可見光通信數字基帶系統設計及其FPGA實現

王鶴潼，牛書強，施會麗，王 平，郭立新，，劉忠玉

(1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學 物理與光電工程學院，陜西 西安 710071)

可見光通信 (Visible Light Communication，VLC) 以其豐富的頻譜資源、高速率與高效率的傳輸特性、安全可靠與綠色節能等不可比擬的優越性，深受國內外廣大科研工作者的青睞，成為一種備受矚目的新興無線通信技術[1-3]。正交頻分復用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 作為可見光通信中關鍵的物理層技術，具有高傳輸速率、高頻譜利用率、低干擾、低計算復雜度等諸多優勢[4-5]，在4G通信中獨占鰲頭，也是5G通信中主要使用的物理層技術之一。在可見光通信系統中，光OFDM技術僅支持傳輸非負實數信號。因此，研究人員提出了3種經典的光OFDM方案，即非對稱限幅光正交頻分復用(Asymmetrically Clipped Optical OFDM，ACO-OFDM)，直流偏置光正交頻分復用(Direct Current biased Optical OFDM，DCO-OFDM)和脈沖幅度調制離散多音(Pulse Amplitude Modulation-Discrete MultiTone，PAM-DMT)，將傳統射頻通信中的雙極性復OFDM信號轉換為非負實數信號。其中，直流偏置光正交頻分復用方案頻譜效率較高，但需添加額外的直流偏量，使得系統功耗增加[6]。非對稱限幅光正交頻分復用和脈沖幅度調制離散多音兩種方案能量效率較高，卻僅利用了一半的頻率資源[7]。為了充分發揮傳統光OFDM方案的優勢，近年來研究人員從理論的角度提出了多種新型的光OFDM混合調制方案。文獻[8]中提出的混合非對稱限幅光正交頻分復用(Hybird Asymmetrically Clipped Optical OFDM，HACO-OFDM)方案分別在奇偶子載波上采用非對稱限幅光正交頻分復用和脈沖幅度調制離散多音技術，以增加頻譜利用率。但是削峰噪聲會對偶載波中頻域符號虛部上承載的有效信息產生影響，因此需提前估算并移除削峰操作的干擾，再對接收到的頻域符號進行解調。這使得接收端需要額外進行一次快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，從而增加了系統的計算復雜度和時間成本。文獻[9]中提出的增強型光正交頻分復用/偏移正交幅度調制(Enhanced Optical OFDM/Offset Quadrature Amplitude Modulation，EO-OFDM/OQAM)方案分為常規與偏置兩條支路。該方案提高了頻譜效率，且不受削峰噪聲干擾，但偏移支路需額外添加固定直流偏量，導致系統的符號功率和能耗較高。

針對光OFDM方案的設計問題，筆者基于自適應偏置光正交頻分復用(Adaptively Biased Optical OFDM，ABO-OFDM)方案提出了一種可見光通信數字基帶系統的設計方案，來降低計算復雜度，提高傳輸速率，實現頻譜資源與功率效率間的折中。其中，基帶系統中物理層采用了特殊的幀結構設計，用于提高信道估計與均衡的能力以及快速傅里葉變換窗口檢測的準確性。具體地，首先通過自適應偏置光正交頻分復用方案的離線實現，驗證使用光OFDM信號在室內進行可見光通信的可行性，并確定基帶系統中使用的參數；之后，給出可見光通信數字基帶系統的設計方案；最后，通過現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)搭建室內可見光通信硬件平臺，實現該數字基帶方案，并通過實驗測試其性能。

1 室內可見光通信系統的MATLAB離線實現

1.1 自適應偏置光正交頻分復用方案

為了在頻譜資源與功率效率間進行折中，首先基于文獻[10]中給出的自適應偏置光正交頻分復用方案，設計了一個可見光通信數字基帶系統，并搭建了基于FPGA的室內可見光通信硬件平臺對其進行實現和驗證。與非對稱限幅光正交頻分復用方案不同，自適應偏置光正交頻分復用方案將映射后的符號加載至全部奇載波和第2(2n+1)個偶載波(n=0，1，2，…，N/8-1)上，再經過厄米特對稱、快速傅里葉逆變換，轉換為全實數時域信號。但是，此時的時域信號為雙極性信號，尚不滿足可見光通信中非負實數信號的需求，故需添加直流偏置。與直流偏置光正交頻分復用等方案不同，自適應偏置光正交頻分復用方案為時域信號添加自適應偏置，以提升系統功率效率。每4個采樣點：xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4添加相同的直流偏置。如果4個點均為非負實數，則無需添加直流偏置。反之，則取4個點中最小值的相反數為直流偏置的大小，既滿足非負性的約束，又保證最小的額外功率。以bn，bn+N/4，bn+N/2，bn+3N/4表示4個點的直流偏置大?。?/p>

bn=bn+N/4=bn+N/2=bn+3N/4=-min{xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4}，n=0，1，2，…，N/4-1 。

(1)

接收端將接收到的時域信號經過快速傅里葉變換，轉換為頻域符號，自適應偏置根據其自身的性質，不會影響有效信息，僅會干擾被空置的子載波，即第K=4n個子載波，n=0，1，2，…，N/8-1。故而僅需在接收端進行與發射端相反的操作，再提取有效的頻域符號信息，即可得到接收端比特序列。通過與發射端原始二進制序列的對比，計算基于自適應偏置光正交頻分復用方案的可見光通信系統誤碼率，并評判系統性能。

1.2 室內可見光通信系統的MATLAB離線實現裝置

基于MATLAB離線實現的室內可見光通信實驗裝置如圖1所示。首先通過Xilinx公司的KC705 FPGA[11-12]開發板產生基于OFDM的數字基帶信號，然后通過FMC302子卡中的數模轉換模塊轉變成為模擬電信號。之后發射端的發光二極管(Light-Emitting Diode，LED)驅動電路將輸入的模擬電信號轉換為光信號在自由空間中傳播，光信號經過1.5 m的自由空間信道，到達接收端。接收端采用LSSPD-3.2型號光電探測器將光信號再轉換為電信號，電信號經過接收端驅動電路的放大和濾波操作后輸入到示波器存儲器中。示波器存儲器中的通信數據在MATLAB中經過同步解調，完成整個點對點的通信過程。提出的這種離線方式通過自適應偏置光正交頻分復用方案驗證使用光OFDM信號在室內進行可見光通信的可行性，同時有利于研究信道特性，并有助于準確分析和找出可見光通信數字基帶系統中的合適參數，最大化通信傳輸速率。

1.3 基于自適應偏置光正交頻分復用方案的可見光通信系統離線實現

首先在MATLAB中產生一組二進制源碼序列，然后進行串并轉換，再進行發射信號集大小為4的正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)。將調制好的QAM符號映射到全部奇載波和第2(2n+1)個偶載波(n=0，1，2，…，N/8-1)上。映射后的調制信號隨即加載進入厄米特對稱模塊，經過N=128點的快速傅里葉逆變換，生成全實數的時域信號以滿足可見光通信系統中采取的強度調制/直接檢測方式。繼而添加32點的循環前綴(Cyclic Prefix，CP)以防止碼間干擾與載波干擾，并將產生的時域OFDM實信號量化成16 bit數據。每160點的OFDM時域信號為一組數據符號，每一幀由前導序列和數據載荷兩部分組成。前導序列由一組OFDM數據符號長度的短訓練序列(Short Training Sequence，STS)和兩組相同的OFDM數據符號組成的長訓練序列(Long Training Sequence，LTS)構成，分別用于尋找每一幀的快速傅里葉變換窗口位置和信道估計與均衡。數據載荷部分包含30組OFDM數據符號，用于承載用戶有效的數據信息。

將調制后的幀數據寫入初始化文件，然后導入FPGA的只讀存儲器中。通過10 MHz的時鐘讀取只讀存儲器中的數據，再經過積分-梳狀級聯內插濾波器，將數據送入FMC302子卡數模轉換模塊接口。數字基帶信號轉換為模擬電信號后，被送至發射端LED驅動電路，經過電路的放大與濾波，通過LED將電信號轉換成為強度變化的光信號。光信號經過1.5 m的自由空間信道，到達接收端。接收端的光電探測器將強度變化的光信號轉換為微弱的電信號，再經過接收端驅動電路的放大濾波、模數轉換、符號同步、信道估計與均衡、數字解調等操作，將接收到的比特數據與發端數據進行對比分析，評判系統的誤碼率性能。計算結果表明，系統可以達到的毛比特率為8.182 Mbit/s，在去除循環前綴和用于符號同步以及信道估計與均衡的序列開支后，系統可以達到5.455 Mbit/s的凈比特率和6.511×10-4的誤碼率。在離線實驗中，該方案的比特率達到106級別，誤碼率在10-3之下，滿足室內可見光通信的需求。

2 可見光通信數字基帶系統設計方案

基于自適應偏置光正交頻分復用的可見光通信數字基帶系統設計主要包括兩個部分：系統的基本參數和物理層幀結構。該系統中采取與第1節相同的采樣頻率，即10 MHz。因為ISE14.7開發環境中的快速傅里葉變換核設置的數據長度多為2的冪次方，故該系統采取27，即128點的快速傅里葉變換/快速傅里葉逆變換，并取其長度的1/4作為循環前綴。表1中列出了可見光通信數字基帶系統中主要使用的數據參數。

表1 可見光通信數字基帶系統基本參數設計

圖2展示了該系統所設計的物理層幀結構。以快速傅里葉逆變換后128點的時域數據和32點的循環前綴，共160個采樣點長度為一組OFDM數據符號。可見光通信數字基帶系統中的每一幀由前導序列和數據載荷兩部分組成。其中，前導序列包含160個采樣點長度的短訓練序列和兩組相同OFDM數據符號組成的長訓練序列，分別用于尋找每一幀快速傅里葉變換的窗口位置和信道的估計與均衡。數據載荷部分位于前導序列之后，通過自適應偏置光正交頻分復用方案承載傳輸的有效信息。在該系統所設計的物理層幀結構中，每一幀包括由一組短訓練序列，一組長訓練序列組成的前導序列和30組OFDM數據符號組成的數據載荷。

3 可見光通信數字基帶系統的FPGA實現

第1節通過自適應偏置光正交頻分復用方案的MATLAB離線實現驗證了使用光OFDM信號在室內進行可見光通信的可行性。通過FPGA搭建室內可見光通信硬件平臺，設計并實現第2節提出的基于自適應偏置光正交頻分復用方案的可見光通信數字基帶系統。具體地，基于FPGA在ISE14.7開發環境下利用Verilog語言實現室內可見光通信系統的關鍵技術，并將給出發射端和接收端快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊、自適應直流偏置模塊、前導序列模塊等3個主要模塊的實現原理、細節及實驗結果。圖3展示了筆者搭建的室內可見光通信系統硬件平臺的實物裝置。

3.1 快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊

快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊是該平臺的核心部分。發射端的快速傅里葉逆變換將子載波上承載的頻域符號轉換為時域信號進行傳輸，而接收端的快速傅里葉變換模塊將接收到的時域信號轉換為頻域符號進行解調。串行的比特數據在進入FPGA后，每2個或4個比特分為一組，通過格雷碼映射到復平面上，進行4QAM或16QAM的數字映射。本節實驗中快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊中設置的IP核輸入為16 bit，故而將星座點的值量化為16 bit的數據。即在4QAM數字映射中，實部和虛部兩條支路的十進制取值為{-128，+127}，而在16QAM數字映射中，兩條支路的十進制取值為{-384，-128，+127，+381}。以4QAM映射方案為例，其二進制取值對照如表2所示。

表2 4QAM數字映射二進制取值對照表

映射后的QAM符號對應前64個子載波中所有的奇載波和第2(2n+1)個偶載波，n=0，1，2，…，15，而第4n個子載波被空置，n=0，1，2，…，15，不攜帶有效數字符號。映射后的調制信號隨即加載進入厄米特對稱模塊，形成128點的頻域符號。該平臺主要采用ISE14.7開發環境中的FFT IP核實現快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換。FFT IP核的設置主要包含參數配置、算法架構方式和輸入輸出信號分析?？梢姽馔ㄐ艛底只鶐到y中FFT IP核的參數配置為1個通道數目，128點快速傅里葉變換長度，16 bit輸入數據寬度，數據正序輸出并添加循環前綴使能和使用可配置邏輯塊的蝴蝶算法等。算法架構方式采取流水線I/O結構，以實現數據的連續處理和較大的吞吐量。FFT IP核中主要輸入輸出信號的功能描述如表3所示。

表3 FFT IP核輸入輸出信號功能描述

圖4展示了發射端快速傅里葉逆變換模塊的部分時序圖。快速傅里葉逆變換模塊將輸入信號fwd_inv設置為0，表示進行快速傅里葉逆變換。當輸入信號start變為高電平時，加載厄米特對稱的128點頻域符號進入快速傅里葉逆變換模塊。xn_re、xn_im分別表示頻域符號的實部和虛部，通過xn_index指示輸入信號下標，且每隔3個頻域符號就有1個符號被置零，滿足自適應偏置光正交頻分復用方案的載波要求。busy信號轉為高電平時表示IP核開始對輸入的頻域符號進行快速傅里葉逆變換。在第1組頻域符號轉換完成后，dv信號由低轉高，128點的時域信號伴隨著xk_index的指示下標相繼輸出。xk_re、xk_im分別表示輸出時域信號的實部和虛部，且xk_im幾近為0，符合厄米特對稱的性質，滿足可見光通信中實數信號的需求。當每一組OFDM時域信號開始輸出時，輸出信號done升高一個時鐘周期，xk_index歸0，并開始新一輪從0至127的逐漸累加。因為FFT IP核中已經添加循環前綴使能，快速傅里葉逆變換模塊可以自動添加循環前綴。

3.2 自適應直流偏置模塊

頻域符號經過快速傅里葉逆變換模塊轉換為實數時域信號后，仍為雙極性信號，尚不滿足可見光通信非負性的需求。因此根據文獻[10]，為每4個時域信號采樣點：xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4，n=0，1，2，…，N/4-1，依照式 (1) 添加相同的直流偏置。圖5中abo_data即為時域信號添加自適應直流偏置并經過數模轉換后的時序圖。此時的時域信號已經滿足可見光通信中非負實數信號的要求。

3.3 前導序列模塊

可見光通信數字基帶系統中每一幀的前導序列中包含一組短訓練序列和一組長訓練序列，分別用于符號同步以尋找每一幀快速傅里葉變換的窗口位置[13]和信道的估計與均衡。

由于背景光源和系統收發電路中熱噪聲等的干擾，短訓練序列到達接收端后會出現一定的失真。因此在該系統中，接收端存儲著通過線性反饋移位寄存器生成的自相關性能良好的m偽隨機序列。隨著數據一幀一幀地到達接收端，當收發同步序列如圖6所示滑動對齊時，將出現一組相關峰值。該平臺采取多段長度較短的序列代替單一的同步序列，以避免相關峰值的平臺效應和在數據載荷部分出現的可能性。同時，將最后一個同步序列的值全部取反，以得到一個負值的相關峰，從而增加快速傅里葉窗口檢測的準確性。取連續25個互相關值的絕對值，求其平均，繼而乘以8倍，得到更為合適的動態門限值，存儲進Sync_Threshold寄存器，用于峰值判定。

從圖7中可以明顯看出，收發序列對齊后，會出現一組連續的相關峰值，且最后一個相關峰值為負值，絕對值均遠大于其它未對齊時刻的互相關值，此時即可判定找到了快速傅里葉變換窗口位置，也不會出現偽同步的現象。應當注意，在FPGA中建立的存儲空間需要比同步序列多一段長度，用于緩沖數據的運算與處理，以保證有效數據不會丟失。

長訓練序列位于每一幀前導序列中的短訓練序列之后，通常采用兩組相同的OFDM數據符號，主要用于信道的估計與均衡。信道估計的準確性將直接影響整個可見光通信數字基帶系統的誤碼率性能等，故實驗需產生不易被破壞且峰均比較低的OFDM訓練符號。該平臺采用最小二乘法[14]，通過最小化接收端本地符號序列與接收到的長訓練序列間的平方誤差，來實現信道的估計與均衡。

arg minH‖Y-XH‖2=arg minH(Y-XH)H(Y-XH) 。

(2)

式(2)展示了該模塊采用的最小二乘法，式中Y表示接收到的訓練序列，X表示本地同步序列，H為信道頻率響應。由式(2)可得

(3)

由式(3)可知，使用最小二乘法進行信道估計時，只需將接收到的頻域符號與接收端本地存儲序列相除即可。因為頻域符號多為復數，而FPGA不能直接進行復數除法運算，故采用模值為1的訓練序列，直接取消除法運算，以大幅降低系統算法復雜度。在完成信道估計后，根據下式進行信道均衡：

(4)

因為式 (4) 中的分母項為信道估計值，無法提前預知，故而無法將其模值固定為1，只能進行實數除法運算。因而采用CORDIC算法[15]，通過實數迭代逼近的思想，得到實數除法的近似值。

3.4 實驗結果與對比分析

圖8中分別展示了采用4QAM和16QAM兩種數字調制方式時，室內可見光通信硬件平臺接收端子載波上的解調星座圖。表4展示了基于自適應偏置光正交頻分復用方案的可見光通信數字基帶系統與直流偏置光正交頻分復用，非對稱限幅光正交頻分復用，混合非對稱限幅光正交頻分復用以及增強型光正交頻分復用/偏移正交幅度調制等方案在可見光通信硬件平臺上的測試結果。

表4 多種方案的平臺測試結果對比

對于傳輸速率，自適應偏置光正交頻分復用方案利用了75%的頻譜資源，其凈比特率介于直流偏置光正交頻分復用與非對稱限幅光正交頻分復用兩種方案之間，略高于混合非對稱限幅光正交頻分復用方案，有效提高了頻譜資源利用率，且保證了通信傳輸速率。由于可見光通信數字基帶系統特殊的幀結構設計，增加了快速傅里葉變換窗口檢測的準確性和信道估計與均衡的能力，有效降低了系統的誤碼率，達到10-4，僅略高于非對稱限幅光正交頻分復用方案。對于計算復雜度，自適應偏置光正交頻分復用方案僅主要考慮快速傅里葉變換操作的復雜度，不需要考慮削峰噪聲等的影響，因此與直流偏置光正交頻分復用和非對稱限幅光正交頻分復用兩種方案的計算復雜度一致，均為最低計算復雜度，節省了系統開支與時間成本，有效地提高了計算效率。同時，自適應偏置光正交頻分復用方案雖然需要添加直流偏置，但其添加的是自適應直流偏置，而非直流偏置光正交頻分復用方案中的固定直流偏置，故而有著低于直流偏置光正交頻分復用方案的符號功率。因此，基于自適應偏置光正交頻分復用方案的可見光通信數字基帶系統實現了頻譜資源與功率效率間的折中，提高了計算效率，其中特殊的物理層幀結構設計有效降低了系統的誤碼率，保證了通信傳輸速率，進而提升了數字基帶系統的整體性能。

4 結束語

筆者基于自適應偏置光正交頻分復用方案設計了一種可見光通信數字基帶系統，并通過FPGA搭建的可見光通信硬件平臺對系統進行了實現和驗證。首先通過自適應偏置光正交頻分復用方案的MATLAB離線實現，驗證了使用光OFDM信號在室內進行可見光通信的可行性，并確定了數字基帶系統中使用的參數。然后，給出了可見光通信數字基帶系統的設計方案。最后，通過FPGA搭建的室內可見光通信硬件平臺，實現了提出的基于自適應偏置光正交頻分復用方案的可見光通信數字基帶系統。測試結果表明，筆者提出的數字基帶系統實現了頻譜資源與功率效率間的折中。其中特殊的物理層幀結構設計，有效提高了快速傅里葉窗口檢測的準確性和信道估計與均衡的能力，進而降低了系統的誤碼率并提升了所設計數字基帶系統的整體性能。