可见光通信（VLC）OOK调制方式误码率（BER）计算与分析

一、OOK调制在VLC中的核心地位

开关键控（On-Off Keying, OOK）是VLC中最基础、最常用的强度调制方式，其原理是通过LED的“开”（对应比特1）和“关”（对应比特0）状态传输数据。OOK的优势在于实现简单、成本低、频谱效率高，尤其适用于低速数据传输场景（如室内定位、设备配对）。然而，VLC信道的非线性（LED特性）、多径干扰（室内反射）、噪声（背景光、电路噪声）等因素会严重影响OOK的BER性能，需通过理论建模与算法优化提升其可靠性。

二、VLC-OOK系统BER计算的理论模型

VLC-OOK系统的BER计算需综合考虑信号传输、信道损伤、噪声干扰三大要素，核心是构建误码概率模型。

1. 系统模型简化

OOK调制的发射信号为：

其中，\(A\)为LED开启时的光强（幅度），\(p(t)\)为脉冲波形（通常为矩形脉冲），\(T_b\)为比特周期。

接收端通过光电二极管（PD）将光信号转换为电信号，经放大、滤波后，通过阈值判决恢复比特：若接收信号幅度大于判决门限 \(V_t\)，则判为1，否则判为0。

2. 噪声与干扰分析

VLC-OOK系统的噪声主要来自三部分：

• 背景光噪声：室内灯光（如荧光灯、LED灯）的直流分量，会抬升接收信号基线，增加误判概率；
• 电路噪声：放大器、滤波器的热噪声（符合高斯分布）；
• LED非线性噪声：LED的伏安特性非线性（如限幅效应）会导致信号失真，产生谐波噪声。

多径干扰是VLC特有的损伤，室内墙壁、地面的反射会导致信号延迟叠加，引起码间干扰（ISI），使判决门限失效。

3. BER计算公式推导

假设噪声为加性高斯白噪声（AWGN），且判决门限 Vt为最佳门限（即最小化误码概率的门限），则OOK的BER可表示为：

其中，\(erfc(⋅)\)为互补误差函数，\(σ_n\)为噪声标准差，\(V_t\)为最佳判决门限（通常为 \(A/2\)，即信号幅度的一半）。

若考虑多径干扰，需通过信道均衡（如判决反馈均衡、线性前馈均衡）抑制ISI，此时BER公式需引入均衡器系数修正：

其中，\(H(f)\)为信道的频率响应，\(∣H(f)∣\)为信道增益。

三、MATLAB实现VLC-OOK系统BER计算

以下是基于MATLAB的VLC-OOK系统BER计算框架，包含信号生成、信道建模、噪声添加、判决检测四大模块。

1. 参数设置

clear all; close all; clc;

% 系统参数
fs = 1e6;          % 采样率 (Hz)
Tb = 1e-6;         % 比特周期 (s)
N_bits = 1e5;      % 传输比特数
A = 1;             % LED开启幅度 (V)
Vt = A/2;          % 最佳判决门限 (V)
sigma_n = 0.1;     % 噪声标准差 (V)

% 多径信道参数（2径，延迟1μs，衰减0.5）
multipath = [1, 0.5; 1e-6, 0.5]; % [延迟 (s), 衰减]

2. 生成OOK信号

% 随机生成二进制比特序列
bits = randi([0,1], 1, N_bits);

% 生成OOK信号（矩形脉冲）
t = 0:1/fs:Tb-1/fs; % 比特周期内的时间向量
s = zeros(1, N_bits*length(t));
for i = 1:N_bits
    if bits(i) == 1
        s((i-1)*length(t)+1:i*length(t)) = A * ones(1, length(t));
    end
end

3. 多径信道模拟

% 初始化接收信号
r = zeros(size(s));

% 添加多径干扰
for i = 1:size(multipath, 1)
    delay_samples = round(multipath(i,1)*fs); % 延迟转换为采样点
    attenuation = multipath(i,2);             % 衰减系数
    r(delay_samples+1:end) = r(delay_samples+1:end) + attenuation * s(1:end-delay_samples);
end

4. 添加噪声

% 添加高斯白噪声
n = sigma_n * randn(size(r));
r_noisy = r + n;

5. 判决检测与BER计算

% 分帧检测（每帧长度为比特周期）
detected_bits = zeros(1, N_bits);
for i = 1:N_bits
    frame = r_noisy((i-1)*length(t)+1:i*length(t));
    avg_amplitude = mean(frame); % 帧平均幅度（积分判决）
    if avg_amplitude > Vt
        detected_bits(i) = 1;
    else
        detected_bits(i) = 0;
    end
end

% 计算BER
ber = sum(bits ~= detected_bits) / N_bits;
fprintf('VLC-OOK系统BER: %.4f\n', ber);

6. 结果可视化

% 绘制发送与接收信号
figure;
subplot(3,1,1);
plot(t, s(1:length(t))); title('发送OOK信号（比特1）'); xlabel('时间 (s)'); ylabel('幅度 (V)');
subplot(3,1,2);
plot(t, r_noisy(1:length(t))); title('接收信号（含多径与噪声）'); xlabel('时间 (s)'); ylabel('幅度 (V)');
subplot(3,1,3);
stem(1:N_bits, bits, 'b', 'filled'); hold on;
stem(1:N_bits, detected_bits, 'r', 'x'); title('原始与检测比特'); xlabel('比特序号'); ylabel('比特值');
legend('原始比特', '检测比特');

参考代码 VLC 功率分布 计算可见光通信OOK调制方式的BER www.youwenfan.com/contentcnq/55140.html

四、BER性能优化

针对VLC-OOK系统的BER瓶颈，现有研究提出以下优化方法：

1. 多径干扰抑制

• 均衡技术：使用判决反馈均衡（DFE）或线性前馈均衡（FFE）抵消ISI，提升判决门限的有效性；
• 预编码技术：通过Vandermonde预编码调整信号频谱，减少多径引起的频率选择性衰落。

2. LED非线性补偿

• 功率回退：降低LED的驱动电流，使其工作在线性区（避免限幅效应）；
• 预失真技术：在发射端添加非线性预失真器，抵消LED的伏安特性非线性，减少谐波噪声。

3. 噪声抑制

• 背景光消除：使用光学滤波器（如带通滤波器）过滤掉背景光（如荧光灯的50Hz分量）；
• 电路优化：采用低噪声放大器（LNA）和锁相放大器（PLL），降低电路噪声的影响。

4. 调制方式改进

• UPSOOK（欠采样相移OOK）：通过相移键控调整OOK的脉冲相位，提升频谱效率，同时降低帧率抖动的影响；
• OFDM-OOK：将OOK与正交频分复用（OFDM）结合，通过多子载波传输数据，提升抗多径干扰能力。

五、应用场景与性能评估

VLC-OOK系统的BER性能需结合应用场景评估：

• 低速场景（如室内定位）：UPSOOK调制结合前向纠错（FEC）可将BER从 10−1降至 10−3，满足定位精度要求；
• 高速场景（如家庭宽带）：OFDM-OOK结合均衡技术可实现 10−6以下的BER，支持百兆比特级数据传输。

六、总结

VLC-OOK系统的BER计算需综合考虑噪声、多径、LED非线性等因素，核心是构建准确的信道模型和判决规则。MATLAB实现需重点关注信号生成、信道模拟、噪声添加三大模块，通过调整参数（如噪声标准差、多径延迟）可验证不同场景下的BER性能。未来，结合深度学习均衡和新型调制方式（如UPSOOK），VLC-OOK系统的BER性能将进一步提升，满足更广泛的通信需求。