室內(nèi)可見光通信頻域均衡技術(shù)DSP方法對比分析

張士灝　湯璇　林邦姜　張敏　李藝偉

摘要對3種室內(nèi)可見光通信傳輸技術(shù)的數(shù)字信號處理方法（DSP），包括正交頻分復(fù)用（OFDM）、單載波頻域均衡（SCFDE）與單載波頻分復(fù)用（SCFDM）進行了對比分析.通過峰值功率比（PAPR）和計算復(fù)雜度比較了3種方法的優(yōu)劣.分析結(jié)果表明，SCFDE和 SCFDM具有較低的PAPR，但SCFDM計算復(fù)雜度較高.此外，還使用白光LED燈針對3種調(diào)制解調(diào)方法建立了實驗?zāi)Ｐ?實驗結(jié)果表明，在VLC傳輸系統(tǒng)中，由于低PAPR特性，使得SCFDE和SCFDM在誤碼率（BER）和Q值方面的性能優(yōu)于OFDM.關(guān)鍵詞可見光通信；單載波頻域均衡；單載波頻分多址；正交頻分復(fù)用；峰均值功率比

中圖分類號TN20

文獻標(biāo)志碼A

0引言

白光LED可用于照明與通信的特點，使得可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術(shù)成為近年來研究熱點.VLC與射頻技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢，如能源效率高、無需授權(quán)頻譜、無RF干擾以及安全保密性高等[15].結(jié)合以光信號為載波的空間傳輸模式，可見光通信（VLC）可開拓豐富的光譜資源，為新一代大容量移動通信的系統(tǒng)提供了解決方案.

正交頻分復(fù)用 （Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)具有傳輸效率高、有效對抗多徑衰落、消除ISI、信道利用率高等特點[6]，不但在射頻領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且也成為無線光通信研究領(lǐng)域高速通信的關(guān)鍵技術(shù)[710].然而，在OFDM系統(tǒng)中復(fù)合包絡(luò)是多個子載波信號的疊加，信號的包絡(luò)變化劇烈，高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）對驅(qū)動器的線性要求很高[11].在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，發(fā)射端光源LED IV特性呈非線性，受數(shù)模轉(zhuǎn)化器有限字長效應(yīng)等限制，會對OFDM系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的影響.為了降低PAPR，克服OFDM的峰均功率比值過大的問題，文獻[12]提出了利用SCFDE（單載波頻域均衡）調(diào)制方法.除此之外，文獻[13]提出的SCFDM（單載波頻分復(fù)用）也是一種高數(shù)據(jù)速率、高頻譜利用率的無線傳輸方案.

目前，已經(jīng)有較多文獻對OFDM、SCFDE和SCFDM進行了分析研究[1215].然而，在室內(nèi)VLC場景下，尚未見此類研究.此外，以往的研究是基于理想的加性高斯白噪聲（AWGN）信道前提下的仿真分析，本文則通過仿真分析，比較3種數(shù)字信號處理（DSP）方法的PAPR以及計算復(fù)雜度，進而設(shè)置具體實驗方案，對比分析了3種方法的實用性能.

1PAPR及計算復(fù)雜度性能分析

OFDM 符號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號疊加而成的，當(dāng)各個子載波相位相同或者相近時，疊加信號便會受到相同初始相位信號的調(diào)制，從而產(chǎn)生較大的瞬時功率峰值，由此帶來較高的峰值平均功率比（PAPR），簡稱峰均比.峰均比超過某一給定門限值的概率，即互補累積分布函數(shù)（CCDF）是最常用來衡量PAPR的指標(biāo).本文基于QPSK星座映射，子載波數(shù)為256，對OFDM、SCFDM 和 SCFDE系

表1可以看出，OFDM和SCFDE有相同的、較低的計算復(fù)雜度，有利于LED驅(qū)動器的上行傳輸.相比之下，SCFDM具有最高的計算復(fù)雜度.對于典型值M=256，OFDM（SCFDE）和SCFDM系統(tǒng)乘法除法運算量分別為2 304和4 352.相對于SCFDM，OFDM和SCFDE的系統(tǒng)復(fù)雜度為其529%.

2實驗建立與結(jié)果分析

為了進一步考察3種系統(tǒng)在室內(nèi)VLC場景下的數(shù)據(jù)傳輸性能，本文進行了具體實驗驗證，實驗裝置如圖2所示.

在發(fā)射端，OFDM、SCFDE和SCFDM基帶信號進行3次上采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字IQ調(diào)制.總子載波數(shù)為1 024，其中724子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，循環(huán)前綴（CP）和循環(huán)后綴（CS）的大小為16.生成的波形上傳至任意波形發(fā)生器（AWG），設(shè)采樣率為5 MS/s，利用Bias Tee結(jié)合電信號與直流（DC）信息，發(fā)射機采用市售的磷光白光LED（Cree XLamp xhp50）作為光源，LED調(diào)制帶寬小于10 MHz，LED的IP（電流功率）特性曲線如圖3所示.接收端利用商用硅固定放大檢測器Thorlabs PDA10A將光信號轉(zhuǎn)換為電信號.檢測器的輸出信號由實時數(shù)字示波器記錄，采樣信號進行離線解碼.

圖4和圖5分別為OFDM、SCFDE和SCFDM的誤碼率（BER）、Q因子與傳輸距離之間的關(guān)系.該試驗基于QPSK星座映射.實驗結(jié)果表明，SCFDE系統(tǒng)具有最佳的傳輸性能，OFDM的傳輸性能最差.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，OFDM具有高的PAPR，因瞬時光功率峰值而引起較強的非線性損壞.由圖5可以看出，隨著距離的增加，Q值越來越低.

3結(jié)束語

本文基于室內(nèi)VLC系統(tǒng)，在LED的非線性特性和無線光信道色散性質(zhì)下，對OFDM、SCFDE和SCFDM 3種技術(shù)性能進行了對比分析，仿真結(jié)果表明，發(fā)射端SCFDE系統(tǒng)具有低的PAPR和復(fù)雜性，有利于實現(xiàn)傳輸.OFDM的計算復(fù)雜度與SCFDE相等，但具有最高的峰均比，受傳輸系統(tǒng)非線性影響較大，導(dǎo)致較高的誤碼率.SCFDM較OFDM有更低的PAPR，BER和Q因子的性能表現(xiàn)良好，可以較好地抑制PAPR，降低非線性效應(yīng)的影響，但是VLC傳輸過程中具有最高的計算復(fù)雜度.

參考文獻

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AbstractIn this paper，we investigate and compare the performance of three digital signal processing （DSP） based transmission technologies for indoor visible light communication （VLC）.These schemes include orthogonal frequency division multiplexing （OFDM），single carrier frequency domain equalization （SCFDE），and singlecarrier frequency division multiplexing （SCFDM）.Particularly，we analyze their peaktoaverage power ratio （PAPR） and computational complexity for comparison.Our results indicate that SCFDE and SCFDM system have relatively low PAPR while SCFDM has the highest complexity.Besides，we present a hardware prototype for the three modulation methods using a white LED lamp.Experimental results show that，due to their low PAPR，SCFDE and SCFDM outperform OFDM in aspects of bit error rate （BER） and Q factor performances in VLC transmission.

Key wordsvisible light communication；single carrier frequency domain equalization；singlecarrier frequency division multiplexing；orthogonal frequency division multiplexing；peak to average power ratio