荐 水下VLC特点及VLC基础知识

水下VLC的特点简述

• 1. 由于共振效应，纯水对可见光谱的吸收比红外光和紫外光小，海水对 400～550nm可见光波段的蓝绿光衰减比其他波段的衰减要小。（即海水对处于蓝绿波段光谱有天然的最小衰减特性）
• 2. 典型的UVLC的传输速率达到数十Mbits/s，通信距离达到数十米量级， 可以确保实现大量的实时通信，如水下视频传播。
•3. 光在水中的速度可达到2.25*10^8m/s。• 三种主要损害：吸收作用引起的衰落，大分子颗粒物引起的散射以及水下湍流引起的平坦衰落。

VLC基础

传统的调制技术

OOK、BPSK等，虽然成熟且成本低， 但有个突出的问题是频谱的效率低下，在可见光系统带 宽受限的情况下无法实现Gbits/s以上的高速可见光传输。

OOK

通断键控调制技术
即1输出正弦信号，0输出0
这个很好理解，我们要传输的就是0、1。当接收到信号，就代表接收到1，接收不到信号，就说明接收的是0。

PPM

脉冲位置调制技术
将信号周期分为N个间隙，N=2"，用于传递n位信号。传递哪个信号，就对应哪个间隙。
可以参考下图进行理解：

特点：实现简单，成本低，且避免了直流和频谱的低频分量，具有更高的效率

单载波和多载波（多径效应）

多载波调制：发射端将多个输人信号调制到不同的子载波上，然后同时发射出去。由于采用多 载波调制这一并行化技术，使每个信号的周期延长了若干倍，多径延时被削弱。是未来的主流。

多径效应（multipath effect）：指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同， 按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。比如电磁波沿不同的两 条路径传播，而两条路径的长度正好相差半个波长，那么两路信号到达终点时正好相互抵消了 （波峰与波谷重合）。这种现象在以前看模拟信号电视的过程中经常会遇到，在看电视的时候如 果信号较差，就会看到屏幕上出现重影，这是因为电视上的电子枪从左向右扫描时，用后到的信 号在稍靠右的地方形成了虚像。因此，多径效应是衰落的重要成因。
总的来说， 为了避免信号由于到达接收端的时间不同而产生失真，我们先把要发射的多个信号先调制在不同的载波上，再一起发出去。

OFDM（又称DMT）简介

一种多载波调制技术， 由于其可以抵抗频率选择性衰落和多径效应的优点，被认为是高速可见光通信系统的最佳选择。一个已经发展很广的技术。

信道建模（大气湍流模型）

由于我们主要是研究水下可见光通信，对于信道的建模不太了解，因此想着借鉴大气湍流模型作为参考。

• 信道：大气

• 影响：不同的天气状态——雨、雪、雾霾等引起的大气衰减效应。

• 大气湍流效应含义：由空气温度场分布不均匀以及空气压力的波动引起折射率的 变化导致的。

• 常用衰落模型：负指数模型、对数正态模型、Gamma-Gamma模型

负指数模型：通过实验证明，强湍流条件下，光波通过湍流介质时幅度的波动服从瑞利分布，而光强变化服从的统计模型为负指数模型。
对数正态模型：适用于弱湍流条件。
Gamma-Gamma模型：由Andrews等人通过对光闪烁理论的分析，所提出的更精确的数学模型。具体数学过程较为复杂，有兴趣的朋友可以去查查。

这里只是展示一下其形状。

背景干扰

• 背景光：来源于太阳光、月光和各种光。
• 主要影响系统的信噪比。•
• 黑体辐射模型(可描述大多数背景光）
  $\ w(\lambda)= \frac {c^2h} {\lambda^5} [\frac {1}{exp(hc/klT)-1}]\,.$
  其中：c为光数，h为普朗克常数，k为玻尔茨曼常数，T为开尔文温度。
  $\ c=3\times10^8 m/s\,.$
  $\ h=6.62\times10^{-34} J*s\,.$
  $\ k=1.38\times10^{-23} J/K\,.$

滤光片可有效过滤一些背景光。

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