可見光通信中的無載波位相調制技術

吳 楠 王旭東 姚凱莉 蓋新東 何榮希

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可見光通信中的無載波位相調制技術

吳 楠 王旭東*姚凱莉 蓋新東 何榮希

(大連海事大學信息科學技術學院 大連 116026)

為了保證可見光通信(VLC)系統能夠為智能終端提供高速率、低能耗的數據傳輸服務。該文基于脈沖位置調制(PPM)技術，提出了一種新型的無載波位相(CPP)調制技術，即通過運用正交濾波器提高了PPM的傳輸速率。而針對采用CPP調制在VLC系統中功率效率顯著降低的問題，提出了全新的時變偏置有效地降低了系統的功耗。最后仿真結果表明，采用時變偏置的CPP系統同采用直流偏置相比，在獲得相同BER性能且帶寬受限的情況下可以節省2 dB的信噪比。而同時考慮信號時隙之間的相關性，時變偏置可以進一步提升約1.5 dB的BER性能。

可見光通信；脈沖位置調制；無載波位相；時變偏置

1 引言

在移動智能終端和移動多媒體應用大量涌現的背景下，如何保證智能設備永遠在線以及如何保證數據高速、可靠地傳輸就成為了設計通信系統必須要考慮的問題。而現有的射頻通信因頻譜資源有限等弊端已經不能為各類多媒體應用提供高速的數據通道。另一方面，在過去的幾年中，白光LED燈因其能源效率高、壽命長、成本低、顏色多樣和環保等多方面優勢正大規模取代傳統的白熾燈和節能燈在各種場所提供照明[1]。而在照明之外，我們可以改變LED的瞬時發光強度來傳輸信息，而人眼并不能感受到這種發光強度的變化[2]。這就意味著發光LED在提供照明的同時也可以承擔起數據傳輸的角色。其次，可見光頻譜擁有THz的帶寬，這是射頻頻譜(30 GHz以下)的1萬倍[3]，這無疑為更高速率的數據傳輸提供了更高的設計自由度。總而言之，無處不在的LED基礎設施和其與生俱來的豐富的可見光頻譜資源讓可見光通信(VLC)系統成為高速數據傳輸極具吸引力和競爭力的解決方案。

實際上，可見光通信作為射頻通信的有效補充方案正在蓬勃發展[4]。目前，VLC系統常用的調制方式“強度調制/直接檢測”(IM/DD)[5,6]是將調制電信號直接加載到光的強度上。而光強的特性決定了待傳輸的電信號也必須是正的實數。也就是說，在可見光系統中信號脈沖成形選擇問題上，矩形成型的脈沖位置調制(Pulse Position Modulation, PPM)則具有得天獨厚的優勢。同時，因PPM單個符號內能量能夠完全集中在一個脈沖上，通信系統可以獲得較高的功率效率，但PPM的頻譜效率并不高，當帶寬一定時其傳輸速率卻受到限制[7]。而為了提升PPM的頻譜效率，一系列改進的脈沖調制相繼產生[8]。第1 類方案通過減少時隙數目來拓展脈沖間隔以降低系統所需帶寬，從而獲得頻譜效率的提升[9,10]。另一類方案是依靠增加系統的傳輸維度，將信息加載到不同維度上以增加單位時間傳遞的信息量[11,12]。然而上述方式卻無法避免地犧牲了原PPM的高功率效率優勢。

本文為了提升PPM的傳輸速率，在PPM調制中引入已在實驗室環境下實現高達8 Gb/s的數據傳輸的無載波幅相(CAP)調制技術[13]，提出了新型的(Carrier-less Position/Phase, CPP)調制方案，即通過運用CAP調制中的兩個相互正交的濾波器獲得了雙路正交PPM信號，提高了PPM的頻譜效率。然而正交濾波成型將使得CPP信號出現雙極性的問題。目前，在解決脈沖成型過程中導致信號出現雙極性的問題上，文獻[14]通過在直流偏置中引入單一周期余弦信號(實際偏置為余弦信號和直流偏置的疊加)降低了系統所需的直流偏置大小，進而獲得了比文獻[15]采用直流偏置更高的功率效率。受此啟發，本文所提出的時變偏置是通過利用傅里葉級數擬合CPP信號的下界而得到的。并利用時隙相關性構造出了具有更低能耗的偏置信號。仿真結果表明，相比于PPM, CPP調制能夠獲得加倍的傳輸速率。同時，在CPP中采用時變偏置可以有效地提高VLC系統的功率效率。

2 無載波位相調制系統

2.1 脈沖位置調制(PPM)

倘若b為PPM信號平均每比特的符號間隔，那么脈沖的寬度sl則為b/，進一步可以獲得PPM的頻譜效率，即

(1)

其中，b為系統傳輸速率，為PPM信號的帶寬。

具體地，圖1為4-PPM信號的時域波形圖，4種不同的PPM符號依據兩比特信息流來映射為不同的時隙序列“1 0 0 0”，“0 1 0 0”，“0 0 1 0”，“0 0 0 1”，同時脈沖出現在時隙序列值為1的位置。而脈沖的寬度sl為b/2，光脈沖的強度為2avg，其中avg為平均光功率。

由式(1)可以發現， PPM的頻譜效率并不高，并隨著調制階數的增加而降低，這將限制PPM的傳輸速率。

2.2 無載波位相(CPP)系統模型

CPP是為了改善PPM的頻譜效率而提出的用正交脈沖成型取代原PPM中采用矩形脈沖成型PPM時隙序列的調制方案。

CPP調制的系統框圖如圖2所示。首先，兩路原始的比特流經過串并變換轉換為進制比特流{=1,2,,}和{=1,2,,}。然后，PPM編碼器將輸入的兩路比特流映射成PPM時隙序列I和Q，時隙序列I和Q分別經過相位差為的同相濾波器I()和正交濾波器Q()進行脈沖成型，就得到了相互正交的信號I()和Q()。I()和Q()進入減法器同時引入偏置信號就可以驅動LED發光以獲得調制階數為2的強度時刻變化的CPP光信號。其數學表達式為

圖2 CPP系統框圖

其中，I()和Q()為兩路PPM序列I和Q的幅值，sl為對應的時間隔，并且I()和Q()的表達式為

(4)

(6)

同時利用濾波器I()和Q()來進行匹配濾波進而得到和，其表達式分別為

(8)

為了驗證系統的有效性，即兩路PPM信號能夠得到正確的分離。圖3為16-CPP信號的發送端時域波形圖，其中假設I支路對應的時隙序列I=“1 0 0 0”，Q支路對應的時隙序列Q=“0 1 0 0”。并且濾波器單個周期sl內的點數取為20，滾降系數為1。如圖3所示，圖3(a)為經過濾波器成型后的信號I()和Q()。圖3(b)為合成的16-CPP信號(未引入偏置信號，將在下一節對偏置信號進行介紹)。圖4(a)為經過接收濾波器I()后的I支路信號時域波形圖，圖4(b)為經過接收濾波器Q()后的Q支路信號時域波形圖。然后，通過對圖4(a)和圖4(b)中的和信號每隔時間sl(對應圖中橫軸的0, 1, 2, 3)進行采樣判決，可以恢復出I支路PPM時隙序列為“1 0 0 0”，Q支路的時隙序列為“0 1 0 0”。

圖3 16-CPP信號的發送端時域波形圖

圖4 16-CPP信號的接收端時域波形圖

3 偏置信號

3.1 問題描述

VLC中的強度調制(IM)是在發送端將電信號加載到LED的光強度上，依靠光的強度的快速變化來傳遞信息。圖5為IM原理，LED的發光功率同輸入電流工作在線性區域。而直接檢測(DD)是指在接收端用光電二極管直接檢測光信號，恢復出發送端的電信號。采用IM/DD方案的VLC系統中的信息既然是由LED的發光強度攜帶的，那么發光強度理應是正的實數，這也是VLC和射頻通信的主要區別。

圖6給出了兩路4-PPM隨機信號疊加產生的16-CPP信號的時域波形圖。由圖6可以看到CPP信號雖然是實數，但由于脈沖成型選用的濾波器有負數的分量因而信號并非完全實正。在VLC中解決此問題的最簡單的方法為引入直流偏置。然而，最理想的偏置形式應該是和信號負數部分完全匹配的完美補償。為了更直觀地衡量直流偏置和理論極限之間的差距，圖中陰影部分給出了直流偏置引入的多余能量。這種過量的信號補償會使得系統的功率效率急劇下降。而為了能夠維持CPP系統本身的高功率效率，本文設計了一種更高效的偏置。

圖5 光強度調制原理??????????????圖6 16-CPP信號及直流偏置波形圖

3.2 CPP信號下界

若能夠找到信號的下界，并根據信號的下界來構造偏置信號，使得偏置形式更接近完美補償就可以降低引入直流偏置導致的系統不必要的能量損耗。

其中，()=min(I(0)I()Q(0)Q())。由于I(0)和Q(0)時隙值取自集合{0,1}。因此，進一步，可以表示為()=min(0,I(),Q(),I()Q())。并且CPP信號的下界1()為周期sl的信號。

更進一步，式(10)得到的下界并沒有考慮PPM信號時隙之間的相關性。若利用這種相關性即每個-PPM符號中，某一時隙位置出現光脈沖，其余個時隙的幅值必為0，則下界可以進一步逼近CPP信號。具體地，以由兩路2-PPM信號疊加而組成的4-CPP信號為例，聯合2個時隙考慮得到單個4-CPP符號的4種可能形式如表1所示。表中I和Q分別代表長度為2的I, Q兩路PPM時隙序列，并將相鄰兩個時隙用時隙對(,)表示，其中為第1個時隙的幅值，為第2個時隙的幅值。I和Q分別經過脈沖成型并經過減法器就可以得到單個4-CPP符號的4種可能形式，如表1中最后一列所示。進而由表1可以確定4-CPP信號的優化下界為

(12)

而對于由兩路-PPM信號組成的2-CPP信號，最大可以利用個時隙的相關性來得到周期為sl的優化下界。

表1 單個4-CPP符號的4種信號組合形式

3.3 偏置信號的擬合

上述討論得到的CPP信號的下界均是周期信號。那么，假設下界的表達式為，則與此對應的偏置信號則可以用傅里葉級數展開為

(14)

其中，bo為下界的周期。

倘若信號的帶寬受限，式(13)中最大的諧波頻率則不應超過信號的帶寬。具體地，對于由-PPM組成的CPP系統，由于系統帶寬為/sl，那么式(13)中的諧波次數應滿足：

而優化下界的角頻率為

(16)

4 性能仿真與結果分析

本節將對CPP信號下界的正確性進行驗證。同時通過Monte Carlo對CPP調制進行誤比特率性能仿真以驗證系統的可行性即CPP可以獲得PPM加倍的傳輸速率。并且針對于信號的正數化，將比較采用時變偏置(并考慮帶寬受限以及帶寬不限情況)和直流偏置的CPP系統的誤比特率性能，以驗證時變偏置提高功率效率的有效性。

采用IM/DD的可見光信道由于接收端采用的光電檢測器表面積遠遠大于信號的波長，固有的空間分集有效避免了接收信號的幅度衰落。然而，當傳輸速率較高時，多徑的影響會產生碼間串擾。碼間串擾可以通過經典的均衡算法有效解決。針對“室內”短距離可見光信道，通常單抽頭的橫向濾波器的性能就可以滿足Gbps級別的傳輸要求[17,19]。綜上所述，本文對可見光信道可以用AWGN進行建模，并且假設用均衡器去除碼間串擾的影響，同時仿真將統一設定濾波器的滾降系數= 1。

圖7給出了兩路4-PPM隨機信號疊加產生的16-CPP信號的下界。由圖6可以得到：無論是否利用CPP信號的相關性，隨機產生的兩組未引入偏置的16-CPP信號和均在下界之上。這意味著按照兩種下界構造的周期時變偏置可以正數化任意隨機信號以得到滿足VLC需求的光信號。當未利用相關性時，兩種信號的下界周期均為sl。而當利用相關性時，對于16-CPP信號，將4-PPM信號的4個時隙聯合優化可以得到周期為4sl的下界。利用相關性得到的下界的確更接近原信號。優化的偏置可以節省發送光信號的能量如圖中陰影區域所示。

圖8為AWGN信道下采用軟判決方式的2-PPM, 4-PPM和未正數化的4-CPP, 16-CPP的誤比特率仿真曲線。由圖8可以得到：由兩路傳輸速率為500 kbit/s (1 Mbit/s)的2-PPM/4-PPM信號疊加形成的4-CPP/16-CPP信號，可以將系統的傳輸速率提升為1 Mbit/s (2 Mbit/s)。同時，任意調制階數以及傳輸速率下的CPP系統的BER曲線均同單路PPM系統的BER曲線相重合，這正是由于濾波器的完全正交使信號正確分離。因此若不考慮信號的正數化問題，即在RF信道下，CPP系統具有和PPM系統相同的高功率效率特性。

圖9為應用于VLC的光16-CPP系統的誤比特率仿真結果，其中在信噪比的計算上，信號的能量來源于偏置的能量和原雙極性信號能量兩部分。對于圖9的時隙寬度的CPP系統，帶限的偏置信號的最大頻率為2 MHz。未利用時隙相關性的偏置信號的基頻為，利用時隙相關性的偏置信號的基頻為250 kHz。由于補償的偏置信號的能量不同將導致光CPP系統的誤碼性能不同。根據圖9可以得到當誤碼率為時不同偏置形式需要的信噪比，如表2所示。具體地如，針對VLC的16-CPP系統在完美補償的情況下，相對于RF信道下的CPP系統，在獲得相同BER情況下，將損失約1.5 dB的信噪比。引入直流偏置的16-CPP可見光系統相比于RF信道下的16-CPP系統犧牲了約9 dB的BER性能。若引入本節提出的時變偏置且未考慮時隙相關性，在帶寬未受限情況下，光CPP系統的BER性能較直流偏置好約3 dB。而當傳輸帶寬受限時，引入時變偏置的CPP系統的BER性能比直流偏置好約2 dB。若采用時變偏置且利用CPP系統時隙相關性(本例相關長度為4)，在帶寬未受限情況下，光CPP性能較采用直流偏置的系統好約4 dB。而帶寬受限時，較采用直流偏置的系統相比好約3.5 dB。當調整時隙寬度改變系統的傳輸速率時，由于偏置信號的能量在光信號中的占比是固定的，使得速率改變后的BER性能和上述結果相同。傳輸速率對時變偏置算法的性能不產生影響。

表2 誤比特率為時，不同偏置的光16-CPP系統需要的信噪比(dB)

RF2.5 完美偏置 4.0 直流偏置11.5 時變偏置(帶寬不限，未利用相關性) 8.5 時變偏置(帶寬受限，未利用相關性) 9.5 時變偏置(帶寬不限，利用相關性) 7.5 時變偏置(帶寬受限，利用相關性) 8.0

5 結論

針對PPM速率受限的問題，本文提出的CPP調制能夠使系統獲得翻倍的吞吐量。而將其應用到VLC中，通過利用時變偏置可以獲得比直流偏置更好的BER性能，進而保持PPM系統本身的高功率效率優勢。綜上所述，CPP調制的確可以應用到具有高吞吐量、高功率效率的VLC系統中，從而為不同的業務提供更高速率、更低能耗的服務。

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Carrier-less Position/Phase Modulation for Visible Light Communications

WU Nan WANG Xudong YAO Kaili GAI Xindong HE Rongxi

(,,116026,)

In order to guarantee that Visible Light Communication (VLC) can provide both high-speed and lowenergy consumption data transmission services. A modulation named by Carrier-less Position/Phase (CPP) based on Pulse Position Modulation (PPM) is proposed. By utilizing the orthogonal filters, the transmission rate of the PPM is improved.According to that employing CPP modulation in VLC makes power efficiency significantly reduced, a novel variable bias is presented as an effort to reduce the power consumption effectively. Finally, the simulation results illustrate that applying the proposed variable bias to CPP scheme, compared to DC bias, the new scheme can save 2 dB of SNR to obtain the same BER performance under the bandwidth constrained conditions. After further considering slots’ correlation, the variable bias can further improve the BER performance by 1.5 dB.

Visible Light Communications (VLC); Pulse Position Modulation (PPM); Carrier-less Position/Phase (CPP); Variable bias

TN929.1

A

1009-5896(2017)02-0360-07

10.11999/JEIT160343

2016-04-11；改回日期：2016-08-29；

2016-10-21

王旭東 wxd@dlmu.edu.cn

國家自然科學基金(61371091)

The National Natural Science Foundation of China (61371091)

吳 楠： 男，1979 年生，博士，副教授，主要研究方向為現代移動無線通信系統、可見光通信系統、包括 MIMO、OFDM、信道編碼、協作通信、自組織網絡等.

王旭東： 男，1967年生，博士，教授，主要研究方向為MIMO無線通信、空間調制、光無線通信.

姚凱莉： 女，1992 年生，碩士生，研究方向為可見光通信編碼.

蓋新東： 男，1992年生，碩士生，研究方向為可見光通信編碼與智能家居.