一种融合电能变换与可见光通信VPPM调制的控制策略

面对独立光伏发电系统的小卫星间可见光通信应用,提出一种谐振三端口LED驱动电路,实现软开关高效光伏电能变换,对所提出驱动电路稳态特性和关键参数进行具体分析设计。结合驱动电路,提出一种融合电能变换与可见光通信的可变脉冲位置调制(VPPM)调制控制策略,利用输出脉冲电流的位置实现数据传输,通过调节输出脉冲电流宽度完成通信所需亮度调节,适用于较远距离可见光通信调制,同时实现照明恒流控制。详细分析融合控制原理和控制过程,最后进行计算机仿真验证,并设计制作一台所提出驱动电路与融合控制策略的额定输出0.6 A/20 W实验样机,样机效率最高可达95.6%,通信原理样机数据传输速率为10~20 kbps,验证了所提出的驱动电路和融合控制策略的有效性。

超奈奎斯特可见光通信系统的设计与实现

为了提升可见光通信系统的通信速率,运用超奈奎斯特通信理论设计了一种超奈奎斯特可见光通信系统.利用波长为660 nm的红光发光二极管、现场可编程门阵列开发板、数/模转换芯片、滤波器芯片和光电二极管以及外围电路模块实现了基于强度调制/直接检测的超奈奎斯特可见光通信系统电路,可以在不显著提高系统复杂度和器件成本的前提下有效提升可见光通信系统的传输速率.性能测试表明,该系统可以实现1 Mbit/s通信速率下超奈奎斯特信号的可靠传输,相较于同等条件下的常规奈奎斯特通信系统,传输速率提升了20%.

可见光通信网络信号非线性失真自适应校正方法研究

可见光通信网络是现今通信领域中的主要构成部分之一,但其应用的物理设备(LED照明设备)具有非线性特征,致使可见光通信网络信号出现非线性失真情况,影响着用户通信的质量,故提出可见光通信网络信号非线性失真自适应校正方法研究。通过深入分析可知信号非线性失真分为非线性转换失真和非线性限幅失真,以此为基础,设计信号非线性失真校正电路(DG预失真校正电路与DP预失真校正电路),引入自适应算法制定信号非线性失真自适应校正架构,确定信号非线性失真自适应校正公式,从而实现了信号非线性失真的有效校正。实验数据显示:应用提出方法获得的信号非线性失真自适应校正结果中不存在非线性失真现象,通信信号接收误码率最小值为3%,充分证实了提出方法应用性能更加优质。

零速修正辅助的可见光通信列车连续定位方法

精确的列车位置信息是基于通信的列车控制(CBTC)系统实现安全行车、间隔控制的基础。现有的可见光通信列车定位相关研究往往关注列车处于静止或匀速运动的情况,较少考虑惯性测量单元(IMU)的累积误差及列车静止后IMU的零速偏移。为了实现隧道环境下地铁列车连续定位,提出一种借助零速修正的可见光通信列车定位方法。根据可见光通信(VLC)原理,安装在列车头部顶端的相机连续接收隧道壁上发光二极管(LED)光源的光信号,即LED光源闪烁的频率信息,获取LED光源对应的位置信息,进而推算列车的实际位置。同时,根据列车运行的速度、加速度等参数,采用零速修正算法,判断列车处于运动或零速状态;通过无迹卡尔曼滤波,对运动区段内列车恒定速度模型和恒定加速度模型下的列车定位结果进行优化,并对列车停站时IMU的零速偏移进行校正,补偿列车接收端位置和姿态估计精度的发散,实现隧道环境下列车高精度连续定位。实验结果表明:运动区段内,列车以40、60和80 km/h的速度匀速直线运行时,最大定位误差分别为15.27、16.93和19.57 cm;以80 km/h为最大目标速度时,匀加速和匀减速运动的最大定位误差分别为18.48和18.24 cm;利用零速修正和卡尔曼滤波优化列车定位结果,列车停站时的平均定位误差由11.35 cm降低至6.05 cm。所提方法有效抑制了IMU的零速偏移,满足IEEE 1474.1—2004标准对列车定位精度的要求,可为面向车车通信的CBTC系统实现列车定位提供一定的参考。

基于NOMA的室内可见光通信最优功率分配方案

在基于非正交多址接入技术的多用户下行室内可见光通信(Visible light communication system based on non⁃orthogonal multiple access technology,VLC⁃NOMA)系统中,针对和速率与用户公平性冲突的问题,提出一种基于加权和速率最大化的迭代功率分配方案。该方案以最大化加权和速率为目标,可通过改变权重因子来调节用户公平性。由于目标问题属于非凸优化问题,通过辅助变量法和凸优化理论将该非凸问题转化为凹问题,再通过拉格朗日对偶法进行求解,并根据问题的解设计了一种迭代功率分配算法。对所提算法的收敛性、系统和速率以及用户公平性进行了仿真。结果表明,所提迭代功率分配算法具有良好的收敛性,相较于VLC⁃OMA系统,VLC⁃NOMA系统能够获得更好的和速率性能。通过调整权重因子,在牺牲较小系统和速率的情况下能够获得比现有功率分配方案更好的系统和速率与用户公平性。

井下巷道新型可见光通信光源布局方法

目的针对井下巷道可见光通信信号差异大,导致接收端信号误差增大的问题,方法提出一种井下巷道新型可见光通信光源布局方法,并同现有光源布局方法进行对比,从光照度、接收功率、信噪比三个方面评估两种布局方法的系统性能。引入照度均匀度(IU)、功率标准偏差(STD)和信噪比的变化系数(CV)评估系统的整体性能。结果通过仿真实验,分析不同半功率角对本文布局方法系统性能的影响,从而得出半功率角的最优取值,为50°~70°。当半功率角为70°时,与现有光源布局方法比较,本文布局方法的光照度均匀度由0.758降至0.407,降低了46.3%,且最小光照度与最大光照度之间差异更小,光照度分布更均匀;功率标准偏差由0.97降至0.42,降低了56.7%,且降低了功率波动,接收功率分布更均匀;信噪比变化系数由0.0137下降到0.0072,降低了47.7%,信号分布均匀性更高。结论提出的光源布局方法整体性能优于现有方法的,为井下巷道的光源布局提供了新的解决方案。

可见光通信预编码O-OFDM自适应符号分解技术研究

【目的】符号分解技术是降低峰值平均功率比(PAPR)方法中的一种,其将光正交频分复用(O-OFDM)符号分解为PAPR较小的多个分解符号,以抑制发光二极管(LED)的非线性效应。但当O-OFDM的PAPR较大时产生的分解符号较多,降低了信息速率和误码率(BER)性能。【方法】文章提出了一种预编码O-OFDM自适应符号分解串行传输(PCO-OFDM-ASDST)方案,采用预编码降低O-OFDM符号的PAPR,从而减小了自适应符号分解的平均符号分解次数。在多径信道下推导了理论信噪比(SNR)表达式,并采用蒙特卡洛仿真分析了PAPR、BER和信息速率性能。【结果】结果表明,在非对称限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)系统4阶正交幅度调制(QAM)下,PCO-OFDM-ASDST在BER为10-4的情况下,其符号功率比自适应符号分解串行传输(ASDST)低7 dB;64QAM下,当符号功率为20 dBm时,可以提高10 Mbit/s的信息速率。【结论】PCO-OFDM-ASDST比ASDST系统具有更优的BER和信息传输速率等性能。

可见光通信中曼彻斯特编码抗频闪研究

为解决可见光通信中的LED频闪使人感到不适的问题,文章提出一种基于曼彻斯特编码的抗频闪改进方法,并搭建平台验证其可行性。通过高速摄像机对编码前后频闪现象进行录制,并随机截取550帧数据,使用Matlab分析每个帧图像的灰度对比。实验表明,编码前的帧图像灰度均值在55至70呈现毛刺状剧烈波动,而编码后该值稳定在60~65,视频帧灰度值均化程度大大优于编码前的灰度值曲线。改进后的编码在传输速率增加至2 Kbps后,即便在摄像机下观察,也不会出现LED频闪现象,由此验证本方案的有效性。

基于可见光通信技术的互动式教学系统设计

阐述可见光通信技术的特点、系统发射端和接收端架构设计。通过实时互动性功能、多媒体资源传输的互动式教学功能设计,以及实践与测试、应用与展望,有效构建高效、稳定的互动式教学系统。

基于波前整形和自适应光学的水下可见光通信系统

为了解决水下可见光通信中复杂的水下湍流、散射环境对光束造成的畸变而导致信号传输失败的问题,使用随机相位屏方法模拟了水下湍流信道,在发射端对光束进行波前整形实现远距离聚焦,接收端使用自适应相位恢复算法对接收端光斑进行恢复。在1.2 m水下实验平台使用比特功率加载技术发射离散多音信号(discrete multi-tone, DMT)信号测量接收光功率与数据传输速率的对应关系,基于此,预测了100 m湍流环境下可见光信号的传输速率,与经过波前整形以及自适应相位恢复后的结果对比得到,所提出的方法可以使得水下可见光系统的传输速率得到极大提升。

混合NOMA/OFDMA可见光通信系统资源分配算法

为了进一步降低混合非正交多址/正交频分复用多址(NOMA/OFDMA)技术的多用户多小区可见光通信系统的误码率,提出了一种功率和子载波的联合分配算法。该算法以最小化系统误符号率为优化目标,实现了子小区间载波和用户功率的联合最优分配。首先,理论推导出系统的误符号率表达式;然后,使用Matlab软件进行仿真,模拟可见光通信系统模型,并借助遗传算法得到最优的分配结果;最后,将该算法与现有的算法进行了对比。仿真结果表明,所提算法的误符号率性能更优。

改进的可见光通信系统PTS峰均比抑制方法

针对非对称剪切正交频分复用(asymmetric-clipped orthogonal frequency division multiplexing,ACO-OFDM)可见光通信(visible light communication,VLC)系统中信号的高峰均功率比(peak-to-average power ratio,PAPR)问题,采用部分传输序列(partial transmit sequence,PTS)方法,并结合二进制离散粒子群优化(discrete particle swarm optimization,DPSO)算法,提出一种改进的PTS峰均比抑制方法——DPSO-PTS方法。利用DPSO算法对加权的相位因子进行优化处理,选择最佳的相位因子组合来有效控制PAPR的范围,并对乘加权信息的子块进行求和,从而选择出最小PAPR对应的一组信号进行传输。仿真结果表明,在互补累计分布函数(complementary cumulative distribution function,CCDF)为10-4时,DPSO-PTS方法的系统PAPR降低了约4 dB,且相较于传统PTS方法,系统的复杂度和误码率(bit error rate,BER)性能也得到有效的改善。

基于深度学习的室内可见光通信光源配置策略

为了在不同的室内环境下寻求最优的光源优化方案,提出了一种基于深度学习的室内可见光通信光源配置策略。分别引入室内障碍物、自然光和人员移动干扰,以室内信噪比均匀度为目标函数,使用花授粉算法(FPA)对不同的房间状态下的光源功率和半功率角进行优化;将得到的房间状态和光源配置作为训练集,使用卷积神经网络(CNN)进行训练,得到的计算模型可以在不同房间状态下对最优光源设置进行预测,实现光源配置的动态调整。仿真结果表明:该策略的光源参数合格率达88%,且预测结果在房间信号功率和光照强度上均满足要求。

采用CNN的MIMO-OFDM可见光通信接收机

为了克服多输入多输出(MIMO)-正交频分复用(OFDM)可见光通信(VLC)系统中存在的信号串扰、高峰均功率比、发光二极管(LED)的带宽受限和非线性效应等问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的VLC接收机.该接收机通过对接收端失真信号和发射端原始信号的学习,能够实现MIMO-OFDM可见光通信系统的信号解调,有效提升系统对非线性失真的抑制能力并具有较低的复杂度.实验结果表明,与最小二乘法接收机相比,CNN接收机能有效补偿信号受到的线性和非线性失真以及不同用户间的信号串扰,平均误码率提升超过一个数量级,同时有效克服LED带宽受限问题,比特传输速率提升53%.

移动场景下高速可见光通信系统硬件电路设计

针对移动场景下高速可见光通信中存在信号衰减快与系统带宽受限问题,创新设计了能够实现高速、稳定可见光通信系统的自适应均衡硬件电路。首先,从自适应控制接收信号衰减角度,提出一种面向移动可见光通信的自适应增益电路设计方案。其次,从补偿通信系统频响衰减角度,设计了一种模拟预均衡与后均衡电路。最后,基于所设计的电路搭建了可见光通信硬件测试平台。实验结果表明,将自适应均衡电路应用于可见光通信系统中,可以有效提高通信速率,还可有效克服移动过程中信号衰减与中断问题。

基于OOK调制的可见光通信视频传输系统

为了降低可见光通信(VLC)系统的误码率,设计了一种基于二进制开关键控(OOK)调制的VLC视频传输系统。该系统采用改进型4B5B编码、后均衡放大电路改善了系统误码性能,拓展了系统的-3 d B带宽,并在自适应阈值判决的基础上分析数据的相关性特征,实现了OOK解调。实验结果表明:系统可以在2 m的距离下实现1080 P高清视频的实时、无失真传输;当传输速率为60 Mb/s时,改进型4B5B编码能将系统无编码时的误码率由2.2×10^(-2)降低至2.81×10^(-6)。

一种用于可见光通信信号调制格式识别的改进YOLOv5s算法

针对可见光通信信号在传输中易受信道环境和背景噪声干扰等因素影响调制格式识别精度的问题,提出一种用于可见光通信信号调制格式识别的改进YOLOv5s(You Only Look Once)算法。首先,通过YOLOv5s算法网络输入端引入Mixup数据增强方式,将其与原网络中的Mosaic数据增强方式相结合,提升网络的鲁棒性,并增强算法在不同调制格式信号间的泛化能力;其次,将自适应空间特征融合(ASFF)引入到Neck网络中,充分提取不同层次的特征,提高检测精度。实验结果表明,在混合信噪比条件下,所提改进算法的平均精度均值(mAP)达到了0.903,比原始YOLOv5s算法提升了0.7%,且在信噪比为20 dB时mAP高达0.993。

基于射线追踪法的矿井可见光通信信道特性分析

提出了一种新颖的基于射线追踪法的矿井可见光通信信道特性分析方法。首先,结合煤矿工作面可见光应用场景和煤矿工作面特点,基于射线追踪法建立可见光通信信道模型;其次,通过米尔散射理论对煤尘粒子对可见光的散射特征进行分析,计算得出消光系数、散射系数和吸收系数与煤尘粒子大小的关系;最后,针对不同煤尘粒子浓度的吸光度和粒子半径之间的关系进行仿真,分析煤尘粒子浓度对吸光度的影响。实验结果表明,矿井可见光通信信道特性受煤尘粒子半径和浓度影响较大,当煤尘粒子半径小于1μm时,对光的散射和吸收极为敏感,随着煤尘粒子半径的增大,消光系数趋于稳定。此外,相同煤尘粒子半径下,煤尘粒子浓度越高,吸光度越大,散射越明显。

基于FPGA的室内可见光通信系统设计与实现

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)具有通信速率高、绿色环保、安全性高、无需频谱许可等优点,已经成为目前的研究热点。针对可见光通信系统设计复杂及系统通信距离短的问题,文章在接收端加入二级放大电路,进一步改善系统抗干扰能力,同时还研究了室内可见光通信系统的信道模型,并结合高亮发光二极管在室内空间进行了光照强度、接收功率、信噪比及误码率的仿真分析,分析了不同调制方式的抗噪声性能及带宽利用率。将数字信号处理器FPGA(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为光通信系统的控制芯片,设计了基于2PPM(Pulse-Phase Modulation,PPM)调制的室内可见光通信系统,通过搭建实验平台验证了该方案下的系统通信性能,在通信距离为3.5m时,误码率小于1×10-5,实验结果表明该通信系统具有误码率低、结构简单等优点,满足高性能室内可见光通信系统的要求。

基于烟花算法的可见光通信光源功率优化方法

为了改善室内可见光通信系统接收平面光信号信噪比波动大的问题,提高可见光通信系统的整体性能,设计了基于群体优化算法——烟花算法的可见光通信系统的光源功率优化算法.该算法以无线光接收平面的信噪比因子为优化目标,优化每个LED(Light Emitting Diode)光源的发射功率,获取接收平面最优信噪比因子,有效降低光接收平面光信号波动度.结果表明,当光源数量为16个点光源时,接收平面信噪比因子比等功率的光源分布降低了45%,显著改善了接收光信号的波动幅度,从而保证不同位置点的光通信用户获得同等通信质量.该方法适用于任意数量和位置的LED光源,不受光源数量和位置的限制.对比分析发现,增加光源数量,接收平面信噪比因子更小,信噪比分布均匀性更优.