多進制數字調制的可見光通信系統的仿真設計

任魯涌　許圣飛

【摘 要】本文設計了基于白光LED照明光源為通信光源，以M-ASK多進制數字調制信號為傳輸電信號的一個用可見光來傳輸信息的通信仿真系統。系統具有信號傳輸速率極大、信息傳送效率高優點。用仿真軟件對此可見光仿真通信系統的各模塊進行了仿真，仿真結果表明此仿真系統能驗證實際實現M-ASK多進制數字調制的可見光通信系統通信功能的可行性。

【關鍵詞】白光LED;多進制數字調制;仿真

中圖分類號： TN911.3文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）35-0007-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.003

以白光LED作為通信光源所構建的無線可見光通信系統是用可見光來傳輸信息，這種方法可以較有效的緩解時下的通信頻譜緊張狀況，而且白光通信信道利用的可見光傳輸的信息，有很高理論傳輸速率，在現在我們平常能夠隨處可見到的LED光源照明設施下，用這種不增加額外成本的資源來實現高速通信。白光這種可見光波使用限制少且對我們的身體沒有什么影響，目前的社會環境下，網絡終端用戶的數量需求快速增長，將白光照明與通信功能集成有著很大的發展潛力和很好市場前景。將多進制數字調制信號經白光的通信系統傳輸更能提高傳輸效率，這種比較的新穎的白光通信新技術，它的發展中面臨這諸多的問題需要人們去了解和研究。

1 M-ASK調制的可見光通信系統調制原理

目前，可見光通信系統所面臨的最難的問題之一就是如何提高其系統對信息的傳輸速率。我們可以通過提高信號的發射速率、或提升碼元的比特數、或增加信道鏈路的方法都能夠來實現提高信息的傳輸速率的目標。但提高信號的發射速率需要開發有著更高調制帶寬的LED，高帶寬的LED來提高信息的傳輸速率需要較高的經濟成本，若以提高碼元的比特數或增加信道鏈路則需要采用高階的調制技術，這必須要用復雜的電路。

因此這里我們用了以M-ASK多進制數字調制信號為傳輸電信號，構建多進制數字調制的可見光通信系統，這樣實現的系統有高的信息傳輸速率。原理是M-ASK的可見光通信系統是利用了可見光產生的不同幅度來對應著不同的數字信號，具體來說就是在無線可見光通信系統的M-ASK調制方式中，先進行M-ASK多進制數字調制，用不同的幅度電平來表示不同的二進制信號，再對LED進行直接強度調制，這樣LED的每一次閃光都能夠傳輸log2M位的數字信息，由此看來，M-ASK的調制系統中所產生的通信速率是二進制調制系統的M倍之多。這樣實現還具有在M-ASK調制系統中產生的傳輸比特率與二進制調制系統產生的傳輸比特率相等時，M-ASK的調制系統產生的脈沖帶寬是二進制調制系統產生的脈沖帶寬的1/log2M，這樣條件下能夠減少碼間串擾，雖會使發射端的光功率效率相對地降低。但在可見光通信系統中主要是加性高斯噪聲，在誤碼率相等的情況下，M-ASK調制系統的碼元速率與二進制調制系統的碼元速率相等時，接收端接收到光的光功率會隨著進制數的增大而增大的特點，這種方法技術實現相對簡單。

2 M-ASK調制的可見光通信系統結構

M-ASK的調制解調的可見光通信系統結構如圖1所示，系統結構由：數字信源、M-ASK調制模塊、LED驅動電路模塊、信道、PIN接收模塊、模數轉換器組成的信號判決再生模塊、M-ASKK解調模塊等組成。其中，數字信號先通過M-ASK調制模塊實現M-ASK電信號的多進制數字幅度調制，然后再把調制好的信號傳輸到LED驅動電路模塊。在接收一端，經過PIN接收模塊接收到光信號，然后經過放大后的信號發送到判決再生模塊，最后經過M-ASK解調輸出數據。

圖1 M-ASK調制解調的可見光通信系統結構

3 M-ASK調制的可見光通信系統仿真設計

用Optisystem軟件構建的4-ASK調制的可見光通信系統實驗仿真系統如圖2所示。系統模型結構中包括了信源、4-ASK調制模塊、LED驅動電路模塊、信道、PIN接收模塊、模數轉換器組成的信號判決再生模塊、4-ASK解調模塊。仿真系統的結構與實際的M-ASK調制的可見光通信系統結構組成是相同的，因此仿真結果就有現實實際意義。其中，數字信號由PN序列代替，經過串并轉換傳輸到4-ASK調制模塊進行調制，然后再把調制好的信號傳輸到LED驅動電路模塊。信道設計為線性基帶傳輸模型，在接收一端經過PIN接收模塊接收到光信號，然后經過放大后的信號發送到判決再生模塊，最后經過4-ASK解調輸出數據。運行仿真運算得仿真結果，光發射4-ASK光時域波形如圖3所示，PIN光接收后4-ASK波形如圖4所示， 接收后4-ASK接收端眼圖仿真結果如圖5所示。在實際做設計中也做了8-ASK調制的可見光通信系統仿真，接收后8-ASK接收端眼圖仿真結果如圖6所示。4-ASK的調制解調的系統仿真結果中，可以清楚地看到可見光的四種不同幅度的變化狀態，同樣8-ASK的調制解調的系統仿真結果中，也可以清楚的查看到可見光的八種不同幅度的變化狀態，表明這種技術簡單可行。仿真結果還表明，設計的M-ASK調制的可見光通信仿真系統實現了相應功能及指標，用它作為實驗驗證系統來驗證現實M-ASK調制的可見光通信系統的實現技術及性能具有現實意義。

圖3 光發射4-ASK光時域波形

圖4 PIN光接收后4-ASK波形

圖5 接收后 4-ASK接收端眼圖

圖6 接收后8-ASK接收端眼圖

4 結束語

光通信系統的設計與分析過程中，Optisystem具有可以實現很多類型的光鏈路的通信系統的設計，應用它建立模型來實現光通信系統的仿真能夠全面的分析這個系統的性能，可通過直接修改此軟件系統中各個元器件的特征參數完成器件的設計，建立的仿真模型能充分體現實際系統的性能。在本仿真設計中做了M=2、4、8等M-ASK調制的可見光通信的仿真，進一步擴展可實現M為更多的M-ASK調制解調的可見光通信系統仿真，這為通信方向的學生擴展光通信知識提高自己的創新能力提供了技術驗證條件。

【參考文獻】

[1]遲楠.LED可見光通信技術[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]王虹，蔡喜平.基于白光LED的可見光通信研究進展[J].半導體光電，2014，35（1）：5-9.