可見光多維無載波幅度相位調制系統

王旭東 崔 玉 吳 楠

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可見光多維無載波幅度相位調制系統

王旭東 崔 玉*吳 楠

(大連海事大學信息科學技術學院 大連 116026)

針對室內可見光通信調制技術和多用戶接入問題，該文基于直流偏置和極性編碼信號單極化思想提出兩種系統復雜度低、頻帶利用率高的可見光多維無載波幅度相位(DCO-MCAP, U-MCAP)調制方案。首先利用最大最小優化算法構建無頻譜泄漏的頻域目標方程，采用完全重建(PR)條件作為非線性約束方程，求取時域正交的多維CAP濾波器組，然后分別采用“添加直流偏置”和“零值位置極性編碼”實現信號單極性，以滿足可見光通信“強度調制/直接檢測”的要求?；诶什椛淠Ｐ?，可見光背景噪聲建模為加性高斯白噪聲(AWGN)，推導了DCO- CAP/MCAP, U-CAP/MCAP 4種調制方案的誤符號率理論解，仿真驗證了其準確性。在5 m′5 m′3 m的室內場景下，仿真對比分析了2維、3維、4維可見光CAP調制系統的頻帶利用率、誤碼率等性能。結果表明，相同星座尺寸時，多維CAP調制的誤碼性能明顯優于傳統2維；相同頻帶利用率時，3種維度系統誤碼性能相近，可見光多維CAP調制為多用戶接入提供可能性。此外，討論了信道參數對可見光CAP系統的影響，發射機輻射角與收發信機之間距離都與信噪比損失呈現出正相關性。

可見光通信；多維無載波幅度相位調制；完全重建；頻帶利用率；誤符號速率

1 引言

可見光通信(VLC)是一種在可見光譜域利用發光二極管(LED)快速閃滅進行數據通信的新興無線通信技術，具有安全性高、頻譜資源豐富、節省功率以及無電磁干擾等優勢[1,2]。LED不僅具有壽命長、成本低、易于小型化等優點，還擁有響應時間短、高速調制等特點，使得VLC成為短距離無線通信領域極具吸引力與競爭力的技術手段，然而LED有限的調制帶寬也成為限制VLC系統傳輸速率的主要因素[3]。無載波幅度相位調制(CAP)技術具備頻譜利用率高、復雜度低等優勢，是解決這一問題極具潛力的方案之一，近年來廣受關注。

2 多維CAP調制原理

傳統的2維CAP以QAM調制為基礎演變而來，區別在于其不需要載頻本振源，取而代之的是一對時域正交的濾波器(同相濾波器、正交濾波器)，因此其不僅僅具備QAM調制相同的頻帶利用率，而且極大地降低了系統復雜度，避免了處理載波同步的問題。式(1)給出傳統2維CAP調制同相、正交濾波器有限沖激響應。

假設系統抽樣速率為100 MHz，傳統2維CAP滾降系數設為0.2，多維CAP濾波器帶寬設為最小帶寬的1.2倍。圖1~圖3分別給出了傳統2維、3維和4維CAP濾波器組時域與頻域波形，若以星座點個數定義星座尺寸，表1給出不同星座尺寸條件下濾波器組采樣因子、波特率等指標參數。而圖4則給出3維CAP調制的星座圖。

圖2 3維濾波器時域與頻域波形

圖3 4維濾波器時域與頻域波形

表1 2/3/4D-CAP濾波器設計指標參數

圖4 3維CAP星座圖

3 系統模型

3.1 信號模型

圖5 可見光多維CAP調制系統

3.2 信道模型

VLC系統中，由于傳輸路徑較短，光被吸收以及光擴散引起的衰減非常小。假設發射機LED光源滿足朗伯體輻射模式，且使用“強度調制/直接檢測”調制形式，則光信號傳輸鏈路的直流增益可由式(3)給出[17,18]。這里由于直射信號遠大于經障礙物反射的信號，只考慮視距傳輸(LOS)鏈路，VLC傳輸模型如圖6所示。

設定5 m′5 m′3 m的室內場景，發射機LED位于室內正中央天花板高度處，接收機PD距離地面0.85 m(大約位于人的腰間口袋)。理想非成像濾波器內部反射系數為1.5，無光帶通濾波器，PD的有效面積為1 cm2，其視場角為60o, LED的半功率角為70o。若信號的發射功率為20 W, PD處于該房間的任一位置，其接收到的信號功率分布情況如圖7所示。

4 性能分析

4.1 DCO-CAP/MCAP誤碼性能

其中，表示星座點正確解調的概率，若接收端接收到矢量信號，該信號對應的星座點坐標為, 表達式可由式(5)所示。

圖7 接收信號功率

添加直流偏置是可見光系統最常見的信號極性處理方式，操作簡單，硬件成本低，不改變系統本身的頻帶利用率，但功率效率低。由2.1節可知，室內可見光DCO-CAP/MCAP調制系統受信道噪聲(AWGN)以及限幅噪聲兩種噪聲干擾，然而當直流偏置足夠大時，可去除限幅噪聲的影響。接收端光電檢測器接收到的信號可以表示為

(9)

考慮多維CAP高斯信道下的誤符號率以及可見光直射鏈路情況，可得DCO-CAP/MCAP系統誤符號率理論表達式為

4.2 U-CAP/MCAP誤碼性能

U-CAP/MCAP系統較DCO-CAP/MCAP來說，有效降低了功率效率，但是其利用“0”值代表符號使系統本身的頻帶利用率增加1倍，并且極性恢復過程中需要比較信號大小，系統實現復雜度增加。背景噪聲為AWGN的可見光U-CAP/MCAP系統性能除去受信道衰減影響外，還將受到極性恢復過程中信號極性誤判的影響。這一判決信號極性的過程為非線性過程，其高樣本數的輸入信號同樣滿足高斯分布，因此可通過Bussgang定理分析極性判決對系統信噪比的影響。

5 仿真結果

本節選取3.2節的應用場景，信道背景噪聲建模為AWGN，在可識別的信噪比范圍內，對基于傳統2維CAP的DCO-CAP, U-CAP調制方案以及基于3維、4維CAP的DCO-MCAP(添加17 dB直流偏置)、U-MCAP調制方案的誤碼性能進行了仿真分析。此外，討論了信道參數對可見光CAP調制系統的影響。

圖8給出了星座尺寸保持一致時DCO-CAP, U-CAP與3維DCO-MCAP, U-MCAP的仿真性能對比結果，為了驗證文中4.1節以及4.2節誤碼性能分析的準確性，同時給出相同條件下4種調制的理論解析性能。而圖9則同樣在星座尺寸一致時，給出DCO-CAP, U-CAP與4維DCO-MCAP, U-MCAP的仿真曲線和理論曲線。從兩圖可以看出，4種調制算法的仿真結果與理論結果吻合良好，驗證了文中給出的閉式解。同時還可以看出星座尺寸相同時，可見光多維CAP調制系統的誤碼性能明顯優于可見光傳統2維CAP調制系統，參考表1可知其原因在于多維CAP系統犧牲了頻帶利用率。進一步分析可知，當對系統誤碼率有固定要求時，可見光CAP系統可通過消耗頻帶的方式，增加系統吞吐量。此外，U-CAP/MCAP調制算法相較于添加17 dB直流偏置的DCO-CAP/MCAP調制算法可靠性要高，這是由于U-CAP/MCAP調制算法犧牲了頻帶利用率以及系統復雜度。

圖8 星座尺寸相同時可見光CAP系統誤碼性能比較(3維與傳統2維)

圖9 星座尺寸相同時可見光CAP系統誤碼性能比較(4維與傳統2維)

6 結論

圖10 頻帶利用率相同時可見光CAP調制系統誤碼性能比較

圖11 發射機輻射角對誤碼性能的影響

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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.

崔 玉： 女，1993年生，碩士生，研究方向為可見光通信與可見光定位.

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.

Multi-dimensional Carrierless Amplitude and Phase Modulationfor Visible Light Communication System

WANG Xudong CUI Yu WU Nan

(,,116026,)

Considering the modulation technique and multiple-access topology for indoor Visible Light Communication (VLC), two Multi-dimensional Carrierless Amplitude and Phase (Multi-CAP) modulation schemes are proposed in this paper, namely, DC biased Optical Multi-CAP (DCO-MCAP) and Unipolar optical Multi-CAP (U-MCAP). The design object is modeled as a mini-max optimization problem with a non-constraint condition named Perfect Reconstruction (PR), which can be solved by the quadratic programming algorithm. Only real and unipolar signals can be intensity modulated, therefore several modifications are performed in CAP VLC systems accordingly. A DC bias added to the signal and a pair of new samples including a zero padding to mark signal polarity are adopted to obtain unipolar signal respectively.According to Lambertian reflection model and considering light of sight link corrupted by Additive White Gaussian Noise (AWGN), the theoretical Symbol Error Rate (SER) of DCO-CAP/MCAP and U-CAP/MCAP are derived and corroborated by Monte Carlo simulations. Meanwhile, the performance of three kinds of dimensional (2D, 3D, 4D) optical CAP systems are analyzed and compared in the room in size of 5 m′5 m′3 m. The numerical results show that the error performance of optical Multi-CAP is superior to that of traditional two dimensional optical CAP with the same constellation, and the multi-CAP (3D or 4D) scheme can not only achieve approximate SER performance with respect to the same bandwidth efficiency, but also enable multiple access in VLC system. In addition, the effects of channel parameters on the system performance are evaluated which shows that the loss of SNR obviously presents positive relation with the increase of the radiation angle or the distance between the transmitter and the receiver.

Visible Light Communication (VLC); Multi-dimensional Carrierless Amplitude and Phase (Multi-CAP) modulation; Perfect Reconstruction (PR); Bandwidth efficiency; Symbol Error Rate (SER)

TN929.1

A

1009-5896(2017)12-3004-09

10.11999/JEIT170276

2017-03-31；

2017-09-11；

2017-11-01

通信作者：崔玉 yucui@dlmu.edu.cn

國家自然科學基金(61371091)

The National Natural Science Foundation of China (61371091)