可見光通信中高階調(diào)制格式研究

趙婷，李洪祚，宮玉琳

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

白光LED因其體積小、安全可靠、光效高、能回收利用、壽命長(zhǎng)、發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)，已被公認(rèn)為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的新一代革命性綠色固體照明技術(shù)。隨著各國(guó)政府對(duì)半導(dǎo)體照明產(chǎn)品發(fā)展和生產(chǎn)的大力鼓勵(lì)，熒光燈、白熾燈和高壓氣體放電燈等傳統(tǒng)光源將被白光LED取代。白光LED的另外一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行高速調(diào)制以傳輸數(shù)據(jù)，可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）由此產(chǎn)生，此技術(shù)跨越照明和通信兩大領(lǐng)域［1］。

可見光通信具有以下突出優(yōu)點(diǎn)使其優(yōu)于射頻通信和普通光無線通信：

（1）發(fā)射功率高。VLC系統(tǒng)中發(fā)射的是可見光，故發(fā)射功率較高；

（2）無電磁干擾。在嚴(yán)格限制電磁干擾的場(chǎng)合也可以使用，如空間站、醫(yī)院和飛機(jī)上等；

（3）可見光通信無處不在。高速無線數(shù)據(jù)通信可以通過安裝在任何地方的照明燈很方便地實(shí)現(xiàn)。

然而，也存在著一些因素限制了VLC技術(shù)的發(fā)展，其中最主要的挑戰(zhàn)是白光LED帶寬有限，從而限制了傳輸速率。研究者已經(jīng)提出了擴(kuò)展調(diào)制帶寬，提高傳輸比特率的多種技術(shù)，如藍(lán)光過濾、均衡技術(shù)、多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)、高階調(diào)制格式、波分復(fù)用技術(shù)、離散多音調(diào)調(diào)制等。VLC系統(tǒng)的傳輸速率可以通過這些技術(shù)中的某種技術(shù)或者幾種技術(shù)相結(jié)合得到大大提高。

1 可見光通信系統(tǒng)模型

可見光通信是指利用可見光光源將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息加載到可見光上（波段380nm～780nm）在空氣中進(jìn)行傳輸，接收端通過光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而實(shí)現(xiàn)信息的無線傳遞。可見光通信原理圖如圖1所示：

圖1 可見光通信原理圖

在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸信道是不確定的，LED光源分布位置不同以及光的色散效應(yīng)再加上大氣中粒子散射的影響，都會(huì)導(dǎo)致碼間干擾（ISI），它嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能甚至引起通信失敗。在信噪比相同的條件下，MQAM與VLC系統(tǒng)中廣泛使用的開關(guān)鍵控（OOK），脈沖編碼調(diào)制（PCM）和副載波二進(jìn)制相移鍵控（SC-BPSK）等調(diào)制方式相比誤碼率最低，同時(shí)信道復(fù)用可以滿足多用戶共享的需求，OFDM是一種高效率的調(diào)制復(fù)用方式，它抗多徑效應(yīng)的效果很顯著且能很好的利用頻帶，自適應(yīng)OFDM調(diào)制可以明顯降低無線光信道中噪聲對(duì)通信系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的傳輸速率。本文研究的重點(diǎn)就是各子載波調(diào)制為MQAM的OFDM技術(shù)來抑制多徑效應(yīng)對(duì)VLC系統(tǒng)性能的影響。

2 MQAM

2.1 MQAM原理

當(dāng)子載波采用MQAM調(diào)制時(shí)，產(chǎn)生OFDM信號(hào)的原理如圖2所示。速率為Rb的二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換成為N路速率為Rb/N的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流通過各自的子載波進(jìn)行MQAM調(diào)制，然后一起發(fā)送。若QAM的進(jìn)制數(shù)是M，則每個(gè)子載波上

圖2 MQAM-OFDM原理圖

MQAM的信號(hào)可以用如下二維信號(hào)空間的方式表示［2］：

Φ1，Φ2是二維的正交的基本信號(hào)，Ai，Bj是基本信號(hào)的幅度。電平數(shù)為2L，并且可以用星座圖來描述。

在二維信號(hào)空間中表示的多元調(diào)制信號(hào)如MQAM信號(hào)，在加性高斯白噪聲信道傳播時(shí)接收到的信號(hào)為如下形式［3］：

噪聲可以表示為：

式（7）表示，噪聲信號(hào)可以表示成噪聲信號(hào)在二維信號(hào)空間的投影n及與二維信號(hào)空間正交的剩余分量n'(t)之和。

由于

因此，噪聲信號(hào)在二維信號(hào)空間的投影n1，n2可以用兩個(gè)獨(dú)立的高斯變量描述，每一個(gè)都為零均值。根據(jù)以上分析可得MQAM信號(hào)產(chǎn)生框圖如圖3所示：

圖3 MQAM信號(hào)產(chǎn)生框圖

2.2 MQAM星座圖分析

QAM同時(shí)利用了載波的相位和幅度來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率。L=6和8時(shí)MQAM的星座圖如4、5、6圖所示：

QAM星座圖對(duì)于判斷調(diào)制方式的誤碼率等有很直觀的效果。比較圖4和圖5可知，當(dāng)信噪比為0dB時(shí)，由于信號(hào)受較大噪聲的影響，信號(hào)與理想亮點(diǎn)偏差大，誤碼率就高；當(dāng)信噪比為20dB時(shí)，實(shí)際信號(hào)在信號(hào)空間的分布就非常集中了，此時(shí)誤碼率已經(jīng)很低了。比較圖5和圖6可知，當(dāng)信噪比相同時(shí)，信號(hào)在信號(hào)空間中分布越集中，誤碼率越低。

2.3 MQAM誤符率分析

MQAM的誤符率為［3］：

可得M=16，256，1024，4096時(shí)的誤符率如下：

利用SIMULINK仿真結(jié)果如圖7：

從仿真圖圖7可知，在Eb/No相同時(shí)，M值越大，MQAM的誤符率越大，與理論相符。盡管MQAM的誤符率會(huì)隨M增大變大，但當(dāng)M＞8時(shí)，與同階的其他調(diào)制方式相比MQAM的誤符率要小得多［4］，故MQAM調(diào)制方式是實(shí)際通信中最常用的。

圖4 Es/No=0dB M=64QAM星座圖

圖5 Es/No=20dB M=64QAM星座圖

圖6 Es/No=20dB M=256QAM星座圖

圖7 MQAM調(diào)制誤碼率分析

2.4 MQAM平均功率譜密度分析

MQAM功率譜主瓣寬度為2Rs，Rs=Rb/K?？芍鬜b不變，MQAM的功率譜主瓣寬度會(huì)隨M增大而變窄，進(jìn)而使其頻帶信道的頻帶利用率提高。

以Rb=100Mb/s為例，得到M=256和M=16時(shí)MQAM信號(hào)復(fù)包絡(luò)平均功率譜密度如圖8所示。

圖8 256QAM信號(hào)復(fù)包絡(luò)平均功率譜密度

由圖8可知當(dāng)M=256時(shí)，f0=12.5MHz，B=2f0=25Mb/s，256QAM的頻帶利用率為：Rb/B=4bit*s-1/Hz，滿足理論值

同理由圖9得，當(dāng)M=16時(shí)，f0=25MHz，B=2f0=50Mb/s，16QAM的頻帶利用率為：Rb/B=2bit*s-1/Hz，滿足理論值

圖9 16QAM信號(hào)復(fù)包絡(luò)平均功率譜密度

3 結(jié)論

本文通過SIMULINK仿真分析MQAM調(diào)制的星座圖，平均功率譜密度及誤碼率，驗(yàn)證了MQAM具有頻帶利用率隨調(diào)制階數(shù)增大而提高的優(yōu)勢(shì)，采用256QAM調(diào)制頻帶利用率提高為16QAM調(diào)制的2倍。

［1］熊飛嶠，敖邦乾.白光LED可見光無線通信系統(tǒng)的研究［J］.光通信技術(shù)，2013，1：021.

［2］Kim Y J，Li X.A Low PAPR Visible Light Communication System Employing SC-FDMA Technique［J］.Appl Math，2013，7（2）：539-544.

［3］駱宏圖，陳長(zhǎng)纓，傅倩，等.白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)［J］.光通信技術(shù)，2011，36（2）：56-59.

［4］Sung J Y，Chow C W，Yeh C H，et al.Service integrated access network using highly spectral-efficient MASK-MQAM-OFDM coding［J］.Optics Express，2013，21（5）：6555-6560.