基于先進調制的高速可見光通信技術

遲楠+黃星星+王一光

中圖分類號：TN929.1 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0016-005

摘要：基于發(fā)光二極管（LED）調制帶寬限制了可見光通信（VLC）系統(tǒng)傳輸速率這一問題，從VLC系統(tǒng)的先進調制技術出發(fā)，探討了類平衡-正交頻分復用、無載波幅相調制和頻域均衡單載波調制3種調制技術。對這3種調制技術原理和實驗結果的分析與討論，驗證了先進調制技術在提升VLC系統(tǒng)傳輸容量上的可行性。

關鍵詞：?可見光通信;正交頻分復用;無載波幅相調制;頻域均衡單載波調制;類平衡探測

Abstract：We introduce three formats， based on advanced modulation， that improve transmission. These formats are quasi-balanced detection orthogonal frequency-division multiplexing （OFDM）， carrier-less amplitude and phase modulation， and single carrier-frequency domain equalization （SC-FDE）. We determine the feasibility of these schemes for improving transmission in a VLC system. We analyze the principles of these three modulation formants and provide experimental results.

Keywords：?visible light communication; orthogonal frequency division multiplexing; carrier-less amplitude and phase modulation; single carrier-frequency domain equalization; quasi-balanced detection

可見光發(fā)光二極管（LED）具有高亮度、高可靠性、能量損耗低和壽命長等許多優(yōu)良的特性，可用于全色顯示、交通信號指示和照明光源等，是公認的下一代綠色照明產(chǎn)品。此外，可見光LED還具有調制性能好、響應靈敏度高的優(yōu)點，利用LED的這種特性，我們還可以將信號調制到LED所發(fā)出的可見光上進行傳輸。LED可以將照明與數(shù)據(jù)傳輸結合起來，促進了一種新型的無線通信技術，即可見光通信（VLC）技術的發(fā)展[1]。VLC利用的可見光波段是未受到管制的頻譜，無需授權即可使用。與傳統(tǒng)的射頻無線通信技術相比，VLC具有如下優(yōu)點[2-4]：

（1）綠色通信，安全環(huán)保，沒有射頻電磁輻射，且LED發(fā)出的白光對于人眼安全。

（2）能夠同時實現(xiàn)通信與照明。

（3）白光不可穿透墻壁等物體，因此可見光通信具有高度的保密性。

（4）可見光不受射頻信號的電磁干擾，可以應用在電磁敏感環(huán)境中，如機艙、醫(yī)院等。

（5）由于頻譜無需授權即可使用，所以可見光通信應用靈活，可以單獨使用，也可以作為射頻無線設備的有效備份。

目前，VLC得到了全球研究者越來越多的關注[5-13]。VLC技術已經(jīng)取得迅猛發(fā)展，傳輸速率從最開始的幾十兆比特每秒[5-6]到500 Mb/s[7]再到800 Mb/s[8]，目前已經(jīng)突破了吉比特每秒[9-10]。隨著與VLC相關系統(tǒng)器件的開發(fā)，系統(tǒng)通信速率還會有更高的提升。

但是VLC技術通信速率的提高也存在著很多限制因素，其中最主要的挑戰(zhàn)是LED有限的調制帶寬。目前，普通商用白光LED的3 dB調制帶寬都低于10 MHz，這很大程度上限制了VLC系統(tǒng)的傳輸速率。為突破調制帶寬這一“瓶頸”，許多技術都被應用到VLC系統(tǒng)，如系統(tǒng)多維復用技術[11]、預均衡技術[12]、后均衡技術[13]等等，來提升VLC系統(tǒng)傳輸速率。采用先進調制技術，是克服可見光通信系統(tǒng)調制帶寬限制，提升系統(tǒng)傳輸容量的有效方法。在VLC系統(tǒng)中，可以采用的先進調制技術包括類平衡探測-正交頻分復用（OFDM）[14]、無載波幅相調制（CAP）[15]和頻域均衡單載波調制技術（SC-FDE）[16]。本文從提升VLC系統(tǒng)傳輸容量出發(fā)，分析這3種先進調制技術的特點與實現(xiàn)方式，實現(xiàn)了高速VLC傳輸系統(tǒng)。通過對這3種調制技術原理和實驗結果的分析與討論，驗證了先進調制技術在提升VLC系統(tǒng)傳輸容量上的可行性。

1 類平衡探測-正交頻分

復用技術

類平衡探測-正交頻分復用技術（QBD-OFDM）結合類平衡探測編碼技術和OFDM技術[14]。OFDM信號數(shù)據(jù)被分為多個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊有兩個符號的數(shù)據(jù)。在相同的數(shù)據(jù)塊，第二個符號中的信號是和第一個符號中的信號在運算符號上是相反的。經(jīng)過理論推導，發(fā)現(xiàn)二階互調制失真、直流電流、可以完全消除，而且接收機的靈敏度可以提高3 dB，因此可以提高信噪比。

我們采用QBD-OFDM技術，實現(xiàn)了可達到2.1 Gb/s實際物理數(shù)據(jù)速率，并使傳輸距離達到2.5 m。圖1為所提出的QBD-OFDM實驗的原理。實驗中，QBD-OFDM信號由任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生，經(jīng)過低通濾波（LPF）、電放大器（EA）和偏置樹（Bias Tee）后調制到紅綠藍發(fā)光二極管（RGB-LED）不同顏色的芯片上。經(jīng)過自由空間傳輸后，在接收端由棱鏡聚光后，用濾光片將3個波長的光分開，最后采用雪崩光電二極管（APD）探測器接收。然后進行后端的均衡與解調算法處理。endprint

結合波分復用（WDM）和類平衡探測子載波復用，很好地利用了多色LED的波分復用，提供了更多的傳輸信道。利用類平衡探測技術很好地避免了OFDM提供更多子載波時的峰均功率比（PAPR）限制，有效提升了多色LED傳輸速度，提高了系統(tǒng)誤碼率（BER）性能，同時增加了可見光通信的傳輸距離。圖2給出QBD-OFDM技術和直接探測光正交頻分復用（DDO-OFDM）技術的對比。兩個子信道帶寬為，Sub1：6.25～56.25 MHz，Sub2：56.25～106.25 MHz。每個子信道對應的調制階數(shù)分別為，紅光：256正交幅度調制（256QAM）和128正交幅度調制（128QAM），綠光：128QAM和64QAM，藍光：128QAM和128QAM。因此，紅光、綠光和藍光的數(shù)據(jù)速率分別為750 Mb/s、650 Mb/s和700 Mb/s，總數(shù)據(jù)速率達到2.1 Gb/s，實驗距離可以達到2.5 m。在距離為0.5 m時，紅綠藍3色對應的Sub1、Sub2兩個子信道的BER提升為25.6 dB、31 dB、30.3 dB、25.8 dB、21.8 dB和19.3 dB。當可見光通信系統(tǒng)的通信距離增加時，系統(tǒng)誤碼率會增加，這是因為距離增加導致系統(tǒng)接收到的光信號減弱，系統(tǒng)信噪比降低，誤碼率增加。繼續(xù)增加距離會使BER超過前向糾錯碼的門限，為使距離增加，就要使系統(tǒng)的傳輸速率降低。藍光LED采用QBD-OFDM和DDO-OFDM的對應的Sub1、Sub2兩個子信道的星座圖如圖2（d）的（i）、（ii）、（iii）和（iv）所示。

2 無載波幅相

調制技術

無載波幅度相位調制（CAP）是正交幅度調制的一個變種多階編碼調制技術，可以使用模擬或數(shù)字濾波器，實現(xiàn)靈活的子帶劃分和高階調制，減少了計算的復雜性和系統(tǒng)結構，在數(shù)字用戶線路有著廣泛的應用。

無載波幅相調制信號可以表示如下：

[st=at?fIt-bt?fQt] ? ?（1）

這里a（t）和b（t）是I路和Q路的原始比特序列經(jīng)過編碼和上采樣之后的信號。[fIt=gtcos2πfct] 和[fQt=gtsin2πfct]是對應的整形濾波器的時域函數(shù)，它們形成一對希爾伯特變換對。

假設傳輸信道是理想的，在接收機端兩個匹配濾波器的輸出可以表示如下：

這里[mIt=fI-t] 和[mQt=fQ-t]是對應的匹配濾波器的脈沖響應。利用對應的匹配濾波器在接收端就可以解調出原始信號。

我們采用了無載波幅相調制技術，結合先進預均衡與后均衡算，后均衡算法采用改進級聯(lián)多模算法（CMMA），實現(xiàn)了1.35 Gb/s可見光傳輸系統(tǒng)實驗[15]。實驗原理圖和實驗裝置圖如圖3所示。

圖4（a）到圖4（c）為采用改進CMMA均衡算法所測得BER和距離的關系。實驗中，每個波長上采用頻分復用技術，將不同用戶的信號分別調制到3個子載波上，每個子載波調制信號帶寬為25 MHz，調制階數(shù)為64QAM，因此每個子載波的傳輸速率為150 Mb/s，每個波長的傳輸速率為450 Mb/s。在發(fā)射和接收的距離為30 cm時，經(jīng)過波分復用后該系統(tǒng)總的傳輸速率達到1.35 Gb/s。圖4（d）對比了CMMA和改進CMMA的性能，改進CMMA性能要優(yōu)于CMMA，尤其是在第3個子帶更為明顯。

3 頻域均衡單載波調制技術

基于頻域均衡的單載波調制技術（SC-FDE）是基于單載波的高頻譜效率調制技術，該調制技術頻譜效率和OFDM一致，復雜度一致。可見光通信系統(tǒng)是一個非線性非常嚴重的系統(tǒng)，OFDM存在PAPR的缺點，高PAPR對于可見光系統(tǒng)是一個非常大的缺點，而SC-FDE相比于OFDM具有一定優(yōu)勢，因為SC-FDE擁有更小的PAPR，其調制/解調原理如圖5所示。SC-FDE調制技術和OFDM過程基本一致，但SC-FDE技術把IFFT變換從系統(tǒng)發(fā)射端移到了系統(tǒng)接收端。

采用SC-FDE技術，使用RGB-LED波分復用技術和高階調制格式，并在頻域采用預均衡和后均衡技術，可以在LED 3 dB帶寬只有10 MHz的條件下取得3.25 Gb/s的速率[16]。如圖6（a）所示。該速率是在發(fā)射和接收距離小于1 cm條件下測得，預均衡后的帶寬為125 MHz，紅光和綠光都采用512QAM，藍光則采用256QAM。圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）分別為紅綠藍3色BER與距離的關系，并給出了每種顏色光有無預均衡的性能對比。

4 結束語

本文針對可見光通信系統(tǒng)的調制帶寬低問題，采用先進調制方式，突破帶寬限制，實現(xiàn)可見光通信系統(tǒng)大容量傳輸。本文分析了類平衡-正交頻分復用、無載波幅相調制和頻域均衡單載波調制技術。通過對這3種調制技術原理和實驗結果的分析與討論，驗證了先進調制技術在提升VLC系統(tǒng)傳輸容量上的可行性。因此，先進調制格式技術是實現(xiàn)高速VLC系統(tǒng)非常重要的途徑。

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