王 巍 梁繡滟 王 寧 王秋平

（1.天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院 天津 300387 2.天津工業(yè)大學 大功率半導體照明應用系統(tǒng)教育部工程研究中心 天津 300387 3.天津工業(yè)大學 電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387 4.天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院 天津 300387）

1 引言

白光LED 由于節(jié)能、壽命長及可靠性高等優(yōu)點迅速普及。其響應時間極短，可以在兼顧室內(nèi)照明的同時，實現(xiàn)高速無線通信。作為無線接入網(wǎng)絡的一種替補方式，室內(nèi)可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術具有良好的發(fā)展前景[1]。由于受信道背景光、障礙物等因素影響，VLC 技術相對于有線通信技術更加復雜。另外，由于LED 調(diào)制帶寬受自身硬件結構影響，而各家廠商制作LED的材料及生產(chǎn)工藝不盡相同，因此不同LED 芯片調(diào)制特性也存在較大差異。

為解決復雜條件下高效利用有限信道帶寬實現(xiàn)可靠信息傳輸問題，以離散多音頻（DMT）、正交頻分復用（OFDM）[2]和離散小波多音（DWMT）[3]為代表的多載波技術越來越多地在VLC 系統(tǒng)得到應用。2010 年，德國西門子公司利用DMT 技術和高階QAM 調(diào)制格式在1000lx 照明環(huán)境下實現(xiàn)了傳輸速率達513Mbit/s 的VLC 系統(tǒng)[4]。2011 年，利用WDM 與DMT 技術，德國科學家采用RGB 三色LED發(fā)射機實現(xiàn)了803Mbit/s 的傳輸速率[5]。2012 年，意大利研究人員采用DMT 技術和雪崩光電二極管（APD）實現(xiàn)了1Gbit/s 的傳輸速率[6]。但上述研究成果尚處于實驗室階段，還未在實際系統(tǒng)中得到應用。

本文對基于DMT 的VLC 系統(tǒng)中的LED 光源及其接收端特性進行了研究，分析了多芯片大功率LED 室內(nèi)照明環(huán)境下采用DMT 調(diào)制技術的傳輸信噪比和傳輸速率等性能。主要研究工作包括：①使用Matlab 建立了300～800lx 的標準室內(nèi)LED 照明環(huán)境；②搭建了基于DMT 調(diào)制技術的多路徑可見光通信系統(tǒng)模型；③與MPAM 格式的IM/DD 調(diào)制方法對比分析，證明了基于DMT 技術的VLC 系統(tǒng)能夠有效抵抗碼間串擾（ISI）及噪聲，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和接收端信噪比。

2 信道模型

典型的中等大小辦公室空間如圖1 所示，房間體積為5×5×3m3，4 盞LED 光源分別離地2.50m，接收機放置在離地0.85m 的桌面上。采用藍色LED芯片發(fā)出的藍光激發(fā)黃綠熒光粉發(fā)白光工藝，單芯片功率1.40W 的商用S12NW6C LED 芯片，其調(diào)制帶寬約為20MHz[7]。每盞LED 燈均由196 個LED 燈珠組成，保證房間內(nèi)的光照度滿足 ISO 國際標準（300～1500 lx），具體參數(shù)設置見表1[8]。

圖1 LED 燈位置分布圖Fig.1 LED lights distribution

表1 實驗參數(shù)設置[8]Tab.1 Experimental setting parameters

4 盞LED 燈的坐標分別為（X1，Y1，Zh）、（X2，Y2，Zh）、（X3，Y3，Zh）、（X4，Y4，Zh）。由于LED燈是對稱分布的，其坐標系滿足：X1=X3，X2=X4，Y1=Y2，Y3=Y4，X2=5-X1，Y3=5-Y1，則桌面高度的水平照度E 為[9]

式中，I0為LED 的中心發(fā)光強度；m 是光源的朗伯階數(shù)，本文假定選用的LED 為朗伯光源，因而有

式中，θ1/2為半功率角。根據(jù)式（1）對房間內(nèi)a 區(qū)的水平照度仿真結果如圖2 所示。

圖2 a 區(qū)水平照度（桌面E/lx）分布Fig.2 Horizontal brightness (E/lx) distribution of desk-top on area a

考慮到LED 燈在房間的布置是互相對稱的，從圖2 可以看出實驗環(huán)境的光照強度符合ISO 國際標準規(guī)定的室內(nèi)照明的要求。室內(nèi)照明標準規(guī)定桌面的最小照度為 400lx，本文在性能分析過程中以400lx 照度為標準進行分析。

下面在式（1）所描述光照環(huán)境中，建立室內(nèi)VLC 信道的數(shù)學模型。LED 光源發(fā)出的光功率到達接收機的路徑主要包括LOS 通信鏈路以及房間內(nèi)的墻壁和物體反射到達接收機的部分。信道的傳輸函數(shù)可表示為[10]

上述信道模型是在點對點鏈路傳輸過程中考慮視距鏈路和漫反射鏈路的VLC 信道模型。

3 DMT 調(diào)制原理分析

DMT 是一種特殊的調(diào)制/復用技術，調(diào)制的關鍵是將單載波信號分解為平坦的多個子載波，保證子載波之間在時域波形的正交性，從而減小多徑衰落效應、抵抗碼間串擾，提高頻譜利用效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖3 DMT 在可見光通信系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Flow chart of DMT model via VLC

在圖1 所示辦公室照明環(huán)境下，基于DMT 調(diào)制技術的VLC 系統(tǒng)框架如圖3 所示[11,12]。輸入的串行比特流經(jīng)串并轉換成N 組并行的低速率的二進制比特流，對每一路比特流以M-QAM 的形式進行星座映射，將二進制數(shù)據(jù)映射QAM 星座的一個符號，映射后的數(shù)據(jù)為復數(shù)形式。DMT 發(fā)射機的快速傅里葉逆變換（IFFT）將QAM 符號調(diào)制到相應的載波上，通過補零引入2 倍的過采樣，產(chǎn)生個子載波，結果為一個實值的時間信號——DMT幀[13]。為減少ISI 的影響，在每N 點IFFT 塊均加入一個長度為M 的循環(huán)前綴，每個（N+M）單位的序列對應于DMT 時間信號的離散時間抽樣值，通過IFFT 輸出端的并串轉換得到，輸出的串行數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉換后送至信道進行傳輸。

接收過程中，經(jīng)過光敏二極管（PD）、放大和濾波以后的信息被A-D 轉換器還原為二進制數(shù)據(jù)，在通過串并轉換和去循環(huán)前綴后，輸入到快速傅里葉變換（FFT）模塊，理想情況下，F(xiàn)FT 的輸出應為發(fā)送端輸入到IFFT 模塊的原始信號。信道的均衡處理用于消除或減小由于發(fā)射機和接收機中的有源或無源器件參數(shù)變化引起的碼間串擾。然后對QAM 符號解映射，經(jīng)過并串轉換后完成信息在可見光通信系統(tǒng)中的傳輸。

4 DMT 調(diào)制系統(tǒng)性能分析

信噪比的大小代表了傳輸?shù)馁|(zhì)量。DMT 調(diào)制的本質(zhì)是采用M-QAM 進行多載波傳輸，M 的值可以是4、8、16、32、64、128 和512[14]。每個子載波相互正交，經(jīng)過解調(diào)后的DMT 信號的處理在每個子載波內(nèi)分別進行，因而子載波之間的信噪比相互獨立。在對ISI 敏感的環(huán)境下，副載波調(diào)制增強了系統(tǒng)的魯棒性。

表1 指出信道最小的截止頻率f3dB遠大于LED的信號調(diào)制帶寬20MHz，此時稱信道是“平坦”的，可忽略ISI 的影響，則接收光功率為所有LED 芯片的功率之和

式中，PT,i為每個LED 芯片的光功率；PR是在考慮漫射延遲情況下總的接收功率。

基帶傳輸接收端的信噪比表達式為

式中，E 為水平面的照度；RA 為接收端的有效面積，經(jīng)測量，RA=3cm2；α 為LED 藍光區(qū)光功率與光通量的轉換因子，α=2.1mW/lm。對式（6）進行仿真得到基帶傳輸信噪比分布如圖4 所示。

圖4 基帶傳輸接收端信噪比分布Fig.4 SNR distribution on the receiver

由圖4 可知，在“平坦”的信道內(nèi)，當水平照度E 在300～800lx 范圍內(nèi)，基帶傳輸?shù)男旁氡萐NR為48～60dB，水平照度400lx 時的信噪比為54dB。此時作為DMT 的比較對象，考慮IM/DD 調(diào)制最有效的基帶調(diào)制格式M-PAM，根據(jù)圖5 其在和10-6時的傳輸速率分別為180Mbit/s 和160Mbit/s。從式（5）和式（6）可以看出，接收端的信噪比與光功率及水平照度分布有關。

圖5 信噪比SNR 與頻譜效率ρFig.5 SNR vs.spectral efficiency ρ

假設在DMT 調(diào)制過程光功率統(tǒng)一分配在每個子信道，由于信道是“平坦”的，每個子載波的接收功率是 PR/ K，每個子載波的信噪比為

式中， SNRBB是圖4 所示基帶傳輸?shù)男旁氡?；K 為子信道的數(shù)目。意味著隨著子信道數(shù)目的增加，每個子載波的信噪比下降。需要注意的是，DMT 可以天然地對抗ISI 主要是因為信號處理過程引入了加循環(huán)前綴CP，即加入在每個符號前加入“冗余”，而為了達到更好的頻譜效率ρ，它與子信道個數(shù)K及“冗余”的個數(shù)C 之間的關系限制了K 的數(shù)目：

為了抵抗相鄰路徑之間碼間串擾并有效提高頻率效率，需要保證K≥4C[8]。選擇子信道數(shù)目K=16、C=2，由式（7）得水平照度為400lx 時每個子載波信噪比SNRi=41.9dB。由圖5 各種調(diào)制方式在誤碼率分別為10-3和10-6的信噪比與頻譜效率之間的關系[8]，結合式（8）可以得到BER=10-3和10-6條件下 M-QAM/DMT 的數(shù)據(jù)傳輸速率 R 分別為260Mbit/s 和220Mbit/s。其他實驗結果列于表2。

表2 實驗結果分析Tab.2 Analysis on experimental results

表2 實驗分析結果表明，相對于M-PAM 格式基帶傳輸，DMT 調(diào)制的子信道對信噪比要求更低。雖然增加了系統(tǒng)的復雜性，但是 DMT 調(diào)制技術在信號處理過程中將信號頻譜搬離低頻帶的行為增強了對抗背景光和ISI 的魯棒性，更適合實際應用。

5 結論

本文對多徑傳輸信道模型下DMT 調(diào)制技術在大功率LED 照明環(huán)境的VLC 系統(tǒng)性能進行了研究。分析表明，DMT 調(diào)制除了其自身抵抗ISI 的干擾的特性以及提高接收端的信噪比之外，可以對每個子信道進行不同星座點數(shù)的獨立QAM 調(diào)制，從而可最大限度地利用信道。這些特性決定了DMT 可以嘗試作為VLC 系統(tǒng)的一種調(diào)制技術。對搭建的實驗模型能達到的數(shù)據(jù)傳輸速率和信噪比計算結果分析表明，在誤碼率為10-3和10-6下使用DMT 調(diào)制技術能達到的數(shù)據(jù)傳輸速率分別是260Mbit/s 和220Mbit/s，相對于相同誤碼率條件下的最有效基帶傳輸傳輸格式——MPAM 的180Mbit/s 和160Mbit/s 分別提高了44.4%和37.5%。

由于實驗條件所限，本論文存在一定的誤差，關于DMT 在VLC 系統(tǒng)中的應用仍只能局限在特定的實驗環(huán)境，因而還需要對DMT 的實際應用進行更深入的研究。目前已經(jīng)有研究人員開始關注到DMT 采用子信道比特加載，而OFDM 每個子信道比特數(shù)目固定的特性[15]，從而提出相應的算法提高信道利用率[16,17]。

[1]曹捷,梁忠誠,馬正北.白光LED 調(diào)制特性及調(diào)制帶寬的研究[J].無線通信,2012(2):7-12.Cao Jie,Liang Zhongcheng,Ma Zhengbei.White LED modulation bandwidth and modulation characteristics of the study[J].Hans Journal of Wireless Communications,2012(2):7-12.

[2]李風飛,郝學飛,胡國榮.一種多帶視頻擴展OFDM 電力線通信系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(9):131-136.Li Fengfei,Hao Xuefei,Hu Guorong.Multi-band time-frequency spreading OFDM for power line communication system[J].Power System Protection and Control,2013,41(9):131-136.

[3]張鵬,李紅斌.一種基于離散小波變換的諧波分析方法[J].電工技術學報,2012,27(3):252-259.Zhang Peng,Li Hongbin.A novel algorithm for Harmonic analysis based on discrete wavelet transforms[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(3):252-259.

[4]Vu?i? J,Kottke C,Nerreter S,et al.513 Mbit/s visible light communications link based on DMTmodulation of a white LED[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(24):3512-3518.

[5]Vu?i? J,Kottke C,Habel K,et al.803 Mbit/s visible light WDM link based on DMT modulation of a single RGB LED luminary[C].Opital Fiber Communications Conference,Optical Society America,2011:1-3.

[6]Khalid A M,Cossu G,Corsini R,et al.1-Gb/s transmission over a phosphorescent white LED by using rate-adaptive discrete multitone modulation[J].IEEE Photonics Journal,2012,4(5):1465-1473.

[7]Grubor J,Randel S,Langer K D,Walewski J W.Broadband information broadcasting using LEDbased interior lighting[J].IEEE Journals &Magazines,2008,26(24):3883-3892.

[8]Grubor J,Gaete Jamett O C,Walewski J W,et al.High-speed wireless indoor communication via visible light[J].ITG Fachbericht,2007,198:203-208.

[9]王永波.室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江大學,2008.

[10]Shieh W,Djordjevic I.OFDM for optical communications[M].Publishing House of Electronics Industry,2011.

[11]Grubor J,Jungnickel V,Langer K D.Capacity analysis in indoor wireless infrared communication using adaptive multiple subcarrier transmission[C].2005 7th International Conference on Transparent Optical Networks,2005,2:171-174.

[12]Inan B,Lee S C J,Randel S,et al.Impact of LED nonlinearity on discrete multi-tone modulation[J].Journal of Optical Communications and Networking,2009,1(5):439-451.

[13]李榮玲,商慧亮,王一光,等.高速可見光通信中關鍵使能技術研究[J].激光與光電子學進展,2013,50(05003):1-11.Li Rongling,Shang Huiliang,Wang Yiguang,et al.Research of key enabling technologies for high-speed visible-light communication[J].Laser&Optoelectronics Progress,2013,50(05003):1-11.

[14]Sun Z G,Zhu Y J,Zhang Y Y.The DMT-based bit-power allocation algorithms in the visible light communication[C].Second International Conference on BCGIN.,2012:572-575.

[15]Pandharipande A.Principle of OFDM[J].Potentials IEEE,2002,21(2):16-19.

[16]方擁軍,徐志強,翟明岳.單用戶電力線通信自適應OFDM 系統(tǒng)的資源分配[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(4):6-10.Fang Yongjun,Xu Zhiqiang,Zhai Mingyue.Resource allocation for single user in power line communication adaptive OFDM systems[J].Power System Protection and Control,2010,38(4):6-10.

[17]Zhang H,Liu Y.A low complexity optimal bit allocation algorithm[C].2010 6th International Conference on WiCOM.,2010:1-4.