

  正交频分复用技术,简称OFDM,它是目前研究比较热门的用于可见光通信的关键技术,在光通信系统中发挥着巨大的作用。具体来说,它通过改善后的高效的编码技术,应用多载波调制的技术手段,在通信过程中普遍面临的多路径出现的干扰问题方面能够进行有效的抑制。通过这种方法的实施,我们发现它可以使通信过程中频带信道利用率低的问题迎刃而解,从而提高整个系统的频带利用效率,可以有效解决目前频带宽度资源紧缺的这一窘境。随着科技水平的不断提高以及众多研究人员的不懈努力,该技术得到了很大的提升和不断的完善,目前已知该技术已经更新多代。目前得益于数字信号技术的迅速发展,数字处理算法以及数字逻辑运算速度的快速提高,现代OFDM技术也得到了彻底的改变,在很多地方采用数字信号处理技术来完善系统的结构以及传输性能。常见的有:在载波的发送和接受端采用数字信号来完成,同时采用数字算法来处理繁杂的运算过程,这样的做法可以使的该系统的元件数量大大减少,但其功能不会缩水反而更加灵敏、全面。还比如在提高频谱利用率这一方面上,通过多路径传输、多载波频谱重叠的方式,解决频谱资源紧缺的现况,从而提高频谱的利用率;同时由于这种做法可以保证整个周期内OFDM符号满足正交性,这样会避免信号的调制解调过程,具体来说就是信号还原过程,不会发生失真这一现象。

  2.2 0FDM技术原理

  正交频分复用技术,简称OFDM,从他的工作原理来看,它的实质就是多载波调制(MCM)技术,具体做法就是将串行方式传输改为并行方式传输。串行数据就比如单行道,车辆都一个接一个的经过,速度很快,但由于只有一条通道,反而制约了其快速传输的本质;并行数据就相当于多车道同时运行,相对于单车道来说,虽然在运行速度上没有很大的优势,但是由于其能单次传输多路数据,在相同的传输时延中,并行传输反而能够传输更多的数据量。通过分析我们发现,多载波调制这种做法提高了传输效率,并且可以使的OFDM符号的脉冲宽度进行扩充和延展,而且由于采用多路径传输,该方案相比于其它方式,在远距离传输过程中经常无法避免的信号衰落等问题上,可以很好的避免,提高了系统抗衰落的能力。

  在传输过程中,利用相关技术我们可以把一个完整的、综合的正交信号分开,分开传输信号有利于避免众多子信道之间的互相干扰等问题。像常见的干扰有:载波信号之间的干扰、OFDM符号之间的干扰,保证传输信道之间互补干扰,互相平衡。

  我们发现OFDM的一个符号是合成的信号,它是把众多的子载波通过某种算法合到一起,变成一个新的信号。相应的,我们也可以通过解调的原理来把这个信号分解出来,然后对每个信号进行调制,常见的调制方法有:相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)。这样一个OFDM符号可以用数学表达式表示如下:

  , (2.1)

  那么,在接收端:

  (2.2)

  通过上述的公式,我们可以看到,经过该算法的还原,我们可以得到N路子载波以及该信道上传输的信号。由于采用多载波调制会造成信号频谱的重叠问题,但是我们可以通过调整子载波问频率间隔,具体就是把为符号周期的整数倍,那么合成的信号经过式中的匹配滤波器进行恢复后,并没有引入载波间干扰(ICI)。

  3 室内可见光OFDM系统

  我们知道,在可见光通信过程中会出现多径串扰以及码间干扰的问题,无法避免,这是因为采用多径传播所带有的本质上的缺陷;还有一点就是,在可见光通信中由于使用了开关键控技术以及PWM脉冲调制的调制方法,信道间的干扰问题也是很难解决的难题。

  通过对该技术的进一步研究,尤其是把该技术同具体的使用环境结合起来后,我们发现,整个通信过程是非常复杂和多变的。举例来说:在白光通信系统中,特别是使用了多个LED光源的白光系统,由于采用多径传输,经过调制后的多路光脉冲分别沿特定的信道单独传播,然后被接收端的探测器感应到,从而接受传输的数据。正是因为采用了这种多路径传输的方法,我们发现不同路径上的光脉冲信号会产生时间上的相互重叠,就如串扰问题,这样就影响了系统的传输准确度和传输效率。

  因此要想继续使用多径传输的方式,同时强化和提高可见光通信系统的传输性能和通信能力,我们需要提出一种新的调制技术,这种调制方式要能够有效减弱或者抵消多径干扰,提高多径传输过程中的传输性能,同时也要保证在信道中传输的高速率和高稳定性。基于这一出发点,我们发现OFDM调制技术正是我们需要的关键技术,它最突出的优势就是能够抗多径干扰,适用于多径传输环境和高速率传输特性。因此将OFDM技术融入到可见光通信中来,不仅提高了系统抗干扰能力,提高系统的稳定性,而且保证了系统传输的高速率需求,提高了传输的速度,由此可见这将会是一次质的飞跃。

  3.1室内可见光0FDM技术综述

  关于OFDM技术,我们知道这种基带信号通常都是复数形式表现出来的,有些还会是双极性的形式,这是由于它的算法所决定的。但是在无线通信中,特别是在可见光的通信系统中,必须使用“实、正”的调制信号来做为传输的基带信号,这是该方法所决定的硬性要求,必须满足。因此我们需要将复数形式的调制信号进行实数化,即将其变成我们需要的“实、正”的调制信号。通过研究我们发现,离散傅里叶变换这种方法能够满足我们的需要,这种方法的特点是具有共轭对称性。通过这种离散化的方法,我们可以把复数形式的OFDM信号变成实数形式,但是实数形式也有正负的差别,仍然是双极性的,因此我们还需要把双极性的信号经过单极化处理,从而把信号变成单极性的信号,这样的单极性信号才是可见光通信中所需要的调制信号。

  3.2室内可见光0FDM技术原理

  得益于OFDM技术的良好的传输特性,在目前特别是在可见光通信领域,这种技术被广泛采用,其自身也得到了飞速的发展。我们知道OFDM技术之所以具有如此大的应用价值,是因为其在光通信中具有以下两个关键性的优势:第一点就是介质光的数据传输速率高,能够适应人们对于光通信中对于传输速率越来越高的追求;第二点就是由于采用了数字信号技术,通过数字算法的大运算量以及快速的运算能力,可以提高可见光传输过程中对调制信号的快速计算能力,这样也间接的提高了光信号的传输速率。

  光通信OFDM系统与传统OFDM系统有很多不同之处,表3-1列出了其中几项。

  表3-1 传统OFDM与光系统的比较

  传统OFDM系统光OFDM系统

  双极性单极性

  信号在电领域传输信号在光领域传输

  接收端本地振荡器接收端无需本地振荡器

  相干接受直接检测

  通过比较上述表格我们可以看出,传统的OFDM系统和光OFDM系统在很多方面都是不同的,具有很大的差别。首先是信号的极性上不同,传统的OFDM系统的传输光信号是双极性的,而我们研究的光OFDN系统采用的单极性的光信号,这点我们在前面章节已经有过说明;然后再传输领域上不同,就传统的OFDM系统来说,它的信号是在电领域之中进行传输的,而就光OFDM系统来说,它的光信号实在光领域之中进行传输的,两者应用的传输介质不同,因此在传输效果上有很大的差别;在接受端来看,传统的OFDM系统需要单独设置一个本地振荡器,用来接受传输的电信号,而光OFDM系统由于采用的是可见光信号传输,所以不需要设置本地振荡器,相对来说整个系统的结构更简洁,同时也相应的降低了整个系统的使用成本;最后,传统的OFDM系统采用相干接受这种被动检测技术,而光OFDM系统则采用的是直接检测技术,相比之下更实用。

  可见光系统在通信过程中采用强度调制/直接检测技术,通过变化的光照强度来进行数据传输,利用光电二极管在接收端直接检测光照强度,然后转化为相应的电流值,因此它的信号只能是单极性的。

  可见光OFDM系统的组成原理可由图3-1所示的框图表示。

  图3-1 OFDM系统组成框图

  通过上述框图,我们可以看出整个OFDM系统的完整组成部分。它的发送处理过程可以理解为:光信号经过映射后进行OFDM调制,常用的方法是QAM调制,然后该信号要进行单极化的处理,一般要经过IFFT和单极化的变换,通过这两步,就可以得到调制后的OFDM信号。调制后的信号经过放大后,使该信号能够工作在LED的线性工作区间,并且通过LED将其转换成光信号发射出去,这样就完成数据的发送。

  它的处理过程其实可以理解为发送过程的逆过程:光电二极管检测到光信号,其实就是LED的光,此时因为光是物理量,光照强度要转换成电信号才能被识别和处理,然后通过A/D转换变成数字信号,再将多路径的该信号通过并/串变换,变成单路径的信号,然后再经过OFDM解调操作,即FFT变换其实就是调制的逆过程,这样就能将传输的数据解读出来。

  如图3.1所示,这是可见光OFDM系统结构框图。IFFT与FFT就是我们所说的调制和解调环节,它在OFDM算法中具有非常重要的意义,是该技术的核心。调制过程中输入端序列为[X0、X1、X2…Xn-1],学过复变函数的都知道频域信号表达式,其中n是子载波数,同时也是IFFT计算点数,Xi代表每个子载波上传输的数据;解调过程中的输出端向量为是时域信号。本文所采用的IFFT与FFT算法的定义式形式分别为:

  (3.1)

  之所以要这样定义算法的原因是可以使整个算法得到一定程度上的简化和优化,通过这样做,我们可以看到,五无论是变换之前还是变换后,整个信号不管是时域形式还是频域形式,他们的总能量是一样的,即没有出现能量的衰减,并且他们的平均功率也是相当的,这也间接说明了这种算法是切实有效的。

  假设可见光通信系统的信道噪声为AWGN(加性高斯白噪声),那么接收信号与发送信号的关系为:

  (3.2)

  则在接收端解调时:

  (3.3)

  其中,

  (3.4)

  从上述的公式可以看出,这是在解调过程中的相关计算。 为第七路子载波上的噪声,由于在一开始我们假设出现的噪声是高斯白噪声,所以该噪声也是基于n路相互不独立合成信号的采样值,每路噪声之间由于互不独立,然后再加上在算法中使用FEC(前向纠错),降低了该噪声对整个系统的传输性能的影响。

  经调制过程后得到的OFDM符号,一般情况下都是以复数的表现形式出现的,具体来说都是一个或者多个离散的复数,通过离散化的方法,我们可以把复数形式的OFDM信号变成实数形式,但是实数形式也有正负的差别,仍然是双极性的,因此我们还需要把双极性的信号经过单极化处理,从而把信号变成单极性的信号,这样的单极性信号才是可见光通信中所需要的调制信号。

  4 可见光0FDM信号单极化方法

  本章主要介绍OFDM技术对信号进行单极化的几种常见有效的方法,并对其具体的操作过程进行简要的说明,从而选择一种最适合的方法,来作为本文基于白光LED的可见光通信系统的选择方案。常用的可见光信号单极化的方法主要以下四种:加直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)、非对称性限幅光OFDM(ACO-0FDM)、单极性光OFDM(U-OFDM)和改进的AC0-OFDM(MACO-OFDM)。

  4.1可见光0FDM单极化原理

  在可见光通信系统中,决定该系统传输性能的关键因素就是在信号传输过程中的功率问题,一般来说,传输功率越大的话,传输的距离越远,传输信号的质量更好,信号的保真度越高。因此对于IM/DD系统来说,平均功率的大小制约着整个系统传输性能的好坏程度,具体来说,要想保证信号传输过程中尽可能少的出现信号误码的情况,提高平均传输功率是必须的,但同时我们还需要对光电转换环节进行优化和完善,这也是保证系统误码率的有效手段。基于电功率和光功率之间的转换过程,我们对以下几种光OFDM系统进行发送电功率信噪比的前提下的仿真实验,从而判断各个系统的性能优劣。

  4.2直流偏置光0FDM系统(DCO-0FDM)

  DCO-OFDM的工作原理框图如图4-1所示。

  图4-1 DCO-OFDM系统发端极性变换原理图

  4.3非对称限幅光0FDM系统(ACO-0FDM)

  直流偏置法,这种技术手段也是在可见光通信中常用的进行单极化的主要方法之一。这种方法的原理就是通过加直流偏置装置,对OFDM信号进行单极化处理。但是这种做法也会有很大的问题,就比如说这种做法会损失一部分的传输功率,与就是说要增加功率的消耗,这样一来就会使得整个系统的利用率降低很多,而且还有一点就是,这样会使的调制的深度发生改变,具体来说就是会变浅,使系统的传输性能变差,得不偿失。因为这个原因,我们参考了目前已知的解决方法,其中最合适的一种就是 ACO-OFDM系统。

  非对称限幅技术是目前普遍认为可行的能够解决单极化的问题而又不会降低调制深度的有效方法,它的原理其实也不难理解,就是在光信号的调制过程中进行一定程度的改进,但是不能改变其共轭对称性这一基本要求,所以这种方法采用的做法就是将众多的子载波分成奇载波和偶载波两种,有选择的利用奇载波来进行数据的发送,在偶载波上不进行数据发送,即输入为0,具体的实现过程同上。图4-2为ACO-OFDM调制系统的实现原理图。

  图4-2 ACO-0FDM系统发端极性变换原理图

  ACO-OFDM调制系统实现原理如下:

  (1) QAM星座映射,具体来说就是在传输的数据进行这种形式的映射过程。一般情况下,输入的数据都是基于二进制的相应序列,再将这些二进制序列捷星星座映射就可以了。

  (2)将产生的二进制序列进行映射后是复数形式的信号,为了满足信号的共轭对称性,我们需要对这些复数信号进行结构改进,一般来说就是添加共轭数据,然后按照上述的方法,将众多的子载波分成奇载波和偶载波两种,有选择的利用奇载波来进行数据的发送,在偶载波上不进行数据发送,即输入为0,接下来需要将这些单信道的信号进行变换,将其变成多径传输的信号,即我们所说的串/并转换,最后将这些数据进行调制操作。

  (3)将经过调制过程后的双极性数据进行非对称限幅操作,具体做法见下面的分段函数所示,就是在0值处对数据进行限幅,大于0的部分数据将给定幅值为x,小于0的数据将其幅值限制为0。通过在零值处限幅将实数的数据变为单极性的正信号,即

  (4.1)

  (4)通过非对称限幅后,基带信号变成正实数信号,但是整个过程还没有结束,我们还需要对这些正实数信号进行相应的处理,粗腰在这些正实数信号前面添加循环前缀,此时还需要将并行数据再次变回串行数据,这样才能最终输出该信号。这就是并/串转换,也是之前提到的串/并转换的逆过程。

  尽管ACO-OFDM系统的误码性能不如OFDM系统,但其具有独特的优势:

  (1)该系统在接受和发送信号端的结构简单。在对信号进行单极化的过程中产生的是正实数信号,因而不需要其它的处理,优化了就够也节约了成本。

  (2)对光功率的利用程度高,没有造成不必要的浪费。就是在0值处对数据进行限幅,大于0的部分数据将给定幅值为x,小于0的数据将其幅值限制为0。通过在零值处限幅将实数的数据变为单极性的正信号。由于采用了这种做法,不需要加额外的直流偏置装置,在提高光功率的利用程度的基础上,不增加光照强度,从而避免了增加光照强度对人眼经的损伤。

  (3)在不采用直流偏置的基础上,保证相当高的调制深度。

  (4)抗非线性能力强。我们知道光功率越大,它所产生的非线性效应就越明显,因为光功率是影响非线性效应的最主要的影响因素。但是通过上述分析我们可以发现,ACO-OFDM技术由于在0值处进行限幅,这样减小光功率,同时提高了利用率。

  4.4单极光OFDM系统(U-OFDM)

  U—OFDM算法与Flip-0FDM有很多相似之处,可以说F1ip-OFDM算法是U-OFDM的基础,U-0FDM技术能够进一步提高系统的性能。

  U—OFDM系统发端极性变换原理图如图4-3所示

  图4-3 U-OFDM系统发端极性变换原理图

  通过上述的单极光OFDM系统的原理图可以看出,这种方法的主要不同之处在于将双极性OFDM符号进行时域极性编码,这种做法不同于前面提到的非对称限幅的方法,只是针对发送端的极性变换。

  具体做法如下所示:在接受端,通过对信号一对一对的检测判别,比较每一对信号的幅值,从而判断出他们的符号位和数值位,然后在解调过程时,将符号位去掉,将数值位保留,然后通过解调操作,得出进行编码之前的OFDM符号,从而再通过FFT方法得出最开始从发送端发出的原始数据。

  在进行符号位和数值位的判别时,通过比较幅值来决定,谁的幅值大谁就是数值位,然后保留数值位,去掉符号位,这样可以避免进行不必要的解调操作,节约了信号的解调时延。

  4.5改进非对称限幅光0FDM系统(MACO一0FDM)

  改进的非对称限幅系统,顾名思义就是在非对称限幅技术上进行相应的改进和完善后形成的一种新的技术手段。非对称限幅技术是目前普遍认为可行的能够解决单极化的问题而又不会降低调制深度的有效方法,它的原理其实也不难理解,就是在光信号的调制过程中进行一定程度的改进,但是不能改变其共轭对称性这一基本要求,所以这种方法采用的做法就是将众多的子载波分成奇载波和偶载波两种,有选择的利用奇载波来进行数据的发送,在偶载波上不进行数据发送,即输入为0。

  其具有独特的优势:

  (1)该系统在接受和发送信号端的结构简单。在对信号进行单极化的过程中产生的是正实数信号,因而不需要其它的处理,优化了就够也节约了成本。

  (2)对光功率的利用程度高,没有造成不必要的浪费。就是在0值处对数据进行限幅,大于0的部分数据将给定幅值为x,小于0的数据将其幅值限制为0。通过在零值处限幅将实数的数据变为单极性的正信号。由于采用了这种做法,不需要加额外的直流偏置装置,在提高光功率的利用程度的基础上,不增加光照强度,从而避免了增加光照强度对人眼经的损伤。

  (3)在不采用直流偏置的基础上,保证相当高的调制深度。

  (4)抗非线性能力强。我们知道光功率越大,它所产生的非线性效应就越明显,因为光功率是影响非线性效应的最主要的影响因素。但是通过上述分析我们可以发现,ACO-OFDM技术由于在0值处进行限幅,这样可以减小光功率,同时提高了利用率。

  改进的非对称限幅系统或者说MACO-OFDM,它在原有的基础上又优化了相关算法,IFFT输入端序列满足共轭对称,利用奇载波进行数据传输,经IFFT变换得到具有特殊对称性的双极性OFDM符号后,相比于原来的非对称限幅系统在0值处进行限幅处理的方法,改进后的方案是做U-OFDM算法中的极性编码,即将一位时域样值编码成为一对,其中一位保留原数值的绝对值,另一位(“0”)表示符号位,这个“0”在数值位后,则原数值是正数,这个“O”在数值位前,则原数值为负值,将双极性OFDM符号转变成非负符号,然后在信道中传输.

  5 室内可见光0FDM通信系统调光控制技术

  5.1调光控制技术简述

  众所周知,由于LED具有的众多优势,如结构简单、制造成本第、功耗小、实用经济以及光照强度大等等,目前在我们日常生活中的各个领域都有涉及,现在已经基本取代原有的白炽灯成为室内照明的首要选择。

  考虑到目前全世界提倡的节能环保的号召,LED的出现也是最能体现这一理念的先行者。因此,我们不仅要想方设法的提高其优良性能,还要从节能环保的角度去考虑。针对这一问题,我们又提出了调光控制技术。它的出现是为了解决节能环保的问题,同时也要保证传输性能,通过调光控制,合理分配光源布局,避免光污染,同时也要本着节能的目的,在不损害照明这一功能的基础上,优化电源的消耗问题,节约能源,减少功耗。体现了绿色照明这一未来照明发展的主题。

  同时,针对室内光照这一应用场景,我们会发现它不同于其他使用场合,具体来说就是不需要提供特别强的光照强度,有些特定的场合比如楼梯间、卫生间、卧室以及会议室等都是需要使用不同强度的光照,由于使用要求不同,基于这一目的,我们需要设计光照强度可控的可见光通信系统,这是因为提供光照是我们的出发点,然后才能研究光通信。因此,调光控制技术是必不可少的一个重要环节。实际应用中,针对不同的使用场景调节不同的光强,有利于控制该系统的功耗,减少能源的消耗,具有重要的实用价值。

  调光技术作为研究的起点,也是我们必须了解的关键技术。目前常见的调光技术有两种比较成熟的方案,一种是CCR调光技术,另一种是PWM调光技术。

  两种调光方式的本质不同,调节效果也互不相同。CCR调光方法的原理是:通过降低电流的大小来实现灯光亮度的调节,因为只要控制流过发光器件的电流大小,这种方法比较简单,实现起来也相对比较容易,由于能提供更高的照明效率,所以在工业生产中使用广泛;PWM调光技术的原理是:PWM控制的基本原理实际上就是面积等效原理,面积等效原理是PWM控制技术的重要的理论基础,原理的内容为:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。在这个原理内容里,有几点需要提出来跟大家重点讲解,第一冲量,什么叫冲量?冲量实际上就是指窄脉冲的面积,什么又叫效果基本相同?实际上它是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同,我们可以这样去理解,就是把各输出波形利用傅里叶变换分析手段,来对输出波形进行分析,会发现这个冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上,它所产生的效果或者说这个响应,它的低频段非常接近,仅在高频段略有差异。

  PWM调光技术主要基于面积等效原理,它把连续的电压信号变成一个个窄脉冲,能够提供很大的调节范围,即调节光源的亮度能够实现任何你想要的亮度,全程可控。

  这两种调光技术都可以提供较小的色差,也就是说不会造成光源的色彩在调光过程中发生失真,这一点已经在近期被证实,但相比于照明效率这点,还是CCR调光技术更胜一筹。

  5.2调光控制技术原理

  5.2.1连续电流调节调光控制(CCR)

  CCR调光方法的原理是:通过降低电流的大小来实现灯光亮度的调节,因为只要控制流过发光器件的电流大小,这种方法比较简单,实现起来也相对比较容易,由于能提供更高的照明效率,所以在工业生产中使用广泛。在实际调节过程中通过增大或者减小输入信号的电功率,这样就可以增大或者减小流过LED的驱动电流,电流改变相应的灯光强度就会发生变化。原理如图5-1所示。

  图5-1 CCR调光技术原理框图

  5.2.2脉冲宽度调制调光控制(PWM)

  PWM调光技术主要基于面积等效原理,它把连续的电压信号变成一个个窄脉冲,能够提供很大的调节范围,即调节光源的亮度能够实现任何你想要的亮度,在调光过程中,输入和输出是成线性关系的,并且全程可控。因此在工业上得到很多领域的青睐。

  本文所采用的PWM调光技术优势在于:

  (1)传输数据速率不受脉冲宽度调制信号频率的限制;

  (2)可以有效的利用LED的特性,即LED具有的线性动态范围,能够有效降低它的非线性失真;

  (3)能够在一定的范围内保持良好的误码性能。

  下面介绍这种PWM调光技术的工作原理。

  如下图所示这是一个基于PWM技术的电流信号图。如图5-2所示,整个PWM的周期中的导通时间为T,信号周期为 , =q (q=2,3,4,...),占空比为调光控制因子,与调光程度成正比,IH和IL分别为LED光电转换特性处于线性工作区间时输入电流的上限和下限,它的表达式可用公式(5.1)表示:

  (5.1)

  图5-2 PWM(脉冲宽度调制)

  5.3基于光0FDM系统的调光控制研究

  5.3.1基于AC0—0FDM系统的调光控制

  如下图所示,我们将上述提到的两种调光技术同改进的非对称限幅系统相结合,即把CCR调光技术、PWM调光技术应用到该可见光通信系统中来,下面是这两种调光技术下该系统的工作框图。分别如图5-3和5-4所示。

  图5-3 基于CCR调光技术的AC0-OFDM系统工作框图

  图5-4 基于PWM调光技术的ACO-OFDM系统工作框图

  5.3.2基于U—OFDM系统的调光控制

  如下图所示,我们将上述提到的两种调光技术同U-OFDM相结合,即把CCR调光技术、PWM调光技术应用到该可见光通信系统中来,下面是这两种调光技术下该系统的工作框图。如图5-5和5-6所示。

  图5-5 基于CCR调光技术的U-OFDM系统工作框图

  图5-6 基于PWM调光技术的U-OFDM系统工作框图

  针对上述两种系统,我们设置了如下所示的两种系统的性能仿真实验。具体设置如下所示:采用QAM调制方式,U-OFDM系统符号具有128个子载波数量,直流偏置bias=10dBm,信道噪声AWGN=-3dBm。通过仿真我们可以得到在这两种调光技术下的该系统的电流值以及误码性能曲线图,如下图5-7、图5-8所示。

  通过分析结果对比发现,在一定程度上,两种调光技术的误码率很相近,但总体来说在整体的误码率上,PWM还是要优于CCR技术;在调光性能这点上,两种调光技术下该系统的调光性能差不多;但在照明光强度调控范围及灵活度上,PWM完胜CCR。

  图5-7 CCR和PWM调光控制下ACO-OFDM系统的性能

  图5-8 U-OFDM系统调光控制性能

  5.4最优化光0FDM系统调光控制

  如下图所示,我们将上述提到的两种调光技术同ACO-OFDM、U-OFDM以及ZACO-0FDM三种上述已经介绍过的可见光系统相结合,即把CCR调光技术、PWM调光技术应用到该可见光通信系统中来,通过仿真比较他们各自的性能优劣,寻找最适于室内光通信的OFDM系统及调光控制方案。

  (1)CCR调光控制

  基于CCR调光技术,通过对选取的ACO-OFDM系统、U-OFDM系统及ZACO-0FDM系统进行相应的仿真实验,主要对三种系统的驱动电流值和系统的误码性能关系进行比较。

  具体仿真设置如下:采用64QAM调制方式, ACO-OFDM系统、U-OFDM系统及ZACO-OFDM系统的子载波数为128,直流偏置为10dBm,信道噪声AWGN为-3dBm,仿真结果分别如图5.9和图5.10所示。

  图5-9 ACO-OFDM系统、U-OFDM系统及ZAC0-OFDM系统的驱动电流值

  图5-10 ACO-OFDM系统、U-OFDM系统及ZACO-OFDM系统的误码性能

  通过上述的仿真结果可以看出,当发射电功率相同时,ACO-OFDM系统与U-OFDM系统的驱动电流值基本相同,这两个光通信系统的性能相同;而ZACO-OFDM系统的驱动电流值小于AC0-OFDM系统和U-OFDM系统,调光深度最深,该系统具有更高的功率利用效率,节能高效。综合来看,选择ZACO-OFDM系统效果更好。

  但从系统误码率来看,具体参考图5.10中,我们可以看到,当系统的发射电功率相同时,ACO-OFDM系统和ZACO-OFDM系统的误码性能相同,U-OFDM系统要优于两者。所以若要考虑系统的稳定性,即误码率越低越好,根据实验结果,我们应该选择U-OFDM系统的性能会更好。

  (2)PWM调光控制

  基于PWM调光技术,通过对选取的ACO-OFDM系统、U-OFDM系统及ZACO-0FDM系统进行相应的仿真实验,主要对三种系统的驱动电流值和系统的误码性能关系进行比较。

  具体的实验设置如下:采用64QAM调制方式, 三种系统的子载波数为128,直流偏置为10dBm,信道噪声AWGN为-3dBm,仿真结果分别如图5-11和图5-12所示。

  通过下面的仿真结果可以看出,当发射电功率相同时,ACO-OFDM系统与U-OFDM系统的驱动电流值基本相同,这两个光通信系统的性能相同;而ZACO-OFDM系统的驱动电流值小于AC0-OFDM系统和U-OFDM系统,调光深度最深,该系统具有更高的功率利用效率,节能高效。虽然我们看到ZACO-OFDM系统的调光控制范围比ACO-OFDM要小,但是同样来说ZACO-OFDM系统的电流值处于一个比较低的范围内,这样的话可以减小能耗,具体来说就是降低了输出光功率。基于节能方面,我们选择该系统。

  但如果不考虑节能只求具有调光控制的范围的话, ZACO-OFDM系统的调光性能是远不如前两者的,因此这里不推荐ZACO-OFDM系统。

  图5-11(a) 采用PWM调光控制的ACO-OFDM与U-0FDM驱动电流性能对比

  图5-11(b) 采用PWM调光控制的ACO-OFDM与ZACO-OFDM驱动电流性能对比

  图5-12 采用PWM调光控制的ACO-OFDM系统、U-OFDMM系统

  综上所述,不管采用这两者调光控制技术的哪一种,基于该调光技术的三种可见光通信方案在某些方面都有各自的可取支持,即具有其它系统不具有的优势,但同样也具有一些不足之处。当我们需要稳定的系统,具有很高的可靠性时,我们可以选择U-OFDM系统;如果我们注重调光的控制范围和调节深度时,可以选择ZAC0-0FDM系统。

  但是考虑在相同的可见光通信系统下,比较两者调光技术,综合比较可以看出,在调光范围和误码率这两个层面,PWM都要明显优于CCR。

  所以根据上述结论,我们可以总结如下结论:基于室内可见光无线通信系统来说,若看重调光控制这方面,我们可以选择U-OFDM的PWM调光控制;若看重节能环保、绿色可持续发展的特点,我们可以选择ZACO-OFDM的调光控制方案。

  6 总结与展望

  6.1全文小结

  本文研究了OFDM在不同应用场景下的室内可见光通信系统,以及介绍了各种调光控制技术,并结合OFDM技术应用在可见光中领域。针对可见光通信对高速数据传输的要求,将OFDM技术引入可见光通信,并针对可见光通信对传输信号极性的相关特性,研究了单极OFDM系统在可见光通信中的应用。详细分析了可见光OFDM系统的工作原理,从多个角度分析比较了几种0FDM系统的性能。为了满足可见光通信对通信和照明的双重要求,本文研究了光OFDM系统中采用的调光控制技术的系统性能和调光性能,并提出了最适合室内可见光通信的光OFDM系统的调光控制方案。结果发现。更符合节能理念的绿色照明室内VLC高速数据传输调光控制方案。本文的创新工作是将可见光通信系统的调光控制技术应用于目前国内外尚未报道的U-0FDM系统。本文提出了一种更有效的ZACO-OFDM系统,作为0FDM传输系统应用于室内可见光领域。实践证明,该系统在不牺牲系统可靠性的前提下,可以提高系统的电能效率,节约能源。

  最后根据实验仿真结果比较分析,总结出以下选择方案:基于室内可见光无线通信系统来说,若看重调光控制这方面,我们可以选择U-OFDM的PWM调光控制;若看重节能环保、绿色可持续发展的特点,我们可以选择ZACO-OFDM的调光控制方案。

  6.2论文的主要工作

  (1)介绍了OFDM技术的应用前景,并分析了它的工作原理;

  (2)分别介绍了三种常见的OFDM系统方案,并对每种方案的具体实现过程进行了详细的讲解,而且详细的对比了每种方案的特点和改进的地方,从而得出最优的选择方案;

  (3)介绍两种调光技术的应用前景以及工作原理,然后分别基于这两种调光技术结合三种可见光通信方案进行仿真分析,通过比较他们之间的性能参数,如:驱动电流值、系统误码率,从不同方面分析这些方案的使用场合等。

  6.3论文的创新点

  根据实验仿真结果比较分析,总结出以下两种室内可见光通信的选择方案。

  基于室内可见光无线通信系统来说:

  (1)若看重调光控制这方面,我们可以选择U-OFDM的PWM调光控制;

  (2)若看重节能环保、绿色可持续发展的特点,我们可以选择ZACO-OFDM的调光控制方案。

  致 谢

  在经过了这几个月坚持不懈的努力和无数次的修改完善之后,本次毕业设计基本上是完成了,努力并没有白费。在这个设计的完成过程中,虽然我遇到了很多无法解决的问题,虽然过程很坎坷,但我很感谢老师,没有他们的帮助,本次毕业设计就不可能按时完成。一开始对于这个题目什么都不懂,我主动地去找老师咨询,老师认真分析了我的的情况,并催促我赶快进行毕设的设计,还给我指明了要看哪些资料,给我指明了方向,使我不至于什么都不懂。而且在开始做毕业设计之后,我们的指导老师每个星期都会叫我们去办公室答疑,询问我们毕设的进度和遇到的问题,有问题提出并及时得到解决,让我在做毕业设计过程中不至于寸步难行,相反一边学习一边进步。可以这样说,没有老师的悉心指导,我的毕设就不可能按时完成。

  一个人的力量毕竟是有限的,一个人的知识也一定是有限的,所以在毕业设计完成的过程中,我得到了了许多的帮助。首先我要感谢我的指导老师,是他们在上课之余为我答疑解惑,为我解决了很多难题,也给了我很多的好点子,提供了很多的建议和帮助,让我能高效且有目的去完成本次任务;同时我要感谢我的室友们,我们几个人一起相互帮助,相互鼓励,同舟共济,一起完成毕业设计的工作;接着我要感谢学校,图书馆为我提供了良好的学习环境和知识储备,辅助我能及时完成本次毕业设计的所有工作;最后我要感谢本次毕业设计,让我学到了很多,也成长了很多,不仅仅是自身能力的提升和知识的获得,更重要的是锻炼了我们的独立思考,动手实践的能力,看到自己可以独立完成任务,能够肩当重任的一面。相信自己,只有把自己逼上绝境,才会发挥出自己的潜力。

  毕业设计的完成预示着四年的大学生活就要结束了,心中满满的都是眷恋和不舍。虽然最开始来这个学校有点不满,但是经过四年的时间,我爱上了这里。在这四年中,我遇见了很多人,经历了太多令我成长的事,满满的都是回忆。

  感谢母校,感谢四年来对我的栽培,这是我成长过程中最重要的一站,也希望母校越来越好!

  由于对可见光通讯的相关知识认知还不够,许多专业知识还需继续加强,加上本文的准备时间较少,本论文还存在很多不足之处以及需要改正和完善的地方,希望在后续的学习和工作中能够继续坚持,再接再厉。再次感谢大家的帮助与关心。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/jy/xxjs/3829.html

上一篇:求书网的设计与实现

下一篇:没有了

     移动版:室内可见光ofdm通信系统调光控制技术

本文标签:
最新论文