基于Matlab可见光通信系统中OOK调制的误码率性能建模与分析

随着无线通信速率需求的不断增长，可见光通信（VLC）因其巨大的带宽潜力、免频谱许可及抗电磁干扰等优势，成为无线接入的有力补充。本文针对采用开关键控（OOK）调制的VLC系统，建立了基于Lambertian辐射模型的信道模型，并综合考虑了光学集中器增益与光电探测器视场角（FOV）等关键参数对系统性能的影响。通过蒙特卡洛仿真方法，本文分析了在不同信噪比（SNR）条件下系统的误码率（BER）性能。结果表明，光学集中器增益和接收角度显著影响系统的误码性能；在合理的FOV设计下，系统能够在高SNR区域实现较低的BER，验证了所建模型的有效性。

作者：张家梁(自研改进)

引言

近年来，移动数据流量的快速增长对无线通信网络提出了前所未有的挑战。传统射频（RF）频谱资源有限，难以满足未来高速率、大容量的传输需求。作为一种新兴的短距离无线通信方式，可见光通信（VLC）利用 380–780 nm 范围的可见光波段进行数据传输，具备频谱资源丰富、安全性高、抗电磁干扰等优势，因而受到广泛关注。

VLC 的典型实现方式是利用发光二极管（LED）作为发射端，通过强度调制/直接检测（IM/DD）方式实现信息传输。在多种调制方式中，开关键控（OOK）因其实现简单和较低复杂度而被广泛应用。然而，VLC 系统的性能不仅取决于调制方式，还受到信道特性和光学参数的显著影响。具体而言，Lambertian 辐射模型能够有效描述 LED 的发射特性；光学集中器增益和光电探测器的视场角（FOV）直接决定了接收信号强度与链路可靠性。

已有研究表明，FOV 的设计存在折衷关系：过大将引入额外噪声和干扰，而过小则限制接收灵敏度。因此，对 VLC 系统在不同 SNR 条件下的误码率（BER）性能进行深入分析，对于链路设计和参数优化具有重要意义。本文通过建立包含 Lambertian 信道和光学增益的系统模型，利用蒙特卡洛方法对 OOK 调制的 BER 性能进行了仿真与评估，旨在为 VLC 系统设计提供参考。

系统架构

1.系统概述
本系统基于 MATLAB 平台，面向室内可见光通信 (Visible Light Communication, VLC) 信道建模与性能分析实验设计，主要实现 在 Lambertian 辐射模型与光学集中器增益约束条件下的 OOK 调制通信系统 BER 性能评估。系统由 参数设置模块、比特生成与调制模块、信道建模模块、噪声叠加模块、检测与判决模块、性能统计模块和结果可视化模块 构成。

参数设置模块：初始化系统关键参数，包括 SNR 范围、比特数、LED 发射半功率角、接收器面积与视场角 (FOV)、光学集中器折射率及增益，为仿真运行提供全局配置。
比特生成与调制模块：产生随机二进制比特流，并采用 OOK 调制映射为发射符号，表示“0”不发光，“1”发光，实现光学链路的数字基带输入。
信道建模模块：对 VLC 链路进行建模，包括几何增益（Lambertian 辐射模型 + 接收器面积 + 光学集中器增益）、接收角度影响 (FOV 限制)，共同决定信号传播过程中的功率衰减。
噪声叠加模块：在接收端信号上加入符合设定 SNR 的加性高斯白噪声 (AWGN)，模拟真实光电接收器中的噪声环境。
检测与判决模块：对接收信号进行零强迫均衡 (ZF) 处理，并通过阈值判决将接收信号判定为比特“0”或“1”，实现信息恢复。
性能统计模块：对比发送比特与接收比特，统计误比特数并计算对应的 BER 值，在多次重复仿真后得到平均误码率。
结果可视化模块：绘制 BER–SNR 曲线，以半对数形式直观展示系统在不同信噪比条件下的误码性能。

系统设计目标是实现一个 完整、可复现、可扩展的室内 VLC 链路仿真平台，既能用于学术研究与通信性能对比，也可作为可见光通信教学与工程应用的实验基础工具。
2.系统流程图

研究方法

本文基于 MATLAB 平台，采用 OOK 调制、Lambertian 信道建模与 AWGN 噪声叠加方法，对可见光通信系统的 BER 性能进行了建模与仿真分析。

实验结果

实验结果表明：在 Gamma-Gamma 湍流信道下，水下可见光通信系统的 BER 随 SNR 增加而显著下降，并在约 45 dB 后快速进入低误码区间。
表 1 THz 通信系统 BER 实验结果

由表 1 可见，BER 随 SNR 的提升呈现出典型的指数下降趋势，在高于 50 dB 时系统已接近无误码传输，验证了 THz 通信链路在高信噪比条件下的可靠性。

表 2 VLC 系统 BER 实验结果（OOK 调制）

由表 2 可见，随着 SNR 的提高，系统 BER 呈现指数下降趋势；当 SNR 接近 30 dB 时，BER 已低于10-4，表明系统在高信噪比条件下能够实现可靠传输。

运行THz_main.m
图 1 BER 随 SNR 的变化曲线
Figure 1. Bit Error Rate (BER) versus Signal-to-Noise Ratio (SNR).

分析：随着 SNR 的提升，系统 BER 呈指数级下降，在高 SNR 区域趋近于零，验证了 OOK 调制在 AWGN 信道下的理论特性。
运行VLC_main.m
图 1 OOK 调制可见光通信系统的 BER–SNR 曲线
Figure 1. BER versus SNR for OOK-modulated VLC system.

分析：随着 SNR 的提升，系统 BER 由高位饱和迅速下降，在约 30 dB 时已低于10-4，表明链路在高信噪比下具备可靠通信能力。

系统实现

本系统完全基于MATLAB平台开发，主要集成以下脚本与模块：

研究结论

本文基于 MATLAB 平台构建了可见光通信 (VLC) 与太赫兹 (THz) 通信系统的链路模型，采用 OOK 与 BPSK 调制方式，分别在 Lambertian 辐射信道与自由空间/吸收衰落信道条件下对系统的 BER 性能进行了建模与仿真。实验结果表明，两类系统的 BER 均随 SNR 提升呈现指数级下降趋势，其中 VLC 系统在约 30 dB 时即可实现10-4以下的 BER，表现出良好的误码性能，而 THz 系统在 50 dB 以上时可实现接近无误码传输，展现出高信噪比下的可靠性。整体结果与理论分析一致，验证了所建模型与仿真方法的有效性，并为未来可见光与太赫兹通信链路的设计与优化提供了参考。

实验环境

硬件配置如表：实验所用硬件平台为惠普（HP）暗影精灵10台式机整机，运行 Windows 11 64 位操作系统，作为模型训练与测试的主要计算平台，能够良好支持Matlab的开发需求。

官方声明

实验环境真实性与合规性声明：
本研究所使用的硬件与软件环境均为真实可复现的配置，未采用虚构实验平台或虚拟模拟环境。实验平台为作者自主购买的惠普（HP）暗影精灵 10 台式整机，具体硬件参数详见表。软件环境涵盖操作系统、开发工具、深度学习框架、MATLAB工具等，具体配置详见表，所有软件组件均来源于官方渠道或开源社区，并按照其许可协议合法安装与使用。

研究过程中严格遵循学术诚信和实验可复现性要求，确保所有实验数据、训练过程与结果均可在相同环境下被重复验证，符合科研规范与工程实践标准。

版权声明：
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