可見光通信技術(shù)中的軟件均衡技術(shù)

王鼎 魯歡騰 陳贊謙

摘 要軟件均衡技術(shù)可分為預(yù)均衡和后均衡，預(yù)均衡一般根據(jù)系統(tǒng)以及信道的已知特性，在發(fā)送端進(jìn)行均衡，而后均衡則能夠在傳輸環(huán)境變化的條件下，跟蹤信道的實時變化，自適應(yīng)的調(diào)整自身參數(shù)，準(zhǔn)確地對信道的傳輸特性進(jìn)行補償，有效減小碼間干擾對系統(tǒng)的影響，以提高傳輸速率。

【關(guān)鍵詞】VLC 軟預(yù)均衡 軟件后均衡

1 引言

可見光通信系統(tǒng)主要采用強度調(diào)制直接檢測（IM/DD）模式，限制系統(tǒng)傳輸速率提高的主要因素是LED的調(diào)制帶寬，目前研究者提出了包括藍(lán)光濾光、預(yù)均衡技術(shù)、后均衡技術(shù)、清除多余載波技術(shù)、正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）、離散多音調(diào)制（DMT）、波分復(fù)用技術(shù)（WDM）、空間光調(diào)制技術(shù)（OSM）等多種技術(shù)將可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率由原來的幾十Mbps提高到幾百Mbps，再到幾Gbps再到目前的幾十Gbps級別，更高的傳輸速率不斷刷新。然而，可見光通信技術(shù)的發(fā)展還存在著一些限制和挑戰(zhàn)，如普通商用白光LED的調(diào)制帶寬低，從根本上限制了通信速率的提高。另外，多徑效應(yīng)和碼間干擾也對系統(tǒng)的傳輸速率和穩(wěn)定性造成影響。為了提高LED的調(diào)制帶寬克服碼間干擾的影響，最主要的方法是使用均衡技術(shù)。

2 軟件均衡技術(shù)

硬件均衡技術(shù)在一定程度上提高了LED的調(diào)制帶寬和系統(tǒng)的傳輸速率，但是其自身存在著時間抖動，抗干擾能力弱、帶寬受限、不能根據(jù)信道的變化自我調(diào)整等缺點，不適合用在高速傳輸系統(tǒng)。且模擬均衡器的靈活性低，信道的變化對系統(tǒng)的影響較大，要適應(yīng)新的信道環(huán)境則必須調(diào)整均衡器參數(shù)，使得模擬均衡器的調(diào)試與改進(jìn)困難較大。而軟件均衡技術(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的需求靈活調(diào)整參數(shù)，適應(yīng)能力強，因此數(shù)字信號處理中獲得了廣泛的應(yīng)用。

3 軟件預(yù)均衡技術(shù)

LED對高頻信號的衰減程度比低頻信號的衰減程度大，因此信道的增益是不均衡。適當(dāng)提高高頻分量的增益或者降低低頻分量的增益能夠使信道響應(yīng)更加平坦。

有限長單位脈沖響應(yīng)濾波器，即FIR濾波器是數(shù)字信號系統(tǒng)中最基本的元件。由于FIR濾波器容易實現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位，具有任意調(diào)整的幅頻特性、嚴(yán)格的線性相位、濾波器是穩(wěn)定系統(tǒng)、可用因果系統(tǒng)實現(xiàn)、單位沖擊響應(yīng)有限長、避免模擬均衡器的時間抖動等優(yōu)點，因而在可見光通信系統(tǒng)的預(yù)均衡器中得到廣泛運用。線性橫向均衡是采用有限長的FIR濾波器來實現(xiàn)，使用Kaiser窗函數(shù)設(shè)計的4階FIR濾波器可以將系統(tǒng)的3dB帶寬從原先的2.5MHz左右提高到60MHz。研究發(fā)現(xiàn)相同階數(shù)的FIR濾波器對應(yīng)QAM調(diào)制階數(shù)越高，均衡效果越差，這是由于高階調(diào)制信號的星座點歐式距離更近，要求更高階的FIR濾波器才能達(dá)到理想的均衡效果。

4 軟件后均衡技術(shù)

可見光通信技術(shù)作為一種新興的無線通信技術(shù)，其發(fā)展前景廣闊，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。在短短十幾年的發(fā)展過程中，可見光通信系統(tǒng)的最高傳輸速率不斷刷新，目前已經(jīng)達(dá)到幾十Gbit/s的傳輸速率，未來將會有更高傳輸速率的系統(tǒng)走入人們視線。但是，VLC技術(shù)依舊面臨著LED調(diào)制帶寬窄和碼間串?dāng)_等不利因素，為了提高系統(tǒng)的傳輸速率除了采用藍(lán)光濾光片、正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）、離散多音調(diào)制（DMT）、波分復(fù)用技術(shù)（WDM）、空間光調(diào)制技術(shù)（OSM）外，均衡技術(shù)對提升系統(tǒng)容量起到關(guān)鍵作用

5 結(jié)束語

由于可見光通信信道是典型的多徑信道，在高速通信過程中接收端接收到來自不同路徑的光信號，產(chǎn)生的多徑延遲導(dǎo)致碼間串?dāng)_效應(yīng)。研究者主要研究采用帶訓(xùn)練序列的自適應(yīng)均衡算法來減小多徑效應(yīng)給系統(tǒng)帶來的影響。常用的抑制碼間串?dāng)_的算法包括迫零均衡（ZFE）、最小均方誤差均衡（MMSEE）、最大似然序列均衡（MLSE）、最小均方均衡（LMSE）、遞歸最小二乘均衡（RLSE）。在自適應(yīng)均衡中，分?jǐn)?shù)間隔均衡（FSE）和判決反饋均衡（DFE）在可見光通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

軟件均衡通過設(shè)計符合要求的FIR濾波器，結(jié)合無線通信領(lǐng)域常用的均衡算法，能夠靈活的調(diào)整系統(tǒng)信道響應(yīng)，提升系統(tǒng)調(diào)制帶寬以及克服碼間干擾等影響。目前，應(yīng)用于可見光通信的均衡算法還有待進(jìn)一步的挖掘和研究，將軟件均衡技術(shù)與高階調(diào)制技術(shù)（如OFDM、QAM-DMT等）相結(jié)合的方法在提高系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定上前景光明。

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作者單位

空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 陜西省西安市 710000