照明通信共用的室内光学相机通信系统关键技术研究

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随着无线网络技术的进步,频谱资源短缺,以LED作为信号发送端的可见光通信(VLC)系统引起了广泛的关注。相较于传统的无线电通信方式,VLC具有频谱宽、保密性好、抗电磁干扰等优势,具有广阔的应用前景。光学相机的革新及普及,使得以光学相机作为信号接收端的光学相机通信(OCC)系统引发了广泛的兴趣。本文将室内照明的灯具与OCC系统相结合,实现照明通信共用的室内OCC系统。本文首先搭建了室内OCC系统,针对OCC系统的信号发送端,分析和比较了基于Bias-Tee的LED驱动电路和基于MOSFET的LED驱动电路的性能,结果表明,在保证正常照明的前提下,基于MOSFET的系统具有较大的传输距离,更适合室内使用场景。信号的接收端使用卷帘快门光学相机,当LED快速频闪时,就会在相机拍摄的图像上留下亮暗交替的条纹,识别当前条纹的亮暗即可获取发送端发送的数据。通过这种方法,实现了高于相机帧率的通信,提高了光学相机通信系统的数据传输速率。为了解决传统视距通信(LOS)方案光路遮挡导致无法通信的问题,以及非视距通信(NLOS)信号质量受反射面反射率影响造成性能下降的问题,使用单输入多输出(SIMO)技术和前置后置摄像头搭建两个信道。为了获取发送端发送的数据,分别提出了前置信道和后置信道的信号解调方法,并提出了自适应的边缘增强算法提高了系统的性能。为了保证通信质量,提出了自适应的信道选择方案,在传输距离为1.8m、有效数据传输速率为1.72kbps时,只要前后置任一信道的误码率为2.0×10-6,系统的误码率为2.0×10-6。为了在保证正常照明的前提下提高室内OCC系统的数据传输速率,使用四电平脉冲幅度调制(4PAM)调制方式调制信号,并使用恒定功率四电平脉冲幅度调制(CP-4PAM)编码消除了LED的频闪,实现了传输距离1.8m、有效数据传输速率为1.86kbps的OCC系统。此外,对移动状态下4PAM调制OCC系统的性能进行了研究,并提出了均值抗灰度波动算法来改善系统的性能,与传统的多项式拟合方法相比,均值抗灰度波动方法有更好的误码性能。另外,本论文提出并比较了三种信号判决方法,其中,“拉0”法有最好的误码性能和最低的复杂度。
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