使用无载波振幅和相位调制优化可见光通信的数据速率

随着无线电频谱变得越来越拥挤，作为一种富有前景的高速无线通信的替代方案，可见光通信 (VLC) 日益受到关注。VLC 使用发光设备（如 LED）传输信号，使用光电二极管接收信号。它具有许多优于射频数据传输的优点，包括免许可证的宽频谱、更好的安全性和抗电磁干扰性。

在雷恩电子和电信研究所 (IETR)，我们一直在评估 VLC 系统的各种调制方法。我们的目标是使用低成本组件构建这些系统，并在标准光照（例如典型办公室环境中的光照）水平下优化其数据速率。在最近的项目中，我们对一个 VLC 系统进行了建模、构建和测试，该系统采用频谱高效的无载波振幅和相位 (CAP) 调制来实现可靠的高吞吐量传输：184 Mbps，误码率 (BER) 低于 10-3。通过在 MATLAB(R) 中使用 Communications ToolboxTM 对此系统进行建模和仿真，我们能够验证试验设置，对仿真结果和测量结果进行比较，并可视化关键性能指标。

VLC 系统建模

与离散多音 (DMT) 和其他调制方案相比，CAP 调制的优点是收发机结构简单。发射机需要一对正交脉冲整形滤波器，它们在接收机端与一组匹配的滤波器配对（图 1）。CAP 的一个有趣属性是，信号频谱在低频 fc 附近发生偏移，使得产生的频谱保持在基带域；即，下边带一直延伸到 f=0。上变频实际上是脉冲整形滤波运算的一部分，从而避免与本地振荡器产生的载波发生混频。

图 1.用于 VLC 系统的 CAP 调制和解调方案

易于实现也是我们决定使用 MATLAB 对 VLC 设置进行建模和仿真的一个关键因素。我们的研究小组广泛使用 MATLAB，该小组已建立一个可重用的大型 MATLAB 代码库，我们可以根据项目需要访问这些代码。此外，广泛用于射频通信系统开发的 Communications Toolbox 也适用于 VLC 系统，其算法和函数可节省我们系统的三个主要组件（发射机、接收机和通道）的建模时间。

在我们的发射机模型中，要传输的位首先转换为 QAM 符号，然后映射到其同相和正交分量上。接下来，对这两个分量进行上采样，再使其通过正交滤波器，然后求和。所有这些函数 - 包括调制、上采样和求和，以及同相和正交滤波 - 仅用几行 MATLAB 代码即可实现。对于无载波运算，同相滤波器和正交滤波器的冲激响应通过将标准平方根升余弦滤波器响应分别乘以余弦和正弦来实现。

接收机与发射机形成镜像，具有匹配滤波器、下采样和信号求和。然后，组合信号通过均衡器，以在发送到 QAM 解调器之前减轻源于 LED 频率选择性响应的符号之间的干扰。像发射机一样，接收机模型也很容易在 MATLAB 中实现。

对于信道模型，我们使用伪噪声 (PN) 序列来估计实际 VLC 通道的冲激响应。系统中的两个主要噪声源是接收机电路固有的热噪声和光电二极管中由光信号强度和环境光引起的散粒噪声。我们在 MATLAB 中将这两个噪声源建模为高斯白噪声，参数基于在实际接收机上获得的信噪比测量值。

一旦我们对发射机、通道和接收机进行了建模，就可以运行仿真来评估整个系统的性能。在这些评估中，我们生成星座图来检查仿真的接收信号的质量（图 2）。

图 2.以 184 Mbps 速率每符号编码 4 位的 16 CAP 信号的仿真星座图

硬件实现和与模型的比较

当然，我们的研究不仅限于 VLC 建模和仿真；我们主要关注使用 CAP 调制的 VLC 收发机在真实世界中的实现。我们的试验设置包括任意波形生成器 (AWG)、低成本白光 LED、聚焦光信号的透镜、单硅 PIN (S-PIN) 光电二极管和实时示波器，用于捕获和存储信号以便在 MATLAB 中进一步分析（图 3）。

图 3.VLC 试验设备的示意图（左）和实物照片（右）。

为了验证我们的 VLC 试验设置的结果，我们将这些结果与 MATLAB 仿真结果进行比较。具体来说，我们将 BER 视为吞吐量的函数。与预期相符，BER 随着数据速率的提高而增大。我们的试验和仿真结果轨迹相似，真实结果显示更高的错误率。我们将这些差异归因于 LED 的非线性，但我们尚未在 MATLAB 模型中考虑这一点（图 4）。

图 4.试验设置（蓝色）和 MATLAB 仿真（红色）中BER 作为传输速率的函数。

LED 非线性的影响建模

当将仿真星座图与试验星座图进行比较时，我们注意到，由于 LED 的非线性行为，接收到的 CAP 星座图的边缘发生失真，这会影响整体系统性能。事实上，与输入电流和辐射光功率相关的电光传输特性是非线性函数。此外，LED 非线性的影响取决于频率，因此表现出随信号带宽增长的记忆效应。

为了在仿真中对 LED 非线性的影响建模，我们研究了两个具有不同复杂度的模型。第一个是 Hammerstein 模型，它包含一个无记忆多项式，后跟一阶低通滤波器（图 5）。此模型的优点是简单，因为多项式函数和一阶低通滤波器的系数很容易测量。

图 5.Hammerstein 模型的模块图

我们研究的第二个模型是基于 Volterra 级数展开式的 Volterra 模型。Volterra 级数的系数，也称为核，不能直接确定。我们采用一种自适应算法，该算法将试验中接收的信号与发射的信号之间的误差降至最低，以提取最高二阶的 Volterra 级数系数（图 6）。

图 6.Volterra 核自适应估计的模块图。

然后，我们用这两个非线性模型生成仿真星座图，并与试验星座图进行比较（图 7）。我们观察到，星座图的右上角和左下角存在相似的轻微失真。此外，试验中接收到的星座图含噪稍高。虽然 Hammerstein 模型具有简单这一优点，但对于大信号带宽的情况，该模型的准确度不够。而 Volterra 模型能够更准确地表示 LED 的非线性影响。

图 7.接收到的使用 Hammerstein 模型的仿真星座图（左）、使用 Volterra 模型的仿真星座图（中）和使用 135 Mbps 的 64-CAP（每个符号编码 6 位）的试验星座图（右）

进一步研究的计划

我们将继续评估调制方案，包括 CAP、DMT 和脉冲振幅调制 (PAM)，以优化 VLC 系统。特别是，我们当前正在实现一种后失真算法，它有助于减轻 LED 的非线性带来的不利影响。接下来，我们开始将多入多出 (MIMO) 方法应用于 VLC 通信。

随着我们不断改进 VLC 设计的范围、吞吐量和稳健性，我们将研究这些设计在现实应用中的实际实现。例如，一个现实应用是办公室环境中的顶灯装置与嵌入或连接到工作站的设备之间的无线数据链路。

关于作者

Robin Le Priol，博士生；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164 和舍布鲁克大学

Sylvain Haese，副教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164

Maryline Hélard 博士，荣誉退休教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164

Ahmad Jabban，副教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164

Sébastien Roy 博士，舍布鲁克大学电气和计算机工程系教授兼项目负责人