基于单载波调制的可见光通信传输系统建模与仿真论文

基于单载波调制的可见光通信传输系统建模与仿真摘 要可见光通信技术是近年来新兴的一种无线通信技术，利用白光 LED 的高速明暗闪烁来传输信息，使得 LED 兼有照明和通信的两大用途。白光不仅频谱很宽，而且这些资源的使用不需要经过授权。可见光通信技术又使得上网更加方便快捷，而且相比传统通信的建立基站，要更方便，更容易搭建和拆卸。综上，研究可见光通信技术意义重大。为研究可见光通信，本文先研究了LED的发光机理和主要特性。由于单载波避免了多载波系统的在各相位相同时的最大瞬时电功率与平均电功率的比值(PAPR)很大的问题，这样在设计中可以采用更经济高效的功率放大器，所以本文主要研究了基于PPM.PAM等单载波调制技术的可见光通信建模及仿真，并通过仿真分析了PPM.PAM在高斯白噪声及非成像增益基础上的误码性能。关键词：可见光通信；单载波调制；LED误码性能；调制性能ABSTRACTVisible light communication technology is a new wireless communication technology in recent years. It makes use of the high speed light and dark flicker of white light LED to transmit information, which makes LED have both lighting and communication applications. White light not only has a wide spectrum, but also does not require authorization to use these resources. The combination of visible light communication technology and power line technology makes the wiring of visible light communication more convenient, compared with the traditional communication base station, it is more convenient to set up and disassemble the visible light communication technology, and the combination of visible light communication technology and powerdy visible optical communication, this paper first studies The line technology makes it more convenient to set up and disassemble the visible light communication. In summary, the study of visible light communication technology is of great significance. In order to stuluminescence mechanism and main characteristics of LED were investigated. Since the single carrier avoids the problem of the ratio of the maximum instantaneous power to the average electric power of the multicarrier system (PAPR) with the same phase, a more economical and efficient power amplifier can be used in the design. Therefore, this paper mainly studies the modeling and simulation of visible lightcommunication based on PPM.PAM and other single carrier modulation techniques, and analyzes the error performance of PPM.PAM under Gao Si white noise by simulation. Finally, the effects of various parameters on the modulation performance are analyzed with eye images and other simulation images.Keywords: Thesis; template; criterion; figure; table目 录第1章 绪论51.1 本论文的背景和意义51.2 国内外的研究现状91.3 本文结构及主要内容11第2章 LED的发光机理及特性132.1 LED的发光原理132.2 LED的物理特性132.2.1 LED的光谱特性132.2.2 伏安特性152.2.3 辐射特性15第3章 可见光通信主要调制技术173.1 可见光通信技术173.2 脉冲调制技术193.2.1 PPM调制193.2.2 PPM调制技术193.2.3 PPM解调技术193.3 PAM调制213.3.1 自然抽样的脉冲调幅213.3.2 平顶抽样的脉冲调幅213.3.3 误码性能23第4章 表的格式要求74.1 表的格式74.1.1 表74.2 表的内容7第5章 结论与展望95.1 结论95.2 不足之处及未来展望9参考文献11致 谢12附录A： 作者在校期间发表的论文13附录B：14第1章 绪论1.1本论文的背景和意义 由于信息技术的发展和全球智能终端的受欢迎，移动用户的规模飞速增长，创造了巨大的移动互联网市场。根据国际电信联盟（ITU - R）发布的报告，预计2015年中国移动电话用户将达到870万人，到2020年将增长到1070万人。随着移动用户数量的急剧增加，基于移动互联网的新内容和应用也高涨，数据业务的需求也在指数函数上增加。2010年，产业信息产业省，说了10年，移动互联网数据服务，1000次增长。同时，中国制造业（2015年、2025年）的开发计划发布表明，中国进入了新的信息产业革命的重要时刻。2互联网，例如，互联网、智能城市、汽车网络等新型产业和理念对于移动互联网具有更大的容量和超高速要求。但是，传统的射频（rf）通信技术由于频谱资源不足，无法满足超高速移动互联网的需求，显示出了严重的瓶颈问题。为了从根本上解决超大容量通信的需求和光谱危机的矛盾，开发新的光谱是当务之急。这种情况下，由于可见带宽频谱资源丰富而受到关注，国内外的研究领域开始探索可见域的巨大透过潜力。另一方面，发光二极管技术急速发展。LED是将电能转换为光能的半导体电子部件。经过几十年的技术更新和开发，1962年出现后，今天的LED技术非常成熟。最初，它可以发出低光度红灯，现在它发光了。通过可见光、红外线等。与以往的白炽灯泡和节能灯相比作为新的光源，LED具有电光学转换效率、小型、长寿命、低能耗等诸多优点。其寿命可达10小时，仅为节能灯的1 / 4的白炽灯泡的1 / 10。这些优点使得LED逐渐取代传统照明设备。另外，由于成熟的生产工艺，LED的制造成本也大幅降低，其广泛应用于室内照明、交通灯、汽车前灯及生活显示屏等各个方面。除了照明的优点之外，LED也具有良好的调制性能。该发光强度根据驱动电流急速变化，调制带宽能从数十MHz达到数百MHz，能使用高速无线通信用的可视带宽 6 。在RF光谱资源不足和LED技术成熟的双重背景下，可见光通信(VLC)成为研究热点。VLC是将led技术与信息传输组合的通信技术。发送信息经由驱动电路加载到由LED发出的高速变化光，光在接收端由光检测器(PD)接收。通过后续的信号处理能够容易地恢复发送信息。在调制频率足够高的情况下，由于人的眼睛无法检测光的变化，因此不影响LED的本来的照明效果，并且确保同时的数据通信和室内照明功能。VLC技术的传输距离由数米变化为数十米。与越来越普及的led室内照明系统结合，它可以广泛应用于室内环境以解决通信传输的“最后一封邮件”问题。图1.1示出了典型的室内VLC系统。作为重要的室内无线通信技术，VLC为了其大容量、绿色和环保，在国内外越来越受到奥斯卡和产业的关注。目前，在日本设立的可见光通信协会，多数团体致力于实现具有代表性的vlc标准化。IEEE 802.15.7无线个人区域网络标准委员会(IE 802.15.7可见光通信任务组、IE 802.15 WPAN任务组7)的VLCA 8及VLC工作组。在无线通信领域，rf无线通信技术正在普及。与rf通信相比，vlc具有以下特征。(1)光谱资源丰富，不要求光谱容许性。无线电频谱是非常宝贵的有限资源。对于频带的使用，需要无线管理部门严厉的批准。随着通信服务的持续增长，可用的无线频谱资源越来越少。相反，VLC具有多个电势光谱资源 10 。如图1.2所示，可见光的频率范围从380 THz到790 THz，这弥补了无线频谱资源的不足。VLC可以不干扰RF频带，而无频谱许可地自由地获得电荷。 (2) 电磁辐射，绿色环保。随着社会的发展，环境保护和低碳的概念深深扎根在人们的心中。RF通信依赖于引起特定电磁辐射的无线电波的传输。许多研究表明，长期暴露电磁辐射对人体健康有害。VLC作为不生成电磁波的信息传输的介质，使用日常的照明，保证用户长时间处于无线通信网络，不损害他们的健康。另外，VLC在LED照明中完成信息的传输，LED设备的能源消耗低，降低资源及碳排放量的成本，最大限度地保证环境保护11。 (3) 那个机密性很高。在以往的rf通信中，在宇宙空间中很容易获得电磁波信号。因此，以往的rf通信的安全性一直是课题。通常，一些额外的加密方法需要确保通信的安全性。因为可见光的波长比较短，其折射非常弱，所以在透过过程中，可见光不会通过墙壁泄漏到室外，所以防止发送信息的恶意干扰。并且，VLC方向性良好，光沿设定的方向扩展，通信的秘密性提高12。 (4) 安装成本低。RF通信需要特别的通信基础设施。为了覆盖信号的所有方面，需要投资更多的成本来构建基站。基于led照明开发了vlc。因此，VLC网络的建设不仅需要重建特别的基础设施，还需要扩展到现有的可见光LED系统来执行通信功能，从而降低实施成本 13。基于这些独特的优势，VLC可为区域信息基础建设提供快速大容量的解决。同时，VLC在许多情况下（医院、矿山、发动机房、加油站等）都有广泛的应用前景。总之，在无线光谱资源不足和高速传输的紧急任务中，vlc是国家信息化的重要方向之一，研究的重要性非常重要。首先，各国正在努力探索巨大的可见光谱传输容量，VLC的研究可以使国家国际化。这是获得第一个机会和光谱竞争声线的重大战略意义。其次，VLC实现的低成本，结合LED所有照明覆盖网络，可以促进巨大的VLC市场，带来相当的经济利益。因此，vlc的研究具有重要的经济意义。最后，led的低能耗可削减温室效应气体排放量，通信过程中不存在电磁波。辐射对环境保护起着重要的作用。调制技术：近年来，可见光无线通信技术急速发展，从数十兆位/秒到500 mb/s，甚至千兆位/秒。其中，选择合适的调制格式是提高传输速度的重要方法之一。可见无线通信系统的主要调制技术是开关键控（ook）、脉冲位置调制（ppm）、dc偏置光正交频分复用（dco-ofdm）。在非同步剪辑光OFDM(ACO - OFDM)和脉冲幅度调制离散多音调(PAM - DMT)、单载波频域均衡(SC - FDE)、载波幅度相位调制(CAM)度、相位、盖等辅助光功率信号平移信道中，射频无线通信系统中的调制模式可以使用DC偏置来应用于可见光无线通信系统，该DC偏置包括DC偏置PAM、DC偏置PM和DC偏置正交调幅(QAM)。sc-fde调制的频谱效率与ofdm相同，sc-fde调制的计算复杂度与ofdm相同。然而，SC-FDE调制的两个FFT在接收器中完成，且发射器简单。单载波方式避免以OFDM方式导入的高PAPR的问题，LED灯、功率放大器、光检测器的线性要求明显降低，能够有效地降低VLC信道的非线性效果。 1.2国内外的研究现状关于可见光通信国内发展状况国内VLC研究开始比较迟缓，还在被逼得走投无路。对可见光谱资源的兴趣高涨，为了促进vlc的研究投入了大量的研究资金。2013年，全国863项目“可见通信系统的关键技术研究”正式启动。项目由信息工程PLA大学主导，并由中国一些主要研究机构共同完成。项目开发潜在的可见光谱资源，研究在复杂的信道条件下的VLC主要技术，建立对应的通信实验系统，证实典型应用，建立VLC 37 工业化的基础。同年，由清华大学、北京大学、北京工业大学、北京邮政大学、东南大学、半导体研究所共同实施的全国973项目“广谱信号无线传输理论与方法研究”启动。研究基于广谱载波的无线通信理论和方法。）。随着研究的持续发展，国内研究机构在vlc研究领域取得了进步。这里简单介绍了近年来的成果。富丹大学的研究小组实施了使用红色绿色(RGB)3色LED灯和荧光体荧光体LED 39 - 41 的高速VLC传输系统。2014年，中国科学院半导体研究所证实了基于荧光体荧光体LED的低复杂性VLC系统。在传输距离为60 cm的情况下，实时传输速率可达到550 mbit/s42。另外，信息工程系的专家还将vlc的应用方案扩展到水下通信场，利用可见光实现了高速水下通信。另外，清华大学、北京大学、北京工业大学和后台交流的北京大学、华盛科技大学等研究小组还从事了VLC研究，在这里取得了丰硕的研究成果。在VLC工业化和研究成果的转换方面，国内的相关单位也做了很多工作。广东半导体光源工业会正在积极推进vlc技术工业化。协会为了引导广东省VLC工业化未来的方向，实施“广东可见光通信与标准光模块产业技术路线图（2015年2019年）”的编译。2016年1月16日，广东省可见光通信产业技术路线图准备在广州召开专家研讨会。在研讨会上，论述了vlc应用的现状、今后的开发动向和工业化前景。各种各样的大学积极致力于vlc技术的变革。例如，清华大学多媒体传输系统和网络研究中心在可见光通信电力线通信以太网、室内定位及导航系统以及其他vlc系统原型2的混合网络结构下，将基于vlc的双向声音传输系统开发了项目。研究生Wu Jiangxing、PLA大学信息工程教授Honghongyi率领研发团队完成包括“可见光隐性广告”和“在我手下可见光通信与定位”在内的9个示威系统。其中两项已被证实在矿道领域环境 44 。除了大学的科学研究机关以外，从事VLC的研究开发和生产的企业也启动着对应的产品。2013年11月，深圳Guangqi技术有限公司公布了东南大学博士论文付款系统的研究开发。明年6月，Pan - an集团与深圳Guangqi签署了一项战略联盟，以解决照片支付问题。同时，该公司还开发了光子覆盖系统和光子接入控制系统 44 。可见光通信国外发展状况 由于VLC的重要实用价值和广泛应用前景，VLC的广泛应用前景开阔，推动其工业化，日本、欧洲联盟、英国以及美国等许多国家开始了VLC的研究工作。苏格兰科学家亚历山大格雷厄姆贝尔发明了第一部光学电话可以追溯到1880年。但是，VLC的快速发展，多亏LED技术的成熟，在过去10年里(上)集中着 14 。日本是进行可见光通信研究的早期国家，取得了许多成果。2000年初庆应义塾大学的中川教授团队开发了基于白色LED的室内VLC概念，进行了信道模型和系统性能的预备调查。此后，研究小组调查了VLC的调制模式、多路径传输、系统性能等许多方面 16 - 19 ，把高度的VLC拓展到了智能运输和场所 20、21 等新的应用方案。特别是在2004年，进行了基于led vlc的基本解析。在分析过程中综合考察led照明和信息传达两个方面。论述了光反射、码间干扰等实际因素的影响。符号间干扰是降低vlc系统性能的重要因素。同时，vlc实现了10 gbit/s的通信速度。在2009年，为了解决isi的问题，提出了基于自适应均衡的vlc系统，通过模拟对高速传输的适用性进行了验证23。 此外，日本以推动vlc工业化为目标，于2003年成立了vlca组织。东京大学、庆应义塾大学、早稻田大学等卡西欧、松下、东京电力、东芝等知名企业全部是团体。组织率领了许多VLC研究项目，与三星公司合作，以1 m的工作距离和100 Mbit / s的传输速度开发了VLCA组织。同时，致力于vlc的标准化。2007年，提出了由电子信息技术产业协会（jeita），即jeita cp-1221和jeita cp-1222采用的vlc两种系统规格。2009年，提出了vlc物理层规格。为了抓住光通信发展的机会，欧洲于2008年开始访问（）网站，以推进光通信的研究。该学术项目由西门子、法国电信、亨利希尔兹研究所（HHI）等知名企业从欧洲学院和工业20多个机构完成。产业研究机关也参与着。VLC被记载为提供家庭高速无线接入新型项目的重要组成部分。从2011到德国使用红、绿、蓝三色LED和波长分复用（WDM），中国研究小组最多达到了803 Mbit / s 26 的峰值。2014年，欧盟开始计划投资约800亿欧元的地平线2020项目。我们打算在2020年之前在许多科学技术领域实现重要的技术革新和突破，vlc显然是其支撑的重要研究领域之一。英国也在可见光通信研究的最前线。许多著名的大学，包括牛津大学、爱丁堡大学、南安普顿大学等进行了VLC研究。牛津大学的奥布赖恩教授团队在2009年实施了100 mbit / s的VLC系统。同年，以到1 Gbit / s 29 为止的传输速度，对VLC应用了复数的输入多输出(MIMO)技术。2013年，mimo vlc系统具有几个gbit/s30的传输速度。2010年，由爱丁堡大学电子通信学部移动通信学科的HASS教授组成的研究小组率领了以研究开发作为目标的D - Light的项目。与VLC原型和促进商业的WiFi一样，教授Hass提出了VLC的“Li - Fi”的概念，并推进了这一概念。2012年，纯利法创立了专门生产Lifi模块。南安普顿大学的Hanzo教授团队也以VLC算法实现了许多。例如，在2015年提出了vlc和wi-fi通信混合系统的多用户调度算法，有效提高了系统速度。提出了2016年对vlc系统的资源分配方式33。 美国也是促进VLC发展和应用的重要国家。2008年初，美国国家科学财团（NSF）在波士顿大学设立了智能照明工程研究中心。到2018年，预定开发基于VLC的智能照明框架 34 。另一个重要的VLC研究所是UC光（光泛交流中心）。而且，那要依赖加利福尼亚大学和国立研究所。现在，光学设备研究、led照明、光通信网络等研究成果如下。同时，美国的一些企业也致力于VLC的应用。2015年，零售巨人目标，在其正面安装了VLC导航系统。另外，2016年，基于自由空间（FSO）技术的无线产品制造商Lightpointe成立了新公司、Firefly无线网络。总结一下，VLC的研究吸引了外国科研机构的密切关注，成果逐步得到应用。关于可见光通信系统调制技术的研究现状:2010年的文件 3 提出了脉冲和OFDM的双重调制技术。这降低脉冲和OFDM的码间干扰和双数据调制模式，以便使用OFDM调制技术来改进系统的传输速率。simlink模拟表明该方法可实现，传输速度可达18 mbps。2013年的文件 24 提出了多带可变周期调制方式。根据模拟的结果，该方法显示了比传统的带宽调制技术更好的带宽利用。但是，这种方法存在光源合成的问题。为了解决这个问题，提出了多带可变宽度固定周期调制法和改善了的工作周期固定多带可变周期调制法。分析和比较了2014年的三个调制技术的性能。平衡正交频分复用调制技术、无载波相位调制技术、频域均衡载波无源调制技术。实验结果证实了在改善信道容量方面对调制技术的作用进行验证，利用调制技术实现高速数字通信。2015年的文件 26 提出了使用16阶段PAM调制使数据传输速度提高4倍的双调制技术。光的强度由PWM调制技术调制。MATLAB的仿真结果指示双重调制技术在一定信号与噪声比的条件下具有低于常规00 K调制技术的比特错误率。 在2015年的文档 27 中，在DCO - OFDM方式中，提出了高频余弦变换和分组循环移位方式。模拟结果显示ccdf104修正系统的峰值对平均比减少5 . 4 db。在2015年的文档28中，提出了将dft与slm组合以改善slm的方法，进一步降低可见光通信中的ofdm系统的papr。模拟结果表明，这种方法具有比以前的slm低的papr。2015年的文件 29 提议将离散傅立叶变换与以往的PTS法组合而成的DFT - S - PTS，将可见OFDM的峰值对平均比减少到3 SdB。综合分析了上述情况。虽然在vlc系统中的led阵列光源的布局设计和光信道特性有很多研究成果，但仍然存在缺乏单一和矛盾的最优化设计基准这样的系统性研究，没有考虑重要的性能指标。1.3 本文结构及主要内容本文主要研究可见光通信中的单载波调制技术及相应的建模与仿真，所以论文分为以下章节内容：第一章 绪论。主要阐述了可见光通信的起源及国内外的发展，以及近年来可见光通信及其在调制技术方面的国内外研究现状。第二章 对LED的发光机理和特性进行研究。主要包括LED的伏安特性、光谱特性、辐射特性等。第三章 PAM.PPM等单载波调制方式的可见光通信系统的建模方案,以及仿真PPM.PAM单载波调制方式在高斯白信道下和非成像增益基础上的的误码性能，采用图形输出结果并对结果进行分析。第四章 进一步研究室内可见光通信，仿真在非成像增益基础上的误码率性能。 第五章 总结与展望第2章 LED 的发光机理及特性与传统光源相比，LED光源不仅具有功耗低、体积小、寿命长、环保等优点，而且具有响应时间短、调制性能好等优点。基于LED照明系统的可见光通信技术是一种以可见光为载体的新型无线通信技术。LED可以取代传统的白炽灯，使其成为无线网络发射机。2.1 LED的发光原理发光二极管的核心部是由p型半导体和n型半导体构成的晶片。在被称为p-n耦合的p型半导体与n型半导体之间存在转变层。在某些半导体材料的pn连接中，如果注入的少数载波与多个载波相结合，则过剩的能量以光的形式释放，电能可直接转换为光能。由于若干载波难以注入具有逆电压的pn接合，因此不放出光。这种二极管被称作发光二极管(LED)，通过电子注入原理形成。在正的动作状态(即，两端+正电压)的情况下，电流从LED阳极流向阴极，半导体晶体进行从紫外线到红外线的不同颜色的发光。光的强度依赖于电流。电子与正孔之间的能量(带隙)越大，所生成的光子的能量越高。光子的能量顺序对应于光的颜色。在可见光谱范围内，蓝光和紫光运送最能量，另一方面，橙色光和红光运送最小能量。由于不同材料具有不同的带隙，所以它们可以发出不同颜色的光。2.2 LED 的物理特性2.2.1 LED 的光谱特性LED的发光光谱指的是光学感应的能量和频率的关系。led的发光色和照明效率与它们有很大的关系。峰值波长和半强度宽度是描述发光谱特性的两个重要参数。峰值波长对应于LED的最大相对光强度，不同LED具有不同的频谱特性分布曲线。在单色光的情况下，存在独特的峰值波长。由LED放出的光虽然不是单色，但仅单色光理论上具有峰值波长。因此，LED的光谱有一个或多个相对强度的峰值，对应的峰值波长较多。为了适应这种现象，导入了“主波长”来描述led的频谱特性。主波长是指由LED发射的黑白光的波长。另外，led的光谱特性具有某种对称性，其对称性取决于led的材料和结构。LED 的典型波长分布图如图所示 LED 单色光的光谱是典型的线光谱，其峰值波长与禁带宽度之间的关系，可以表示为：p=1239Eg,式中：Eg 表示禁带宽度，单位为电子伏特（eV）；p为峰值波长，单位为纳米（nm）。除了峰值波长外，描述LED光谱特性的另一个参数是光谱的半宽。也就是说，在LED的峰值波长两侧的相应位置存在一个相对强度，它是对应于峰值波长的最大相对强度的一半。两个波长之间的距离称为光谱的半宽。用表示，单位为 nm。是 LED 的单色性参数，用来表示 LED 的光谱纯度。通常情况下，40nm，具体由p和热力学温度 T(K)确定，可表示为：=1.2510-7P2T2.2.2 伏安特性LED 的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体所构成的 PN 结，所以它具有与 PN 一样的伏安特性31。其正向伏安特性可以表示为IF=IS(eeqVF-nKTnKT) 式中：Is为反向饱和电流，q 为电荷量，q=1.60210-19C, n 为常数，n=12；k 为玻尔兹曼常数,k=1.3810-23J/K ；T为热力学温度，在室温 25 C 时，T=273+25=298K，qkT26mv LED与 PN 结具有相似的特性，即正向导通、反向截止，当LED的两端的前向电压超过LED的开动电压时，电压与电流的关系成为指数函数。当LED的两端的前向电压小于开始电压时，或者当LED的电流到达逆饱和电流时，在两种情况下LED被断开。当在LED的两端施加逆电压时，LED的电阻变得非常高，电流不流通，LED位于相反的死区。当逆电压非常高时，LED发生故障并指示逆降状态。如图所示，LED具有四个状态。前方死区、前方动作区域、反死区和逆投降区域。 LED的伏安特性2.2.3 辐射特性LED灯 32 的放射特性是根据放射角度其发光强度变化，根据受光端和LED形成的角度受光端的光强度变化。白色led的辐射模型一般遵循lambert辐射模型。 白光朗伯辐射模型图 从白光朗伯辐射模型图中可以看出n值的大小决定了白光光束方向，随着n值得增大，方向性变得越来越好。所以，在直接视距中的n值通常取得比较大，而在散射链路中n值通常取1。将白光LED的光源模型近似等效为一个点光源，图中表示发光半角，表示接收半角，d表示LED到探测器表面的距离。假设LED芯片中的发光模式为朗伯发光模式，则LED光强度表达式为：I=ddw式中表示空间角度，表示光通量，它的计算表达式为：=Km308780V()e()d式中V(）表示标准化的发光曲线，Km为最大可见度。LED发射和接收示意图沿某一发光角度的发光强度为中心光强度在这一方向上的分量即：I（）=I0cosm单个白光LED的中心发光强度用Io表示，其单位是坎德拉(cd)。在某点的光照度可由LED的发光强度表示，其表达式为:E(,)=I0COSmcosd2当白色LED用于通信时，该发光功率表示发光的光的能量。是研究可见通信系统的重要参数。单个LED的发光功率主要指其中心发光功率。表达式为:Pt（）=P0R0其中，P0表示单个LED中心发光功率另外:R0=m+cosm2它表示的是发光功率随发光角的朗伯分布情况，发光功率单位为mv，也可以用dBm表示。总结：白色LED适用于可见光，因为其低功率损失、长寿命及快速明亮消光特性。在通信中，作为光源发挥作用，从室内无线通信的基站发送信息。因此，研究了成为可见光通信研究基础的白色led发光机构、分光特性和放射特性。3 可见光通信主要调制技术3.1可见光通信系统下图，示出代表性的可见光通信系统的基本框图。在发射机中，通过信道编码和调制要发送的信息，利用LED灯反射，将电信号转换成光信号。光信号经由空间的直接散射和反射路径到达接收端。光接收器收集并处理到达光信号，以实现将光信号转换为电信号。在解调和信道解码之后，原始发射信号最终被恢复。 可见光通信系统框图 3.2 脉冲调制技术脉冲调制是VLC中的一般调制方法。基本方法是使用脉冲的振幅、位置或位置。接收机宽度的变化显示要发送的不同消息。这种调制技术具有容易实现和低系统复杂性的优点，并且在VLC中广泛使用一般的，脉冲调制可以分为脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation, PAM）、脉冲位置调制（Pulse Position Modulation, PPM）和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）等，相比PWM调制，PAM和PPM调在VLC中更经常被用于实现信息传输，PWM则通常用于辅助LED亮度控制，因此，本小节将着重介绍PAM和PPM调制方案。3.2.1 PPM调制模拟信息源A/D模拟接收端D/A调制解调 PAM/PPM原理图模拟信息源向PPM调制解调系统发送A/D转换后的信号。输出信号在数字/模拟转换后被转换为模拟接收机。PPM的原理是将一定期间分割为m等分，各部分称为时隙。在一个时隙中发生脉冲并且在其它时隙中不发生脉冲的情况下，恒定时间段是PPM信号。考虑到频带、电力等的利用，选择l-ppm作为实现ppm的具体方法。用于PPM调制的载波是周期性不连续的光脉冲。若PPM调制信号是L位，那么传送的数据比特为log2L.若将发送的a位数据组记为M=(m1, m2，m3.mn), 时隙位置记为L,则可以得到单脉冲PPM调制的映射编码关系: L=m1+2m2+.+2n-1 mn, n0，1, . n-1).如果选择4-PPM调制发送二进制数据，设-帧传输时间为T,那么信息传递速率T/2 bits.调制后（0, 0)所对应的位置为0时隙; (0, 1)对应 1时隙; (1, 0)对应2时隙: (1, 1)对应3时隙， 映射是一一映射, 满足调制的唯-一性。3.2.2 PPM调制技术PPM调制实际上是定时输出脉冲的处理。如果标准时间间隔已知，则可以将定时处理转换成计数处理。当时钟的上升边缘到来时，计数器开始动作，计数直至输出脉冲为止，确定脉冲的位置。当计数数据等于二值调制数据时，向对应的时隙输出高电平，向其他时隙输出低电平。调制系统由7个模块、并行转换、4分频器、8分频器、计数器、比较器、脉冲整形器及延迟构成。串行并行转换模块主要完成输入串行数据的二进制编码，而当4分频器和8分频器主要用于产生其它模块所需的时钟的NVersion输出和两个相等时，它将脉冲信号输出：delayer主要用于脉冲整形器模块和仪表。编号模块、比较器模块和串行并行转换模块提供使能器。狭窄的脉冲整形器用于限制输出脉冲的带宽，以便于信道的传输，以便形成比较器的输出脉冲。PPM调制是一般的二进制调制方式。k位信号u(4 u，2)。0，1*由m-ary ppm(m2*)调制。信号x= 0 , 0 , 0 , 0 ,0 0 , 1 m得到，根据U的二进制表示值指定的位置有 1 。该调制格式由固定M符号构成，各自具有相同的持续时间。为了方便起见，M可以考虑拍摄图像作为信息比特到PPM符号的信息序列（即，M2 *，因此PPM符号中包含的信息比特的数量为log 2 m），每个PPM调制符号分配1比特。图4示出了4 ppm调制的示例。2比特的信息序列通过自然映射被映射到4个4 ppm符号。信息序列的值表示4 ppm符号内的脉冲的位置。 对于M进制PPM调制方案，假设信源速率为Re,每k:(k=log,M)个比特构成一个码字，表示M个时隙中的-一个位置有脉冲。M进制PPM的脉冲宽度为TM-PPM=log2M /(MRB),可得M进制PPM调制所占带宽为:WM-PPM=12TM-PPM=MRb2log2M 其带宽效率为RM-PPM=RbWM-PPM=2log2MMbits/HZ如从该公式可知，m次ppm调制的带宽效率随着调制阶数的增加而急剧减少。m = 2时，2 ppm具有最高带宽效率。并且，那个是OOK调制的带宽效率的一半。m带ppm调制的功率效率如下：M-PPM=Mlog2Mbit/s/W可以看出，调制阶数M越高，PPM调制的功率效率越高。3.2.3 PPM解调技术PPM的解调过程基本上是ppm调制的逆过程。在此设计中，PPM的解调处理主要包括4分割器、8分频器、窄脉冲恢复、脉冲定位、脉冲成形、并行串行转换、延迟等。4分频器和8分频器用于提供用于其它模块的时钟信号。窄脉冲再生模块实现从狭窄脉冲到广角脉冲的功能，脉冲定位模块实现脉冲位置检测，脉冲整形模块实现脉冲位置整形，并行串行转换模块实现二值解码。为了实现解码，接收器使用ML解码，并且接收器和每个符号对比度距离选择要解码的最小距离。3.3 PAM调制调制采样转换成信号（时间或空间连续函数）的数值序列（时间或空间离散函数）。采样后的离散信号是维持后的步骤信号，即具有零阶维护者的特性。如果信号是带宽限制的，并且采样频率是信号的最大频率的两倍，则可以完全从采样样样样本重新配置原始连续信号。抽样定理的定义：设时间连续信号，其最高截止频率为fm，如果用时间间隔为T12fm的开关信号对f(t)进行抽样时，则f(t)就可被样值信号唯一地表示。脉冲振幅调制(PAM)是根据基带信号脉冲载波的振幅变化的调制模式。如果脉冲载波是脉冲脉冲序列，则采样定理是脉冲振幅调制的原理。即在采样定理中采样的信号M(t)是PAM信号。然而，使用脉冲序列的采样是理想的采样状态，这是不可能实现的。即使可获得，由于采样信号的频谱是无限大的，因此不能对限制带宽的信道进行传输。因此，实际上，具有相对于采样脉冲的窄脉冲宽度的短脉冲序列通常用于大体上交换脉冲序列。本论文介绍了自然采样脉冲振幅调制和平板上采样脉冲振幅调制两种脉冲振幅调制方法。3.3.1 自然抽样的脉冲调幅自然抽样又称曲顶抽样，它是指抽样后的脉冲幅度(顶部)随被抽样信号m(t)变化，或者说保持了m(t)的变化规律。自然抽样的PAM原理框图抽样脉冲：C（t）=-+P(t-nTs)傅里叶展开： C（t）=-+cnejnwst抽样信号： xst=x(t)C(t)抽样信号频谱：xs(w)=n=-n=+cnX(w-nws)PAM信号： mst=mts(t)s(t)的频谱信号 S（w）=2Tsn=-n=+Sa(nwH)(w-2nwH) Msw=12Mw*Sw =ATsn=-n=+Sa(nwH)M(w-2nwH)频谱与理想抽样的频谱非常相似，也是由无限多个间隔为ws=2wH的M(w)频谱之和组成。其中，n=0的成分是(t/Ts)M(w)，与原信号谱M(w)只差-一个比例常数(t/Ts)，因而也可用低通滤波器从 Msw中滤出M(w)，从而恢复出基带信号m(t)。Msw=1Tsn=-n=+M(w-nws)Msw=ATsn=-n=+Sa(nwH)M(w-2nwH)通过比较上述两个公式，理想的采样频谱以1 / T的常数变重，因此信号带宽是无限的。由于自然采样频谱的包络线根据SA函数随着频率的增加而减少，因此带宽受到限制，带宽与脉冲宽度T相关联的较大R、较小的带宽，这有助于信号传输，但R达到时分复用路线的数量的减少。对。显然，T的尺寸应该考虑带宽和复用路线的矛盾要求。3.3.2平顶抽样的脉冲调幅平顶采样也被称作瞬间采样。平顶采样与自然采样之间的不同在于采样信号中的脉冲都是相同形状的平底顶矩形脉冲，而矩形脉冲的振幅是瞬时采样值。脉冲图电路的功能是将脉冲改变为矩形脉冲。h(t)=A, |t|0, &others时域表达 xfst=x(t)T(t)*h(t)频域表达xfsw=xswHw =ATsn=-n=+x(w-nws)sin(w2)w/2 mst=n=-n=+mnTs(t-nTs) mqt=n=-n=+mnTsq(t-nTs) 因为 q(t).Qw, mqt.Mqw 所以Mqw=MswQw=1TsQwn=-n=+Mw-2nwH =1Tsn=-n=+QwMw-2nwH 首标本化pam信号的光谱由Q(w)加权的周期性重复m(w)构成。因为Q(W)是W的函数，所以当Q(W)被低通滤波器直接恢复时，其结果是Q(W)M(W)/M。必须要歪斜。为了恢复原始基带信号M(t)。在滤波之前使用1/Q(W)频谱校正网络来恢复不失真的原始基带信号M(t)。实际上，在采样保持电路中实现平板上采样信号，脉冲为矩形脉冲。平顶抽样PAM信号的解调原理框图调制利用脉冲的幅度变化表示不同的信息，调制制度对于M的PAM调制，脉冲的幅度分为M的水平，各级表示可能的调制符号，图2.4表示单极性的PAM调制星座图。Im=M-1m, m=0, M-1其中，为PAM信号的峰值，当这些星座点等概率地被选择时，PAM信号的均值为2。在一个符号时间T内，PAM信号可以传输log2Mbits的信息，因而数据速率为Rrate=log2M /T bit/s，考虑到PAM调制的带宽为Bband=1/T，其带宽利用率可以表示为：RrateBband=log2M bit/s/HzPAM调制的星座图可以看出，随着M的增加，带宽利用率得到了提高3.4 误码性能在前面知识的基础上，本文主要仿真分析了PPM和PAM在高斯白噪声下的误码率性能。