室内信道环境下可见光通信系统的关键技术展开研究

摘要：随着移动通信用户的不断增加，射频无线通信在电磁频谱中所占据的射频频段越来越拥挤。以频率更高、波长更短的光波为传输介质的通信方式，具有可用频带宽、通信容量大、传输速率高、抗电磁干扰能力强等优点，已成为通信领域的研究热点。其中，室内可见光通信技术在普通光源的基础上增加了数据传输功能，通过光源的高速明暗闪烁传输信息，接收端利用光敏器件捕捉数据信息携带的光信号。该系统为室内无线通信网络提供了一种全新的宽带接入方式，是构建室内无线通信系统的有效补充。基于此，本文对室内信道环境下可见光通信系统的关键技术进行了研究，重点研究了室内可见光通信的信道模型、调制解调技术和信道编码技术，为室内可见光通信的实际应用奠定了基础。室内可见光通信技术。本文首先分析了以LED（Light Emitting Diode）阵列为光源的室内可见光通信系统的信道传输特性，建立了涵盖光源布局和布线的室内可见光通信信道模型。 通过对可见光直接视距链路和反射非视距链路特性的分析，深入研究了其中的缺陷。首次考虑发射端LED阵列中的光源分布、无线通信接入点和LED。阵列之间的路径，LED阵列与LED之间的路径，以及LED光源中存在多条反射路径。对现有室内可见光通信系统的信道链路模型进行改进，推导出室内光源布局布线。可见光通信信道脉冲响应函数的数学模型。

信道模型仿真研究表明，无线通信接入点与LED阵列之间以及LED阵列与每个LED之间的路径会加剧可见光通信系统接收端多径效应的影响，而系统的最大数据传输速度也会受到LED阵列拓扑的限制。基于信道模型，还研究了缓解LED阵列光源发光不一致引起的码间干扰现象的策略，分析了每种策略的优缺点。其次，为了提高室内可见光通信系统的数据传输速率，同时考虑LED调制带宽的影响，本文重点介绍了室内可见光通信系统中的调制解调技术。论文分析了可见光通信系统典型调制方式的基本原理，结合室内可见光通信系统对调制方式的特殊要求，提出了一种MVPM（M-ary Variable Period Modulation）调制方式。分析了MVPM的调制解调原理和参数选择原理。分析了MVPM的带宽利用率、符号错误率、闪烁抑制和亮度控制性能。理论仿真结果表明，与传统的数字基带调制方式相比，MVPM具有更好的带宽性能，适用于调制带宽有限的室内可见光通信系统。在此基础上，本文对MVPM进行了改进，提出了DCF-MVPM（Duty Cycle Fixed-MVPM）和MNVWPM（M×N-ary Variable Width Period Modulation）。变宽周期调制）两种调制方式，其中DCF-MVPM解决了MVPM潜在的光源闪烁问题，MNVWPM具有更高的带宽利用率，适用于高信噪比的应用。

同时分析了MVPM、DCF-MVPM和MNVWPM三种调制方式对信道产生的码间干扰现象的抵抗能力。然后，为了更好地适应信道环境，提高系统的传输性能，本文对室内可见光通信系统中的编码技术进行了研究，提出了一种RS码（Reed-SolomonCode，Reed-Solomon code）编码系统 LDSCC（L-Dimensional Serial Concatenated Code，多维串行级联码）信道编码技术。详细给出了LDSCC的编解码原理和构建过程，并通过仿真实验验证了该方法对信道传输性能的提升效果。 LDSCC的编码维数越高，信道传输性能越好，但相应的编解码复杂度也越高。同时，考虑到室内可见光通信系统数据传输的特殊要求，提出了RALDSCC（Rate-Adaptive L-Dimensional Serial Concatenated Code，码率自适应多维串行级联码）编码结构，并进行了相应的选择是根据室内光线强度的不同而制作的。为了实现不同的数据传输速率，从理论上分析了编码方法的有效性。最后，为了验证室内可见光通信系统的调制解调技术和编码方法的性能，设计了室内可见光通信硬件实验系统。给出了硬件实验系统的结构框图、关键元器件的选用以及核心电路设计流程。

在这个实验平台上，通过改变多系统可变周期调制MVPM及其改进的调制方式-占空比固定多系统可变周期调制DCF-MVPM和多系统可变宽度周期调制MNVWPM调制分析传输性能MVPM、DCF-MVPM和MNVWPM在室内可见光通信实验系统中的应用，并给出了各种实验条件下的误码率和通信情况。距离之间的关系；研究了结合MVPM的多维串行级联编码结构在室内可见光通信系统中的传输性能，验证了多维串行级联编码结构的检错和纠错性能。更多还原

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