基于OFDM 可见光通信系统发送器研究

杨欣华，刘 洋，康文炜，刘 斌，王兆丹

(1.吉林大学a.电子科学与工程学院;b.通信工程学院，长春130012;2.空军航空大学飞行教官训练基地，长春130022)

0 引 言

利用白光LED(Light Emitting Devices)进行室内外可见光通信(VLC:Visible Light Communication)是近年来新兴的一种短途无线通信技术［1－4］。在使用多个白光LED光源或多个白光LED阵列结构的可见光通信系统中，光信号经由不同传输路径后都可能被可见光探测器接收，从而引起不同信号间在时间上的相互重叠，发生符号间干扰(ISI:Inter－Symbol Interference)和载波间干扰(ICI:Inter－Carrier Interference)，由此产生的多径效应制约了系统性能的进一步提高。因此，目前研究重点是射频通信中抗多径干扰的正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术［5－8］。将OFDM技术移植到可见光通信系统的研发中，不仅能提高系统的数据传输速率，同时还能有效地抑制因信道衰落和延迟而引起的符号间干扰和载波间干扰，提高系统的通信质量［5－6］。为此，笔者设计并研制了一种基于OFDM的可见光通信系统的发送装置。

1 系统结构及其原理

笔者利用OFDM调制方式，设计并通过实验研究了一种基于DSP的VLC系统发送终端，它将OFDM信号加载到LED光波上，通过LED发出的可见光信号完成数据的无线传输。其结构框图如图1所示。其中串/并转换、子载波符号映射、IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)计算(包含并/串转换)和插入保护时间均通过软件编程在DSP内部实现。

图1 OFDM可见光通信系统的结构框图Fig.1 The structure of visible lightcommunication system based on OFDM

在VLC系统发生器中OFDM信号的产生过程如图2所示。首先将二进制的输入信号分成比特数相同的数据帧，将一帧数据按照规则进行串/并转换和编码映射;然后对得到的并行数据同时进行离散傅里叶逆变换和并/串转换(载波信号间的叠加)，再次得到串行数据，并对其进行数/模转换，得到OFDM基带信号;最后经过上变频得到OFDM频带信号［7－9］。

图2 VLC系统发送器中OFDM信号的产生过程Fig.2 The process of generating signal in the transmitter of visible light communication system

设在OFDM系统中有N个子信道，每个子信道采用的子载波为［10-11］

其中Bk为第k路子载波的振幅，受基带码元的调制;fk为第k路子载波频率;φk为第k路子载波初始相位。则在该系统中的N路子信道信号之和可表示为

OFDM的复数表达形式为

由式(3)可推出

由于笔者设计的可见光通信系统利用大功率白光LED进行信息传输，在产生OFDM电信号时(由式(3)可知，OFDM信号通常有实载波叠加信号和虚载波叠加信号)，只能保留一路载波叠加信号，而另一路载波叠加信号通常会被舍弃。在保证发送信息完整性的前提下，无用信息通常被承载在需要舍弃的载波叠加信号上。在此，将虚载波叠加信号舍弃，利用实载波叠加信号发送有用信息。令OFDM的最低子载波频率等于0，以满足

此时，式(5)右端第1项(即k=0时)的指数因子等于1。当所得信号频率不满足所需信号最终频率要求时，可利用上变频的方法，将得到的OFDM信号的频率向上搬移到指定的高频频段上。令K=2N，让IDFT的项数等于子信道数目N的2倍，并利用离散傅里叶变换的对称性S(K－k)=s*(k)(k=0，1，2，…，K－1)，由N个并行复数码元序列{Bi}(其中i=0，1，2，…，N－1)，生成K=2N个等效的复数码元序列{B'k}(其中k=0，1，2，…，2N－1)。所以，此时经 IDFT计算得到的时域数据序列只在实载波上传输［9－11］。

2 系统的硬件设计

图3为基于OFDM的可见光通信系统发送器的硬件系统结构框图。系统发送器主要由DSP电气平台、D/A转换电路和Bias－tee/LED驱动电路3部分构成，其中DSP电气平台的核心处理系统是由美国德州仪器(TI:Texas Instruments)公司的 TMS320F2812 DSP芯片和美国 Altera公司的 EPM240T100C5N

图3 硬件系统结构框图Fig.3 The structure of the hardware system

CPLD芯片构成，TMS320F2812作为数据处理中心，EPM240T100C5N则作为DSP的一个外设，负责对LED发光、按键扫描和LCD液晶屏的数据显示等外围电路的控制。在电气平台设计过程中，添加了D/A转换电路，用来完成信号的数/模转换。D/A转换电路主要由AD780高精度带隙基准电压芯片和LTC1655轨对轨数/模转换芯片构成，其电路原理图如图4所示。Bias－tee由理想电感和理想电容构成，用来驱动LED发光(见图5)。通过实验测试确定Bias－tee中电感和电容的实际值及其拓扑结构，以使经过Bias－tee输出的叠加信号在相对理想情况下失真最小。

图4 D/A转换电路的原理图Fig.4 The schematic diagram of D/A conversion circuit

图5 Bias－tee电路驱动LED的原理框图Fig.5 The schematic diagram of the driving circuit for LED by Bias－tee

3 系统的软件设计

图6 生成OFDM数字信号流程图Fig.6 The flow chart of OFDM digital signal generating

OFDM数字信号的编码过程主要由数据调制、串/并转换、IFFT计算(包含并/串转换)、归一化(包含D/A输入数据位数匹配和浮点数量化)和OFDM数据帧生成5部分组成。生成OFDM数字信号的流程图如图6所示。由于MPSK(Multiple Phase Shift Keying)是一种高传输效率的调制方式，其抗噪声能力强，且不易受信道特性变化的影响，因此，笔者采用16PSK调制方式对OFDM子信道进行编码。

4 实验结果

在发送端循环发送由“0，1，2，3，4，5，6，7”这8个数字得到的OFDM信号，同样在调制方式为16PSK、IFFT计算为16阶基2快速傅里叶变换算法时，对OFDM/VLC系统发送器的软件系统进行功能测试。图7为接收端解调出的数据以及通过数字示波器观察的OFDM基带模拟信号的波形。由图7可知，在调制方式为16PSK、IFFT计算为16阶基2快速傅里叶变换算法时，基于OFDM的VLC系统发送器的软件系统可实现OFDM数据帧发送。为了使接收端准确无误地解调出发送端所发送的数据，发送端的有效数据传输速率为18 kbit/s。

图7 OFDM基带模拟信号的波形图Fig.7 The analog signal of OFDM baseband

由图8和图9中Bias－tee/LED驱动电路输出信号的波形可以看出，负载阻值越大，Bias－tee/LED驱动电路OFDM输出信号的波形失真越小;而随着负载阻值的逐渐减小，Bias－tee/LED驱动电路OFDM输出信号的失真程度变得越来越严重，同时信号的幅值发生衰减;当Bias－tee/LED驱动电路输出端短路时，失真程度与幅值衰减程度达到最大。利用西门子公司生产的BPW21光电二极管作为可见光探测器，搭建了可见光信号探测终端(见图10)，并对由大功率白光LED发出的OFDM光信号进行了探测。发送端驱动LED发光的交流电信号波形图如图11所示，接收端可见光探测器输出的交流电信号波形图如图12所示。

图8 输出端接阻值为1 kΩ的电阻时OFDM信号波形图Fig.8 Oscillogram of OFDM signal with the output termination resistors

图9 输出端接大功率白光LED OFDM信号波形图Fig.9 Oscillogram of LED OFDM signal

图10 可见光信号探测终端的电路原理图Fig.10 The schematic diagram of visible signal detection terminal

图11 驱动大功率白光LED的OFDM交流电信号波形图Fig.11 OFDM waveform diagram of driving high－power white LED

图12 可见光探测器输出的交流电信号波形图Fig.12 Waveform diagram of the output AC signal from visible light detector

由图11和图12可知，在可见光探测器距离大功率白光LED较近时，可见光信号探测终端可检测出OFDM信号，但相比发送端的OFDM信号在时间上有一定延迟。由此可知，笔者设计的基于OFDM的VLC系统发送器可实现OFDM可见光信号发送。

5 结 语

笔者以DSP为主处理器，设计并集成了一种基于OFDM的可见光通信系统发送器，实现了短距离的数据传输。实验结果表明，基于OFDM的VLC系统发送器的软件系统可实现OFDM数据帧发送，在调制方式为16PSK、IFFT计算为16阶基2快速傅里叶变换算法时，发送端的有效数据传输速率为18 kbit/s。负载阻值越大，LED驱动电路OFDM输出信号的波形失真越小。将OFDM技术移植到可见光通信系统的研发中，不仅能提高系统的数据传输速率，同时还能有效抑制因信道衰落和延迟而引起的符号间和载波间的干扰，从而提高了系统的通信质量。该系统在VLC通信系统中具有良好的应用前景。

［1］曹宇杰，金尚忠，岑松原.高显色指数LED灯的设计［J］.光学学报，2011，31(12):1222002－1－1222002－7.CAO Yujie，JIN Shangzhong，CEN Songyuan.Design for LED Lamps with High Color Rendering Index ［J］.Acta Optica Sinica，2011，31(12):1222002－1－1222002－7.

［2］KOMINE T，NAKAGAWA M.Integrated System of White LED Visible－Light Communication and Power Line Communication［J］.IEEE Trans on Consumer Electronics，2003，49(1):71－79.

［3］张择书，郭树旭.可见光通信信道编码中卷积与Rs级联码分析［J］.吉林大学学报:信息科学版，2014，32(1):36－40.ZHANG Zeshu，GUO Shuxu.Analysis of Cascaded Codes Using Convolution Code and RS Code of Visible Light Communication Channel Coding［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2014，32(1):36－40.

［4］叶玮琳，李艳婷，郑传涛.大功率白光LED高效均流并联供电系统［J］.吉林大学学报:信息科学版，2013，31(1):45－51.YE Weilin，LI Yanting，ZHENG Chuantao.High Efficiency Current－Sharing Parallel Power Supply System for High－Power White LED Illuminant［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2013，31(1):45－51.

［5］GRUBOR J，LANGER K D.Efficient Signal Processing in OFDM－Based Indoor Optical Wireless Links［J］.J Netw，2010，5(2):197－211.

［6］IAN C W，LI Y T，YE W L，et al.Performance Study of an OFDM Visible Light Communication System Based on White LED Array［J］.Optoelectronics Letters，2011，7(6):449－452.

［7］TANAKA Y，KOMINE T，HARUYAMA S，et al.Indoor Visible Light Data Transmission Utilizing White LED Lights［J］.IEICE Trans Communication，2003，E86－B(8):2440－2454.

［8］ARMSTRONG J.OFDM for Optical Communications［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27(3):189－203.

［9］DOUSEKI T，KAKUNI A.Batteryless Optical－Wireless System with White－LED Illumination ［C］∥IEEE Int Symp Person Indoor Mobile Radio Commun.Barcelona，Spain:［s.n.］，2004，4:2529－2533.

［10］LEE S C J，BREYER F，RANDEL S，et al.High－Speed Transmission over Multimode Fiber Using Discrete Multitone Modulation［J］.Journal of Optical Networking，2008，7(2):183－196.

［11］SCHMIDL T M，COX D C.Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM ［J］.IEEE Trans Commun，1997，45(12):1613－1621.