基于CSK調制的可見光通信系統的盲檢測算法研究

2014-12-13 00:46:28賈林瓊王俊波陳明

中興通訊技術 2014年6期

賈林瓊+王俊波+陳明

中圖分類號：TN929.1 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0021-004

摘要：基于IEEE 802.15.7標準中色移鍵控（CSK）調制通信系統的檢測方案，利用CSK調制的特性，提出了一種新的盲檢測算法。該盲檢測算法，利用CSK調制信號的性質在沒有信道信息的情況下也可以對CSK信號進行解調，省略了信道估計模塊，簡化了系統。仿真發現，這種盲檢測算法具有較好的誤碼率性能。

關鍵詞：可見光通信;色移鍵控;盲檢測方案

Abstract：? Color shift keying （CSK） is a modulation scheme proposed in IEEE 802.15.7. CSK is applicable to visible light communication systems with RGB LEDs. We propose a novel blind detection algorithm based on CSK modulation. This algorithm can demodulate a CSK signal by using the properties of CSK modulated signals in the absence of channel information. Simulation results show that the blind detection algorithm simplifies the system module and has better bit error rate performance.

Keywords：visible light communication; color shift keying; blind detection scheme

通信系統對信息傳輸速率的要求的提高與日益緊張的無線電頻譜資源之間的矛盾使可見光通信成為未來室內通信的必然發展趨勢?？梢姽馔ㄐ畔到y最初是由日本KEIO大學的Nakagawasu所領導的課題組于2000年提出的，2003年他們成立了可見光通信協會（VLCC）[1-2]。在可見光通信系統中，信號源發光二極管（LED）燈分為兩種，一種是黃磷激發發出白光的LED燈，另外一種是由紅綠藍3原色合成的白光LED燈，簡稱RGB LED[3]。文獻[6-9]中介紹了可應用于白光LED通信系統的不同調制方式。針對RGB LED通信系統，IEEE標準提出了一種調制方案——色移鍵控（CSK）調制。IEEE 802.15.7中詳細介紹了CSK調制的系統模型、通信原理、星座點設計等內容[4]，但是該標準并沒有對CSK調制系統的檢測方案做詳細研究。在CSK的星座點優化與系統設計等相關文獻[12-14]中，檢測方案都假設為最大似然檢測。此外，IEEE 802.15.7標準指出，CSK調制系統中需要信道估計模塊，用來估計系統增益與多顏色信道之間的干擾。本文提出了的盲檢測算法，利用CSK調制信號的性質在沒有信道信息的情況下也可以對CSK信號進行解調，簡化了通信系統。

需要說明的一點是，IEEE標準中提出的CSK調制方案并不僅限于紅綠藍（RGB）3種顏色，滿足約束條件的3色LED都可以用于CSK調制。目前市場中最常見的3色LED燈是RGB LED燈，因此，本文中的系統模型以及調制解調算法都是以RGB LED為例說明的。

1 系統模型

IEEE標準中CSK系統的系統模型如圖1所示。

設色移鍵控CSK調制階數為[M]，M-CSK調制的星座點集合為[A]，[A={s1，s2，…，sM}]。[A]中的每個符號都是一個向量[si=（pr，pg，pb）]，[pr，pg，pb]分別代表了紅綠藍3色LED燈發光功率。設[P]為發送端的總平均發送功率。此外，紅綠藍3色 LED的各自的平均功率設為[pC，pC，pC]，表示合成光的顏色為白光。

由于可見光通信系統兼具有照明和通信兩項功能，因此在在進行數據傳輸的同時需要保證該系統的照明功能。RGB LED做光源的通信系統要保證正常的通信功能需要滿足3個條件[3]：

（1）沒有閃爍

（2）光源的發光強度穩定

（3）光源的色彩穩定（一般希望光源保持在白光）

首先，通常人眼能感覺到的光源的閃爍頻率[F]通常小于200 Hz [3]，設可見光通信的符號周期為[Ts]，一般情況下[1Ts?F]，因此，人眼一般是不會到閃爍的。

其次，為使光源的發光強度保持穩定，CSK調制信號需要滿足條件：

[pr+pg+pb=P] ? ?（1）

即任意時刻RGB LED的總功率的保持為[P]。最后，為了保證光源的色彩穩定性，CSK調制信號需要滿足條件：

[1Mi=1Msi=（pC，pC，pC）] ? ?（2）

將CSK調制系統的信道建模為：

[H=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，b] ? ?（3）

信道H中的元素[hij]表示[i]色光檢測器與[j]色光源之間的關系。設紅綠藍RGB 3色光檢測器的噪聲為獨立同分布的零均值高斯白噪聲，即[nr，ng，nb～N（0，σ2）]，噪聲向量用[n=（nr，ng，nb）]表示。則接收信號可以表示為：

[r=（rr，rg，rb）=Hsi+n] ? ?（4）

其展開形式可以表示為：

[rrrgrb=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，bprpgpb+nrngnb] ?（5）

2 標準中的檢測算法

IEEE802.15.7標準中，假設信道矩陣H可以通過信道估計模塊估計出來且假設信道估計無誤差，那么在接收端進行解調之前，先對接收信號r進行信道校準，即：

[r=H-1r=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，b-1rrrgrb] ?（6）

然后用校準后的數據[r]進行解調。CSK信號解調算法為最小距離檢測算法，即將與[r]歐幾里得距離最近的星座點作為發送信號的估計。

[s=argmaxsi∈Ar-si] ? ?（7）

3 盲檢測算法

本章首先討論色移鍵控系統的信道H的性質，然后根據信道性質確定相應的盲檢測算法。

3.1 信道模型

假設可見光信號的直流增益[H（0）]（光功率衰落）在整個可將光光譜頻段平坦，具體算法見文獻[1]。CSK調制系統用紅（r），綠（g），藍（b）3種不同顏色（波長）的光信號傳輸信息，假設信道是理想的（紅-綠-藍3色信道是正交的），那么信道可以H表示為：

[H=H（0）100010001] ? ?（8）

但是，在實際通信系統中，由于光源的發射光譜與對應光接收器中濾光片的透光率不完全匹配，光檢測器可能檢測到其他光源發出的部分干擾信號，因此，不同顏色的信道之間存在干擾。

假設CSK通信系統的紅綠藍3色LED發光頻譜與紅綠藍3色光檢測器端的濾光片的透光率如圖2所示，圖中實線分別表示紅綠藍3色LED發射光的光譜[Sr（λ），Sg（λ），Sb（λ）]，即LED在不同的波長下的光強度分布。發射光譜將光源光譜的峰值設為1（即歸一化處理）。光檢測器部分的紅綠藍3色濾光片的透光率分別用[Rr（λ），Rg（λ），Rb（λ）]表示，透光率表示對于不同波長的光可通過濾光片的比例，因此透光率都是小于1的實數。

定義RGB 3色信道的關系矩陣[HI]為：

[HI=h′r，rh′r，gh′r，bh′g，rh′g，gh′g，bh′b，rh′b，gh′b，b] ? ?（9）

[h′i，j]表示濾光片顏色為[i]的光檢測器與顏色為[j]的光源之間的關系。[h′i，j]可以通過濾光片和光源的光譜特性粗略估計出來，如：

[h′i，j=Si（λ）Rj（λ）dλSi（λ）dλ] ? ?（10）

綜上，CSK調制的可見光通信系統的信道矩陣可以表示為：

[H=H（0）HI] ? ?（11）

需要說明的是，紅綠藍（RGB）LED和紅綠藍（RGB）濾光片的光譜特性主要由制造工藝與材料決定，其次還會隨溫度變化和使用時間的增長而浮動。因此在IEEE標準中，需要對信道矩陣進行估計。

3.2 理想信道中的盲檢測算法

當CSK調制的可見光通信系統的信道矩陣為理想矩陣時，利用CSK調制信號的性質可以對接收信號進行盲檢測。接收端的檢測信號為[r=（rr，rg，rb）]，那么接收信號的相對值可以表示為[r*=（r*r，r*g，r*b）]，其中：

[r*r=rrrr+rg+rbr*g=rgrr+rg+rbr*b=rbrr+rg+rb]

利用接收信號的相對值[r*=（r*r，r*g，r*b）]作為最小距離檢測器的輸入。檢測結果為：

[s=argmaxsi∈Ar*-siP] ? ?（12）

其中，[siP]是在接收端已知的先驗知識。

IEEE 802.15.7標準中的CSK調制系統需要對信道[H]估計，因此該通信系統中需要設計信道估計模塊，傳輸信號中需要插入信道估計序列，這使得系統復雜度提高，信息傳輸速率降低。

因此，當CSK的3色信道接近正交時，采用盲檢測算法可以降系統的復雜度并提高信息傳輸速率。

3.3 非理想信道的盲檢測算法

對于非理想信道，即多色信道之間的干擾較大時，可以根據紅綠藍LED光源和紅綠藍3色濾光片的光譜性能估計信道關系矩陣[HI]，設估計值為[HI]，然后用[HI]來補償多色信道的干擾。補償方法同。

[r=H-1Ir*] ? ?（13）

利用補償過的信號相對值[r]作為信號檢測器的輸入：

[s=argmaxsi∈Ar-siP] ? ?（14）

其中，紅綠藍LED光源和紅綠藍3色濾光片的光譜性能是CSK系統的硬件參數。信道關系矩陣的估計值[HI]是固定值，而真實的[HI]是雖時間變化的，4中的仿真研究了經過[HI]補償的檢測算法的性能。

4 仿真結果

下面給出4、8、16階CSK調制信號在不同的檢測算法下的誤碼性能曲線。

首先，當信道矩陣可以表示為時（即紅綠藍3色信道正交且等價），4、8、16階的CSK調制信號分別用標準中檢測算法和3.2中提出的盲檢測算法解調時的誤碼率曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，盲檢測算法的性能略次于標準檢測算法的性能（2 dB左右）。但盲檢測算法可以簡化系統并省略信道估計序列。另外由于光通信系統中的光信噪比（OSNR）通常比較高，盲檢測算法可以滿足誤碼率的要求。因此，盲檢測算法有一定的優勢。

下面的仿真結果對比了非理想信道下的標準檢測算法、3.2節中的盲檢測算法和3.3節中提出的有信道關系矩陣[HI]做補償的盲檢測算法的誤碼率性能。假設對于非理想信道（3色信道不均衡且存在干擾），信道關系矩陣[HI]的估計值[HI]為：

[HI=10000.80.1500.150.8] ? ?（15）

在仿真中假設信道關系矩陣的真實值[Hr]與估計值[HI]的每個元素之間的誤差服從[（-0.5，0.5）]的均勻分布。仿真結果見圖4。

由圖4可以看出，有信道關系矩陣（CRM）做補償的盲信道檢測算法雖然沒有IEEE標準中原始的檢測算法性能好，但是比3.2節中沒有補償的盲信道檢測算法性能提高很多。

5 結束語

本文提出了理想信道中CSK調制信號的可見光通信系統的盲檢測算法，簡化了系統復雜度，提高了信息傳輸速率。另外本文對非理想信道進行建模并提出了信道關系矩陣的概念，在信道非理想的情況用信道關系矩陣對接收信號進行補償，然后再進行盲檢測。仿真結果說明，理想信道下CSK盲檢測算法的性能大約比非盲檢測差2 dB。非理想信道下，用信道關系矩陣進行補償后的盲檢測算法性能有了很大的提高。

因此，當可見光通信系統采用CSK調制時，如果LED光源與光檢測器的濾光片性能較好，CSK信號的3色信道接近正交，那么完全可以用盲檢測算法取代標準檢測算法;如果LED光源與光檢測器的濾光片性能一般，那么可以計算信道關系矩陣，在接收端對接收信號進行補償，然后再做盲檢測。

參考文獻

[1] AKANEGAWA M， TANAKA Y， NAKAGAWA M. Basic study on traffic information system using LED traffic lights [J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2001，2（4）： 197-203.

[2] TOSHIHIKO K. Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System using LED Lights [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2004，50（1）：20-28.

[3] RAJAGOPAL S， ROBERTS R， LIM S K. IEEE 802.15.7 visible light communication： modulation schemes and dimming support [J]. IEEE Communications Magazine， 2012，50（2）： 72-82.

[4] ASSOCIATION I S. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks-Part 15.7： Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light [S]. IEEE， 2011.

[5] QUINTANA C， GUERRA V， RUFO J， RABADAN J， PEREZ-JIMENEZ R. Reading lamp-based visible light communication system for in-flight entertainment [J]. IEEE Trans. Consum. Electron.， 2013，59（1）： 31-37.

[6] LEE K. Modulations for visible light communications with dimming control [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.， 2011，23（16）： 1136-1138. doi：10.1109/LPT.2011.2157676.

[7] NTOGARI G， KAMALAKIS T， WALEWSKI J W， SPHICOPOULOS T. Combining illumination dimming based on pulse-width modulation with visible-light communications based on discrete multitone [J]. IEEE J. Opt. Commun. Netw.， 2011，3（1）： 56-65.

[8] WU F M. 1.1 Gb/s white-LED-based visible light communication employing carrier-less amplitude and phase modulation [J]. IEEE Photon.Technol. Lett.， 2012，24（19）： 1730-1732.

[9] NEOKOSMIDIS I， KAMALAKIS T， WALEWSKI J W， INAN B. Sphicopoulos T. Impact of nonlinear LED transfer function on discrete multitone modulation： Analytical approach [J]. Lightw. Technol.， 2009，27（22）： 4970-4978.

[10] ARNON S. The effect of clock jitter in visible light communication applications [J]. Lightw. Technol.， 2012，30（21）： 3434-3439.

[11] DING J P. Evolutionary algorithm-based optimisation of the signal-to-noise ratio for indoor visible-light communication utilizing white light-emitting diode [J]. IET Optoelectron.， 2012，6（6）： 307-317. doi： 10.1049/iet-opt.2012.0044.

[12] COSSU G， KHALID A M， CHOUDHURY P， CORSINI R， CIARAMELLA E. Long distance indoor high speed visible light communication system based on RGB LEDs[C]//Proceedings of the Asia Commun.Photon. Conf.， 2012：1-3.

[13] DROST R J， SADLER B M. Constellation design for color-shift keying using billiards algorithms[C]//Proceedings of the IEEE GLOBECOM Workshops， 2010： 980-984.

[14] MONTERIRO E， HRANILOVIC S. Constellation design for color-shift keying using interior point methods[C]//Proceedings of the IEEE GLOBECOM Workshops， 2012：1224-1228.