一種新型室內(nèi)可見光通信調(diào)制技術(shù)

馮 祎

(北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,北京 100144)

0 引 言

可見光通信(Visible Light Communication,VLC)技術(shù),通過白光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)閃爍的同時實現(xiàn)了通信和照明的雙重功能[1]。限制VLC系統(tǒng)傳輸速率的主要原因為白光LED有限的調(diào)制帶寬,目前廣泛使用的熒光粉LED的調(diào)制帶寬一般＜10 MHz[2]。為突破VLC系統(tǒng)帶寬受物理器件的限制,李洪磊等人在硬件預(yù)均衡的基礎(chǔ)上結(jié)合硬件后均衡和藍光濾光技術(shù),將白光LED的調(diào)制帶寬由3 MHz增加到233 MHz,在非歸零開關(guān)鍵控(Non-Reture-to-Zero On-Off Keying,NRZ-OOK)調(diào)制方式下實現(xiàn)了550 Mbit/s的傳輸速率[3-5]；另一種方法是使用效率更高的調(diào)制技術(shù),即在調(diào)制帶寬確定的情況下盡可能提高發(fā)送符號可攜帶的信息量[6]。

在VLC系統(tǒng)調(diào)制帶寬限定的條件下,本文設(shè)計了一種多進制變幅度變周期調(diào)制(Multi-ary Variable Amplitude&Period Modulation,MVAPM)技術(shù),有效提高了VLC系統(tǒng)傳輸速率,并對調(diào)制方式進行了詳細的理論分析及軟件仿真。

1 MVAPM符號結(jié)構(gòu)與參數(shù)配置

1.1 符號結(jié)構(gòu)

開關(guān)鍵控(On-Off Keying,OOK)調(diào)制、脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)和數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(Digital Pulse Interval Modulation,DPIM)是數(shù)字基帶調(diào)制中較典型和常用的幾種調(diào)制技術(shù)[7-8]。

在基于MVAPM的VLC系統(tǒng)中,進入MVAPM調(diào)制器的數(shù)據(jù)為多進制數(shù)字信號,調(diào)制器需對數(shù)字信號按照b個比特進行分組,其中b=log2M由M VAPM的進制數(shù)M決定。MVAPM結(jié)合了變脈沖幅度與變脈沖周期的調(diào)制方式,每個符號元素中的比特數(shù)據(jù)會分為兩部分參與調(diào)制。脈沖幅度調(diào)制的比特數(shù)為ba,脈沖時間調(diào)制的比特數(shù)為bs,且滿足b=ba+bs。

變周期脈沖調(diào)制:bs決定了參與調(diào)制數(shù)據(jù)的位數(shù),而調(diào)制數(shù)據(jù)的值決定了脈沖低電平的長度,因此調(diào)制出的脈沖周期是變化的。變周期脈沖調(diào)制波形圖如圖1所示,調(diào)制波形的高電平時間為tH,低電平時間為tL+ts,調(diào)制周期T=tH+tL+ts,其中tH=tL,ts=N×tslot,N為二進制數(shù)bs對應(yīng)的十進制數(shù),tslot為插入的單位最小時隙,設(shè)時隙脈寬比α

圖1 變周期脈沖調(diào)制波形圖

變脈沖幅度調(diào)制:脈沖幅度的調(diào)制不是連續(xù)模擬電壓變化,而是分為幾種幅度電平,電平的種類數(shù)量為2ba,每個符號的幅度為Ai(i=0,1,2,…,2ba-1),設(shè)最高脈沖幅度與最低脈沖幅度之比為β=

使用 MVAPM 方式對二進制信息“1001110001100011”以16進制進行分組,分別以兩種情況進行調(diào)制,設(shè)時隙脈寬比為α=0.05,β=2.5,調(diào)制波形示意圖如圖2所示。

圖2 MVAPM波形示意圖

MVAPM(16,2,2,α=0.05,β=2.5)將二進制信息分為4組調(diào)制,每個符號的高2位決定了正脈沖的幅度電平,低2位決定了在低電平后插入幾個時隙tslot；同理,MVAPM(16,1,3,α=0.05,β=2.5)的正脈沖只有2種電平,而插入的時隙有8種。

1.2 符號參數(shù)選取

MVAPM的符號調(diào)制波形由M、ba、bs、α和β決定,M進制數(shù)的選取決定了被調(diào)制數(shù)據(jù)的比特數(shù)b。ba的數(shù)值決定每個符號的正脈沖幅度電平的數(shù)量,當(dāng)ba≥1 bit時,M VAPM的正脈沖將具有多種電平值,電平值由A0和β決定,但相鄰正脈沖電平值之間需要留有足夠的裕量,以保證接收端可以正確解調(diào)；bs的數(shù)值決定每個符號的低電平后插入時隙的數(shù)量,當(dāng)bs≥1 bit時,M VAPM的低電平后將加入額外的時隙,因此不同符號對應(yīng)的調(diào)制周期不同。不同α?xí)r,bs與傳輸速率的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖可知,bs的取值不宜過大,且需要結(jié)合α的取值一同考慮。

圖3 不同α?xí)r,b s與傳輸速率的關(guān)系曲線

時隙脈寬比α的設(shè)計,需合理選取tH、tL和tslot,當(dāng)調(diào)制最長符號時,通信傳輸速率可表示為TR=設(shè)帶寬W=1 M Hz,圖4所示為不同bs時,α與傳輸速率的關(guān)系曲線。由圖可知,α取值越大傳輸速率越低,以bs=4 bit為例,當(dāng)α＞0.2后,傳輸速率＜1 M bit/s,低于同等帶寬下OOK調(diào)制方式的傳輸速率。因此α的取值需結(jié)合系統(tǒng)調(diào)制帶寬綜合考慮,較大的α可降低解調(diào)誤碼率,但系統(tǒng)的傳輸速率也會明顯下降。

2 性能和仿真分析

2.1 帶寬需求

由于熒光粉LED的帶寬受限以及大面積光電探測器的大容量電容限制了調(diào)制帶寬,因此室內(nèi)VLC系統(tǒng)的帶寬需求越小越好[9]。在假設(shè)輸入到調(diào)制器的數(shù)據(jù)速率TR相同的前提下,OOK調(diào)制的每個調(diào)制符號只包含1 bit信息,因此OOK調(diào)制所需帶寬為WOOK=TR。PPM、DPIM和MVAPM均需要對輸入數(shù)據(jù)進行分組,設(shè)每組符號有bs個比特,PPM為非變周期調(diào)制,因此PPM所需帶寬為WPPM=(2bs/bs)·TR。DPIM和MVAPM為變周期調(diào)制,顯然調(diào)制周期最大的符號才能體現(xiàn)調(diào)制帶寬的需求,因此,DPIM和M VAPM所需帶寬分別為TR。

圖4 不同b s時,α與傳輸速率的關(guān)系曲線

根據(jù)以上分析,歸一化的調(diào)制帶寬需求對比圖如圖5所示。

圖5 歸一化的調(diào)制帶寬需求對比圖

2.2 傳輸容量

傳輸容量用來表示在單位時間內(nèi)調(diào)制符號所能攜帶信息容量的大小,這里用比特率(bit/s)來衡量系統(tǒng)的傳輸容量[10]。設(shè)單位時隙為Tμs、每組符號有bs個比特,則OOK調(diào)制和PPM的傳輸容量分別為TCOOK=1/Tμs和TCPPM=bs/(2bs·Tμs)。DPIM和M VAPM為變周期調(diào)制,計算傳輸容量時需取調(diào)制符號的平均周期,故DPIM和M VAPM的傳輸容量分別為

根據(jù)以上分析,歸一化的傳輸容量對比圖如圖6所示。相對于PPM和DPIM方式,OOK調(diào)制的傳輸容量較高,隨著bs的增加,PPM和DPIM的傳輸容量越來越小；MVAPM各取兩種α和ba值進行比較,M VAPM的傳輸容量均遠高于PPM和DPIM,且當(dāng)bs＜7 bit時,PPM和DPIM的傳輸容量均小于MVAPM調(diào)制。

圖6 歸一化的傳輸容量對比圖

2.3 平均發(fā)射功率

設(shè)發(fā)送一個單位脈沖的幅度為Au、功率為Pu,設(shè)每組符號有bs個比特。計算平均發(fā)射功率以O(shè)OK調(diào)制為例,OOK調(diào)制的平均發(fā)射功率為出現(xiàn)“1”的概率與Pu之積,OOK調(diào)制出現(xiàn)“1”和“0”的概率相等,因此OOK調(diào)制的平均發(fā)射功率為POOK=同理,PPM和DPIM的平均發(fā)射功率分別為PPPM=和PDPIM=。由于MVAPM為非單一電平調(diào)制,考慮到MVAPM實際發(fā)射的各種電平為等概率出現(xiàn),因此M VAPM的平均脈沖幅度為·Pu,平均發(fā)射功率為

根據(jù)以上分析,歸一化的平均發(fā)射功率對比圖如圖7所示。相對于其他調(diào)制方式,PPM的平均發(fā)射功率最小,DPIM次之,而OOK調(diào)制的平均發(fā)射功率最大(β=1時)；MVAPM各取兩種α和β值進行比較,可見MVAPM的平均傳輸功率大于PPM和DPIM；當(dāng)β=1.5、bs＜5時,MVAPM的平均傳輸功率會大于OOK調(diào)制；當(dāng)β＞1時,MVAPM的平均脈沖幅度會增加,因此平均傳輸功率會提高。

圖7 歸一化的平均發(fā)射功率對比圖

2.4 誤包率

分析調(diào)制方式的差錯性能對室內(nèi)VLC系統(tǒng)具有重要意義,用誤包率來對比不同調(diào)制方式的差錯性能更合理[9]。

設(shè)VLC系統(tǒng)的信道為加性高斯白噪聲理想信道,即噪聲均值為0、均方差σ=,式中:N0為噪聲功率譜密度；B為調(diào)制帶寬。設(shè)調(diào)制一個符號的平均發(fā)射功率為Ps.avg,峰值光電流Ip=S·Ps.avg(S為光電二極管的感光靈敏度),判決門限為kEp(0＜k＜1),Ep為脈沖能量,則發(fā)送低電平被判決為高電平的概率為為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的右尾函數(shù),發(fā)送高電平被判決為低電平的概率誤時隙率為pSER=p0·pe0+p1·pe1,p0和p1分別為收到低電平和高電平的概率,且滿足p0+p1=1。

設(shè)每幀發(fā)送的數(shù)據(jù)比特數(shù)為n,每個符號的調(diào)制位數(shù)為b,每個符號的平均時隙為ˉs,則每一幀包含的時隙數(shù)量為因 此 計 算 誤 包 率 公 式 為定義信噪比從而推導(dǎo)出OOK調(diào)制、PPM、DPIM和MVAPM的誤包率分別可為pPER_OOK=n·Q(,

根據(jù)以上分析對各調(diào)制方式的誤包率進行仿真,當(dāng)n=1 024,k=0.5,b=4時,各調(diào)制方式下相對信噪比的誤包率如圖8所示。當(dāng)b固定,α=0.01、β=1.0時,各調(diào)制方式下的誤包率均隨著信噪比的增加而下降,PPM的誤包率最低,OOK調(diào)制的誤包率最高,DPIM和MVAPM的誤包率介于PPM和OOK調(diào)制之間,但DPIM要好于MVAPM的誤包率。

圖8 各調(diào)制方式下相對信噪比的誤包率

3 結(jié)束語

在VLC系統(tǒng)調(diào)制帶寬受限的前提下,提出了MVAPM技術(shù),其在正、負脈沖兩個維度對信息調(diào)制,在不增加調(diào)制帶寬的前提下可攜帶更多的信息,進而有效提高了調(diào)制效率。

理論分析及仿真表明,MVAPM具有比OOK調(diào)制、PPM和DPIM更小的調(diào)制帶寬需求和更高的符號傳輸容量；MVAPM的平均發(fā)射功率要高于PPM和DPIM,ba值較高時會低于OOK調(diào)制；誤包率低于OOK調(diào)制但大于DPIM,誤包率隨著β值的增加逐漸增大,但可適當(dāng)減小α值對其進行補償。

綜上所述,當(dāng)VLC系統(tǒng)調(diào)制帶寬有限且系統(tǒng)具有較高信噪比時,采用MVAPM技術(shù)可明顯提升系統(tǒng)傳輸速率,相比OOK調(diào)制、PPM和DPIM調(diào)制方式具有較為明顯的優(yōu)勢。