（信号与信息处理专业论文）室内无线红外通信调制技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 室内无线红外通信，工作在7 8 0 9 5 0 h m 波段，在短距离情况有较多的优 点。本文以室内无线红外通信调制技术为研究重点，开展室内多径信道下调 制技术及实现方案方面的研究工作。 首先，分析了室内无线红外通信的信道特性。对递归算法、统计算法、 d u s t i n 算法和基于定点的迭代算法四种算法，从计算的复杂性、对计算机 存储器的要求和对新环境的适应性等几个方面进行了比较。从理论上详细介 绍了模型的建立过程，并利用仿真软件对一次反射情况下的多径脉冲响应进 行了分析。 其次，对键控调制( o o k ) 、脉冲位置调制( p p m ) 和差分脉冲位置调 制( d p p m ) 三种调制方案的归一化系统带宽、归一化平均功率需求进行了 分析和比较。并对不同调制方案的编码信号进行了研究。分析了基于l m s 均衡算法的调制方案的编码信号加载到多径信道上的性能。将p p m 与d p p m 调制结合起来，提出插入固定长度码的调制方案一一小d p p m ( i n s e r t d i f f e r e n t i a lp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 。i n d p p m 调制在抑制多径效应上也好 于d p p m 调制，而且插入码可以起到纠错的作用。通过仿真，对i n d p p m 与 d p p m 调制方案在1 m b p s 和1 0 m b p s 下的误码性能进行了比较。i n d p p m 调 制在相同信噪比的情况下，误码率都低于d p p m 调制，具有较好的性能。该 方案对于在室内环境下，降低信号发射光功率保护人眼安全具有重要意义。 对于建立室内漫射链路红外局域网具有很好的应用价值。 最后，从系统的角度，对室内无线红外通信的系统结构进行了研究，分 析了系统解调中的同步问题，并对i n d p p m 解调做了简要分析。对目前可用 于室内无线红外通信的光源和光检测器进行了比较。 关键词：室内无线红外通信；多径效应；调制技术；均衡算法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d o o rw i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o nw o r k sa tr e g i o n7 8 0 9 5 0 n m , h a s m u c ha d v a n t a g e so nt h es h o r td i s t a n c ec o n d i t i o n t h ep a p e rf o c u so nt h e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o ri n d o o rw i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n , r e s e a r c ht h e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ea n ds o l u t i o ns c h e m e sa tt h ei n d o o rm u l t i p a t hc h a n n e l f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so fi n d o o rw i r e l e s s i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n , c o m p a r e st h er e c u r s i o na l g o r i t h m , s t a t i s t i ca l g o r i t h m , d u s t i na l g o r i t h ma n di t e r a t i v ea l g o r i t h mb a s e do nf i x e d - p o i n t i n ga tt h ea s p e c t s o fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h er e q u i r e m e n to fc o m p u t e rm e m o r ya n dt h e a d a p t a b i l i t yt o n e we n v i r o n m e n t s i nd e t a i li n t r o d u c e st h e p r o c e s so fm o d e l e s t a b l i s h m e n ti nt h e o r y , s i m u l a t e st h em u l t i p a t hi m p u l s er e s p o n s ea tt h ec o n d i t i o n o f o n e t i m er e f l e c t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z ea n dc o m p a r et h et h r e em o d u l a t i o ns c h e m e s ： o n - o f fk e y i n g ( o o k ) ，p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( p p m ) a n dd i f f e r e n t i a lp u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ( d p p m ) a b o u tt h en o r m a l i z e ds y s t e mb a n d w i d t ha n dt h e n o r m a l i z e da v e r a g ep o w e rr e q u i r e m e n t a n dt h e ns i m u l a t et h ec o d i n gs i g n a t s a b o u tt h ed i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m e s b a s e do nl m se q u a l i z a t i o na l g o r r h r r g r e s e a r c h e st h ep e r f o r m a n c eo fc o d i n gs i g n a ll o a d i n go nm u l t i p a t hc h a n n e l c o m b i n i n gt h ep p ma n dd p p mm o d u l a t i o n , p r e s e n t st h ei n d p p m ( i n s e r t d i f f e r e n t i a lp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) ，w h i c hi n s e r t st h ef i x e dl e n g t hc o d ea tt h e f o r w a r do fe a c hd p p m i n d p p mm o d u l a t i o ne x c e l sd p p mm o d u l a t i o ni n r e s t r a i nm u l t i p a t he f f e c t , a n dt h ei n s e r tc o d eh a st h ea b i l i t yt oc o r r e c tt h ee r r o r c o d e a tt h es a m es n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) ，s i m u l a t e st h eb e r ( b i te r r o rr a t e ) p e r f o r m a n c eb e t w e e ni n d p p ma n dd p p m a tt h e1m b p sa n dlo m b p s ，i n d p p m e x c e l sd p p m i tc a nr e d u c et h es i g n a lt r a n s m i to p t i cp o w e rf o re y es a f e t ya tt h e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i n d o o re n v i r o n m e n t s i th a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u et ot h ei n d o o rd i f f u s i o nl i n k s i n 丘a r e dl o c a la r e an e t w o r k l a s t l y ，a tt h es y s t e mp o n o fv i e w , t h ep a p e rd i s c u s st h es y s t e ms t r u c t u r e , a n a l y z e st h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo ft h es y s t e md e m o d u l a t i o na n dt h e i n d p p md e m o d u l a t i o nb r i e f l y c o m p a r et h el i g h ts o t i c e sa n dl i g h td e t e c t o r s w h i c hp r e s e n t l yk n o w nf o ri n d o o rw i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：i n d o o rw i r e l e s si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ；m u l t i p a t he f f e c t ；m o d u l a t i o n t e c h n i q u e ；e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：毒乞绰 日期：2 p 口7年弓月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：毒毛埤 日期： 沙d 夕年3 月，日 导师( 签字) ：稿沈 细夕年弓月，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 人们利用光通信具有久远的历史，从古代的烽火传递信息，到近代军队 的“旗语 ，都是光通信的朴素应用；而现代的光纤通信，更是将光通信推 向新的高度“，。光纤通信以其极高的通信码率得到了人们的广泛应用。任何通 信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传 输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高， 频带宽度越宽幢，。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增 加传输容量的历史。而光载波的频率在1 0 1 2 h z 以上，因此光纤通信受到了广 泛的关注，广泛的应用到军事和民用通信方面。在光纤作为有线通信传输平 台广泛应用的同时，国内外也致力于无线光通信的研究，其研究主要有两个 大的方向，一是自由空间光通信( f r e es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) ，包括 大气光通信、星地光通信、卫星间光通信；二是室内无线光通信 3 1 。 自由空间光通信是指利用激光束作为载波在空间( 陆地或外太空) 直接 进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“无线激光通信 或“无线激光网络 。通信的目的就是把信号从一个地点传递到另一个地点。 传统的无线通信系统中，信息的转移几乎都是把信息叠加在电磁波上完成的， 然后把已调载波发送到目的地n 1 。自由空间光通信以激光束作为信息载体，不 使用光纤等有线信道的传输介质。研究无线光通信，首先要提到两种通信方 式，一个是微波通信，另一个是光纤通信。微波通信与有线通信相比，可节 省大量有色金属，并易于跨越复杂地形；可以较灵活地组成点、线结合的通 信网，使一些海岛、山区、农村等偏远地区的用户较方便地利用干线进行信 息交换。但相对于光纤通信系统，其频带窄，信道容量小，码率低，尚有许 多不足。光纤通信系统的线路容量大，不易受外界干扰，但必须有安装光缆 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑宣；置昌暑i i ；置；i i ；暑昌暑暑置；暑i ；i ；i i i ；i ；i i i i i i i 暑置；i ；j 肓；薯；宣；宣；宣i 置宣昌昌昌葺暑暑宣昌宣盲- 用的公用通道，当遇到恶劣地形条件时，工程施工难度大、建设周期长，费 用高。随着通信信息量的增大，扩充网络带宽资源，提高通信流量已成为当 前通信事业应该面对的重要课题。无线光通信结合了光纤通信与微波通信的 优点，既具有通信容量大的优点，又不需要铺设光纤。它以激光束作为信息 载体，是不需要任何有线传输媒介的通信方式，可用于空间及地面间通信， 其传输特点是光束以直线传播。作为微波通信的革命，无线光通信系统得到 人们的普遍重视。早期的研究应用主要是在军用和航天上，近年来，随着无 线激光通信各个单元技术的不断发展，逐渐应用于商用的地面通信，各个单 元技术也在逐步完善，日臻成熟。 目前，卫星间只能以微波进行通信。微波的物理特性决定了它不可能达 到与光纤通信一样的带宽。这样就造成地面与卫星联通时出现了瓶颈。拓宽 星间链路的一种解决方法是多发射卫星，然而地球的外空间资源有限，发射 卫星要受到一定的限制。卫星间必须是无线通信，卫星间大容量通信的矛盾 只能是通过发展卫星光通信来解决。根据光学基本原理，卫星间使用激光通 信既具有微波通信的可靠性，又具有高码率、通信容量大的优点。同时，由 于激光的波束发散角小、光学天线增益高、器件调制速率高、方式灵活、所 需射频功率小，因此可以提高空间卫星通信系统的通信质量，扩展通信范围， 连接更多的地面站、空间观测卫星等；还可以减少不同区域用户通信的种种 限制，减小星上载荷的体积和重量，增强通信的保密性、抗干扰能力，提高 稳定性，改进各种观测数据、信息的集中处理能力和快速反应能力等n ，。 室内无线光通信，是在考虑利用光域大带宽的优势，有效抑制射频通信 缺点提出来的。与无线射频通信相比具有如下优点。 ( 1 ) 红外光有着巨大的带宽且无需频率申请，因此可以提供较高的数据 传输速率。 ( 2 ) 红外光不能穿过不透明物体，因而不同房间的通信之间不会互相干 扰，并且通信时侦听困难，通信的安全性较高。 ( 3 ) 红外光信号传输基本上采用强度调制，所以红外光接收器只需探测 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光信号强度，这就使得红外通信设备比无线射频通信设备简单便宜得多。 ( 4 ) 红外无线系统的探测器的尺寸比红外光的波长大得多，因此减弱了 多径衰落的影响。 这些优点都使得无线红外光系统在某些领域比无线射频系统有更广阔的 应用前景。 目前关于无线网络技术主要包括i e e e 8 0 2 1 l 、h o m e r f 和蓝牙，除了 i e e e 8 0 2 1 1 的红外介质外，都工作在2 4 g h z 或5 7 g h z 频段上。 i e e e 8 0 2 1 l 规定了开放式系统互联参考模型( 0 s i 瓜m ) 的物理层和m a c 层，其m a c 层利用载波监听多重访问冲突避免( c s 燃a ：c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 协议，而在物理层，8 0 2 1 1 定义了 三种不同的方式：红外线、跳频扩谱方式( f h s s - f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 以及直扩方式( d s s s d i r e c ts p e c t r u ms p r e a ds p e c t r u m ) 。其中 后两种物理层介质工作在2 4 0 0 - - - 2 4 8 3 5 m h z 无线射频频段( 根据各国当地法 规规定) 。i e e e 8 0 2 1 1 1 9 9 7 的最大速率是2 m b p s ( f i - i s s 和d s s s ) 嘲，1 9 9 9 年发布的i e e e 8 0 2 1 1 b 增加了5 5 m b p s 和l1 m b p s ( d s s s ) 鲫，i e e e 8 0 2 1 1 a 则支持5 4 m b p s h l 。i e e e 8 0 2 “一1 9 9 7 支持红外线，但是数据速率只有1 m b p s 和2 m b p s 。 另一种无线局域网技术h o m e r f ，专门为家庭用户设计。h o m e r f 利用 跳频扩谱方式，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信， 既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问冲突避免协 议提供数据通信服务。同时，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成，支持广 播、多播和4 8 位口地址，数据速率为l 一2 m b p s 。由于h o m e r f 过于强调其 家庭应用的倾向，在与i e e e 8 0 2 1 1 的竞争中逐渐处于下风。 蓝牙技术具有一整套全新的协议。蓝牙技术具有低功耗、低代价和比较 灵活等特点。但是蓝牙技术有效范围仅1 0 米，是一种短距离的无线应用技术， 而不是种无线互联网接入技术，可以实现一点对多点的语音和数据传输。 其最大速率是7 2 3 2 k b p s ，最大操作范围有望达到l o 米。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总的来讲，i e e e 8 0 2 1 l 比较适于企业办公网络，h o m e r f 可用于家庭用 户，蓝牙技术可应用于移动数据和语音设备与主机之间的通信。需要注意的 是h o m e r f 、蓝牙技术与i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网络标准使用同样的频段，如 何避免相互干扰目前尚无良策。同时，h o m e r f 、蓝牙技术及8 0 2 1 1 的跳频 扩谱方式和直扩方式的电波可能会干扰飞机和医院的电子设备，对于飞行安 全和病人的生命安全将是极大的隐患。 无线电通信的带宽受到载频的限制，很难提高，而且频率资源越来越宝 贵，必须申请才能使用。而光波段频率高、频带宽，信道容量大，不会像无 线电那样多径衰落，抗电磁干扰能力强，保密性好，对国家安全具有特别重 要的意义，而且光频段目前不受管制，无需申请授权”。当然，无线光通信 不像无线电通信那样灵活，并不能将其完全替代，而是互为补充。 无线光通信按照通信距离可以分为长距离系统、短距离系统和极短距离 系统。长距离系统也称为f s o ( f r e es p a c eo p t i c s ) ，其跨度一般大于5 0 0 m ， 应用于楼宇之间互联、卫星通信、“最后一公里接入，以及一些临时搭建 的通信系统，例如军队行军途中在江河两岸之间搭建临时通信系统，或电视 台在新闻现场搭建临时转播通信系统等等。因为距离远，大气对误码率影响 较大，还由于高速传输的需要，发射器通常采用较高的能量。由于温度的变 化和固定支座的疲劳，光束会发生漂移，光束对准是长距离点对点系统的关 键问题，可用转向装置自动保持对准。距离5 0 0 m 到5 k m 内的商业系统已经 比较成熟，2 0 0 0 k m 的卫星与地面之间的无线光通信系统也有了商业产品。 极短距离系统，主要指i r d a ( i n f i x e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 标准。i r d a 于 1 9 9 3 年建立，使用8 5 0 - 9 0 0 n m 红外元件进行点对点无线通信。大部分便携式 电脑、p d a ，以及一些手机都配备了i r d a 器件。i r d a 标准主要参数如下： ( 1 ) 数据率从9 6 k b p s 到4 m b p s ) ( 2 ) 最大工作范围为l m ( 正在考虑1 0 m 的范围) ： ( 3 ) 3 0 0 的发射角，等同距离1 m 处光束直径为5 0 c m ，连接时需要粗略 对准； 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 接收视场尽可能大。 短距离系统主要应用于室内组网，也可以应用于结构类似的室外场合， 例如灯光球场、露天展览等。 然而，红外光通信也有其不足之处。例如，红外光不能穿透墙壁，对于 不同房间的红外通信，则必须分别安装红外接口然后通过有线主干网才能获 得互连。另外，由于采用的i m d d ( 强度调制直接检测) 调制解调技术是对 光信号的强度进行调制，而在室内环境中，存在着由日光、白炽灯或荧光灯 引起的背景光噪声，结果使得红外接收器探测到的光信号中不可避免的包含 了这些噪声。为了提高信噪比，必须增加发射光的光功率，这就增大了器件 的功耗，而且高功率的光还会对人眼造成损伤n 枷，。i e c 8 2 5 c l a s s l 人眼安全 保护标准规定，在8 2 5 n m 波长，发射光功率要小于0 2 4 m w 。室内无线光通 信研究的一个重点就是如何降低发射光功率，在室内通信的过程中，保护人 眼的安全。 因此，对于一个具体的环境来讲，到底选用无线光还是无线射频要根据 实际的通信需要来决定。如果要求信号能够穿越墙壁进行大范围长距离通信 的话，无线射频通信是其最佳选择；如果要求实现短距离高速通信，那么无 线红外通信将能担此重任。 1 2 室内无线红外通信的链路 室内无线红外通信系统的链接状态有很多种，但大体上可以分为两类。 第一类就是看发射机和接收机是否有定向( d i r e c t i o n ) 链路存在。所谓定向， 其实是一个角度问题。对发射机来讲，如果其发射的光束发散角很小，发出 光束近乎平行，则称其为定向发射机。同样，如果接收机的视场角范围很小， 则称其为定向接收机。若发射机和接收机均为定向，接发两端对准时就建立 了一条链路，这条链路就称为定向链路。相反，非定向链路使用的是大角度 的接收机和发射机。还有一种链路混合了定向与非定向的特点，也就是说， 发射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的，我们称之为混合链路， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如图1 1 ( b ) ( e ) 所示。 区分链接状态的第二点是看发射机与接收机之间是否存在未受干扰的可 视( l o s ，l i n e - o f - s i g h t ) 路径。可视( l o s ) 链接中接收机接收到的光除存 在由发射机发出的大角度的光经其他物体反射回来的光外，还存在直接由发 射机发射过来未经反射的光；而非可视( n l o s ，n o n - l i n e - o f - s i g h t ) 链接通 常是发射机对着天花板发射光信号，接收机接收到的光信号中不存在直接从 发射机射过来的光。 根据以上分析，可以将室内无线局域网的链接方式分为以下几种：定向 可视链接；可视混合链接；非定向可视链接；漫反射式链接：可视混合链接； 追踪式链接。其结构如图1 1 所示“。定向可视链接如图1 1 ( a ) 所示。方框 代表一个房间，发射机安装在天花板上。该链接可实现较高的功率利用率。 其主要特点有：( 1 ) 路径损耗较低，从而对发射机功率的要求也比较低，发 射光源一般采用平均功率为几十毫瓦，发射半角为1 5 0 3 0 0 的l e d ( 发光二 极管) ，l e d 的发射波长一般选在在8 5 0 r i m 到9 5 0 n m 之间。( 2 ) 传输光束 很窄，几乎没有多径散射问题，背景光对其影响也很小，这使得传输速率很 高，一个简单的设计通常可以达到l o o m b p s 的信息传输速率。该种链接状态 的不足在于，通信时需要发射机和接收机之间始终保持一种直线式的可视链 路，因此很容易因为一点阻碍而断开。这种链接更适合于单点对单点的通信， 而不太适于单点对多点的广播式通信，这样就限制了其灵活性。定向可视链 接在实际中应用较多。其常用于短距离低速率通信，例如各种电器的遥控器 等。而且，它也是红外数据协会( 瓜d a ) 选用的用于非中心对等网络的链接 方式，这些对等网络一般为移动终端而组建，两个终端间的距离不超过l m ， 数据传输速率在9 6 k b p s 到4 m b p s 之间。 非定向可视链接如图1 1 ( c ) 所示。其通过发射机发出的大发散角光束和接 收机的较大的接收视野来达到增加覆盖面积的目的，使得接发两端不需要严 格对准便可进行通信。由于信号在传输过程中可能要经过墙壁或天花板的反 射，这就产生了多径传输问题，并增大了路径损耗，直接影响到光电探测器 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 宣i i ；ii f1 7if ；i 昌；嗣 接收到的光功率。该种链接更适用于单点到多点的广播式通信系统，例如， 在一个房间的天花板上安置一个红外接入点( a p ) ，处在该接入点发出光的 覆盖范围内的多个终端可以同时接收到接入点发出的信号，而且各个终端间 还可以通过接入点来进行通信。 tltl 步父 冬 、 l 心“ 诗mm ( a ) 定向可视链接( b ) 可视混合链接( c ) 非定向可视链接 ，、 ，、l 一 ，、 姒 姝 、 ， 苗崮凸苗 玲 向 ( d ) 漫反射式链接 ( e ) 浸反射式混合链接( f ) 追踪式链接 图1 1 视线传播和非视线传播( t - 发射机r - 接收机) 漫反射式链接中，发射机的发射端口一般对着天花板发射较宽的红外光 束，漫反射后的光覆盖面积很大，如图1 1 ( d ) ( e ) 所示，因此，漫反射式链接 不需要对准，也不需要l o s 可视路径。该链接方式应用更灵活，既可用于对 等网络，亦可用于中心网络。其缺点是信号的路径损耗严重，五米距离上光 信号损耗达到5 0 7 0 d b “，尤其是当接收机附近有人或障碍物时，损耗更严重。 另外，多径传输也是影响其传输速率的一个重要因素。尽管如此，考虑到灵 活性问题，许多研究机构仍对漫反射式链接产生了浓厚兴趣，而且很多处于 实验室阶段的该种链接的传输速率己达到5 0 m b p s t m 蚓。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 追踪式链接结构如图1 1 ( f ) 所示。它能达到像定向可视链接一样的高传输 速率和非定向可视链接的较大覆盖面积，因此具有很高的功率利用率。但是 机械可操纵的光学元件价格非常昂贵，而且体积很庞大，在实用中不易推广。 因此，有人提出另一种结构来实现追踪链接，该结构使用一种包含多个光源 的发射机，发射的光束通过透镜组到达接收机阵列。实验室用这种结构已经 可以达到3 4 m b p s 、10 0 m b p s 和15 5 m b p s 的传输速率。 1 3 国内外研究现状 由于室内无线光通信所具有的灵活、便捷及高速等特性，在国外，如美 国，日本等国家，许多研究所和企业长期进行该领域的研究，并陆续有产品 从实验室走向商用。 自从1 9 7 9 年i b m 公司的f 1 l g f e l l e r 发表了较有影响的关于红外通信设 计与实验的论文以来，有许多学者在进行红外无线通信的研究随m 。美国加州 伯克利大学电子工程和计算机科学系在i b m 和l i p 公司的资助下进行了红外 无线通信的研究。以j r b a r r y 和m k a h n 为首的一批研究人员对室内无线红 外光的漫射光通信取得了一定的成采。但其更进一步资料较为保密。 美国圣地亚哥a s 仃o t e r r a 公司，已做出可以在3 k m 、5 k m 、8 k m ，速率高 达1 5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 、2 5 g b p s 的点对点产品研究及实验，并在洛杉矶、拉 斯维加斯、圣地亚哥等地作了外场实验据町。 d a n i e l 等人研究了采用手持终端的无线红外厂区网络。该网络采用蜂窝 结构，所有的红外c e l l 与高速光纤骨干网相连。骨干网上接有i s d np a b x 。 红外手持终端有两种类型：( 1 ) 普通型：含标准的电话业务及少量的数据业 务，用于移动的手持终端；( 2 ) 高性能型：具有内置处理能力，使传感器的 数据速率降低至与红外信道兼容，可用于与高速数据设备接1 2 。红外信道采 用的协议类似i s d n 协议，每个红外c e l l 的信道速率为标准i s d n 速率：2 b + d ( 2 6 4 k b p s + 1 6 k b p s ) 。 日本邮政省则组织了“强红外无线光通信技术 用于计算机、多媒体终 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 端及移动通信中的联网计划，并早就在城市大楼间取得了应用。 以色列许多公司参与了国际市场竞争，有的产品已打入中国市场。而在 国内还没有相关的报道。 国内在室内无线红外通信方面的研究起步比较晚，清华北大两所高校在 该领域的研究上处于国内领先水平。2 0 0 3 年，深圳清华大学研究生院研制了 一种室内无线红外局域网系统，该系统采用漫射式链路结构，带有激光收发 设备的便携式计算机可以连接到本地局域网( l a n ) 上，能实现1 0 m 以太网 和a dh o e 两种网络的组建。采用双绞线( u ，肿) 网络接口( 1 5 ) ，速率 可以达到1 0 m b p s ，工作范围为1 0 0 平方米。 除此之外，北京大学电子学系焦秉立教授主持开发的项目：新一代计算 机红外线通讯网络，得到了国家创新基金的支持和有关公司资金的投入。项 目的总体目标是实现以红外扩频为基本技术的室内红外通信网络的设计，使 带有红外接口的通用设备，如：便携电脑，打印机，照相机等可以灵活地以 无线方式入网络，并接收和发送信息。现己开发成功公共场所的网络服务系 统，室内会议网络系统开发工作将于近期完成，另外，可提高红外通信距离 的扩频调制技术及网络系统也处于研制中。 由以上可知，作为有线通信的有力补充，室内无线光通信受到越来越大 的重视。展望未来，其必将以自身独特的优势在数据通信领域中占据重要一 席。因此，对室内无线光通信系统进行研究和分析将是一件很有意义的工作。 随着p d a 、便携p c 等数据终端及多媒体终端的广泛应用，要求传统局域网 由有线转为无线发展，个人通信的兴起进一步促进了无线局域网的发展。从 红外通信的应用来看，其单工方式的红外遥控技术已经广泛应用于家用电器 中，目前的新应用领域主要是双工方式，将来还会发展到全双工方式。由于 红外无频带使用上的限制，其分布式视频应用也将取得成功。随着b i s d n 的普及，高速红外无线通信技术将会得到更广泛的应用。 世界各国越来越重视无线光通信，并投入了大量的人力和物力进行研究 开发，研究在室内漫射局域网通信的码率以及误码率，在国外已经有一定成 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 果，但在技术上还处在保密阶段，关键技术还不为所知。为了以后不在技术 上受制于人，我们必须对红外室内红外通信进行研究，本文就在这个基础上， 主要研究红外室内漫射信道，研究不同的编码调制技术以及采用均衡技术的 系统技能，论证了不同编码调制技术对抑制码间干扰的效果。 1 。4 研究内容及章节安排 本文根据室内无线红外通信的信道特性，研究了基于多径信道情况下的 不同编码调制方式的性能，在抑制多径效应的过程中，采用了自适应l m s 均衡算法，主要做了以下工作： 论文的第1 章介绍了室内无线红外通信的优点、链路方式以及国内外的 研究现状。 第2 章：室内无线红外通信信道特性分析。 分析了适合于室内无线红外通信系统的信道特性。并利用m a t l a b 对 多径信道进行了仿真。 第3 章：室内无线红外通信调制技术对比分析。 分析比较了室内无线红外通信的三种调制技术o o k 、p p m 、d p p m 。并 利用m a t l a b 对不同的调制技术进行了仿真。 第4 章：多径信道下的系统性能分析 研究了在多径信道下，不同调制技术的性能。将p p m 与d p p m 结合起 来，提出了插入码方式的i n d p p m 调制方式。比较了不同的调制技术在自适 应均衡后的均方误码性能。并分析了插入码在接收过程中对于纠错的作用。 第5 章：室内无线红外通信系统的结构设计 在前几章研究的基础上，分析了解调过程中的同步问题。并根据室内环 境和无线红外的特性，对系统的结构进行了分析。给出了器件选择的参考。 最后，对课题进行了总结，提出了今后需要进一步解决的问题。 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m i iizz r r 第2 章室内无线红外通信信道特性分析 在通信系统中，信道是很重要的一部分。信道是信号传递的通道，是传 输媒介的抽象表示。信道的主要作用是传输与存储信息。信道中传输的是表 示信息具体含义的信号。对于室内无线红外通信系统发射部分，其组成可简 单表示成图2 1 的形式。 数 据 源 编码 调制 电路 电光 转换 电路 室内 红外 信道 接收 部分 图2 1 室内无线红外通信发射部分框图 在图2 1 中，本章要所要研究的内容就是室内红外信道，只有将信道特 性研究清楚，才能在下一步分析不同编码调制方案在该信道下的性能。 2 1 信道特性 信道特性研究是室内无线红外通信系统设计的基础。传输功率损失和多 径扩展是信道影响系统性能的两个主要因素。对于直接链路，没有经过反射， 不存在多径扩展，功率损失仅仅与光束发散角度、接收器尺寸和空气吸收有 关系。对于间接链路，影响因素还要包括房间大小、室内设施的摆放、反射 特性，以及发射器和接收器的位置和指向。在间接链路中，从发射端发出的 信号光会被天花板、墙壁、地板、家具等物体漫反射，通过多条路径到达接 收端。特别是在漫反射系统中，没有直接路径，所有进入探测器的信号至少 经过一次反射。多路径造成信号脉冲在时间上的扩展，即多径干扰，造成码 间串扰( i s i ) 。 对于室内无线红外通信系统而言，详细分析信道特性，是研究各种编码 调制技术和均衡技术的关键泌“。在后续章节将根据仿真的多径信道，研究 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o o k 、p p m 、d p p m 几种调制技术的性能差异。 2 2 室内无线红外通信信道模型 在室内无线红外通信系统中，使用强度调制直接检测( 啪d ) 。电流作 为输入信号控制激光器，输出光功率j ，( d 同输入电流工( f ) 成正比。信号经过 室内多径信道i z ( f ) ，在接收端光检测器将光信号转换为电信号。量之间的关 系如公式2 - 1 所示。因此，整个室内无线红外系统可以看成是输入电流对输 出电流的映射。图2 2 是室内无线红外通信发射部分模型的框图。 其中r 为响应度( a w ) ，n ( t ) 为高斯白噪声。由图2 2 可以看出在发射 部分系统实现过程中关键是对信道特性的仿真。将不同的编码调制方式应用 到信道上，研究在多径环境下的编码性能。 图2 2 室内无线红外逶信发射部分模型 刀( f ) y ( ，) = r x ( t ) 0 矗o ) + n ( o ( 2 - 1 ) g f e l l e r 在1 9 7 9 年提出了基于一次漫射和定向链接的信道模型- 。1 9 9 3 年 b a r r y 提出了计算瞬态响应的多径模型的递归算法。1 9 9 7 年p e r e z j i m e n e z 提 出了室内信道的统计模型。同一年l o p e z - h e r m a n d e z 发现了另外一种较快的 算法，即d u s t i n 算法。2 0 0 2 年，c a r r u t h e r s 提出一种基于定点的迭代算法 来估算脉冲响应汹- 。 对上述几种算法就以下几方面进行比较：( 1 ) 计算的复杂性；( 2 ) 仿 真所需时间；( 3 ) 对计算机存储器的要求；( 4 ) 对新环境的适应性，得到 结果如表2 i 所示。由表中可以看出，b a r r y 的递归算法首先提出了多次反射 模型，但只限于少量的反射次数，而且在计算2 次以上的反射时是极其繁杂 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的( 最高3 次) ；统计算法很方便，但它是针对室内漫射信道模型提出的， 而且准确性不太高；d u s t i n 算法很快，但对新环境适应性很差；而迭代算 法不仅能有效地解释说明任何次数的反射，而且计算的速度也比较快，针对 一个三次反射，这种迭代方法比递归算法快9 0 多倍。更重要的是它可以模拟 复杂的环境，尤其是针对i m d d 的多径脉冲响应，可以通过计算机实现更有 效更准确地估算。因此我们采用这种方法来估算漫射信道的脉冲响应。 由表2 1 可知，基于定点的无线红外信道的迭代算法是比较实用的一种 算法。 漫射可视链接中的脉冲响应算法分以下两步进行： ( 1 ) 建立室内有发射机，接收机和家具等物体的房间模型； ( 2 ) 计算信道的脉冲响应。 表2 i 不同模型算法的比较 参数递归算法统计算法d u s t i n 算法基于定点迭代 算法 计算的复必须重复计算 产不如递归算法不如递归算法复杂远不如递归算 杂性复杂法复杂 存储要求8 x nb y t e s少于递归算法 醇b y t e s 少于递归算法 所需时间n t x 4 x1 0 石s比递归算法快比递归算法慢比递归算法约 0 2 3 n s 次快9 2 倍 可选最高最高为3 次，不可反射次数不限反射次数不限，但可能达到1 0 次 反射次数能到4 次受限于发射功率 适应性 不强 不强不强 强 精确度很不精确 不太精确 较精确较精确 出版年份1 9 9 3 4 1 9 9 7 71 9 9 7 7 2 0 0 2 5 作者 b a r r y p e r e z - j i m e n e z l o p e z h e r m a n d e z c a r r u t h e r s 2 2 1 模型建立 不失一般性，假设室内环境如下，光发射机，光接收机，室内放有办公 桌一张，如图2 3 ( a ) 。脉冲响应 取决于给定的光源s ，接收机r 和环境e ， h ( o 定义为忽矗? s 。如图2 3 ( b ) 所示，光源s 可以看成点光源，由位置矢 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置i 一 ii ii ! i 昌葺墨皇嗣曩 量互，方向矢量觅，以及辐射模式丁( ) 表示。接收机尺由位置矢量弓，方向 矢量4 ，光接收机的光收集面积( o p t i c a lc o l l e c t i o na r e a ) ，4 表示。 工= 6 m 图2 3 ( a ) 室内仿真环境 日= 3 m 图2 3 嘞光发射机与接收机的位置图 r ( ) 由下式给定啪： 丁( ) ：掣c 。s 一( 矽) ( 2 2 ) z 刀 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中为矢量忽和( 五一亏) 的夹角： c o s o ) = 觅( 露- 8 ) id ( 2 - 3 ) d 为接收机与发射机之间的直线距离；发射光源取为朗伯光源，刀为朗伯光 源的阶数，反映了光源发射光的方向性。对于一般的朗伯光源，刀取l 。矽为 矢- 里n r ( 亏一亏) 的夹角： c o s ( a ) = 聋辑- 亏) d ( 2 - 4 ) 有效光收集面积彳( 印= 4 9 ( d 。光接收机增益函数： g ( o ) = c o s ( p ) l 9 f o v ( 2 5 ) 式中f o v 为接收机的视场角，1 1 为指示器函数。 凇) = 怯等 2 2 2 脉冲响应的计算 在图2 3 所示的仿真环境下，计算脉冲响应包括反射次数的分解，平面 的离散化，对多个接收单元和发射单元进行迭代三个步骤。 ( 1 ) 反射次数的分解。所有从光源发射出来的光都要经过若干次( 包括 零次) 的反射才能到达接收机，因此我们把脉冲响应( r ；s ，r ) 用一个与反射 次数七有关的级数来表示如下： 从光源发射出来的光都要经过若干次( 包括零次) 的反射才能到达接收 机。将忽矗j 矽表示为： h a t ；s ，足) = o ；s ，足) ( 2 6 ) k - - 0 式中k 。( ，；s ，尺) 为光信号从光源s