室內(nèi)可見光通信中的分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)

摘 要：本文對室內(nèi)可見光通信的分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)進行研究，研究表明，均衡技術(shù)對室內(nèi)可見光通信中“多徑效應(yīng)”對通信質(zhì)量的干擾有較好的抑制效果。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)可見光；碼間干擾；均方誤差準(zhǔn)則；分?jǐn)?shù)間隔；均衡技術(shù)

中圖分類號：TN929.1

室內(nèi)可見光通信作為一種新興的寬帶無線接入技術(shù)，當(dāng)前正處于科研攻關(guān)階段。室內(nèi)可見光通信是在白光LED照明技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通常使用于LED照明過程中的數(shù)據(jù)傳輸。隨著科研水平的提升，室內(nèi)可見光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)正逐步走向成熟，加之市場對大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求日趨增大，移動寬帶通信需求正飛速增長，室內(nèi)可見光通信技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到廣泛重視。因此，室內(nèi)可見光通信技術(shù)是一個極具研究價值的重要課題，需要深入研究。

1 室內(nèi)可見光通信的傳播

室內(nèi)可見光通信時，信息的傳播環(huán)境與室外的信息傳播環(huán)境不一樣，室內(nèi)的環(huán)境比較密閉，不受風(fēng)、日照、叢林以及背景光的影響，光傳播過程中損耗基本可以忽略。但是，用LED燈作燈源時，由于每一個小LED燈都是一個光源，光源數(shù)量較多，分布位置和光傳播的方向均不一致，所以在信號的發(fā)射器和接收器之間有許多不同的光信號流。由于可見光傳輸路徑的不一致，使得光信號經(jīng)過不同的路徑進行傳播，有光程差的存在，從而形成了“多徑效應(yīng)”，存在嚴(yán)重的碼間干擾。相關(guān)科研結(jié)果表明，在可見光通信中存在碼間干擾時，通信效果會受到一定程度制約。為了改善這一現(xiàn)象，提高室內(nèi)可見光通信傳播技術(shù)的通信質(zhì)量，可以采用在信號接收端設(shè)置均衡器對信道特性進行補償，提高整個系統(tǒng)抑制碼間干擾的能力。在采用均衡器對信道特性進行實際補償時，需要提前對通信中的信道狀況分析研究，然后再采用有效的信道均衡技術(shù)進行補償，因此，可見光通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一就是信道均衡技術(shù)。

查閱相關(guān)文獻進行研究分析，發(fā)現(xiàn)目前各國學(xué)者在信道均衡技術(shù)方面的研究均集中在無線電領(lǐng)域，對室內(nèi)可見光的信道均衡技術(shù)鮮有研究。此外，光通信與無線電通信的應(yīng)用領(lǐng)域與傳輸信道也不一樣。因此，無線電通信中采用的信道均衡技術(shù)不適用于可見光通信系統(tǒng)，對于可見光通信系統(tǒng)，需要研究出新的抗干擾的均衡技術(shù)。本文研究出了室內(nèi)可見光通信的分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)。

2 系統(tǒng)模型

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)模型中采用陣列式LED照明燈作為信號發(fā)射源，信號為單極性信號，采用強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）的調(diào)制解調(diào)方式。LED照明燈發(fā)射的白光信號在信號發(fā)射端進行強度調(diào)制（光有瞬時信號功率時，與二進制中的“1”相同，無時，則與“0”相同）。調(diào)制后的可見光信號在不同光路徑上傳輸?shù)叫盘柦邮斩?，接收端對接收到的信號進行直接的檢測，并將相關(guān)光功率信息進行解碼，導(dǎo)出所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

在此系統(tǒng)中，相關(guān)信號數(shù)學(xué)表示方法如下：

在時域上，室內(nèi)可見光通信環(huán)境對可見光信號傳輸?shù)挠绊懣梢圆捎脤嵭诺赖臎_激相應(yīng)函數(shù)c（t）進行描述。

在數(shù)學(xué)上，信號接收器接收到的可見光信號用r（t）表示，發(fā)射光信號用x（t）表示（x（t）非負），光信道的噪聲用ω（t）表示，信號的卷積用?表示。

它們之間的關(guān)系就是：r（t）=x（t）?c（t）+ω（t）。

在信號傳輸過程中，信道噪聲由接收端放大器噪聲和散彈噪聲，相關(guān)科學(xué)研究表明，在光通信中，信道噪聲存在的情況下，上述可見光信號的公式可表示為： （1）

式中，T為周期符號，x（nT）表示時刻n的數(shù)據(jù)輸入符號，Lk表示信道長度。

3 FSE均衡算法

采用FSE均衡算法對光信道進行計算前，接收器要對信道輸出進行采樣。采樣過程進行簡化處理，T/L為采用周期的第k個采樣時刻信號用rk表示。上式中x（nT）用x（n）表示，c（t-nt）=c（kT/L-nT）用ck，n表示，ω（t）=ω（kT/L）用ωk表示。所以k個采用時刻的信號可表示為：

（2）

在信號被采集后，需要進行濾波處理，為此需要將信號送到FIR均衡器，均衡器的一個抽頭間隔為T/L，濾波后的信號需要被L抽取后再輸出。

3.1 均衡算法。在FIR均衡器中，被采樣序列與均衡器權(quán)系數(shù)之間的卷積能夠表示均衡器對序列的濾波過程，因此，均衡器的輸出信號可以表示為：

（3）

式中，fi為分?jǐn)?shù)間隔均衡器的權(quán)系數(shù)，Nf為均衡器符號數(shù)，L·Nf為均衡器長度。

對均衡器的傳輸信號進行下采樣，下采樣輸出信號表示為：

（4）

將（2）代入（4），

則得到下采樣輸出信號的矩陣表達式：

y（n）=（xT（n）C+wT（n））f （5）

3.2 FSE系數(shù)最優(yōu)化。對均衡器進行設(shè)計時，采用了MMSE準(zhǔn)則，因此，對于系統(tǒng)誤差，這里按照下式計算。

e（n）=y（n）-x（n-δ） （6）

式中，δ為誤差計算中可以被優(yōu)化的變量。

將（5）式代入（6）式，可得誤差公式為：

e（n）=xT（n）（Cf-hδ）+wT（n）f （7）

對（7）式進行分析，采用信源歸一化方法，F(xiàn)SE系數(shù)最小時，均方誤差最小，均衡器系數(shù)向量和最佳時延需要符合最優(yōu)化公示f=A-1CHhδ，對結(jié)果進行優(yōu)化，可知最小均方差誤差為：

JMSE=hδH（I-CA-1CH）hδ （8）

3.3 計算量分析。對于一個算法過程的計算量，目前還沒有十分精確的數(shù)據(jù)進行評價，常用的算法計算量的評估方法通常是以基本操作數(shù)目的上界進行評價。本文以計算N點輸入的信號經(jīng)過分?jǐn)?shù)間隔均衡后輸出所需的乘法次數(shù)對計算量的大小進行衡算，計算量的大小用O來衡量。則采用FSE算法中乘法的計算量為O（（LN）2）+O（L3Nf3），MMSE算法中乘法的計算量為O（N2）+O（Lf3）。從以上公式分析，對于FSE算法，完成一次計算，計算量的大小與采樣的間隔時間和均衡器的長度都有關(guān)，計算量與上述兩個變量之間構(gòu)成多項式關(guān)系。因此，本文采用的均衡算法計算量合理，在實際中是行得通的。

4 仿真分析

本文采用計算機模擬仿真技術(shù)對FSE均衡算法進行評價，采用的評價指標(biāo)是誤碼率（BER）和均方誤差（MSE）。間隔線性均衡器補償?shù)男诺溃瑢τ诖a間干擾引起的通信質(zhì)量下降并不能完全消除，而分?jǐn)?shù)間隔均衡器則能較好地補償信道失真，抑制可見光通信中的碼間干擾。

5 結(jié)束語

室內(nèi)可見光通信技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域研究的熱點，對于其中的難點技術(shù)應(yīng)進行重點研究。對于目前可見光通信技術(shù)當(dāng)中由于“多徑效應(yīng)”對通信質(zhì)量造成的影響，本文采用分?jǐn)?shù)間隔信道均衡補償技術(shù)進行研究，希望能促進相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展。

參考文獻：

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作者簡介：趙華（1980.10-），男，碩士，講師，通信工程教研室主任，研究方向：可見光通信、移動通信、光纖通信、微弱信號檢測。

作者單位：河北師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，石家莊 050024；河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院，石家莊 050031

基金項目：國家科技重大專項：基于可見光通信的新一代無線局域網(wǎng)總體技術(shù)研究；河北師范大學(xué)博士基金項目：微納米粉末在微波寬帶頻率與微波燒結(jié)狀態(tài)下的介電表征（項目編號：L2012B15）；河北省教育廳基金項目：無線電波對大氣霧霾的影響及其在霧霾防治中的應(yīng)用研究（項目編號：QN2014116）；河北師范大學(xué)青年基金項目：基于混沌振子的微弱方波信號檢測方法研究（項目編號：L2010Q10）。