基于先進(jìn)調(diào)制的高速可見光通信技術(shù)

2014-12-13 13:18:23遲楠黃星星王一光

中興通訊技術(shù) 2014年6期

遲楠+黃星星+王一光

中圖分類號(hào)：TN929.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0016-005

摘要：基于發(fā)光二極管（LED）調(diào)制帶寬限制了可見光通信（VLC）系統(tǒng)傳輸速率這一問題，從VLC系統(tǒng)的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)出發(fā)，探討了類平衡-正交頻分復(fù)用、無載波幅相調(diào)制和頻域均衡單載波調(diào)制3種調(diào)制技術(shù)。對(duì)這3種調(diào)制技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，驗(yàn)證了先進(jìn)調(diào)制技術(shù)在提升VLC系統(tǒng)傳輸容量上的可行性。

關(guān)鍵詞：?可見光通信;正交頻分復(fù)用;無載波幅相調(diào)制;頻域均衡單載波調(diào)制;類平衡探測

Abstract：We introduce three formats， based on advanced modulation， that improve transmission. These formats are quasi-balanced detection orthogonal frequency-division multiplexing （OFDM）， carrier-less amplitude and phase modulation， and single carrier-frequency domain equalization （SC-FDE）. We determine the feasibility of these schemes for improving transmission in a VLC system. We analyze the principles of these three modulation formants and provide experimental results.

Keywords：?visible light communication; orthogonal frequency division multiplexing; carrier-less amplitude and phase modulation; single carrier-frequency domain equalization; quasi-balanced detection

可見光發(fā)光二極管（LED）具有高亮度、高可靠性、能量損耗低和壽命長等許多優(yōu)良的特性，可用于全色顯示、交通信號(hào)指示和照明光源等，是公認(rèn)的下一代綠色照明產(chǎn)品。此外，可見光LED還具有調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，利用LED的這種特性，我們還可以將信號(hào)調(diào)制到LED所發(fā)出的可見光上進(jìn)行傳輸。LED可以將照明與數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合起來，促進(jìn)了一種新型的無線通信技術(shù)，即可見光通信（VLC）技術(shù)的發(fā)展[1]。VLC利用的可見光波段是未受到管制的頻譜，無需授權(quán)即可使用。與傳統(tǒng)的射頻無線通信技術(shù)相比，VLC具有如下優(yōu)點(diǎn)[2-4]：

（1）綠色通信，安全環(huán)保，沒有射頻電磁輻射，且LED發(fā)出的白光對(duì)于人眼安全。

（2）能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信與照明。

（3）白光不可穿透墻壁等物體，因此可見光通信具有高度的保密性。

（4）可見光不受射頻信號(hào)的電磁干擾，可以應(yīng)用在電磁敏感環(huán)境中，如機(jī)艙、醫(yī)院等。

（5）由于頻譜無需授權(quán)即可使用，所以可見光通信應(yīng)用靈活，可以單獨(dú)使用，也可以作為射頻無線設(shè)備的有效備份。

目前，VLC得到了全球研究者越來越多的關(guān)注[5-13]。VLC技術(shù)已經(jīng)取得迅猛發(fā)展，傳輸速率從最開始的幾十兆比特每秒[5-6]到500 Mb/s[7]再到800 Mb/s[8]，目前已經(jīng)突破了吉比特每秒[9-10]。隨著與VLC相關(guān)系統(tǒng)器件的開發(fā)，系統(tǒng)通信速率還會(huì)有更高的提升。

但是VLC技術(shù)通信速率的提高也存在著很多限制因素，其中最主要的挑戰(zhàn)是LED有限的調(diào)制帶寬。目前，普通商用白光LED的3 dB調(diào)制帶寬都低于10 MHz，這很大程度上限制了VLC系統(tǒng)的傳輸速率。為突破調(diào)制帶寬這一“瓶頸”，許多技術(shù)都被應(yīng)用到VLC系統(tǒng)，如系統(tǒng)多維復(fù)用技術(shù)[11]、預(yù)均衡技術(shù)[12]、后均衡技術(shù)[13]等等，來提升VLC系統(tǒng)傳輸速率。采用先進(jìn)調(diào)制技術(shù)，是克服可見光通信系統(tǒng)調(diào)制帶寬限制，提升系統(tǒng)傳輸容量的有效方法。在VLC系統(tǒng)中，可以采用的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)包括類平衡探測-正交頻分復(fù)用（OFDM）[14]、無載波幅相調(diào)制（CAP）[15]和頻域均衡單載波調(diào)制技術(shù)（SC-FDE）[16]。本文從提升VLC系統(tǒng)傳輸容量出發(fā)，分析這3種先進(jìn)調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)了高速VLC傳輸系統(tǒng)。通過對(duì)這3種調(diào)制技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，驗(yàn)證了先進(jìn)調(diào)制技術(shù)在提升VLC系統(tǒng)傳輸容量上的可行性。

1 類平衡探測-正交頻分

復(fù)用技術(shù)

類平衡探測-正交頻分復(fù)用技術(shù)（QBD-OFDM）結(jié)合類平衡探測編碼技術(shù)和OFDM技術(shù)[14]。OFDM信號(hào)數(shù)據(jù)被分為多個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊有兩個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)。在相同的數(shù)據(jù)塊，第二個(gè)符號(hào)中的信號(hào)是和第一個(gè)符號(hào)中的信號(hào)在運(yùn)算符號(hào)上是相反的。經(jīng)過理論推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)二階互調(diào)制失真、直流電流、可以完全消除，而且接收機(jī)的靈敏度可以提高3 dB，因此可以提高信噪比。

我們采用QBD-OFDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可達(dá)到2.1 Gb/s實(shí)際物理數(shù)據(jù)速率，并使傳輸距離達(dá)到2.5 m。圖1為所提出的QBD-OFDM實(shí)驗(yàn)的原理。實(shí)驗(yàn)中，QBD-OFDM信號(hào)由任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生，經(jīng)過低通濾波（LPF）、電放大器（EA）和偏置樹（Bias Tee）后調(diào)制到紅綠藍(lán)發(fā)光二極管（RGB-LED）不同顏色的芯片上。經(jīng)過自由空間傳輸后，在接收端由棱鏡聚光后，用濾光片將3個(gè)波長的光分開，最后采用雪崩光電二極管（APD）探測器接收。然后進(jìn)行后端的均衡與解調(diào)算法處理。endprint

結(jié)合波分復(fù)用（WDM）和類平衡探測子載波復(fù)用，很好地利用了多色LED的波分復(fù)用，提供了更多的傳輸信道。利用類平衡探測技術(shù)很好地避免了OFDM提供更多子載波時(shí)的峰均功率比（PAPR）限制，有效提升了多色LED傳輸速度，提高了系統(tǒng)誤碼率（BER）性能，同時(shí)增加了可見光通信的傳輸距離。圖2給出QBD-OFDM技術(shù)和直接探測光正交頻分復(fù)用（DDO-OFDM）技術(shù)的對(duì)比。兩個(gè)子信道帶寬為，Sub1：6.25～56.25 MHz，Sub2：56.25～106.25 MHz。每個(gè)子信道對(duì)應(yīng)的調(diào)制階數(shù)分別為，紅光：256正交幅度調(diào)制（256QAM）和128正交幅度調(diào)制（128QAM），綠光：128QAM和64QAM，藍(lán)光：128QAM和128QAM。因此，紅光、綠光和藍(lán)光的數(shù)據(jù)速率分別為750 Mb/s、650 Mb/s和700 Mb/s，總數(shù)據(jù)速率達(dá)到2.1 Gb/s，實(shí)驗(yàn)距離可以達(dá)到2.5 m。在距離為0.5 m時(shí)，紅綠藍(lán)3色對(duì)應(yīng)的Sub1、Sub2兩個(gè)子信道的BER提升為25.6 dB、31 dB、30.3 dB、25.8 dB、21.8 dB和19.3 dB。當(dāng)可見光通信系統(tǒng)的通信距離增加時(shí)，系統(tǒng)誤碼率會(huì)增加，這是因?yàn)榫嚯x增加導(dǎo)致系統(tǒng)接收到的光信號(hào)減弱，系統(tǒng)信噪比降低，誤碼率增加。繼續(xù)增加距離會(huì)使BER超過前向糾錯(cuò)碼的門限，為使距離增加，就要使系統(tǒng)的傳輸速率降低。藍(lán)光LED采用QBD-OFDM和DDO-OFDM的對(duì)應(yīng)的Sub1、Sub2兩個(gè)子信道的星座圖如圖2（d）的（i）、（ii）、（iii）和（iv）所示。

2 無載波幅相

調(diào)制技術(shù)

無載波幅度相位調(diào)制（CAP）是正交幅度調(diào)制的一個(gè)變種多階編碼調(diào)制技術(shù)，可以使用模擬或數(shù)字濾波器，實(shí)現(xiàn)靈活的子帶劃分和高階調(diào)制，減少了計(jì)算的復(fù)雜性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在數(shù)字用戶線路有著廣泛的應(yīng)用。

無載波幅相調(diào)制信號(hào)可以表示如下：

[st=at?fIt-bt?fQt] ? ?（1）

這里a（t）和b（t）是I路和Q路的原始比特序列經(jīng)過編碼和上采樣之后的信號(hào)。[fIt=gtcos2πfct] 和[fQt=gtsin2πfct]是對(duì)應(yīng)的整形濾波器的時(shí)域函數(shù)，它們形成一對(duì)希爾伯特變換對(duì)。

假設(shè)傳輸信道是理想的，在接收機(jī)端兩個(gè)匹配濾波器的輸出可以表示如下：

這里[mIt=fI-t] 和[mQt=fQ-t]是對(duì)應(yīng)的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)。利用對(duì)應(yīng)的匹配濾波器在接收端就可以解調(diào)出原始信號(hào)。

我們采用了無載波幅相調(diào)制技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)預(yù)均衡與后均衡算，后均衡算法采用改進(jìn)級(jí)聯(lián)多模算法（CMMA），實(shí)現(xiàn)了1.35 Gb/s可見光傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[15]。實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示。

圖4（a）到圖4（c）為采用改進(jìn)CMMA均衡算法所測得BER和距離的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)波長上采用頻分復(fù)用技術(shù)，將不同用戶的信號(hào)分別調(diào)制到3個(gè)子載波上，每個(gè)子載波調(diào)制信號(hào)帶寬為25 MHz，調(diào)制階數(shù)為64QAM，因此每個(gè)子載波的傳輸速率為150 Mb/s，每個(gè)波長的傳輸速率為450 Mb/s。在發(fā)射和接收的距離為30 cm時(shí)，經(jīng)過波分復(fù)用后該系統(tǒng)總的傳輸速率達(dá)到1.35 Gb/s。圖4（d）對(duì)比了CMMA和改進(jìn)CMMA的性能，改進(jìn)CMMA性能要優(yōu)于CMMA，尤其是在第3個(gè)子帶更為明顯。

3 頻域均衡單載波調(diào)制技術(shù)

基于頻域均衡的單載波調(diào)制技術(shù)（SC-FDE）是基于單載波的高頻譜效率調(diào)制技術(shù)，該調(diào)制技術(shù)頻譜效率和OFDM一致，復(fù)雜度一致。可見光通信系統(tǒng)是一個(gè)非線性非常嚴(yán)重的系統(tǒng)，OFDM存在PAPR的缺點(diǎn)，高PAPR對(duì)于可見光系統(tǒng)是一個(gè)非常大的缺點(diǎn)，而SC-FDE相比于OFDM具有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镾C-FDE擁有更小的PAPR，其調(diào)制/解調(diào)原理如圖5所示。SC-FDE調(diào)制技術(shù)和OFDM過程基本一致，但SC-FDE技術(shù)把IFFT變換從系統(tǒng)發(fā)射端移到了系統(tǒng)接收端。

采用SC-FDE技術(shù)，使用RGB-LED波分復(fù)用技術(shù)和高階調(diào)制格式，并在頻域采用預(yù)均衡和后均衡技術(shù)，可以在LED 3 dB帶寬只有10 MHz的條件下取得3.25 Gb/s的速率[16]。如圖6（a）所示。該速率是在發(fā)射和接收距離小于1 cm條件下測得，預(yù)均衡后的帶寬為125 MHz，紅光和綠光都采用512QAM，藍(lán)光則采用256QAM。圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）分別為紅綠藍(lán)3色BER與距離的關(guān)系，并給出了每種顏色光有無預(yù)均衡的性能對(duì)比。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制帶寬低問題，采用先進(jìn)調(diào)制方式，突破帶寬限制，實(shí)現(xiàn)可見光通信系統(tǒng)大容量傳輸。本文分析了類平衡-正交頻分復(fù)用、無載波幅相調(diào)制和頻域均衡單載波調(diào)制技術(shù)。通過對(duì)這3種調(diào)制技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，驗(yàn)證了先進(jìn)調(diào)制技術(shù)在提升VLC系統(tǒng)傳輸容量上的可行性。因此，先進(jìn)調(diào)制格式技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速VLC系統(tǒng)非常重要的途徑。

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