多波長可見光雙二進制信號傳輸性能的研究

周越,邵宇豐,汪志鋒,李長祥

多波長可見光雙二進制信號傳輸性能的研究

周越,邵宇豐,汪志鋒,李長祥

(上海第二工業(yè)大學計算機與信息工程學院,上海201209)

搭建了多波長LED可見光通信(Visible LightCommunication,VLC)系統(tǒng),采用了低通濾波器-光雙二進制(Low Pass Filter-OpticalDuobinary,LDF-ODB)的調制方案,實現了波長為450 nm、550 nm和650 nm的可見光信號10m的傳輸距離,并分析了3種可見光信號的傳輸性能。仿真結果證明了光雙二進制調制與解調技術應用于可見光通信系統(tǒng)的可行性。通過比較不同波長VLC系統(tǒng)的Q值、眼圖、接收靈敏度等,結果證明：采用450 nm波長收發(fā)信號的系統(tǒng),其接收靈敏度高于應用其余波長的系統(tǒng);采用550 nm波長收發(fā)信號的系統(tǒng)具有最小的接收功率代價值。因此,在實際應用中,當系統(tǒng)接收靈敏度要求較高時,采用450 nm波長收發(fā)信號的方案具有優(yōu)勢;若同時兼顧接收功率代價值的影響,建議選擇采用550 nm波長收發(fā)信號的方案。上述研究結果為VLC系統(tǒng)的調制、解調和多波長的實際應用提供了可參考方案。

可見光通信;光雙二進制;多波長;接收靈敏度;接收功率代價

0 引言

可見光通信(Visible LightCommunication,VLC)是一種短距離的無線光通信技術,被公認為具有綠色照明和數據通信的雙重作用[1],因此廣受學術界關注。VLC基于波長范圍為380～780 nm的LED實現無線光通信,在上述波長范圍內LED的響應靈敏度非常高,且具有良好的線性調制特性,因此能實現數據傳輸[2-3]。VLC與傳統(tǒng)無線通信技術相比(如射頻(RF-ID)、藍牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB, UltraWide Band)及無線相容性認證(Wi-Fi)),具備支持高速數據傳輸、不占用射頻通信頻段、易于搭建系統(tǒng)、無需頻譜使用許可證等優(yōu)點[4-6]。目前,光雙二進制調制解調技術由于具有很好的抗色散性能、實現技術簡單且具有較高的頻譜利用率等優(yōu)點,故受到廣泛關注并在常規(guī)光纖通信系統(tǒng)中得以應用[7]。但通過調研文獻后發(fā)現,光雙二進制的調制、解調技術還未在VLC系統(tǒng)中得到應用。考慮到光雙二進制信號具有部分響應信號(Partial Response Signal)的特點(根據Nyquist第二準則[8]),在理論上具有較好的收發(fā)特性,因此,本文在VLC系統(tǒng)中開展了相關應用研究。

1 VLC系統(tǒng)分析

圖1為基于LED的VLC系統(tǒng)框圖,該系統(tǒng)包括發(fā)送機、可見光信道和接收機3部分。發(fā)送機將原始的二進制比特流經過預處理和編碼調制,編碼調制的目的是為了在有限的帶寬上實現更高的傳輸速率[9]。調制后生成的電信號輸入白光LED發(fā)送模塊,進行直接電光調制,并生成待傳輸的光信號。該信號經可見光信道傳輸后輸入接收機模塊,采用光電二極管實現直接檢測,最終經過解調得到原始電信號。為提高VLC系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率,可在發(fā)射機中使用高階調制和編碼技術,并在接收機中使用高階解調和解碼技術。

圖1 VLC系統(tǒng)的組成及工作原理Fig.1 Configuration and principle of the used VLC system

由于VLC系統(tǒng)的載波是可見光,容易受到外界環(huán)境光噪聲源干擾(如陽光、白熾燈和熒光燈等)[10],從而導致接收機接收到載有信息的光能量比例減小,信息傳輸的可靠性降低。VLC系統(tǒng)中的信道傳輸通常分為視距(Line of Sight,LOS)傳輸和非視距(None Lineof Sight,NLOS)傳輸[11]。在LOS情況下,接收功率為[12]：

在NLOS情況下,接收功率通常由LOS上的信道DC增益給出,并且反射路徑Href(0)為：

可見光信道模型建模時應當考慮噪聲的影響,因此設計過程包含加性高斯白噪聲(AWGN)的無線VLC傳輸信道,

式中,I(t)為光電探測器的電流;η為光電探測器的靈敏度;h(t)為脈沖響應;N(t)為加性高斯白噪聲。本文基于無線VLC傳輸信道并引入高斯白噪聲來建模(信號的空間無線傳輸距離為10m)。

2 系統(tǒng)仿真和結果分析

本文采用Optiwave光通信軟件和MATLAB聯(lián)合建模搭建了VLC系統(tǒng)。仿真實驗系統(tǒng)的速率設置為10Mbit/s,采用強度調制/直接檢測(IM/DD)的方式。發(fā)射端包括ODB發(fā)射機,在ODB發(fā)射機內,產生的偽隨機序列需要進行差分調制,由于光雙二進制調制具有一種部分響應調制的特性,故需要首先進行預編碼以防止誤碼的傳播。實驗通過使用異或門和延遲器[13]來實現差分預編碼。隨后通過截止頻率數值為0.28倍比特率的低通濾波器,濾除低頻信號分量來代替延時相加單元,從而實現了電雙二進制的調制。最終雙二進制調制信號直接驅動LED模塊產生隨光載波強度變化的光信號,進入可見光信道中傳輸。設置LED的波長分別為450 nm(藍光)、550 nm(綠光)、650 nm(紅光),發(fā)射功率為500mW。在可見光傳輸信道中,發(fā)射和接收孔徑直徑分別設為0.8 cm和1 cm,衰減參數設置為5 dB/km。接收端主要由光學濾波器、光電探測器、低通濾波器和3R再生器組成,如圖2所示。到達接收端的光信號首先進入矩形光濾波器濾除其余波段的光噪聲;然后信號進入APD雪崩光電二極管進行光電轉換,其響應度為0.9 A/W,暗電流為10 nA;接著再通過低通濾波器,其截止頻率的數值為0.75倍比特率;最后使用3R再生器進行信號的恢復。

圖2 VLC系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of VLC system

采用不同波長(450 nm、550 nm、650 nm)VLC系統(tǒng)的頻譜圖和傳輸眼圖如圖3所示。對比3種波長的傳輸后的頻譜圖,采用450 nm波長系統(tǒng)的頻譜在0頻處最高接收功率略大于其余2種波長,整體頻域上功率的衰減也較為平緩。通過比較圖3的3種波長的眼圖發(fā)現：450 nm波長眼圖的眼開度略大于其余的波長,反映了抗碼間串擾能力較強,這也說明了不同波長的可見光信號傳輸性能的差異。通過誤碼率分析儀得到具體數據：采用450 nm波長信號的VLC系統(tǒng),在最佳判決門限為0.51個周期時,測得最大Q值為10.7;采用550 nm波長信號的VLC系統(tǒng),在最佳判決門限為0.49個周期時,取得最大Q值為9.4;采用650 nm波長信號的VLC系統(tǒng),在最佳判決門限為0.52個周期時,取得最大Q值為7.9。通過分析和比較,證明采用450 nm波長信號的系統(tǒng)具有最大Q值,因此具有最好的傳輸性能。

圖3 采用不同波長VLC系統(tǒng)的頻譜圖與眼圖Fig.3 Frequency spectrum and eye diagramsof differentwavelengths VLC signals

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上海第二工業(yè)大學2017教育教學工作會議召開

2017年5月5日,上海第二工業(yè)大學2017教育教學工作會議召開。會議的主題為迎評促建、改進提高、彰顯特色,中心任務是進一步推進本科教學審核評估。校領導宋寶儒、俞濤、鄒龍飛、徐余法、謝華清、徐玉芳及全體中層干部、教師和輔導員代表參會。會議由謝華清副校長主持。

俞濤校長作了題為“全力以赴、眾志成城,以本科教學審核評估為契機,推動學校改革發(fā)展”的報告。報告總結了2016～2017學年上海第二工業(yè)大學教育教學工作取得的成績及存在的問題,重點就本科教學審核評估、學校改革發(fā)展做了再動員、再部署。對進一步做好審核評估工作提出了要求,要求全體教職員工要以飽滿的熱情、強烈的責任感和使命感投入到這項工作中來,要求從思想上高度重視、凝心聚力,要求尊重規(guī)律、更新觀念,要求部門間協(xié)同配合、眾志成城,圓滿完成審核評估各項任務。

宋寶儒書記對前一階段推進審核評估的各項工作給予肯定,強調此次會議的任務是對評估工作進行再動員、再推進。各項工作要統(tǒng)籌兼顧,把當前的評估工作和教育綜合改革、貫徹落實中央31號文件精神的工作有機結合起來。要對前期本科專業(yè)評估專家提出的問題進行認真整改,有關部門要下達責任清單,明確目標任務、責任部門和時間節(jié)點。學校要將審核評估工作納入考核范圍,明確獎懲。宋書記號召全體教職員工以高度的責任感和主人翁意識,投入本科教學審核評估和教育教學改革發(fā)展工作中,希望在黨政領導、全體教職員工共同努力下圓滿完成工作任務。

相關職能處室及二級教學單位負責人、教授代表分別做了大會發(fā)言,報告了各自學部（院）推進本科教學審核評估、開展教育教學改革等工作情況。

較研究出不同接收功率(

Power)下的誤碼率,采用3種不同波長VLC系統(tǒng)的接收功率與誤碼率如圖4所示。為了比較不同波長系統(tǒng)的接收功率代價,加入了傳輸前后的接收功率與誤碼率圖像進行分析比較。根據BER為10-9作為系統(tǒng)最大容限邊界條件[14],通過對采用3種波長系統(tǒng)的接收功率進行分析發(fā)現：采用波長為450 nm方案,在傳輸前后的接收功率分別為-37.38 dBm和-36.88 dBm,其中接收功率代價為0.5 dB,如圖4(a)所示;采用波長為550 nm方案,在傳輸前后的接收功率分別為-36.85 dBm和-36.43 dBm,接收功率代價為0.42 dB,如圖4(b)所示;采用波長為650 nm方案,在傳輸前后的接收功率分別為-36.76 dBm和-36.04 dBm,接收功率代價為0.72 dB,如圖4(c)所示。上述結果證明：采用450 nm波長信號傳輸時的接收靈敏度均為最大;但是對于接收功率代價值而言,采用550 nm波長信號傳輸時的代價最小。因此在實際應用中,當系統(tǒng)接收靈敏度要求較高時,建議選擇采用450 nm波長收發(fā)信號的方案具有一定的優(yōu)勢;但如果兼顧接收功率代價的影響,建議選擇采用550 nm波長收發(fā)信號的方案。

Research on Transm ission PerformanceofOpticalDuobinary M ulti-Wavelength Visible Light Signals

ZHOU Yue,SHAO Yufeng,WANG Zhifeng,LIChangxiang
(Collegeof Computerand Information Engineering,ShanghaiPolytechnic University,Shanghai201209,China)

Amulti-wavelength LED visible lightcommunication(VLC)system wassetup.The low pass fi lteropticalduobinary(LDFODB)modulation schemewasused to realize three differentvisible lightsignals(thewavelengthswere 450 nm,550 nm and 650 nm) transmission over 10meters respectively,and the transmission performance of three kinds of visible light signalswas analyzed.Thesimulation resultsshowed the feasibility ofopticalduobinarymodulation and demodulation technology in the VLC system.By comparing the Q value,eye diagramsand receiver sensitivities,itwas found that the receiver sensitivity was betterwhen transmitting optical signalwas 450 nm.And,the system had the lowest receiver power penalty when 550 nm wavelength transceiverwas used.Therefore, in the practicalapplication,when the system hasa higher sensitivity requirement,the transceiverw ith 450 nm wavelength signal is the best.As taking into account the receiver power penalty,the transceiverw ith 550 nm wavelength signal isbetter than others.The above results provide a reference for themodulation,demodulation andmulti-wavelength applications in VLC system.

visible lightcommunication(VLC);opticalduobinary;multi-wavelength;receiver sensitivities;receiverpower penalty

TN929.1

A

圖4 采用3種不同波長VLC信號的接收功率與誤碼率
Fig.4 Received powerand BER of three differentwavelengths VLC signals

3 結語

1001-4543(2017)02-0123-05

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.02.008

2017-02-27

邵宇豐(1977—),男,湖南長沙人,副教授,博士后,主要研究方向為環(huán)境監(jiān)測技術、通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理。E-mail：yfshao@sspu.edu.cn。

國家自然科學基金(6117064),上海市教委科研創(chuàng)新項目(15ZZ101),上海第二工業(yè)大學重點學科(XXKZD1605),上海第二工業(yè)大學內涵建設項目(A11NH170301)資助

本文搭建了基于LED的多波長VLC系統(tǒng),采用了低通濾波器-光雙二進制(LDF-ODB)的調制方案,實現了波長為450 nm、550 nm和650 nm的可見光信號10m的收發(fā)。通過比較上述不同波長可見光信號的接收誤碼率、眼圖、接收靈敏度等結果,證明了采用450 nm波長的可見光信號傳輸時系統(tǒng)的接收靈敏度優(yōu)于其他波長的光信號,但是其接收功率代價值卻高于采用550 nm波長傳輸的光信號。因此當系統(tǒng)接收靈敏度要求較高時,采用450 nm波長收發(fā)信號的方案較好;但若考慮接收功率代價值的影響,則采用550 nm波長收發(fā)信號的方案較優(yōu)。上述研究結果為VLC系統(tǒng)的調制解調方法和多波長的實際應用提供了可參考方案。