基于雙二進制編碼的LED車燈通信系統研究

陳 睿，哈依那爾，鄒 鵬，遲 楠，胡 波

(1.復旦大學信息科學與工程學院數字信息處理與傳輸實驗室，上海 200433；2.復旦大學通信科學與工程系電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海 200433)

引言

基于LED的可見光通信(Visible Light Communication, VLC)技術結合了通信技術與照明于一體，無需申請頻譜并且抗電磁干擾，有望激活400 THz的頻譜資源，是一種新興的綠色節能、成本低的技術，近年來已成為室內和室外高速無線接入的研究熱點[1，2]。VLC系統中比較重要的問題是其傳輸帶寬非常有限，因此如何在有限帶寬下實現大容量傳輸引起了研究人員的興趣。

近年來，隨著物聯網的快速發展，車聯網日漸成為全面建成智能交通的重要一環，而其中最為基礎的支撐技術就是通信技術。由于VLC的高可靠性和低延遲特性，已經有諸多研究人員對基于VLC的車間通信進行了研究[3，4]，作為對現有無線通信等技術的補充，從而大幅提高現有異構車輛網絡的通信容量[5]。

本文針對基于LED車燈的可見光通信系統中固有存在的帶寬受限的問題，提出了一種基于雙二進制(Duo-Binary, DB)編碼的部分響應系統，通過人為引入受多電平編碼控制的符號間干擾來將信號能量集中在較低頻段，從而對抗帶限系統在高頻處的衰落。本文通過實驗研究了有無DB編碼對基于無載波幅度相位 (Carrierless Amplitude and Phase, CAP) 調制的車燈VLC系統性能的影響，并對該編碼在車燈VLC系統中的最佳工作區域進行了研究。

1 車聯網

車聯網在從誕生之初就廣受關注，從信息感知角度出發，車聯網是對車輛運行狀態進行監管和綜合管理；從智能交通和車輛組網的角度看，車聯網不僅是綜合交通運輸信息處理系統，也是包含車與車、車與人、車與路面、車與云以及車內通信在內的大型一體化信息交換網絡[6]。圖1給出了大型車聯網信息交換網絡示意圖。

除了傳統的基于微波、紅外、專用短程通信等車間通信技術，近年來，隨著LED燈的大規模商用和普及，人們已經看到基于VLC的車間通信方式在車聯網應用場景中的巨大潛力，相關研究也相繼展開[5,7,8]。在本文中，我們針對LED車燈調制帶寬有限的問題，提出一種主動壓縮頻譜的編碼方式，在其有限帶寬下實現大容量傳輸。

圖1 車聯網系統組網示意圖Fig.1 Schematic diagram of car networking and Internet of Vehicle

2 CAP調制&雙二進制編碼

在20世紀70年代，CAP調制技術首先由美國貝爾實驗室提出。CAP調制技術大大降低系統計算復雜度和結構復雜性，并具備較高的頻譜效率，因此在數字用戶線路中得到廣泛應用[9]。

CAP調制解調步驟如圖2(a)所示，在發射端對原始比特流進行QAM映射實現高階編碼，之后對得到的符號流進行上采樣；接下來對上采樣的復數信號進行實部/虛部(或者說同相/正交分量)分離，并對得到的兩路數據分別進行脈沖成形，最后對兩路正交的數據相加輸出就可以得到CAP調制后的信號。在接收端，信號在被采樣和量化以后，由一對匹配濾波器來恢復發射信號的同相/正交分量，之后經過下采樣、信道均衡和QAM解碼，就可以恢復原始得到比特流。

雙二進制編碼通過人為引入多級編碼控制的符號間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)來實現頻譜壓縮，是一種典型的部分響應系統，其具體實現方式如圖2(b)所示。DB編碼主要由兩部分組成：差分編碼與延遲相加濾波。差分編碼由延時和異或這兩部操作組成；而之后的延遲相加實際上是一種低通濾波，將信號能量集中在低頻部分傳輸——此操作尤其在帶寬受限的情況下是較為有用的。

圖2 (a)CAP調制與解調系統框圖;(b)雙二進制編碼示意圖Fig.2 (a) Block diagram of CAP modulation and demodulation; (b) schematic diagram of duo-binary coding

3 實驗設置

基于雙二進制編碼的車燈VLC系統實驗測試臺如圖3所示?？梢钥吹皆诎l射端，原始數據經過數字信號處理后，被送到任意波形發生器(Agilent, M8190A, 12GSa/s)進行數模轉換；之后CAP調制的電信號依次經過均衡器、電放大器和直流偏置器，經過交直流耦合以后被加載到LED車燈并被發射出去。信道是自由空間，距離為2 m；在經過信道之后，光信號在接收端依次通過透鏡與濾光片，之后由PD陣列中的一個PIN管(Hamamatsu, S10784)將其轉化為電信號，最后由示波器(Agilent, MSO9254A)對電信號進行采樣，并將數據送至計算機進行離線處理。在接收端離線處理中，數據被解調、均衡、解碼，最后通過計算誤碼率(BER)來對系統性能進行評估。在本實驗中，上采樣倍數固定是4。線性均衡是基于簡單的最小均方(LMS)算法，其抽頭和步長均已經優化。

圖3 基于DB編碼CAP調制的車燈VLC系統實驗裝置圖Fig.3 The experimental setup of headlight-based DB-coded CAP-VLC system

4 實驗結果

圖4(a)顯示了在基于LED車燈的VLC系統中沒有經過DB編碼的發射信號頻譜(即普通格型16QAM信號)。圖4(b)顯示了經過信道以后的接收信號頻譜；可以看到信號經過基于車燈的可見光信道以后，在信號高頻部分有較大衰減。圖4(c)顯示了經過DB編碼后的發射信號頻譜(即前后比特延遲相加的49QAM信號)。圖4(d)顯示了DB編碼后的發射信號在經過信道后的接收頻譜；同樣地，我們可以看到接收信號頻譜在高頻處迅速衰落，造成傳輸性能的下降。但是相比沒有DB編碼的普通QAM信號，經過DB編碼的信號通過人為引入ISI來實現頻譜能量的集中，對帶寬受限的系統更為魯棒，這在后續的實驗結果中將被進一步說明。

圖4 (a)沒有DB編碼時發送信號的頻譜圖；(b) 沒有DB編碼時接收信號頻譜圖；(c)有DB編碼時發送信號的頻譜圖；(d) 有DB編碼時接收信號頻譜圖Fig.4 (a) Spectrogram of the Tx signal w/o DB encoding； (b) spectrogram of the Rx signal w/o DB encoding；(c) spectrogram of the Tx signal w DB encoding； (d) spectrogram of the Rx signal w DB encoding

圖5給出了在有無DB編碼這兩種情況下，信號幅值(峰峰值，Vpp)與系統誤碼性能之間的關系，此時我們已經找到系統最佳工作電流為432 mA?？梢钥吹剑擵pp過小的時候(0.2 V)，所述兩種情況的誤碼性能均不理想，這解釋為信號Vpp過小導致信噪比(SNR)過低，系統BER較高；而當Vpp過大的時候(大于0.6 V)，系統非線性過大，導致所述兩種方案誤碼性能均不理想。因此存在一個令系統性能達到最優的線性區域，在后續帶寬測試中我們取信號Vpp為0.4 V。值得注意的是，在非線性工作區域，有DB編碼時系統性能反而下降的更嚴重，這是由于DB編碼將前后比特聯系在一起，因此在非線性區域誤碼擴散的更加嚴重。在線性工作區域，我們可以看到有DB編碼會帶來一定的增益，使得系統性能相比未編碼時更好。圖5也給出了線性區和非線性區所述兩種方案的星座圖對比；如插圖(A, B)所示，未DB編碼時，各個符號等概率分布，經過DB編碼后符號更多集中在星座圖內圈，雖然符號間的歐氏距離有所減小，但是頻譜也得到了壓縮。

圖5 信號幅度對系統性能的影響圖Fig.5 The influence of signal amplitude on system performance

圖6給出了系統傳輸帶寬與BER之間的關系。可以看到，隨著信號傳輸帶寬的增加，系統誤碼性能下降，這也說明了基于車燈的可見光通信系統的帶寬很有限；經過DB編碼后系統性能得到提升，在7% FEC誤碼門限下，相比未編碼系統，最高無誤碼傳輸的速率提高了100 M；在7%FEC誤碼門限下，實驗測得的最高帶寬為1.2 GHz，由于4倍上采樣以及16QAM格式，數據傳輸速率為1.2 Gb/s。在帶寬不是主要的限制因素的時候，如600 MHz時，有無DB編碼對系統影響不大，這可解釋為系統SNR均可支持兩種方案的傳輸；當信號帶寬過大時(如大于1.4 GHz時)，有無DB編碼系統性能基本無差別，都很差，此時信號帶寬已經超過系統允許帶寬范圍。當發射信號帶寬在600 MHz到1.4 GHz范圍內時，可以看到DB編碼相比未編碼的普通16QAM可以帶來一定的增益，系統性能得到提升。所述兩種方案在門限附近的星座圖也在圖中有表示，同樣可以看到，經過DB編碼后符號分布在星座圖中心點的概率會更大，外圈分布的概率小，這是由編碼中的延遲相加帶來的結果。

圖6 信號帶寬對系統性能的影響圖Fig.6 The influence of signal bandwidth on system performance

5 結束語

本文基于LED車燈的可見光通信，提出了一種基于雙二進制編碼的部分響應系統，用于解決車燈在有限帶寬下的高速傳輸問題，并為將來實現車聯網中車與車之間高速通信提供解決方案，這是雙二進制編碼在車燈可見光通信系統中的嘗試，并通過實驗驗證了其有效性。實驗中在發射端使用LED車燈模組，接收端使用高靈敏度的PIN，采用經過DB編碼的CAP調制方式，系統的實測傳輸速率超過了1.2 Gb/s，在經過2 m的自由空間傳輸后，系統的誤碼性能仍然低于7% HD-FEC誤碼門限3.8×10-3，經過DB編碼后的系統，在7% FEC誤碼門限下，相比未編碼系統，最高無誤碼傳輸的速率提高了100 Mb/s。