可见光通信中的信道估计与符号同步的研究与实现

摘要

可见光通信技术利用了可见光承载信号，具有实现简单、对人体无辐射、成本低、兼顾通信和照明的双重需求等传统无线电通信技术不具备的优点，因而成为近年来无线通信领域的研究热点之一。本文研究了可见光通信系统的信道估计、训练序列的设计和符号同步问题，并完成了硬件试验系统部分模块的设计与实现。主要工作如下:
　　一、研究了可见光通信系统的信道估计算法。可见光OFDM信道估计算法可以从传统的电域OFDM系统中的信道估计算法借鉴而来。其中包含了基本的频域LS估计、LMMSE估计。时域包括时域的LS(ML)算法、时域LMMSE算法。提出了基于循环矩阵的时域LS算法等改进算法，并对各种信道估计算法进行了细致的分析和比较。此外，还对定时偏差和时钟偏差对信道估计的影响进行了研究。
　　二、研究了可见光通信系统信道估计的训练序列设计。信道估计性能好坏不仅与估计算法有关，也与所采用的训练序列有关。该问题被归结为一个优化问题。提出了将互熵优化算法用于长训练序列设计，能够在满足功率约束条件下使得训练序列的峰均比最小（或接近最小）。
　　三、研究了可见光通信系统的符号同步问题。OFDM系统中采样时钟偏差，定时偏差和载波频偏对系统性能有一定影响。对于可见光OFDM系统而言，只存在采样时钟偏差和定时偏差，不存在载波频偏。提出了对采样时钟偏差和定时偏差引起的QAM符号相位旋转进行补偿的几种算法。其中包括单符号估计补偿、多符号估计补偿和整帧估计补偿等算法。其中整帧估计补偿在三种算法中具有最优性。
　　四、对可见光通信硬件试验系统的信道估计等部分模块进行了设计与实现。首先简单介绍了定点化的基本理论和原理，然后给出了定点仿真和浮点仿真的系统性能差异。在此基础上，还介绍了基于Xilinx Kintex7 FPGA开发板的硬件实现部分的具体内容。最后给出了模块测试、发射机系统联调和发射机硬件资源消耗。

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术语表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 可见光通信系统构成

1．3 器件特性与信道特性

1．3．1 LED电光特性

1．3．2 LED光强辐射特性

1．3．3 PD光电特性

1．3．4 信道特性

1．4 调制技术

1．5 信道估计与符号同步

1．6 本论文的工作

第二章 可见光OFDM通信系统的信道估计与均衡

2．1 引言

2．2 可见光OFDM系统模型

2．3 基本的信道估计方法

2．3．1 LS(ML)估计

2．3．2 LMMSE估计

2．3．3 基于DFT(DFT-based)的估计

2．3．4 时域LS(ML)估计

2．4 改进的信道估计方法

2．4．1 简化的时域LS估计

2．4．2 时域LMMSE估计

2．4．3 基于变换域的估计

2．5 存在STO和SCO的信道估计

2．6 信道估计算法的比较和总结

2．7 信道估计所用的仿真模型与参数

2．8 均衡

2．8．1 接收端均衡

2．8．2 发送端数字预均衡(功率分配)

2．9 本章小结

第三章 可见光OFDM系统训练序列的设计

3．1 引言

3．2 训练序列的设计

3．2．1 物理层帧结构

3．2．2 低PAPR长训练序列的设计

3．3 本章小结

第四章 可见光OFDM系统符号同步

4．1 引言

4．2 同步误差对OFDM系统的影响

4．3 相位旋转补偿算法

4．3．1 单符号估计补偿

4．3．2 整帧联合估计补偿

4．3．3 多符号估计补偿

4．4 帧检测STO对信道CIR的影响

4．5 本章小结

第五章 可见光OFDM系统部分模块的FPGA实现

5．1 引言

5．2 浮点程序的定点化

5．3 定点与浮点仿真性能差异

5．3．1 信道估计模块定点方案确立

5．3．2 长训练序列模块定点方案确立

5．3．3 OFDM时域信号生成模块定点方案确立

5．3．4 浮点定点链路仿真性能比较

5．4 各模块端口信号、结构、时序

5．4．1 信道估计模块

5．4．2 长训练序列模块

5．4．3 OFDM时域信号生成模块

5．4．4 扰码／解扰码模块

5．4．5 发射机基带系统集成

5．5 硬件资源消耗

5．6 模块测试与发射机系统联调

5．7 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

作者攻读硕士学位期间的研究成果