可见光无线通信物理层收发器的研究与实现

摘要

光，是大自然送给人类最好的礼物。随处可见的光却被仅仅用来照明。与此同时，我们的现有无线通讯技术已经即将把微波频谱占满，通讯频谱亟需拓宽。而可见光拥有高达410THz的带宽，是现有微波通讯带宽总和的近50000倍。过去我们用微波进行无线通讯，用光进行有线通信，而可见光具备如此巨大的带宽资源和基数庞大的光源，使得可见光无线通信拥有巨大的研究和应用价值。 本篇文章所要解决的问题是如何建立一个可见光无线通信系统的物理层收发器，包括物理收发机和调制解调算法及其物理实现。 本文设计了一套基于DFTS-OFDM方法改进的基带数据调制解调算法、基于LED-APD的宽带光电收发器，并设计了一套硬件验证平台，对各个环节进行了验证。 最后本文通过自行设计的硬件平台实现了34Mbit/s的物理层数据传输，并能够对HDMI视频数据进行透明传输，有效数据速度达到11Mbit/s，通过透镜等光导手段能够将有效传输距离拓展至2米以上。 在实现的过程中本文解决了多个可见光无线通信系统物理层设计中的重要问题:DFTS-OFDM中基于循环前缀和后均衡的符号精确同步方法、宽带跨导驱动器设计、大摆率电流信号的混合接地方法、宽带光电转换信号链路设计，并初步探索了接收机光波导与光路增益方法。这些问题都是直接决定可见光无线通信能否转化为商业通讯技术的关键瓶颈。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1可见光无线通信概述

1．1．1何为可见光通信

1．1．2历史

1．1．3国内外研究现状

1．2本文研究工作与成文结构

1．2．2成文结构

第2章可见光通信体系与物质基础

2．1可见光无线通讯的定义

2．2可见光无线通讯的意义

2．3可见光无线通信系统基本结构

2．3．1简述

2．3．2无线通信基本体系结构

2．3．3可见光无线通信系统基本体系结构

2．3．4可见光无线通信系统载波

2．4可见光无线通信系统的物质基础

2．4．1发光二极管

2．4．2光电探测器

2．5可见光无线通信的主要特点

2．5．1最大优势：信道容量

2．5．2其他特点

2．6本章小结

第3章大气中可见光信道特性研究

3．1无线光信道

3．1．1光电转换响应信道

3．1．2大气光无线信道

3．2光电转换-副载波调制响应特性测试方法

3．2．1基于正交频分复用的扫频测试方法

3．2．2带限冲激响应对比方法

3．3测试实验与数据分析

3．3．1基于正交频分复用的扫频测试方法实验与分析

3．3．2带限冲激响应对比方法实验与分析

3．4高性能LED-APD响应测试与预均衡因子估计

3．4．1高性能发光二极管光电特性

3．4．2光电转换带宽测试结果

3．4．3预均衡因子估计

3．5本章小结

4．1引论

4．2物理层技术

4．3物理层(介质层)总体方案

4．3．1可见光波导

4．3．2光电调制解调器

4．3．3载波与基带调制解调算法

4．4本章小结

第5章基带调制解调算法研究与设计

5．1基带调制解调算法的确立

5．2基带调制解调算法：DFTS-OFDM

5．3重要环节阐述

5．3．1正交幅度调制-QAM

5．3．2峰均比抑制-PAPR

5．3．3导频设计-Pilot

5．3．4正交频分复用-OFDM

5．3．5定时同步和循环前缀-Cyclic Prefix

5．3．6后均衡-定时细同步

5．3．7后均衡-幅度补偿

5．4同步算法关键理论分析

5．5本章小结

第6章光电调制解调器研究与设计

6．1光电调制解调器硬件架构

6．2发射机光电调制电路设计

6．2．1数模转换器及其外围电路

6．2．2信号功率与偏置控制电路

6．2．3跨导放大驱动电路

6．3接收机光电解调电路设计

6．3．1雪崩偏置电压DC-DC

6．3．2互阻放大与信号调理电路

6．3．3自动增益控制电路

6．3．4模数转换器及其外围电路

6．3．5内电层与低噪声线性稳压电源

6．4电路系统失真分析

6．4．1跨导放大驱动电路

6．4．2接收器信号处理链路非线性

6．5光波导和光路增益

6．6 POB Layout

6．7本章小结

7．1算法验证

7．2本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论著、获奖情况及发明专利