吳 楠 王旭東 姚凱莉 蓋新東 何榮希

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可見光通信中的無載波位相調(diào)制技術(shù)

吳 楠 王旭東*姚凱莉 蓋新東 何榮希

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 大連 116026)

為了保證可見光通信(VLC)系統(tǒng)能夠?yàn)橹悄芙K端提供高速率、低能耗的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該文基于脈沖位置調(diào)制(PPM)技術(shù)，提出了一種新型的無載波位相(CPP)調(diào)制技術(shù)，即通過運(yùn)用正交濾波器提高了PPM的傳輸速率。而針對(duì)采用CPP調(diào)制在VLC系統(tǒng)中功率效率顯著降低的問題，提出了全新的時(shí)變偏置有效地降低了系統(tǒng)的功耗。最后仿真結(jié)果表明，采用時(shí)變偏置的CPP系統(tǒng)同采用直流偏置相比，在獲得相同BER性能且?guī)捠芟薜那闆r下可以節(jié)省2 dB的信噪比。而同時(shí)考慮信號(hào)時(shí)隙之間的相關(guān)性，時(shí)變偏置可以進(jìn)一步提升約1.5 dB的BER性能。

可見光通信；脈沖位置調(diào)制；無載波位相；時(shí)變偏置

1 引言

在移動(dòng)智能終端和移動(dòng)多媒體應(yīng)用大量涌現(xiàn)的背景下，如何保證智能設(shè)備永遠(yuǎn)在線以及如何保證數(shù)據(jù)高速、可靠地傳輸就成為了設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)必須要考慮的問題。而現(xiàn)有的射頻通信因頻譜資源有限等弊端已經(jīng)不能為各類多媒體應(yīng)用提供高速的數(shù)據(jù)通道。另一方面，在過去的幾年中，白光LED燈因其能源效率高、壽命長(zhǎng)、成本低、顏色多樣和環(huán)保等多方面優(yōu)勢(shì)正大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈和節(jié)能燈在各種場(chǎng)所提供照明[1]。而在照明之外，我們可以改變LED的瞬時(shí)發(fā)光強(qiáng)度來傳輸信息，而人眼并不能感受到這種發(fā)光強(qiáng)度的變化[2]。這就意味著發(fā)光LED在提供照明的同時(shí)也可以承擔(dān)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕巧?。其次，可見光頻譜擁有THz的帶寬，這是射頻頻譜(30 GHz以下)的1萬倍[3]，這無疑為更高速率的數(shù)據(jù)傳輸提供了更高的設(shè)計(jì)自由度?？偠灾?，無處不在的LED基礎(chǔ)設(shè)施和其與生俱來的豐富的可見光頻譜資源讓可見光通信(VLC)系統(tǒng)成為高速數(shù)據(jù)傳輸極具吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

實(shí)際上，可見光通信作為射頻通信的有效補(bǔ)充方案正在蓬勃發(fā)展[4]。目前，VLC系統(tǒng)常用的調(diào)制方式“強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)”(IM/DD)[5,6]是將調(diào)制電信號(hào)直接加載到光的強(qiáng)度上。而光強(qiáng)的特性決定了待傳輸?shù)碾娦盘?hào)也必須是正的實(shí)數(shù)。也就是說，在可見光系統(tǒng)中信號(hào)脈沖成形選擇問題上，矩形成型的脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation, PPM)則具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，因PPM單個(gè)符號(hào)內(nèi)能量能夠完全集中在一個(gè)脈沖上，通信系統(tǒng)可以獲得較高的功率效率，但PPM的頻譜效率并不高，當(dāng)帶寬一定時(shí)其傳輸速率卻受到限制[7]。而為了提升PPM的頻譜效率，一系列改進(jìn)的脈沖調(diào)制相繼產(chǎn)生[8]。第1 類方案通過減少時(shí)隙數(shù)目來拓展脈沖間隔以降低系統(tǒng)所需帶寬，從而獲得頻譜效率的提升[9,10]。另一類方案是依靠增加系統(tǒng)的傳輸維度，將信息加載到不同維度上以增加單位時(shí)間傳遞的信息量[11,12]。然而上述方式卻無法避免地犧牲了原PPM的高功率效率優(yōu)勢(shì)。

本文為了提升PPM的傳輸速率，在PPM調(diào)制中引入已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高達(dá)8 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o載波幅相(CAP)調(diào)制技術(shù)[13]，提出了新型的(Carrier-less Position/Phase, CPP)調(diào)制方案，即通過運(yùn)用CAP調(diào)制中的兩個(gè)相互正交的濾波器獲得了雙路正交PPM信號(hào)，提高了PPM的頻譜效率。然而正交濾波成型將使得CPP信號(hào)出現(xiàn)雙極性的問題。目前，在解決脈沖成型過程中導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)雙極性的問題上，文獻(xiàn)[14]通過在直流偏置中引入單一周期余弦信號(hào)(實(shí)際偏置為余弦信號(hào)和直流偏置的疊加)降低了系統(tǒng)所需的直流偏置大小，進(jìn)而獲得了比文獻(xiàn)[15]采用直流偏置更高的功率效率。受此啟發(fā)，本文所提出的時(shí)變偏置是通過利用傅里葉級(jí)數(shù)擬合CPP信號(hào)的下界而得到的。并利用時(shí)隙相關(guān)性構(gòu)造出了具有更低能耗的偏置信號(hào)。仿真結(jié)果表明，相比于PPM, CPP調(diào)制能夠獲得加倍的傳輸速率。同時(shí)，在CPP中采用時(shí)變偏置可以有效地提高VLC系統(tǒng)的功率效率。

2 無載波位相調(diào)制系統(tǒng)

2.1 脈沖位置調(diào)制(PPM)

倘若b為PPM信號(hào)平均每比特的符號(hào)間隔，那么脈沖的寬度sl則為b/，進(jìn)一步可以獲得PPM的頻譜效率，即

(1)

其中，b為系統(tǒng)傳輸速率，為PPM信號(hào)的帶寬。

具體地，圖1為4-PPM信號(hào)的時(shí)域波形圖，4種不同的PPM符號(hào)依據(jù)兩比特信息流來映射為不同的時(shí)隙序列“1 0 0 0”，“0 1 0 0”，“0 0 1 0”，“0 0 0 1”，同時(shí)脈沖出現(xiàn)在時(shí)隙序列值為1的位置。而脈沖的寬度sl為b/2，光脈沖的強(qiáng)度為2avg，其中avg為平均光功率。

由式(1)可以發(fā)現(xiàn)， PPM的頻譜效率并不高，并隨著調(diào)制階數(shù)的增加而降低，這將限制PPM的傳輸速率。

2.2 無載波位相(CPP)系統(tǒng)模型

CPP是為了改善PPM的頻譜效率而提出的用正交脈沖成型取代原PPM中采用矩形脈沖成型PPM時(shí)隙序列的調(diào)制方案。

CPP調(diào)制的系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先，兩路原始的比特流經(jīng)過串并變換轉(zhuǎn)換為進(jìn)制比特流{=1,2,,}和{=1,2,,}。然后，PPM編碼器將輸入的兩路比特流映射成PPM時(shí)隙序列I和Q，時(shí)隙序列I和Q分別經(jīng)過相位差為的同相濾波器I()和正交濾波器Q()進(jìn)行脈沖成型，就得到了相互正交的信號(hào)I()和Q()。I()和Q()進(jìn)入減法器同時(shí)引入偏置信號(hào)就可以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光以獲得調(diào)制階數(shù)為2的強(qiáng)度時(shí)刻變化的CPP光信號(hào)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖2 CPP系統(tǒng)框圖

其中，I()和Q()為兩路PPM序列I和Q的幅值，sl為對(duì)應(yīng)的時(shí)間隔，并且I()和Q()的表達(dá)式為

(4)

(6)

同時(shí)利用濾波器I()和Q()來進(jìn)行匹配濾波進(jìn)而得到和，其表達(dá)式分別為

(8)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，即兩路PPM信號(hào)能夠得到正確的分離。圖3為16-CPP信號(hào)的發(fā)送端時(shí)域波形圖，其中假設(shè)I支路對(duì)應(yīng)的時(shí)隙序列I=“1 0 0 0”，Q支路對(duì)應(yīng)的時(shí)隙序列Q=“0 1 0 0”。并且濾波器單個(gè)周期sl內(nèi)的點(diǎn)數(shù)取為20，滾降系數(shù)為1。如圖3所示，圖3(a)為經(jīng)過濾波器成型后的信號(hào)I()和Q()。圖3(b)為合成的16-CPP信號(hào)(未引入偏置信號(hào)，將在下一節(jié)對(duì)偏置信號(hào)進(jìn)行介紹)。圖4(a)為經(jīng)過接收濾波器I()后的I支路信號(hào)時(shí)域波形圖，圖4(b)為經(jīng)過接收濾波器Q()后的Q支路信號(hào)時(shí)域波形圖。然后，通過對(duì)圖4(a)和圖4(b)中的和信號(hào)每隔時(shí)間sl(對(duì)應(yīng)圖中橫軸的0, 1, 2, 3)進(jìn)行采樣判決，可以恢復(fù)出I支路PPM時(shí)隙序列為“1 0 0 0”，Q支路的時(shí)隙序列為“0 1 0 0”。

圖3 16-CPP信號(hào)的發(fā)送端時(shí)域波形圖

圖4 16-CPP信號(hào)的接收端時(shí)域波形圖

3 偏置信號(hào)

3.1 問題描述

VLC中的強(qiáng)度調(diào)制(IM)是在發(fā)送端將電信號(hào)加載到LED的光強(qiáng)度上，依靠光的強(qiáng)度的快速變化來傳遞信息。圖5為IM原理，LED的發(fā)光功率同輸入電流工作在線性區(qū)域。而直接檢測(cè)(DD)是指在接收端用光電二極管直接檢測(cè)光信號(hào)，恢復(fù)出發(fā)送端的電信號(hào)。采用IM/DD方案的VLC系統(tǒng)中的信息既然是由LED的發(fā)光強(qiáng)度攜帶的，那么發(fā)光強(qiáng)度理應(yīng)是正的實(shí)數(shù)，這也是VLC和射頻通信的主要區(qū)別。

圖6給出了兩路4-PPM隨機(jī)信號(hào)疊加產(chǎn)生的16-CPP信號(hào)的時(shí)域波形圖。由圖6可以看到CPP信號(hào)雖然是實(shí)數(shù)，但由于脈沖成型選用的濾波器有負(fù)數(shù)的分量因而信號(hào)并非完全實(shí)正。在VLC中解決此問題的最簡(jiǎn)單的方法為引入直流偏置。然而，最理想的偏置形式應(yīng)該是和信號(hào)負(fù)數(shù)部分完全匹配的完美補(bǔ)償。為了更直觀地衡量直流偏置和理論極限之間的差距，圖中陰影部分給出了直流偏置引入的多余能量。這種過量的信號(hào)補(bǔ)償會(huì)使得系統(tǒng)的功率效率急劇下降。而為了能夠維持CPP系統(tǒng)本身的高功率效率，本文設(shè)計(jì)了一種更高效的偏置。

圖5 光強(qiáng)度調(diào)制原理??????????????圖6 16-CPP信號(hào)及直流偏置波形圖

3.2 CPP信號(hào)下界

若能夠找到信號(hào)的下界，并根據(jù)信號(hào)的下界來構(gòu)造偏置信號(hào)，使得偏置形式更接近完美補(bǔ)償就可以降低引入直流偏置導(dǎo)致的系統(tǒng)不必要的能量損耗。

其中，()=min(I(0)I()Q(0)Q())。由于I(0)和Q(0)時(shí)隙值取自集合{0,1}。因此，進(jìn)一步，可以表示為()=min(0,I(),Q(),I()Q())。并且CPP信號(hào)的下界1()為周期sl的信號(hào)。

更進(jìn)一步，式(10)得到的下界并沒有考慮PPM信號(hào)時(shí)隙之間的相關(guān)性。若利用這種相關(guān)性即每個(gè)-PPM符號(hào)中，某一時(shí)隙位置出現(xiàn)光脈沖，其余個(gè)時(shí)隙的幅值必為0，則下界可以進(jìn)一步逼近CPP信號(hào)。具體地，以由兩路2-PPM信號(hào)疊加而組成的4-CPP信號(hào)為例，聯(lián)合2個(gè)時(shí)隙考慮得到單個(gè)4-CPP符號(hào)的4種可能形式如表1所示。表中I和Q分別代表長(zhǎng)度為2的I, Q兩路PPM時(shí)隙序列，并將相鄰兩個(gè)時(shí)隙用時(shí)隙對(duì)(,)表示，其中為第1個(gè)時(shí)隙的幅值，為第2個(gè)時(shí)隙的幅值。I和Q分別經(jīng)過脈沖成型并經(jīng)過減法器就可以得到單個(gè)4-CPP符號(hào)的4種可能形式，如表1中最后一列所示。進(jìn)而由表1可以確定4-CPP信號(hào)的優(yōu)化下界為

(12)

而對(duì)于由兩路-PPM信號(hào)組成的2-CPP信號(hào)，最大可以利用個(gè)時(shí)隙的相關(guān)性來得到周期為sl的優(yōu)化下界。

表1 單個(gè)4-CPP符號(hào)的4種信號(hào)組合形式

3.3 偏置信號(hào)的擬合

上述討論得到的CPP信號(hào)的下界均是周期信號(hào)。那么，假設(shè)下界的表達(dá)式為，則與此對(duì)應(yīng)的偏置信號(hào)則可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開為

(14)

其中，bo為下界的周期。

倘若信號(hào)的帶寬受限，式(13)中最大的諧波頻率則不應(yīng)超過信號(hào)的帶寬。具體地，對(duì)于由-PPM組成的CPP系統(tǒng)，由于系統(tǒng)帶寬為/sl，那么式(13)中的諧波次數(shù)應(yīng)滿足：

而優(yōu)化下界的角頻率為

(16)

4 性能仿真與結(jié)果分析

本節(jié)將對(duì)CPP信號(hào)下界的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)通過Monte Carlo對(duì)CPP調(diào)制進(jìn)行誤比特率性能仿真以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性即CPP可以獲得PPM加倍的傳輸速率。并且針對(duì)于信號(hào)的正數(shù)化，將比較采用時(shí)變偏置(并考慮帶寬受限以及帶寬不限情況)和直流偏置的CPP系統(tǒng)的誤比特率性能，以驗(yàn)證時(shí)變偏置提高功率效率的有效性。

采用IM/DD的可見光信道由于接收端采用的光電檢測(cè)器表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的波長(zhǎng)，固有的空間分集有效避免了接收信號(hào)的幅度衰落。然而，當(dāng)傳輸速率較高時(shí)，多徑的影響會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_。碼間串?dāng)_可以通過經(jīng)典的均衡算法有效解決。針對(duì)“室內(nèi)”短距離可見光信道，通常單抽頭的橫向?yàn)V波器的性能就可以滿足Gbps級(jí)別的傳輸要求[17,19]。綜上所述，本文對(duì)可見光信道可以用AWGN進(jìn)行建模，并且假設(shè)用均衡器去除碼間串?dāng)_的影響，同時(shí)仿真將統(tǒng)一設(shè)定濾波器的滾降系數(shù)= 1。

圖7給出了兩路4-PPM隨機(jī)信號(hào)疊加產(chǎn)生的16-CPP信號(hào)的下界。由圖6可以得到：無論是否利用CPP信號(hào)的相關(guān)性，隨機(jī)產(chǎn)生的兩組未引入偏置的16-CPP信號(hào)和均在下界之上。這意味著按照兩種下界構(gòu)造的周期時(shí)變偏置可以正數(shù)化任意隨機(jī)信號(hào)以得到滿足VLC需求的光信號(hào)。當(dāng)未利用相關(guān)性時(shí)，兩種信號(hào)的下界周期均為sl。而當(dāng)利用相關(guān)性時(shí)，對(duì)于16-CPP信號(hào)，將4-PPM信號(hào)的4個(gè)時(shí)隙聯(lián)合優(yōu)化可以得到周期為4sl的下界。利用相關(guān)性得到的下界的確更接近原信號(hào)。優(yōu)化的偏置可以節(jié)省發(fā)送光信號(hào)的能量如圖中陰影區(qū)域所示。

圖8為AWGN信道下采用軟判決方式的2-PPM, 4-PPM和未正數(shù)化的4-CPP, 16-CPP的誤比特率仿真曲線。由圖8可以得到：由兩路傳輸速率為500 kbit/s (1 Mbit/s)的2-PPM/4-PPM信號(hào)疊加形成的4-CPP/16-CPP信號(hào)，可以將系統(tǒng)的傳輸速率提升為1 Mbit/s (2 Mbit/s)。同時(shí)，任意調(diào)制階數(shù)以及傳輸速率下的CPP系統(tǒng)的BER曲線均同單路PPM系統(tǒng)的BER曲線相重合，這正是由于濾波器的完全正交使信號(hào)正確分離。因此若不考慮信號(hào)的正數(shù)化問題，即在RF信道下，CPP系統(tǒng)具有和PPM系統(tǒng)相同的高功率效率特性。

圖9為應(yīng)用于VLC的光16-CPP系統(tǒng)的誤比特率仿真結(jié)果，其中在信噪比的計(jì)算上，信號(hào)的能量來源于偏置的能量和原雙極性信號(hào)能量?jī)刹糠?。?duì)于圖9的時(shí)隙寬度的CPP系統(tǒng)，帶限的偏置信號(hào)的最大頻率為2 MHz。未利用時(shí)隙相關(guān)性的偏置信號(hào)的基頻為，利用時(shí)隙相關(guān)性的偏置信號(hào)的基頻為250 kHz。由于補(bǔ)償?shù)钠眯盘?hào)的能量不同將導(dǎo)致光CPP系統(tǒng)的誤碼性能不同。根據(jù)圖9可以得到當(dāng)誤碼率為時(shí)不同偏置形式需要的信噪比，如表2所示。具體地如，針對(duì)VLC的16-CPP系統(tǒng)在完美補(bǔ)償?shù)那闆r下，相對(duì)于RF信道下的CPP系統(tǒng)，在獲得相同BER情況下，將損失約1.5 dB的信噪比。引入直流偏置的16-CPP可見光系統(tǒng)相比于RF信道下的16-CPP系統(tǒng)犧牲了約9 dB的BER性能。若引入本節(jié)提出的時(shí)變偏置且未考慮時(shí)隙相關(guān)性，在帶寬未受限情況下，光CPP系統(tǒng)的BER性能較直流偏置好約3 dB。而當(dāng)傳輸帶寬受限時(shí)，引入時(shí)變偏置的CPP系統(tǒng)的BER性能比直流偏置好約2 dB。若采用時(shí)變偏置且利用CPP系統(tǒng)時(shí)隙相關(guān)性(本例相關(guān)長(zhǎng)度為4)，在帶寬未受限情況下，光CPP性能較采用直流偏置的系統(tǒng)好約4 dB。而帶寬受限時(shí)，較采用直流偏置的系統(tǒng)相比好約3.5 dB。當(dāng)調(diào)整時(shí)隙寬度改變系統(tǒng)的傳輸速率時(shí)，由于偏置信號(hào)的能量在光信號(hào)中的占比是固定的，使得速率改變后的BER性能和上述結(jié)果相同。傳輸速率對(duì)時(shí)變偏置算法的性能不產(chǎn)生影響。

表2 誤比特率為時(shí)，不同偏置的光16-CPP系統(tǒng)需要的信噪比(dB)

RF2.5 完美偏置 4.0 直流偏置11.5 時(shí)變偏置(帶寬不限，未利用相關(guān)性) 8.5 時(shí)變偏置(帶寬受限，未利用相關(guān)性) 9.5 時(shí)變偏置(帶寬不限，利用相關(guān)性) 7.5 時(shí)變偏置(帶寬受限，利用相關(guān)性) 8.0

5 結(jié)論

針對(duì)PPM速率受限的問題，本文提出的CPP調(diào)制能夠使系統(tǒng)獲得翻倍的吞吐量。而將其應(yīng)用到VLC中，通過利用時(shí)變偏置可以獲得比直流偏置更好的BER性能，進(jìn)而保持PPM系統(tǒng)本身的高功率效率優(yōu)勢(shì)。綜上所述，CPP調(diào)制的確可以應(yīng)用到具有高吞吐量、高功率效率的VLC系統(tǒng)中，從而為不同的業(yè)務(wù)提供更高速率、更低能耗的服務(wù)。

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Carrier-less Position/Phase Modulation for Visible Light Communications

WU Nan WANG Xudong YAO Kaili GAI Xindong HE Rongxi

(,,116026,)

In order to guarantee that Visible Light Communication (VLC) can provide both high-speed and lowenergy consumption data transmission services. A modulation named by Carrier-less Position/Phase (CPP) based on Pulse Position Modulation (PPM) is proposed. By utilizing the orthogonal filters, the transmission rate of the PPM is improved.According to that employing CPP modulation in VLC makes power efficiency significantly reduced, a novel variable bias is presented as an effort to reduce the power consumption effectively. Finally, the simulation results illustrate that applying the proposed variable bias to CPP scheme, compared to DC bias, the new scheme can save 2 dB of SNR to obtain the same BER performance under the bandwidth constrained conditions. After further considering slots’ correlation, the variable bias can further improve the BER performance by 1.5 dB.

Visible Light Communications (VLC); Pulse Position Modulation (PPM); Carrier-less Position/Phase (CPP); Variable bias

TN929.1

A

1009-5896(2017)02-0360-07

10.11999/JEIT160343

2016-04-11；改回日期：2016-08-29；

2016-10-21

王旭東 wxd@dlmu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(61371091)

The National Natural Science Foundation of China (61371091)

吳 楠： 男，1979 年生，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代移動(dòng)無線通信系統(tǒng)、可見光通信系統(tǒng)、包括 MIMO、OFDM、信道編碼、協(xié)作通信、自組織網(wǎng)絡(luò)等.

王旭東： 男，1967年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)镸IMO無線通信、空間調(diào)制、光無線通信.

姚凱莉： 女，1992 年生，碩士生，研究方向?yàn)榭梢姽馔ㄐ啪幋a.

蓋新東： 男，1992年生，碩士生，研究方向?yàn)榭梢姽馔ㄐ啪幋a與智能家居.