基于CSK调制的可见光通信系统的盲检测算法研究

2014-12-13贾林琼王俊波陈明

中兴通讯技术 2014年6期

贾林琼+王俊波+陈明

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2014） 06-0021-004

摘要：基于IEEE 802.15.7标准中色移键控（CSK）调制通信系统的检测方案，利用CSK调制的特性，提出了一种新的盲检测算法。该盲检测算法，利用CSK调制信号的性质在没有信道信息的情况下也可以对CSK信号进行解调，省略了信道估计模块，简化了系统。仿真发现，这种盲检测算法具有较好的误码率性能。

关键词：可见光通信;色移键控;盲检测方案

Abstract： Color shift keying （CSK） is a modulation scheme proposed in IEEE 802.15.7. CSK is applicable to visible light communication systems with RGB LEDs. We propose a novel blind detection algorithm based on CSK modulation. This algorithm can demodulate a CSK signal by using the properties of CSK modulated signals in the absence of channel information. Simulation results show that the blind detection algorithm simplifies the system module and has better bit error rate performance.

Keywords：visible light communication; color shift keying; blind detection scheme

通信系统对信息传输速率的要求的提高与日益紧张的无线电频谱资源之间的矛盾使可见光通信成为未来室内通信的必然发展趋势。可见光通信系统最初是由日本KEIO大学的Nakagawasu所领导的课题组于2000年提出的，2003年他们成立了可见光通信协会（VLCC）[1-2]。在可见光通信系统中，信号源发光二极管（LED）灯分为两种，一种是黄磷激发发出白光的LED灯，另外一种是由红绿蓝3原色合成的白光LED灯，简称RGB LED[3]。文献[6-9]中介绍了可应用于白光LED通信系统的不同调制方式。针对RGB LED通信系统，IEEE标准提出了一种调制方案——色移键控（CSK）调制。IEEE 802.15.7中详细介绍了CSK调制的系统模型、通信原理、星座点设计等内容[4]，但是该标准并没有对CSK调制系统的检测方案做详细研究。在CSK的星座点优化与系统设计等相关文献[12-14]中，检测方案都假设为最大似然检测。此外，IEEE 802.15.7标准指出，CSK调制系统中需要信道估计模块，用来估计系统增益与多颜色信道之间的干扰。本文提出了的盲检测算法，利用CSK调制信号的性质在没有信道信息的情况下也可以对CSK信号进行解调，简化了通信系统。

需要说明的一点是，IEEE标准中提出的CSK调制方案并不仅限于红绿蓝（RGB）3种颜色，满足约束条件的3色LED都可以用于CSK调制。目前市场中最常见的3色LED灯是RGB LED灯，因此，本文中的系统模型以及调制解调算法都是以RGB LED为例说明的。

1 系统模型

IEEE标准中CSK系统的系统模型如图1所示。

设色移键控CSK调制阶数为[M]，M-CSK调制的星座点集合为[A]，[A={s1，s2，…，sM}]。[A]中的每个符号都是一个向量[si=（pr，pg，pb）]，[pr，pg，pb]分别代表了红绿蓝3色LED灯发光功率。设[P]为发送端的总平均发送功率。此外，红绿蓝3色 LED的各自的平均功率设为[pC，pC，pC]，表示合成光的颜色为白光。

由于可见光通信系统兼具有照明和通信两项功能，因此在在进行数据传输的同时需要保证该系统的照明功能。RGB LED做光源的通信系统要保证正常的通信功能需要满足3个条件[3]：

（1）没有闪烁

（2）光源的发光强度稳定

（3）光源的色彩稳定（一般希望光源保持在白光）

首先，通常人眼能感觉到的光源的闪烁频率[F]通常小于200 Hz [3]，设可见光通信的符号周期为[Ts]，一般情况下[1Ts?F]，因此，人眼一般是不会到闪烁的。

其次，为使光源的发光强度保持稳定，CSK调制信号需要满足条件：

[pr+pg+pb=P] （1）

即任意时刻RGB LED的总功率的保持为[P]。最后，为了保证光源的色彩稳定性，CSK调制信号需要满足条件：

[1Mi=1Msi=（pC，pC，pC）] （2）

将CSK调制系统的信道建模为：

[H=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，b] （3）

信道H中的元素[hij]表示[i]色光检测器与[j]色光源之间的关系。设红绿蓝RGB 3色光检测器的噪声为独立同分布的零均值高斯白噪声，即[nr，ng，nb～N（0，σ2）]，噪声向量用[n=（nr，ng，nb）]表示。则接收信号可以表示为：

[r=（rr，rg，rb）=Hsi+n] （4）

其展开形式可以表示为：

[rrrgrb=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，bprpgpb+nrngnb] （5）

2 标准中的检测算法

IEEE802.15.7标准中，假设信道矩阵H可以通过信道估计模块估计出来且假设信道估计无误差，那么在接收端进行解调之前，先对接收信号r进行信道校准，即：

[r=H-1r=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，b-1rrrgrb] （6）

然后用校准后的数据[r]进行解调。CSK信号解调算法为最小距离检测算法，即将与[r]欧几里得距离最近的星座点作为发送信号的估计。

[s=argmaxsi∈Ar-si] （7）

3 盲检测算法

本章首先讨论色移键控系统的信道H的性质，然后根据信道性质确定相应的盲检测算法。

3.1 信道模型

假设可见光信号的直流增益[H（0）]（光功率衰落）在整个可将光光谱频段平坦，具体算法见文献[1]。CSK调制系统用红（r），绿（g），蓝（b）3种不同颜色（波长）的光信号传输信息，假设信道是理想的（红-绿-蓝3色信道是正交的），那么信道可以H表示为：

[H=H（0）100010001] （8）

但是，在实际通信系统中，由于光源的发射光谱与对应光接收器中滤光片的透光率不完全匹配，光检测器可能检测到其他光源发出的部分干扰信号，因此，不同颜色的信道之间存在干扰。

假设CSK通信系统的红绿蓝3色LED发光频谱与红绿蓝3色光检测器端的滤光片的透光率如图2所示，图中实线分别表示红绿蓝3色LED发射光的光谱[Sr（λ），Sg（λ），Sb（λ）]，即LED在不同的波长下的光强度分布。发射光谱将光源光谱的峰值设为1（即归一化处理）。光检测器部分的红绿蓝3色滤光片的透光率分别用[Rr（λ），Rg（λ），Rb（λ）]表示，透光率表示对于不同波长的光可通过滤光片的比例，因此透光率都是小于1的实数。

定义RGB 3色信道的关系矩阵[HI]为：

[HI=h′r，rh′r，gh′r，bh′g，rh′g，gh′g，bh′b，rh′b，gh′b，b] （9）

[h′i，j]表示滤光片颜色为[i]的光检测器与颜色为[j]的光源之间的关系。[h′i，j]可以通过滤光片和光源的光谱特性粗略估计出来，如：

[h′i，j=Si（λ）Rj（λ）dλSi（λ）dλ] （10）

综上，CSK调制的可见光通信系统的信道矩阵可以表示为：

[H=H（0）HI] （11）

需要说明的是，红绿蓝（RGB）LED和红绿蓝（RGB）滤光片的光谱特性主要由制造工艺与材料决定，其次还会随温度变化和使用时间的增长而浮动。因此在IEEE标准中，需要对信道矩阵进行估计。

3.2 理想信道中的盲检测算法

当CSK调制的可见光通信系统的信道矩阵为理想矩阵时，利用CSK调制信号的性质可以对接收信号进行盲检测。接收端的检测信号为[r=（rr，rg，rb）]，那么接收信号的相对值可以表示为[r*=（r*r，r*g，r*b）]，其中：

[r*r=rrrr+rg+rbr*g=rgrr+rg+rbr*b=rbrr+rg+rb]

利用接收信号的相对值[r*=（r*r，r*g，r*b）]作为最小距离检测器的输入。检测结果为：

[s=argmaxsi∈Ar*-siP] （12）

其中，[siP]是在接收端已知的先验知识。

IEEE 802.15.7标准中的CSK调制系统需要对信道[H]估计，因此该通信系统中需要设计信道估计模块，传输信号中需要插入信道估计序列，这使得系统复杂度提高，信息传输速率降低。

因此，当CSK的3色信道接近正交时，采用盲检测算法可以降系统的复杂度并提高信息传输速率。

3.3 非理想信道的盲检测算法

对于非理想信道，即多色信道之间的干扰较大时，可以根据红绿蓝LED光源和红绿蓝3色滤光片的光谱性能估计信道关系矩阵[HI]，设估计值为[HI]，然后用[HI]来补偿多色信道的干扰。补偿方法同。

[r=H-1Ir*] （13）

利用补偿过的信号相对值[r]作为信号检测器的输入：

[s=argmaxsi∈Ar-siP] （14）

其中，红绿蓝LED光源和红绿蓝3色滤光片的光谱性能是CSK系统的硬件参数。信道关系矩阵的估计值[HI]是固定值，而真实的[HI]是虽时间变化的，4中的仿真研究了经过[HI]补偿的检测算法的性能。

4 仿真结果

下面给出4、8、16阶CSK调制信号在不同的检测算法下的误码性能曲线。

首先，当信道矩阵可以表示为时（即红绿蓝3色信道正交且等价），4、8、16阶的CSK调制信号分别用标准中检测算法和3.2中提出的盲检测算法解调时的误码率曲线如图3所示。

从图3中可以看出，盲检测算法的性能略次于标准检测算法的性能（2 dB左右）。但盲检测算法可以简化系统并省略信道估计序列。另外由于光通信系统中的光信噪比（OSNR）通常比较高，盲检测算法可以满足误码率的要求。因此，盲检测算法有一定的优势。

下面的仿真结果对比了非理想信道下的标准检测算法、3.2节中的盲检测算法和3.3节中提出的有信道关系矩阵[HI]做补偿的盲检测算法的误码率性能。假设对于非理想信道（3色信道不均衡且存在干扰），信道关系矩阵[HI]的估计值[HI]为：

[HI=10000.80.1500.150.8] （15）

在仿真中假设信道关系矩阵的真实值[Hr]与估计值[HI]的每个元素之间的误差服从[（-0.5，0.5）]的均匀分布。仿真结果见图4。

由图4可以看出，有信道关系矩阵（CRM）做补偿的盲信道检测算法虽然没有IEEE标准中原始的检测算法性能好，但是比3.2节中没有补偿的盲信道检测算法性能提高很多。

5 结束语

本文提出了理想信道中CSK调制信号的可见光通信系统的盲检测算法，简化了系统复杂度，提高了信息传输速率。另外本文对非理想信道进行建模并提出了信道关系矩阵的概念，在信道非理想的情况用信道关系矩阵对接收信号进行补偿，然后再进行盲检测。仿真结果说明，理想信道下CSK盲检测算法的性能大约比非盲检测差2 dB。非理想信道下，用信道关系矩阵进行补偿后的盲检测算法性能有了很大的提高。

因此，当可见光通信系统采用CSK调制时，如果LED光源与光检测器的滤光片性能较好，CSK信号的3色信道接近正交，那么完全可以用盲检测算法取代标准检测算法;如果LED光源与光检测器的滤光片性能一般，那么可以计算信道关系矩阵，在接收端对接收信号进行补偿，然后再做盲检测。

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