光通信和可见光通信中OFDM及相关实验研究

摘要

互联网数据每年增长约60％，10-30年后将增长3~5个数量级，现有光通信技术难以为继，迫切需要引入新技术。正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）具有频谱利用率高、抗多径干扰和噪声能力强、算法复杂度低等优点，是目前国际上广泛关注的热点和焦点技术。针对 OFDM在光通信和可见光通信中的特殊地位，本文研究了100-Gb/s城域网中短距离光纤传输系统中直检 OFDM的解决方案，以及低速可见光通信定位、高速可见光通信中MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)-OFDM和WT(Wavelet Transform)-OFDM实现方案。主要创新点如下：
　　（1）针对相干检测技术应用于中短距离光纤通信中所出现的结构复杂、成本过高问题，以及接收端灵敏度与色散容限难协调等问题，本文提出一种100-Gb/s双正交载波辅助的双波段DDO(Direct Detection Optical)-OFDM系统解决方案，利用2个40GHz带宽Si-PD实现了净传输速率达到101-Gb/s、标准单模光纤传输320-km的系统。对比相干检测系统，本文在接收端的PD使用数从8个减小到2个，正交的辅助载波可大大降低色散影响。
　　（2）针对可见光通信系统中白光LED光强辐射分布不均匀和调制带宽受限、以及LED与PD驱动电路中非线性影响大等问题，本文基于朗伯特征模型对LED信道直流增益分布进行仿真。基于V-I曲线和P-I曲线对LED调制特性进行理论研究。在理论分析的基础上合理的配置硬件参数，克服了LED电流驱动和PD TIA驱动非线性影响，通过模拟均衡电路的设计将系统可用调制带宽从3MHz提高到41MHz。（3）针对传统的室内定位方法结构复杂、定位精度差，以及基于RSS的三角可见光定位计算复杂度高、约束条件多等问题，本文与同事合作提出一种基于信号相关技术的RSS可见光定位系统，利用信号相关理论巧妙地将直接求接收信号强度转变成计算接收信号相关峰值，通过对OOK调制的3路正交PN序列做相关运算消除噪声信号，有效提高了可见光定位的灵敏度。实验证明：该系统在室内2米传输距离内低照度条件下，对33个定位点进行测量的平均定位误差为6cm，并且证明定位精度不受LED发光强度不一致的影响。
　　（4）针对室内高速可见光通信带宽主要受限于LED较低的调制带宽等问题，本文提出一种基于非成像 MIMO-OFDM技术的可见光通信系统，并在该系统中设计了基于FIR滤波器的数字预均衡模块改善系统调制带宽。通过“白光LED非成像2×2 MIMO-OFDM”、“低成本的P-LED和Si-PD”和“相比成像系统更简单的系统结构”实现了500-Mb/s传输2米的可见光通信纪录。
　　（5）针对传统 FT-OFDM用于可见光通信系统时存在非线性损伤大和带宽利用率低等问题，本文首次提出可应用于可见光通信系统的基于小波变换的OFDM编码方法，利用离散小波变换产生正交子载波，将小波的分解和重构应用于 OFDM系统的编解码模块。通过数值仿真证明WT相比FT滤波器在带外衰减、系统PAPR以及带宽利用率等方面的明显优势。通过实验对WT-OFDM传输性能分析，结果表明在同样SNR条件下无CP的WT-OFDM与有CP的FT-OFDM在BER性能上相当，但由于WT-OFDM优秀的PAPR特性，相比传统FT-OFDM可见光传输系统，传输距离提高了20%。

目录

声明

1 绪论

1.1 直接检测光纤通信概述

1.2 DDO-OFDM研究现状与发展趋势

1.3 室内可见光通信概述

1.4 室内可见光通信研究现状与发展趋势

1.5 本论文的研究意义与内容

2 100-Gb/s DDO-OFDM光传输系统实验研究

2.1 引言

2.2 OFDM基本原理及相关技术

2.3 双正交载波辅助DDO-OFDM原理

2.4 双正交载波辅助DDO-OFDM实验

2.5 实验结果分析

2.6 本章小结

3 基于白光LED的室内可见光通信系统设计

3.1 引言

3.2 白光LED特性及建模

3.3 系统硬件电路设计与实现

3.4 本章小结

4 基于室内可见光通信的定位系统实验研究

4.1 引言

4.2 室内可见光定位系统结构

4.3 可见光三角定位算法

4.4 可见光定位离线实验及结果分析

4.5 本章小结

5 高速MIMO-OFDM可见光通信系统实验研究

5.1 引言

5.2 MIMO-OFDM编解码系统设计

5.3非成像MIMO系统建模及分析

5.4 基于MIMO-OFDM的可见光传输实验研究

5.5 本章小结

6 WT-OFDM可见光通信系统设计与实验研究

6.1 引言

6.2 基于小波多载波调制技术的系统设计

6.3 基于WT-OFDM的系统性能仿真分析

6.4 基于白光LED的WT-OFDM系统实验研究

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与项目