多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計

任魯涌　許圣飛

【摘 要】本文設(shè)計了基于白光LED照明光源為通信光源，以M-ASK多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號為傳輸電信號的一個用可見光來傳輸信息的通信仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)具有信號傳輸速率極大、信息傳送效率高優(yōu)點。用仿真軟件對此可見光仿真通信系統(tǒng)的各模塊進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明此仿真系統(tǒng)能驗證實際實現(xiàn)M-ASK多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)通信功能的可行性。

【關(guān)鍵詞】白光LED;多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制;仿真

中圖分類號： TN911.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）35-0007-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.003

以白光LED作為通信光源所構(gòu)建的無線可見光通信系統(tǒng)是用可見光來傳輸信息，這種方法可以較有效的緩解時下的通信頻譜緊張狀況，而且白光通信信道利用的可見光傳輸?shù)男畔?，有很高理論傳輸速率，在現(xiàn)在我們平常能夠隨處可見到的LED光源照明設(shè)施下，用這種不增加額外成本的資源來實現(xiàn)高速通信。白光這種可見光波使用限制少且對我們的身體沒有什么影響，目前的社會環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)終端用戶的數(shù)量需求快速增長，將白光照明與通信功能集成有著很大的發(fā)展?jié)摿秃芎檬袌銮熬啊⒍噙M(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號經(jīng)白光的通信系統(tǒng)傳輸更能提高傳輸效率，這種比較的新穎的白光通信新技術(shù)，它的發(fā)展中面臨這諸多的問題需要人們?nèi)チ私夂脱芯俊?/p>

1 M-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)調(diào)制原理

目前，可見光通信系統(tǒng)所面臨的最難的問題之一就是如何提高其系統(tǒng)對信息的傳輸速率。我們可以通過提高信號的發(fā)射速率、或提升碼元的比特數(shù)、或增加信道鏈路的方法都能夠來實現(xiàn)提高信息的傳輸速率的目標(biāo)。但提高信號的發(fā)射速率需要開發(fā)有著更高調(diào)制帶寬的LED，高帶寬的LED來提高信息的傳輸速率需要較高的經(jīng)濟成本，若以提高碼元的比特數(shù)或增加信道鏈路則需要采用高階的調(diào)制技術(shù)，這必須要用復(fù)雜的電路。

因此這里我們用了以M-ASK多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號為傳輸電信號，構(gòu)建多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)，這樣實現(xiàn)的系統(tǒng)有高的信息傳輸速率。原理是M-ASK的可見光通信系統(tǒng)是利用了可見光產(chǎn)生的不同幅度來對應(yīng)著不同的數(shù)字信號，具體來說就是在無線可見光通信系統(tǒng)的M-ASK調(diào)制方式中，先進(jìn)行M-ASK多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，用不同的幅度電平來表示不同的二進(jìn)制信號，再對LED進(jìn)行直接強度調(diào)制，這樣LED的每一次閃光都能夠傳輸log2M位的數(shù)字信息，由此看來，M-ASK的調(diào)制系統(tǒng)中所產(chǎn)生的通信速率是二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的M倍之多。這樣實現(xiàn)還具有在M-ASK調(diào)制系統(tǒng)中產(chǎn)生的傳輸比特率與二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)產(chǎn)生的傳輸比特率相等時，M-ASK的調(diào)制系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖帶寬是二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖帶寬的1/log2M，這樣條件下能夠減少碼間串?dāng)_，雖會使發(fā)射端的光功率效率相對地降低。但在可見光通信系統(tǒng)中主要是加性高斯噪聲，在誤碼率相等的情況下，M-ASK調(diào)制系統(tǒng)的碼元速率與二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的碼元速率相等時，接收端接收到光的光功率會隨著進(jìn)制數(shù)的增大而增大的特點，這種方法技術(shù)實現(xiàn)相對簡單。

2 M-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

M-ASK的調(diào)制解調(diào)的可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由：數(shù)字信源、M-ASK調(diào)制模塊、LED驅(qū)動電路模塊、信道、PIN接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的信號判決再生模塊、M-ASKK解調(diào)模塊等組成。其中，數(shù)字信號先通過M-ASK調(diào)制模塊實現(xiàn)M-ASK電信號的多進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制，然后再把調(diào)制好的信號傳輸?shù)絃ED驅(qū)動電路模塊。在接收一端，經(jīng)過PIN接收模塊接收到光信號，然后經(jīng)過放大后的信號發(fā)送到判決再生模塊，最后經(jīng)過M-ASK解調(diào)輸出數(shù)據(jù)。

圖1 M-ASK調(diào)制解調(diào)的可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 M-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)仿真設(shè)計

用Optisystem軟件構(gòu)建的4-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)實驗仿真系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)中包括了信源、4-ASK調(diào)制模塊、LED驅(qū)動電路模塊、信道、PIN接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的信號判決再生模塊、4-ASK解調(diào)模塊。仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實際的M-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成是相同的，因此仿真結(jié)果就有現(xiàn)實實際意義。其中，數(shù)字信號由PN序列代替，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換傳輸?shù)?-ASK調(diào)制模塊進(jìn)行調(diào)制，然后再把調(diào)制好的信號傳輸?shù)絃ED驅(qū)動電路模塊。信道設(shè)計為線性基帶傳輸模型，在接收一端經(jīng)過PIN接收模塊接收到光信號，然后經(jīng)過放大后的信號發(fā)送到判決再生模塊，最后經(jīng)過4-ASK解調(diào)輸出數(shù)據(jù)。運行仿真運算得仿真結(jié)果，光發(fā)射4-ASK光時域波形如圖3所示，PIN光接收后4-ASK波形如圖4所示， 接收后4-ASK接收端眼圖仿真結(jié)果如圖5所示。在實際做設(shè)計中也做了8-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)仿真，接收后8-ASK接收端眼圖仿真結(jié)果如圖6所示。4-ASK的調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)仿真結(jié)果中，可以清楚地看到可見光的四種不同幅度的變化狀態(tài)，同樣8-ASK的調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)仿真結(jié)果中，也可以清楚的查看到可見光的八種不同幅度的變化狀態(tài)，表明這種技術(shù)簡單可行。仿真結(jié)果還表明，設(shè)計的M-ASK調(diào)制的可見光通信仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了相應(yīng)功能及指標(biāo)，用它作為實驗驗證系統(tǒng)來驗證現(xiàn)實M-ASK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)及性能具有現(xiàn)實意義。

圖3 光發(fā)射4-ASK光時域波形

圖4 PIN光接收后4-ASK波形

圖5 接收后 4-ASK接收端眼圖

圖6 接收后8-ASK接收端眼圖

4 結(jié)束語

光通信系統(tǒng)的設(shè)計與分析過程中，Optisystem具有可以實現(xiàn)很多類型的光鏈路的通信系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)用它建立模型來實現(xiàn)光通信系統(tǒng)的仿真能夠全面的分析這個系統(tǒng)的性能，可通過直接修改此軟件系統(tǒng)中各個元器件的特征參數(shù)完成器件的設(shè)計，建立的仿真模型能充分體現(xiàn)實際系統(tǒng)的性能。在本仿真設(shè)計中做了M=2、4、8等M-ASK調(diào)制的可見光通信的仿真，進(jìn)一步擴展可實現(xiàn)M為更多的M-ASK調(diào)制解調(diào)的可見光通信系統(tǒng)仿真，這為通信方向的學(xué)生擴展光通信知識提高自己的創(chuàng)新能力提供了技術(shù)驗證條件。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]王虹，蔡喜平.基于白光LED的可見光通信研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2014，35（1）：5-9.