基于波分復(fù)用技術(shù)的LED可見光通信的研究

汪廣業(yè)，鄒念育，王金鵬，李 萍，陳艾琳，余方男，苗美媛，高英明

（大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所，遼寧大連 116034）

基于波分復(fù)用技術(shù)的LED可見光通信的研究

汪廣業(yè)，鄒念育，王金鵬，李 萍，陳艾琳，余方男，苗美媛，高英明

（大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所，遼寧大連 116034）

介紹了LED（發(fā)光二極管）可見光通信系統(tǒng)和波分復(fù)用技術(shù)的原理，利用Optisystem軟件設(shè)計了波分復(fù)用技術(shù)在可見光通信鏈路傳輸中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光路百兆級的實時通信。采用直接調(diào)制方式，對NRZ（非歸零）碼和RZ（歸零）碼調(diào)制方式下的傳輸性能進行了對比研究，分析了不同速率對系統(tǒng)的誤碼率和Q因子等因素的影響，進而討論了在不同傳輸距離下系統(tǒng)誤碼率的變化特性，驗證了波分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用在LED可見光通信系統(tǒng)中的可行性和穩(wěn)定性。

可見光通信；波分復(fù)用；發(fā)光二極管；誤碼率

0 引 言

基于白光LED（發(fā)光二極管）的VLC（可見光通信）技術(shù)可以在照明的同時提供通信功能，是一種新興的無線通信技術(shù)［1-2］。LED不僅具有功耗低、無污染、小型化與壽命長等優(yōu)點，還具有響應(yīng)時間短、調(diào)制速率高等特性，使得采用白光LED作為VLC系統(tǒng)中的信號源進行無線數(shù)據(jù)傳輸成為可能。相比現(xiàn)有的無線通信技術(shù)，基于白光LED的VLC技術(shù)具有抗干擾能力強、傳輸速率高、無電磁污染和保密性能好等優(yōu)點［3］，可作為現(xiàn)有無線通信技術(shù)的有效補充。

WDM（波分復(fù)用）技術(shù)中由于同一信道中傳輸?shù)男盘柌ㄩL彼此獨立，因而可以綜合傳輸多種特性不同的信號，完成各種數(shù)據(jù)信息的匯合與分離。利用WDM技術(shù)以提高通信系統(tǒng)的傳輸性能是當前光通信領(lǐng)域研究的熱點之一。文獻［4］研究了一種基于WDM技術(shù)的長周期光纖光柵光化學(xué)多參量傳感技術(shù)，文獻［5］提出了一種基于WDM思想的啁啾脈沖堆積脈沖整形方法，可以有效地降低拍頻效應(yīng)，得到更為平滑的整形脈沖。本文利用Optisystem軟件組建了WDM技術(shù)在VLC鏈路傳輸中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光路百兆級的實時通信，對比研究了系統(tǒng)在NRZ（非歸零）碼和RZ（歸零）碼調(diào)制方式下的傳輸性能，討論了不同傳輸距離下系統(tǒng)BER（誤碼率）的變化特性。

1 VLC系統(tǒng)及WDM技術(shù)

1.1VLC系統(tǒng)原理

VLC技術(shù)是利用可見光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式［6］，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)送部分，系統(tǒng)首先對將要傳送的數(shù)據(jù)信息通過相應(yīng)的信號處理進行編碼，產(chǎn)生所需傳輸?shù)男盘柎a型，然后對LED進行調(diào)制的同時將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將數(shù)據(jù)信息加載到光束上發(fā)射到自由空間中，以空氣為傳輸介質(zhì)，用點對點的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。由于人眼察覺不到這種高速明暗閃爍的信號，因此在滿足基本照明要求的同時能夠進行數(shù)據(jù)傳輸［7］。在接收部分，光線最終匯聚到光電探測器表面，進而將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過去噪放大等信號處理方式還原出原始發(fā)送信號。

圖1　VLC系統(tǒng)框圖

1.2WDM傳輸系統(tǒng)設(shè)計

WDM是指將一系列載有信息但波長不同的光信號（對于RGB LED而言，即將R（紅）、G（綠）、B（藍）3種不同顏色的光束分別調(diào)制后合在一起）在發(fā)射端經(jīng)復(fù)用器匯合，經(jīng)過自由空間的無線信道傳輸，在接收端通過解復(fù)用器對不同波長的光載波信號進行分離，然后由光電探測器進行光/電轉(zhuǎn)換及信號處理以恢復(fù)原始發(fā)送信號的通信技術(shù)［8］。

本文設(shè)計的WDM傳輸系統(tǒng)原理圖如圖2所示。在發(fā)送端，輸入信號經(jīng)過設(shè)定的碼型變換，再經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換分為3路由不同波長的光載波（R，G，B）攜帶，經(jīng)過復(fù)用器將多束光復(fù)合后送入自由空間無線信道，由于各信號是通過不同波長的光束攜帶，在自由空間中傳輸互不干擾［9］。接收端利用解復(fù)用器將不同波長的光信號分離，為了區(qū)分不同波長光束所傳輸?shù)男盘?，在PIN型光電探測器前增加光帶通濾波器，濾除攜帶其他信息的光，有效地減少了背景光的干擾［10］。最終光束將匯聚到PIN光電探測器表面，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過跨阻放大器使信號在一定范圍內(nèi)變化，通過低通貝塞爾濾波器濾除噪聲，再經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換裝置恢復(fù)出原始信號送到相應(yīng)的接收機。

圖2　波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)原理圖

1.3系統(tǒng)仿真

信號源選擇波長為623、530和465nm的RGB LED，其光譜帶寬均為20nm；空間無線信道的衰減系數(shù)為2.5dB/km；發(fā)射光束的發(fā)散角為2mrad，信號源的光學(xué)發(fā)射孔徑為5cm；PIN光電探測器的接收孔徑為20mm，暗電流大小為10nA，響應(yīng)度為1 A/W；跨阻放大器的增益為40dB；自動增益控制的輸出電壓為5V。接收端采用了透射率高且對其他顏色光隔離度高的光帶通濾波器來進行信號分離。RGB 3路信號分別經(jīng)過WDM后傳輸?shù)阶杂煽臻g無線信道中，利用光譜分析儀檢測到的信道中RGB 3色光譜（如圖3所示），在WDM方式下RGB波長相互獨立，并且增加了信道的傳輸容量，在很大程度上解決了傳輸帶寬問題。

圖3　信道中RGB 3色光譜

為研究百兆級的傳輸速率，將R、G和B信道的傳輸速率分別設(shè)置為50、30和20Mbit/s，其他條件不變，在接收端利用誤碼分析儀觀察輸出信號的特性，其眼圖如圖4所示，由圖可以看出，呈現(xiàn)的跡線清晰，眼睛端正，相應(yīng)的眼高分別為0. 43、0.48和0.51，其BER水平均低于10-20數(shù)量級。RGB 3路信號在傳輸過程中互不干擾，且傳輸特性良好。因此通過采用3色光WDM技術(shù)，可將VLC系統(tǒng)的傳輸容量提升3倍。

圖4　RGB 3路信道的輸出信號眼圖

2 結(jié)果分析與討論

為了研究和評價系統(tǒng)的可靠性，在終端接入眼圖分析儀和誤碼率分析儀來分析信號的傳輸性能。光調(diào)制方式為IM/DD（強度調(diào)制/直接檢測），電信號調(diào)制方式為OOK（開關(guān)鍵控）。對比NRZ和RZ系統(tǒng)在傳輸速率分別為100、150和200Mbit/s情況下的傳輸特性，設(shè)定傳輸距離為3m。

2.1OOK-NRZ調(diào)制方式

通過眼圖分析儀來定性評價系統(tǒng)性能。在OOK-NRZ調(diào)制方式下，不同速率的系統(tǒng)眼圖如圖5所示。由圖可見，眼圖中信號上升和下降較快，交叉點的比例反映了信號占空比的大小，由于傳輸過程中光信號的脈沖寬度會展寬，導(dǎo)致接收側(cè)交叉點相對于發(fā)送側(cè)上移，接收側(cè)交叉點比例在45%左右，說明接收側(cè)的靈敏度較好。

圖5　OOK-NRZ調(diào)制方式下不同速率對應(yīng)的眼圖

圖5（a）中眼圖清晰，眼睛端正，張開度大，噪聲容限也大，有利于終端判決。Q因子曲線隨著眼圖的張開程度大小作如下變化：越靠近眼圖張開最大處，其Q因子越大，對應(yīng)的BER越小。在眼圖張開最大時刻，其Q因子達到85.24。在傳輸距離不變的情況下，隨著速率增加到150和200Mbit/s時，系統(tǒng)眼圖分別如圖5（b）和5（c）所示，跡線變得模糊，張開度變小，BER性能也逐漸下降。表1為不同速率下眼圖呈現(xiàn)出的眼高和BER變化關(guān)系。

表1　OOK-NRZ調(diào)制系統(tǒng)下的眼圖參數(shù)

2.2OOK-RZ調(diào)制方式

OOK-RZ調(diào)制方式下不同速率的系統(tǒng)眼圖如圖6所示，整體眼圖的下邊陰影區(qū)垂直距離和左右陰影區(qū)斜率較大，表明系統(tǒng)最大信號失真量較大且對定時抖動的靈敏度較高。說明RZ傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定度較低，容易受噪聲影響，對同步的要求也較高。在較高速率的情況下，RZ傳輸系統(tǒng)的眼圖跡線模糊程度較大，張開度縮小明顯，相應(yīng)的BER水平衰減明顯。保持傳輸距離不變，隨著速率的增加，眼高和BER隨速率的變化關(guān)系如表2所示。

表2　OOK-RZ調(diào)制系統(tǒng)下的眼圖參數(shù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在相同速率的條件下，NRZ調(diào)制方式下的系統(tǒng)性能優(yōu)于RZ調(diào)制方式。以100Mbit/s的傳輸速率為例，NRZ調(diào)制方式下的BER性能明顯優(yōu)于RZ調(diào)制方式，但隨著系統(tǒng)傳輸速率的提高，二者的傳輸質(zhì)量均下降，當速率到達200Mbit/s時，RZ調(diào)制方式下的系統(tǒng)BER性能已經(jīng)衰減為10-4數(shù)量級，若繼續(xù)提高傳輸速率，則系統(tǒng)接收信號的還原將受到影響。

圖6　OOK-RZ調(diào)制方式下不同速率對應(yīng)的眼圖

2.3傳輸距離對系統(tǒng)性能的影響

傳輸距離是影響通信系統(tǒng)性能的因素之一，因此本文在保證其他參數(shù)不變的條件下，通過調(diào)節(jié)收發(fā)裝置間的距離來觀察系統(tǒng)BER的變化，其變化關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的BER呈現(xiàn)升高的趨勢。在傳輸距離小于18m的情況下，NRZ調(diào)制方式下的系統(tǒng)性能要優(yōu)于RZ調(diào)制方式。當傳輸距離為12m時，RZ傳輸系統(tǒng)的BER為10-4，NRZ傳輸系統(tǒng)的BER為10-5，系統(tǒng)依舊可以恢復(fù)出原始發(fā)送信號。因此本文設(shè)計的基于WDM技術(shù)的LED VLC系統(tǒng)傳輸性能是穩(wěn)定可靠的。

3 結(jié)束語

在LED VLC系統(tǒng)中應(yīng)用WDM技術(shù)可充分提高系統(tǒng)的信道利用率。本文設(shè)計了WDM技術(shù)在VLC鏈路傳輸中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光路的實時通信。對NRZ和RZ調(diào)制方式下的傳輸性能進行了對比研究，分析了傳輸速率和距離對系統(tǒng)BER性能的影響，為進一步研究長距離高速VLC奠定了基礎(chǔ)。

［1]臧景峰，樸燕，宋正勛，等.基于白光LED照明光源的室內(nèi)VLC系統(tǒng)［J］.發(fā)光學(xué)報，2009，30（6）：877-881.

［2]汪廣業(yè)，王金鵬，楊娜，等.LED光通信中高聚光性菲涅爾透鏡的設(shè)計［J］.光通信技術(shù)，2015，39（8）：12-15.

［3]徐鑫，徐寧.光域多址技術(shù)的分析［J］.光通信研究，2014，（4）：36-39.

［4]陳海云，顧錚，高侃.基于波分復(fù)用的長周期光纖光柵光化學(xué)多參量傳感技術(shù)研究［J］.中國激光，2014，41 （2）：（0205003）1-8.

［5]曾曙光，胡靜，王飛，等.基于波分復(fù)用思想的啁啾脈沖堆積方法［J］.光學(xué)學(xué)報，2013，33（5）：（0514001）1-6.

［6]汪廣業(yè)，高英明，王金鵬，等.RGB LED可見光通信系統(tǒng)性能的仿真研究［J］.光通信技術(shù)，2015，39（10）：41-43.

［7]王巍，梁繡滟，王寧，等.離散多音頻技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（4）：160-165.

［8]張霞，田鳳，張曉光，等.基于多載波的相干波分復(fù)用太比特傳輸實驗研究［J］.中國激光，2014，41（6）：（0605005）1-6.

［9]譚學(xué)功，余順爭，張宏濱.波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中稀疏分光的選播路由［J］.光學(xué)學(xué)報，2013，33（7）：（0706022）1-8.

［10］王俊波，謝秀秀，曹玲玲，等.室內(nèi)可見光通信中的分數(shù)間隔均衡技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程，2012，20（1）：24-30.

Study on LED Visible Light Communication based on Wavelength Division Multiplexing Technology

WANG Guang-ye，ZOU Nian-yu，WANG Jin-peng，LI Ping，CHEN Ai-lin，YU Fang-nan，MIAO Mei-yuan，GAO Ying-ming
（Research Institute of Photonics，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China）

In this paper，we first introduce the principle of LED based visible light communication system and wavelength division multiplexing technology.Then we design the system structure of real-time visible light communication link with wavelength division multiplexing technology based on Optisystem software.Under the direct modulation scheme，the transmission performances of NRZ and RZ modulation are studied，respectively.The effects of different data rates on the bit error rate and Q factor of the system are analyzed.The performances of bit error rate at different transmission distance are also discussed.Finally，the feasibility and stability of the wavelength division multiplexing technology in the visible light communication system are verified.

visible light communication；wavelength division multiplexing；LED；BER

TN929.1

A

1005-8788（2016）02-0067-04

10.13756/j.gtxyj.2016.02.021

2015-09-19

遼寧省研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目（遼教發(fā)［2014］154）；遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革立項資助項目（UPRP20140139）；大連市科技計劃資助項目（2014A11GX050，2014A11GX052）

汪廣業(yè)（1990-），男，遼寧丹東人。碩士研究生，主要研究方向為LED光通信。

高英明，博士。E-mail：gyming@dlpu.edu.cn