高速多色光通信系统接收技术研究

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近些年来,移动通信技术飞速发展。第四代移动通信技术大规模普及商用,第五代移动通信技术也在广泛研究之中,Wi-Fi信号更是遍布大街小巷。射频通信技术的快速发展也带来了许多问题,例如射频频谱资源紧张,电磁干扰辐射增多等。可见光通信技术由于其节能环保、频段不受限、辐射干扰小等优点,成为了近年来无线通信技术中的研究热点。本论文针对室内多色DCO-OFDM可见光通信系统中的接收技术进行了研究,主要包括导频设计和信道估计技术,信号检测和干扰抵消技术等,并结合多色光实测信道进行了仿真,验证了算法的性能。还给出了多色光DCO-OFDM接收机在FPGA硬件平台上的实现方案。首先,本文介绍了室内可见光通信技术的基本原理和系统结构。论文概述了系统中关键的光电转换和电光转换器件的特性,以及多色光系统中LED和滤光片的特性对系统性能的影响。针对可见光信道的时域色散特性,并考虑到对高传输速率的需求,选择使用了DCO-OFDM,介绍了它和传统OFDM技术的区别,详述了其实现方法。并给出了多色光系统中的信道传输模型。随后本文针对可见光通信系统中的信道估计问题做了研究。考察了在单色光系统中LS信道估计及其相关改进算法、LMMSE信道估计算法的性能,通过仿真发现了在可见光信道下,经过参数优化的ACE-T ACE-F LS信道估计算法有优异的性能。在信道估计的基础上给出了可见光信道的测量方法,尤其针对多色光系统考察了电域和光域干扰,并给出了3组实测的信道场景。针对多色光系统的特点,本文给出了3种基于Alamouti编码方法的导频设计方案。通过仿真验证了相比于一般的时分或频分复用的导频设置方法,本文提出的方案具有更好的传输效率和信道估计准确性,并且具有一定的灵活性,可以根据不同的系统需求进行调整。本文还考察了在使用波分复用技术的多色光系统中,多种信号检测算法应对链路间干扰的能力。在线性检测算法中比较了迫零(Zero-forcing, ZF)检测器和最小均方误差(Minimum mean square error, MMSE)检测器的性能,仿真验证了它们应对干扰的能力。还考察了一系列干扰抵消算法,包括排序串行干扰抵消(Ordered successive interference cancellation, OSIC)算法和并行干扰抵消算法(Parallel interference cancellation, PIC),以及它们与线性检测器相结合的ZF-OSIC、 MMSE-OSIC、ZF-PIC、MMSE-PIC算法。在3种不同干扰强度的信道场景下对这些干扰抵消算法进行了仿真,得到的一系列结果表明,不同算法适用于不同的信道条件。在实际系统中实现时,应该根据信道条件和系统复杂度要求选择合适的算法。最后,本文给出了室内多色可见光DCO-OFDM高速通信系统接收机在FPGA平台上的设计和实现方案,详细阐述了其基带信号处理流程,并针对其中的同步、信道估计和均衡、软解调、干扰抵消等关键模块进行了算法分解、硬件实现方案设计和时序分析。还给出了系统硬件实物结果和相关的系统配置参数。在四色光链路传输下,借助于干扰抵消算法和低密度奇偶校验码的纠错能力,在2米的传输距离下系统可以达到932Mbps的空间接口速率,误帧率在10-6以下。
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