第1章绪论
随着社会的进步和科学技术的发展，信息爆炸成为了这个时代的特征。在通信主干网日趋成熟的今天，人们对于信息高速传输的需求逐步转向无线通信市场。无线通信网络因其建设速度快、具有高移动性和使用方便的优点，极大地迎合了人们对于现代生活中无限自由通信的诉求。在无线通信需求量猛增的同时，我们应该看到，传统的无线电频谱资源却是一成不变的，因此频谱资源匮乏的问题日益严峻，很多频段都已经被占用，如图1.1所示⑴。而可见光频段目前尚未利用，合理的使用这一资源，可以有效缓解频谱资源紧张的问题，拓展下一代宽带通信的频谱。除此之外，由于电磁波干扰和电磁波福射等问题，传统的无线射频通信一直存在通信的泛在问题，这种问题会随着通信技术的不断深入和人们对通信需求的不断增加而日益严重。目前，在国家“绿色照明工程”的推动下，发光二极管（LED)作为第四代绿色节能环保型照明产品被大力推行。白光LED消耗的能量是普通突光灯的五分之一，能够节约大量的照明能量，此外，它还具有亮度高、寿命长、功率效率高等优点。且LED自诞生至今，价格越来越低廉，技术越来越成熟，在短短数十年的飞速发展中，被迅速的应用于各种照明领域，它被认为是下一代的主要照明光源[3]。在可见光通信技术中，LED作为通信光源，不像传统的白炽灯那样具有很大成分的红外光频谱，也不像劳光灯那样具有额外的紫外光频谱[4]，还兼具调制性能高、响应时间短的特点，使其能够在完成基本照明功能的同时，进行超高速数据流的信息传输[5]。基于以上特性，日本科学家于2000年首次提出了利用白光LED照明灯实现可见光自由空间通信的概念[6]。
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第2章LED可见光无线数据传输模型
2.1 LED无线数据传输系统框架
室内LED无线数据传输技术是指利用LED器件快速切换、易调制的特点，将信号调制在LED发出的具有高速点灭特性的可见光上进行传输，然后在接收端利用光电转换器件感受光载波信号，解调并获得信息，实现可见光通信和LED照明的双重功能[19]。典型的可见光无线数据传输系统框架图如图2.1所示。发送端将上位机发送过来的原始数据经调制后，利用LED驱动电路，对光源进行强度调制(Intensity Modulation, IM),将电信号转换为光信号。承载有信息的光信号在自由空间中传输。接收端的光电二极管（Photodiode-PD)感受接收光强的变化，将光信号转换为电信号，再经过滤波放大等处理后，对信号进行采样、解调，恢复出发送端发过来的信息。
2.2室内光无线通信信道
直射模式——这种模式一般用于点对点通信链路中。在这种模式中，光束非常集中，所以对功率的要求相对较低。除此之外，直射链路不会因多径而产生信号失真，当使用视场角（FOV)较小的接收机时，周围光源产生的噪声对通信的影响会大大减小。在这种模式下，数据传输速率主要被自由空间里的路径损耗而不是多径效应所限制。但是这种模式的缺点是接收机和发射机要保持对准，并且通信链路中无其他障碍物干扰。所以直射链路一般用于传输低速率的控制信号。非直射模式——非直射模式是一种较为灵活的链路配置方式，这种模式使用的发射机能发出宽的光波束，接收机使用的光电转换器也具有大的视场角，接收机分布在房间的各个角落，覆盖非常大的接收区域。该模式解决了直射模式中信道里障碍物阻碍信息传输的问题，不需要接收机和发射机对准就能进行通信，所以该模式适用于一点对多点的信息传输。然而，这种模式会产生非常高的光路径损耗，同时也必须解决多径引起的失真问题。
第3章基于OOK调制的可见光通信系统设计........... 23
3.1 OOK调制系统通信协议 ..........23
3.2发送端设计 ......... 23
3.3接收端设计......... 26
3.4系统软件实现 .....27
第4章基于PPM调制的可见光通信系统设计.............. 35
4.1 PPM调制系统通信协议 ......35
4.2 PPM调制系统的硬件设计 .............36
4.3 PPM调制系统的软件设计.......... 38
第5章00K和PPM调制系统性能比较....... 47
5.1系统整体结构............. 47
5.2系统调试............ 47
第6章基于MATLAB的可见光语音通信系统设计
6. 1基于MATLAB的可见光语音通信系统模型
为了减少系统的电路复杂程度、缩短系统开发周期，本可见光语音通信系统没有设计专用的语音处理电路，而是借用了 PC机中的声卡进行语音信号的采集和播放功能，声卡分辨率一般为16bit，最高可达到24bit，采样率可达96KHZ,对采集音频信号来说，具备足够的量化精度和采样率[55]。另一方面，由美国mathworks公司发布的MATLAB软件可以用于控制PC机的声卡进行语音信号釆集和串口数据收发，满足可见光语音通信系统的信息源产生功能，也可实现接收端语音数据还原功能。所以本系统利用PC机的软硬件资源，通过额外加入麦克风和扬声器，将语音信息由可见光通信设备进行发送和接收，具体的结构框图如图6.1所示。
6. 2 MATLAB语音信号处理
MATLAB能控制计算机声卡将麦克风录入的模拟音频信号变成数字信息存入计算机中。事实上，我们只需要一台带有普通声卡并安装了 MATLAB的PC机和传声器（在此选的麦克风)，就可以利用声卡获得数字信号并保存为文件。语音釆集系统结构图如图6.2所示。Matlab语音数据釆集一般釆用两种方式：一种是利用waverecord命令来录入语音信息;另一种是利用load命令将已经用matlab录入的数字语音信息读取出来。Waverecord命令的调用方式为y = wavrecord(n, Fs, 'dtype')o其中n代表总共录入的釆样点数，代表釆样频率，如需录入；T秒的数据，《就等于rXF_s。’dtypei代表每次釆样得到的音频数据的记录形式，表6.1列出了'dtypei可能的数据形式和相应的取值范围。在可见光通信系统中，传输的数据均为正数，如需传输负数，则要对数据进行特殊的处理。为了设计方便，在可见光语音通信系统中，选取的语音数据记录形式为'uint8i。在使用y = wavrecord(n, Fs, 'dtype')命令得到语音数据后，可以利用dlmwrite函数将其写入到文档中保存起来。具体调用方式为dlmwrite(filename，A)。该命令将矩阵j中的数据保存在以filename命名的文本文件中。语音数据被保存在文件中后，可以利用load命令读取出来，具体调用方法为Y=load(filename)，它可以将文件中的数据存储在矩阵y中。
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第7章总结与展望
随着LED产业的迅速发展，传统光源会逐步被使用寿命长、照明亮度高的LED所替代。此外，LED纳秒级的响应时间，也使得其在照明同时进行通信成为可能。VLC作为一种能够实现照明通信双重功能，绿色环保的新型通信方式，已成为无线通信的一个新增长点。本文介绍了可见光通信的国内外发展状况和研究背景，明确了基于白光LED进行无线通信的意义，主要研究工作包括以下几个方面：(1)分析了室内可见光通信无线数据传输物理模型，给出了系统的总体设计方案。对设计中涉及到的室内光无线通信信道建模，光发射器件LED和光接收器件PD的特性以及信号调制方式的实现等进行了详细的研究。(2)研究了可见光00K调制系统的实现方法。具体内容包括：通信协议的设计，硬件平台的搭建，微控制器的软件编程。完成了信号调制、校验计算、阈值电平检测等功能。最终系统实现了 14.4kbps的传输速率。(3)研究了基于JEITA-CP1222通信协议的可见光PPM调制系统实现方法。系统完成了信号的4PPM调制解调、校验计算、阈值电平检测、同步跟踪等功能，实现了协议规定的4.8kbps的传输速率。(4)对本文第三章和第四章设计的可见光通信系统进行了性能测试。分别给出了各个系统不同模块输出的信号波形图，并分析和比较了这两个系统在不同通信距离、不同发射功率、不同通信角度和不同背景光干扰条件下的误码率。
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参考文献（略）