离散多音频技术在可见光通信中的应用

王 巍 梁绣滟 王 宁 王秋平

（1.天津工业大学 电气工程与自动化学院 天津 300387 2.天津工业大学 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心 天津 300387 3.天津工业大学 电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387 4.天津工业大学 电子与信息工程学院 天津 300387）

1 引言

白光LED 由于节能、寿命长及可靠性高等优点迅速普及。其响应时间极短，可以在兼顾室内照明的同时，实现高速无线通信。作为无线接入网络的一种替补方式，室内可见光通信（Visible Light Communication，VLC）技术具有良好的发展前景[1]。由于受信道背景光、障碍物等因素影响，VLC 技术相对于有线通信技术更加复杂。另外，由于LED 调制带宽受自身硬件结构影响，而各家厂商制作LED的材料及生产工艺不尽相同，因此不同LED 芯片调制特性也存在较大差异。

为解决复杂条件下高效利用有限信道带宽实现可靠信息传输问题，以离散多音频（DMT）、正交频分复用（OFDM）[2]和离散小波多音（DWMT）[3]为代表的多载波技术越来越多地在VLC 系统得到应用。2010 年，德国西门子公司利用DMT 技术和高阶QAM 调制格式在1000lx 照明环境下实现了传输速率达513Mbit/s 的VLC 系统[4]。2011 年，利用WDM 与DMT 技术，德国科学家采用RGB 三色LED发射机实现了803Mbit/s 的传输速率[5]。2012 年，意大利研究人员采用DMT 技术和雪崩光电二极管（APD）实现了1Gbit/s 的传输速率[6]。但上述研究成果尚处于实验室阶段，还未在实际系统中得到应用。

本文对基于DMT 的VLC 系统中的LED 光源及其接收端特性进行了研究，分析了多芯片大功率LED 室内照明环境下采用DMT 调制技术的传输信噪比和传输速率等性能。主要研究工作包括：①使用Matlab 建立了300～800lx 的标准室内LED 照明环境；②搭建了基于DMT 调制技术的多路径可见光通信系统模型；③与MPAM 格式的IM/DD 调制方法对比分析，证明了基于DMT 技术的VLC 系统能够有效抵抗码间串扰（ISI）及噪声，提高数据传输速率和接收端信噪比。

2 信道模型

典型的中等大小办公室空间如图1 所示，房间体积为5×5×3m3，4 盏LED 光源分别离地2.50m，接收机放置在离地0.85m 的桌面上。采用蓝色LED芯片发出的蓝光激发黄绿荧光粉发白光工艺，单芯片功率1.40W 的商用S12NW6C LED 芯片，其调制带宽约为20MHz[7]。每盏LED 灯均由196 个LED 灯珠组成，保证房间内的光照度满足 ISO 国际标准（300～1500 lx），具体参数设置见表1[8]。

图1 LED 灯位置分布图Fig.1 LED lights distribution

表1 实验参数设置[8]Tab.1 Experimental setting parameters

4 盏LED 灯的坐标分别为（X1，Y1，Zh）、（X2，Y2，Zh）、（X3，Y3，Zh）、（X4，Y4，Zh）。由于LED灯是对称分布的，其坐标系满足：X1=X3，X2=X4，Y1=Y2，Y3=Y4，X2=5-X1，Y3=5-Y1，则桌面高度的水平照度E 为[9]

式中，I0为LED 的中心发光强度；m 是光源的朗伯阶数，本文假定选用的LED 为朗伯光源，因而有

式中，θ1/2为半功率角。根据式（1）对房间内a 区的水平照度仿真结果如图2 所示。

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

考虑到LED 灯在房间的布置是互相对称的，从图2 可以看出实验环境的光照强度符合ISO 国际标准规定的室内照明的要求。室内照明标准规定桌面的最小照度为 400lx，本文在性能分析过程中以400lx 照度为标准进行分析。

下面在式（1）所描述光照环境中，建立室内VLC 信道的数学模型。LED 光源发出的光功率到达接收机的路径主要包括LOS 通信链路以及房间内的墙壁和物体反射到达接收机的部分。信道的传输函数可表示为[10]

上述信道模型是在点对点链路传输过程中考虑视距链路和漫反射链路的VLC 信道模型。

3 DMT 调制原理分析

DMT 是一种特殊的调制/复用技术，调制的关键是将单载波信号分解为平坦的多个子载波，保证子载波之间在时域波形的正交性，从而减小多径衰落效应、抵抗码间串扰，提高频谱利用效率和数据传输速率。

图3 DMT 在可见光通信系统工作流程图Fig.3 Flow chart of DMT model via VLC

在图1 所示办公室照明环境下，基于DMT 调制技术的VLC 系统框架如图3 所示[11,12]。输入的串行比特流经串并转换成N 组并行的低速率的二进制比特流，对每一路比特流以M-QAM 的形式进行星座映射，将二进制数据映射QAM 星座的一个符号，映射后的数据为复数形式。DMT 发射机的快速傅里叶逆变换（IFFT）将QAM 符号调制到相应的载波上，通过补零引入2 倍的过采样，产生个子载波，结果为一个实值的时间信号——DMT帧[13]。为减少ISI 的影响，在每N 点IFFT 块均加入一个长度为M 的循环前缀，每个（N+M）单位的序列对应于DMT 时间信号的离散时间抽样值，通过IFFT 输出端的并串转换得到，输出的串行数据经数模转换后送至信道进行传输。

接收过程中，经过光敏二极管（PD）、放大和滤波以后的信息被A-D 转换器还原为二进制数据，在通过串并转换和去循环前缀后，输入到快速傅里叶变换（FFT）模块，理想情况下，FFT 的输出应为发送端输入到IFFT 模块的原始信号。信道的均衡处理用于消除或减小由于发射机和接收机中的有源或无源器件参数变化引起的码间串扰。然后对QAM 符号解映射，经过并串转换后完成信息在可见光通信系统中的传输。

4 DMT 调制系统性能分析

信噪比的大小代表了传输的质量。DMT 调制的本质是采用M-QAM 进行多载波传输，M 的值可以是4、8、16、32、64、128 和512[14]。每个子载波相互正交，经过解调后的DMT 信号的处理在每个子载波内分别进行，因而子载波之间的信噪比相互独立。在对ISI 敏感的环境下，副载波调制增强了系统的鲁棒性。

表1 指出信道最小的截止频率f3dB远大于LED的信号调制带宽20MHz，此时称信道是“平坦”的，可忽略ISI 的影响，则接收光功率为所有LED 芯片的功率之和

式中，PT,i为每个LED 芯片的光功率；PR是在考虑漫射延迟情况下总的接收功率。

基带传输接收端的信噪比表达式为

式中，E 为水平面的照度；RA 为接收端的有效面积，经测量，RA=3cm2；α 为LED 蓝光区光功率与光通量的转换因子，α=2.1mW/lm。对式（6）进行仿真得到基带传输信噪比分布如图4 所示。

图4 基带传输接收端信噪比分布Fig.4 SNR distribution on the receiver

由图4 可知，在“平坦”的信道内，当水平照度E 在300～800lx 范围内，基带传输的信噪比SNR为48～60dB，水平照度400lx 时的信噪比为54dB。此时作为DMT 的比较对象，考虑IM/DD 调制最有效的基带调制格式M-PAM，根据图5 其在和10-6时的传输速率分别为180Mbit/s 和160Mbit/s。从式（5）和式（6）可以看出，接收端的信噪比与光功率及水平照度分布有关。

图5 信噪比SNR 与频谱效率ρFig.5 SNR vs.spectral efficiency ρ

假设在DMT 调制过程光功率统一分配在每个子信道，由于信道是“平坦”的，每个子载波的接收功率是 PR/ K，每个子载波的信噪比为

式中， SNRBB是图4 所示基带传输的信噪比；K 为子信道的数目。意味着随着子信道数目的增加，每个子载波的信噪比下降。需要注意的是，DMT 可以天然地对抗ISI 主要是因为信号处理过程引入了加循环前缀CP，即加入在每个符号前加入“冗余”，而为了达到更好的频谱效率ρ，它与子信道个数K及“冗余”的个数C 之间的关系限制了K 的数目：

为了抵抗相邻路径之间码间串扰并有效提高频率效率，需要保证K≥4C[8]。选择子信道数目K=16、C=2，由式（7）得水平照度为400lx 时每个子载波信噪比SNRi=41.9dB。由图5 各种调制方式在误码率分别为10-3和10-6的信噪比与频谱效率之间的关系[8]，结合式（8）可以得到BER=10-3和10-6条件下 M-QAM/DMT 的数据传输速率 R 分别为260Mbit/s 和220Mbit/s。其他实验结果列于表2。

表2 实验结果分析Tab.2 Analysis on experimental results

表2 实验分析结果表明，相对于M-PAM 格式基带传输，DMT 调制的子信道对信噪比要求更低。虽然增加了系统的复杂性，但是 DMT 调制技术在信号处理过程中将信号频谱搬离低频带的行为增强了对抗背景光和ISI 的鲁棒性，更适合实际应用。

5 结论

本文对多径传输信道模型下DMT 调制技术在大功率LED 照明环境的VLC 系统性能进行了研究。分析表明，DMT 调制除了其自身抵抗ISI 的干扰的特性以及提高接收端的信噪比之外，可以对每个子信道进行不同星座点数的独立QAM 调制，从而可最大限度地利用信道。这些特性决定了DMT 可以尝试作为VLC 系统的一种调制技术。对搭建的实验模型能达到的数据传输速率和信噪比计算结果分析表明，在误码率为10-3和10-6下使用DMT 调制技术能达到的数据传输速率分别是260Mbit/s 和220Mbit/s，相对于相同误码率条件下的最有效基带传输传输格式——MPAM 的180Mbit/s 和160Mbit/s 分别提高了44.4%和37.5%。

由于实验条件所限，本论文存在一定的误差，关于DMT 在VLC 系统中的应用仍只能局限在特定的实验环境，因而还需要对DMT 的实际应用进行更深入的研究。目前已经有研究人员开始关注到DMT 采用子信道比特加载，而OFDM 每个子信道比特数目固定的特性[15]，从而提出相应的算法提高信道利用率[16,17]。

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