可见光调制解调技术研究开题报告

1．本课题的研究内容、重点及难点

研究内容：

本文概括分析无线光谱的特性,阐述无线光通信的通信特点及原理。对目前适合紫外光通信的开关键控调制OOK,脉冲位置调制PPM、差分脉冲位置调制DPPM、数字脉冲间隔调制DPIM、双头脉冲间隔调制DH-PIM以及等长脉冲间隔调制FDPIM等多种调制解调技术进行分析对比。通过Matlab对各种调制技术进行仿真测试得出各种调制解调技术的平均光功率、传输容量、传输速率、误码率等通信性能对比图并得出结论。

课题以对室内可见光通信系统的基础理论研究为基础，针对室内可见光通信系统的特定应用目的或目标提出具体有效的技术途径和方法，开发出基于室内可见光通信可用于全天候照明场所的语音信息广播、可用于考场等需要保密通信场所的听力广播和能向智能终端发送语音、文字、图像、视频等信号的可用于飞机、会议厅、餐厅等特殊场所的信息通告系统，并对室内可见光通信应用系统的实物进行产品安装和调试，拓宽室内可见光通信系统的应用范围，为室内可见光通信的实际应用打下坚实基础。

重点及难点：

本课题结合现有的编码调制技术、均衡技术和分集接收技术，在接收端首次采用半球面碗型接收装置，与其他普通的单一的接收装置相比，增强了光信号接收灵敏度和抗阴影能力。在接收端与发射端采用模拟均衡技术与数字均衡技术相结合，在可见光信道中采用合理光路设计，滤除大气环境中的背景光噪声、提高可见光通信系统的抗干扰能力。

2．准备情况（已查阅的参考文献或进行的调研）

2.1选题背景及意义

2.1.1选题背景

光通信的发展最初是从可见光通信开始的，比如旗语以及古代军事上的烽火狼烟都可以看做是可见光通信的最原始形式，但是在现代通信中，由于缺乏实用的光源和高信道衰落，所以在光纤出现后，发展方向迅速转向光纤通信。

在足够先进的技术支持下。每种新的LED灯也能以有线方式接入网络，是室内任何设备实现无所不在的无线通信，并且不增加已经拥挤不堪的射频带宽负担，形成了新的短距光无线通信的应用。

白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。利用这种技术做成的系统能够覆盖灯光达到的范围，接收设备不需要电线连接，与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁，因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。

2.1.2研究意义

在半导体照明必将取代传统照明的趋势下，全球的白炽灯、荧光灯将被LED灯代替。与传统的照明设备相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为第四代节能环保型照明产品。白光LED的另外一个突出优点是响应时间非常短，因此可以用LED进行超高速数据通信。在我国，可见光通信技术的发展比较晚，没有得到足够的重视，然而日本、韩国、美欧等科技强国对此非常重视，由于能够带动规模庞大的经济产业，美国已将可见光通信技术作为一种战略性科技进行大力扶持。为赶上其他科技强国并引领可见光通信技术，促进我国社会经济的可持续发展，积极跟进、研究、发展可见光通信技术成为当前刻不容缓的任务。

目前，室内可见光通信研究中以理论研究和单一的点对点通信研究居多，对室内可见光通信的应用研究和对具体的实验环境影响因素考虑较少。综合考虑室内光源布局，对提高室内可见光通信质量的稳定性具有重要意义，采用有效的均衡编码技术积极拓展通信带宽，提高数据传输速率，针对接收端运用分集接收技术搭建室内可见光通信系统，测试影响系统性能的关键因素，提高系统的抗干扰能力和高速传输能力，开展室内可见光通信的应用研究，对室内可见光通信真正走向实际应用具有重要意义，同时，为后续研究提供一定的参考价值。

2.2研究现状

2.2.1室内可见光通信的研究现状

室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中。日本是VLC技术的先行者，室内白光LED无线通信的研究在日本首先开展。日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama，在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统[15]。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，并认为LED光源满足朗伯(Lambertian)照射形式，且以强度调制直接检测(IM—DD)为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系。认为当传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的，码间干扰(InterSymbol Interference，ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。

2001年，Tanaka等人在原来的基础上分别采用OOK-RZ调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM 调制技术优于OOK-RZ调制技术。2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析 ，分别以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM 调制方式进行仿真分析，得到了不同条件下的误码率大小 。同年Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应 对可见光无线系统造成的影响，分别以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制方式进行仿真，结果表明：在数据率小于60 Mbps， 采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应[16]。 同年，Komine等提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统 。

2005年， Komine等利用基于最小均方误差算法的自适应均衡技术来克服码间干扰(ISI)，仿真表明在数据率为400 Mbps以下时，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效减少ISI的影响，当数据率高于400 Mbps时，DFE均衡器更能有效克服ISI。 2006年，Sugiyama提出了SCI-PPM调制方法；2007年，他通过脉冲宽度调制(PWM)，研究了光源的亮度控制对通信性能的影响[17]。同年Int Univ Bremen大学的Afgani对基于单LED强度调制OFDM技术进行了研究，理论和实验表明在一米范围内，OFDM技术能够有效消减峰平比(peak-to-average)。

2007 年，Haas 研究了基于正交相移键控(QPSK)调制COFDM(coded OFDM)技术。在90cm范同内，系统可达到2x10-6的误比特率[18]。牛津大学的O'Brien 研究了均衡技术，将系统速率提至75Mbps。飞利浦实验室提出一种新的调制技术——多址技术即CTDMA-PPM。

2008年Gruber 首次实验白光LED可见光通信系统101Mbps的通信速率[19]。

2012年Wen-Yilin等实现了10m/500Mbps的可见光通信体统，将数据传输能力提到一个新的高度[20]。

2013年迟楠所带领的团队成功实现了下行链路575Mbps上行链路225Mbps的通信速率，走在了我国在此领域的前列[21]。同年Wu F M等实现了最高3.22Gbps的通信速率[22]。

2014年，信息工程大学宏毅教授所带领的团队提出单载波多相延时叠加调制（MP-OOK）方法，并基于该方法实现了一套基于服务器架构的离线高速VLC实验系统，离线传输速率达到3.25Gbps[23]。

2.2.2室内可见光通信研究现状分析

对室内可见光通信的研究主要是采用不同新概念、新理论和新技术致力于传输速率快，误码率低，抗干扰能力强等通信性能的提升。对于可见光通信系统的光源，目前国际上大多研究者主要采用荧光粉LED（PC-LED）和红绿蓝LED（RGB-LED）。荧光粉LED是最广泛使用的LED类型，其原理利用蓝光激发黄色荧光粉以产生白光，其优点在于结构简单，成本较低，调制复杂度相对较低，其缺点在于调制带宽很低，对室内环境的频谱利用率不高，极大地限制了可见光通信系统的带宽。对于可见光通信的光电探测器，目前国际上大多数研究者使用PIN、APD、图像传感器，以PIN作为的光电探测器响应快、灵敏度高、价格低廉，以APD作为的光电探测器其响应更快、灵敏度更高、价格相对较高，以图像传感器作为的光电探测器的响应速度较慢、灵敏度较低，但是它可以同时接受来自多个光源发送的数据，并且传输距离更长，因此在MIMO-VLC系统中经常使用，同时在很多实例中，如智能交通系统、定位等，经常使用。对于蓝光过滤技术，目前最广泛使用的荧光粉LED的调制带宽只有几兆，研究者们在光电探测器前端加入一个蓝光滤波器，以滤除响应慢的黄光分量，可以将LED的调制带宽增加到10兆。对于均衡技术，目前国际上都在使用此技术，在系统发射端加入预均衡技术，补偿器件和信道对信号带来的失真，可以提高LED的调制带宽，在接收端加入后均衡技术，可以有效补偿其他信道损耗，如相位噪声等。对于编码调制技术，目前国际上大多使用此技术在有限带宽内实现更高的传输速率，使用最广泛的是开关键控调制（OOK）、曼切斯特编码、脉冲位置调制（PPM）等，其优点在于可以实现在有限带宽内提高系统的传输速率，且实现简单，为进一步实现提升系统传输速率，研究者们往往会在系统发射端使用高阶调制格式，如QAM-OFDM、QAM-DMT，通过高阶调制格式可以更好地提高系统传输速率，但是调制阶数越高，系统越复杂，对接收机的灵敏度也越高。室内可见光通信技术的可行性如今已得到实验验证，但所面临的困难还有很多，主要表现在以下几个方面：

（1）室内可见光通信所采用的是目前商业化的白光LED，调制带宽还不能满足高速数据传输，需要采用带宽拓展手段，在接收端增加蓝光滤波片是最常用的手段，但系统能实现的带宽还不够理想有待进一步提高。

（2）用于通信的室内LED灯源布局受房间形状影响很大，目前针对具体的室内环境的实验研究很少，多以点对点的实验研究为主不能完全满足室内可见光通信的要求。

（3）从见刊的关于室内可见光通信研究的文章中可知，室内可见光通信的通信距离比较短，接收端的灵敏度以及抗干扰能力有待进一步提高。

（4）目前对室内可见光通信系统的研究主要采用小功率白光LED，从而使室内可见光通信系统的通信距离很短，在满足照明的同时不能满足照明需求。

（5）对室内可见光通信的研究主要为基础理论研究，对室内可见光通信的特定应用目的或目标没有具体有效的技术途径和方法，不能使室内可见光通信系统真正走向实际应用和产业化。

3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料

实施方案：

基本的光通信系统组成，其主要包括信号发送部分和信号接收部分。在发送端，由编码器编码的数据经信号调制电路转换成发送电信号，然后驱动LED 路灯光源发送光信号经自由空间光通路到信号接收端。在接收端，通过光传感器和放大器检出光信号并转换成电信号。最终经解调电路、解码器获得相应数据。

图1 系统组成

进度实施计划：

2020.2-2020.5收集资料，查阅相关文献，学习并分析目前可见光通信的研究现状

2020.5-2020.7学习室内可见光通信相关基础知识，深入学习白光LED的工作特性、驱动电路知识和编码调制理论

2020.9-2015.3对室内可见光通信的光源布局进行研究，对接收端的光信号处理进行理论分析

2020.4-2020.12搭建实验系统，测试并分析系统的数据传输速率、通信带宽、误码率等参数，篇

2020.1-2020.4撰写毕业论文毕业答辩

预期提交的毕业设计资料：

任务书、开题报告、毕业论文、仿真代码各一份。

指导教师意见

指导教师：

年   月  日

开题小组意见

答辩小组组长签字：

年  月   日