室内VLC通信系统的定时同步技术研究.docx

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室内VLC通信系统的定时同步技术研究

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王勇杰周文杰魏涛

【关键词】Park算法;改进算法;可见光通信系统

TN929.12;TN914.332A1674-0688（2021）09-0034-03

0引言

随着移动互联网行业的快速发展，高速的Wi-Fi在人们的生活和工作中已经不可或缺，但是Wi-Fi技术存在应用领域被限制、频谱范围窄及安全性较差等问题[1]，于是VLC技术应运而生。VLC技术很好地解决了这些问题，满足了人们对新型通信的需求，它不仅具有通信的功能，还能辅助照明。基于此，VLC技术高速发展，成为无线通信领域中炙手可热的研究内容[2]。

本文对可见光通信系统的同步技术加以研究，分Park算法、Minn算法和SC算法，以及当下研究中存在的不足，提出了一种新的算法，并将上述算法应用于所建立的系统模型中测试相应的性能后发现，改进优化的算法具有极强的抗干扰能力、良好的实时性及均方差小等优点。

1可见光通信系统的建模

1.1LED的布局建模

设LED为朗伯（Lambertian）点光源s，用一个三元组表示，即s=（r，n，m），其中r为点光源的位置向量;n为发光面的法线方向，沿此方向光强最大;m为表示发光方向性的模式参数[3]。光源的光强分布：

上式中，Rs（θ，φ）代表光源方向的辐射强度[4]。

1.2探测器和接收电路建模

在可见光通信中，因为LED的电光效应主要用作发送光信号的信号源，所以通信的接收端大多采用光电二极管（PD）或雪崩光电二極管（APD）。有一些研究人员注意到发光二极管可以被光子激发，这是发光二极管对光的反应能力，即光致发光（PL），发光二极管在吸收光子后发出光。所以，可利用光到光的转换测试LED的结构。

由于LED具有电光效应，所以它可以同时作为接收器和发射机，还可以形成半双工VLC通信系统。通常，接收探测器采用宽光谱吸收，峰值宽度相当长，而想要提高信噪比，就需要过滤干扰光，大幅度接收信号频段的光。为了解决这个问题，可以在接收端配合上一个波长范围大小固定的滤波片，形成一个符合要求的滤波器。LED具有的窄频接收特性，可以通过天然滤波器的特性弥补，节省了滤波器的采购成本，简化了接收机结构，降低了成本。近年来，一些团队已经开始研究如何利用路灯通过感知光线变化监控交通流量。这种路灯中只嵌入了一个很小的电路，不需要其他设备。与监控摄像头相比，每套系统设备可以节省数万元的成本。LED在人们的生活中无处不在，将LED作为探测器，可以利用冗余照明或显示屏开发传感和通信功能，从而减少空间资源占用，降低设备成本。因此，研究LED光通信系统具有非常重要的现实意义。

光电接收电路由电源电路、二阶RC高通滤波电路、前端光接收电路及二级放大电路4个部分组成。电源电路的作用是给光电接收电路的芯片提供合适的工作电压。前端光电接收电路的作用是接收调制后的光波信号，然后转换为电信号。高通滤波电路的作用是滤除环境光和电路中的直流分量。二级放大电路的作用是放大有用信号，达到FPGA处理单元解调的要求。

PIN光电探测器用于调制光强信号的接收端，通过PIN探测器转换放大信号和能级联的信号，相关的探测器峰值波长为800nm，响应带宽为500MHz。因为PIN型光电探测器转换电信号的能力较弱，所以系统分别把OPA847芯片和THS3091芯片当成一级放大电路芯片和二级放大电路芯片。OPA847芯片和THS3091芯片在正常工作情况下的电压分别为5V和-5V，它们的工作电压由电源电路提供。D1是PIN光电二极管，相应的型号为S597，由电源电路提供偏置电压为-5V。PIN二极管生成微弱电流信号通过OPA847芯片放大后转换变成电压信号（可识别）。THS3091放大器放大收到的一级信号二级放大，可以满足后续电路电压的要求。电阻R2与R3的比值和OPA847和THS3091的信号放大倍数息息相关，相位补偿功能则由C3电容实现。

1.3可见光通信系统的信道建模

可见，光通信系统有两种数据链路类型：视光（LOS）链路和散射（DIF）链路。在视线链接中，LED发射器发送的信号在接收器的视野范围内，必须与PD对应。视光链路通过点对点的方式进行直接通信，相应的功率效率非常高。在散射链路部分，通过墙壁等相应介质或其他介质反射发射器产生的相应信号，让对应的光信号在接收器的视野范围内。DIF链路比LOS链路接收到更多的信号，但时延引起的多径效应也会影响系统性能，这是因为传输信号到达每个散射点的时间不同。

在VLC系统中，传统的定时同步算法总是存在码间干扰，它是由正交频分复用符号的延迟扩展所引起的相邻信号干扰造成的。为了解决这个问题，可以在相邻符号之间插入保护间隔。通常，将帧的末尾复制到帧的头部，称为循环前缀（CyclePref