隨著無線電頻譜變得越來越擁擠，作為一種富有前景的高速無線通信的替代方案，可見光通信 (VLC) 日益受到關(guān)注。VLC 使用發(fā)光設(shè)備（如 LED）傳輸信號，使用光電二極管接收信號。它具有許多優(yōu)于射頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，包括免許可證的寬頻譜、更好的安全性和抗電磁干擾性。
在雷恩電子和電信研究所 (IETR)，我們一直在評估 VLC 系統(tǒng)的各種調(diào)制方法。我們的目標(biāo)是使用低成本組件構(gòu)建這些系統(tǒng)，并在標(biāo)準(zhǔn)光照（例如典型辦公室環(huán)境中的光照）水平下優(yōu)化其數(shù)據(jù)速率。在最近的項目中，我們對一個 VLC 系統(tǒng)進(jìn)行了建模、構(gòu)建和測試，該系統(tǒng)采用頻譜高效的無載波振幅和相位 (CAP) 調(diào)制來實現(xiàn)可靠的高吞吐量傳輸：184 Mbps，誤碼率 (BER) 低于 10-3。通過在 MATLAB® 中使用 Communications Toolbox™ 對此系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，我們能夠驗證試驗設(shè)置，對仿真結(jié)果和測量結(jié)果進(jìn)行比較，并可視化關(guān)鍵性能指標(biāo)。
VLC 系統(tǒng)建模
與離散多音 (DMT) 和其他調(diào)制方案相比，CAP 調(diào)制的優(yōu)點是收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。發(fā)射機(jī)需要一對正交脈沖整形濾波器，它們在接收機(jī)端與一組匹配的濾波器配對（圖 1）。CAP 的一個有趣屬性是，信號頻譜在低頻 fc 附近發(fā)生偏移，使得產(chǎn)生的頻譜保持在基帶域；即，下邊帶一直延伸到 f=0。上變頻實際上是脈沖整形濾波運算的一部分，從而避免與本地振蕩器產(chǎn)生的載波發(fā)生混頻。
圖 1.用于 VLC 系統(tǒng)的 CAP 調(diào)制和解調(diào)方案
易于實現(xiàn)也是我們決定使用 MATLAB 對 VLC 設(shè)置進(jìn)行建模和仿真的一個關(guān)鍵因素。我們的研究小組廣泛使用 MATLAB，該小組已建立一個可重用的大型 MATLAB 代碼庫，我們可以根據(jù)項目需要訪問這些代碼。此外，廣泛用于射頻通信系統(tǒng)開發(fā)的 Communications Toolbox 也適用于 VLC 系統(tǒng)，其算法和函數(shù)可節(jié)省我們系統(tǒng)的三個主要組件（發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和通道）的建模時間。
在我們的發(fā)射機(jī)模型中，要傳輸?shù)奈皇紫绒D(zhuǎn)換為 QAM 符號，然后映射到其同相和正交分量上。接下來，對這兩個分量進(jìn)行上采樣，再使其通過正交濾波器，然后求和。所有這些函數(shù) - 包括調(diào)制、上采樣和求和，以及同相和正交濾波 - 僅用幾行 MATLAB 代碼即可實現(xiàn)。對于無載波運算，同相濾波器和正交濾波器的沖激響應(yīng)通過將標(biāo)準(zhǔn)平方根升余弦濾波器響應(yīng)分別乘以余弦和正弦來實現(xiàn)。
接收機(jī)與發(fā)射機(jī)形成鏡像，具有匹配濾波器、下采樣和信號求和。然后，組合信號通過均衡器，以在發(fā)送到 QAM 解調(diào)器之前減輕源于 LED 頻率選擇性響應(yīng)的符號之間的干擾。像發(fā)射機(jī)一樣，接收機(jī)模型也很容易在 MATLAB 中實現(xiàn)。
對于信道模型，我們使用偽噪聲 (PN) 序列來估計實際 VLC 通道的沖激響應(yīng)。系統(tǒng)中的兩個主要噪聲源是接收機(jī)電路固有的熱噪聲和光電二極管中由光信號強(qiáng)度和環(huán)境光引起的散粒噪聲。我們在 MATLAB 中將這兩個噪聲源建模為高斯白噪聲，參數(shù)基于在實際接收機(jī)上獲得的信噪比測量值。
一旦我們對發(fā)射機(jī)、通道和接收機(jī)進(jìn)行了建模，就可以運行仿真來評估整個系統(tǒng)的性能。在這些評估中，我們生成星座圖來檢查仿真的接收信號的質(zhì)量（圖 2）。
圖 2.以 184 Mbps 速率每符號編碼 4 位的 16 CAP 信號的仿真星座圖
硬件實現(xiàn)和與模型的比較
當(dāng)然，我們的研究不僅限于 VLC 建模和仿真；我們主要關(guān)注使用 CAP 調(diào)制的 VLC 收發(fā)機(jī)在真實世界中的實現(xiàn)。我們的試驗設(shè)置包括任意波形生成器 (AWG)、低成本白光 LED、聚焦光信號的透鏡、單硅 PIN (S-PIN) 光電二極管和實時示波器，用于捕獲和存儲信號以便在 MATLAB 中進(jìn)一步分析（圖 3）。
圖 3.VLC 試驗設(shè)備的示意圖（左）和實物照片（右）。
為了驗證我們的 VLC 試驗設(shè)置的結(jié)果，我們將這些結(jié)果與 MATLAB 仿真結(jié)果進(jìn)行比較。具體來說，我們將 BER 視為吞吐量的函數(shù)。與預(yù)期相符，BER 隨著數(shù)據(jù)速率的提高而增大。我們的試驗和仿真結(jié)果軌跡相似，真實結(jié)果顯示更高的錯誤率。我們將這些差異歸因于 LED 的非線性，但我們尚未在 MATLAB 模型中考慮這一點（圖 4）。
圖 4.試驗設(shè)置（藍(lán)色）和 MATLAB 仿真（紅色）中BER 作為傳輸速率的函數(shù)。
LED 非線性的影響建模
當(dāng)將仿真星座圖與試驗星座圖進(jìn)行比較時，我們注意到，由于 LED 的非線性行為，接收到的 CAP 星座圖的邊緣發(fā)生失真，這會影響整體系統(tǒng)性能。事實上，與輸入電流和輻射光功率相關(guān)的電光傳輸特性是非線性函數(shù)。此外，LED 非線性的影響取決于頻率，因此表現(xiàn)出隨信號帶寬增長的記憶效應(yīng)。
為了在仿真中對 LED 非線性的影響建模，我們研究了兩個具有不同復(fù)雜度的模型。第一個是 Hammerstein 模型，它包含一個無記憶多項式，后跟一階低通濾波器（圖 5）。此模型的優(yōu)點是簡單，因為多項式函數(shù)和一階低通濾波器的系數(shù)很容易測量。
圖 5.Hammerstein 模型的模塊圖
我們研究的第二個模型是基于 Volterra 級數(shù)展開式的 Volterra 模型。Volterra 級數(shù)的系數(shù)，也稱為核，不能直接確定。我們采用一種自適應(yīng)算法，該算法將試驗中接收的信號與發(fā)射的信號之間的誤差降至最低，以提取最高二階的 Volterra 級數(shù)系數(shù)（圖 6）。
圖 6.Volterra 核自適應(yīng)估計的模塊圖。
然后，我們用這兩個非線性模型生成仿真星座圖，并與試驗星座圖進(jìn)行比較（圖 7）。我們觀察到，星座圖的右上角和左下角存在相似的輕微失真。此外，試驗中接收到的星座圖含噪稍高。雖然 Hammerstein 模型具有簡單這一優(yōu)點，但對于大信號帶寬的情況，該模型的準(zhǔn)確度不夠。而 Volterra 模型能夠更準(zhǔn)確地表示 LED 的非線性影響。
圖 7.接收到的使用 Hammerstein 模型的仿真星座圖（左）、使用 Volterra 模型的仿真星座圖（中）和使用 135 Mbps 的 64-CAP（每個符號編碼 6 位）的試驗星座圖（右）
進(jìn)一步研究的計劃
我們將繼續(xù)評估調(diào)制方案，包括 CAP、DMT 和脈沖振幅調(diào)制 (PAM)，以優(yōu)化 VLC 系統(tǒng)。特別是，我們當(dāng)前正在實現(xiàn)一種后失真算法，它有助于減輕 LED 的非線性帶來的不利影響。接下來，我們開始將多入多出 (MIMO) 方法應(yīng)用于 VLC 通信。
隨著我們不斷改進(jìn) VLC 設(shè)計的范圍、吞吐量和穩(wěn)健性，我們將研究這些設(shè)計在現(xiàn)實應(yīng)用中的實際實現(xiàn)。例如，一個現(xiàn)實應(yīng)用是辦公室環(huán)境中的頂燈裝置與嵌入或連接到工作站的設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)鏈路。
關(guān)于作者
Robin Le Priol，博士生；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164 和舍布魯克大學(xué)
Sylvain Haese，副教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164
Maryline Hélard 博士，榮譽(yù)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，舍布魯克大學(xué)電氣和計算機(jī)工程系教授兼項目負(fù)責(zé)人
