基于波分复用技术的LED可见光通信的研究

汪广业，邹念育，王金鹏，李 萍，陈艾琳，余方男，苗美媛，高英明

（大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034）

基于波分复用技术的LED可见光通信的研究

汪广业，邹念育，王金鹏，李 萍，陈艾琳，余方男，苗美媛，高英明

（大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034）

介绍了LED（发光二极管）可见光通信系统和波分复用技术的原理，利用Optisystem软件设计了波分复用技术在可见光通信链路传输中的系统结构，实现了光路百兆级的实时通信。采用直接调制方式，对NRZ（非归零）码和RZ（归零）码调制方式下的传输性能进行了对比研究，分析了不同速率对系统的误码率和Q因子等因素的影响，进而讨论了在不同传输距离下系统误码率的变化特性，验证了波分复用技术应用在LED可见光通信系统中的可行性和稳定性。

可见光通信；波分复用；发光二极管；误码率

0 引 言

基于白光LED（发光二极管）的VLC（可见光通信）技术可以在照明的同时提供通信功能，是一种新兴的无线通信技术［1-2］。LED不仅具有功耗低、无污染、小型化与寿命长等优点，还具有响应时间短、调制速率高等特性，使得采用白光LED作为VLC系统中的信号源进行无线数据传输成为可能。相比现有的无线通信技术，基于白光LED的VLC技术具有抗干扰能力强、传输速率高、无电磁污染和保密性能好等优点［3］，可作为现有无线通信技术的有效补充。

WDM（波分复用）技术中由于同一信道中传输的信号波长彼此独立，因而可以综合传输多种特性不同的信号，完成各种数据信息的汇合与分离。利用WDM技术以提高通信系统的传输性能是当前光通信领域研究的热点之一。文献［4］研究了一种基于WDM技术的长周期光纤光栅光化学多参量传感技术，文献［5］提出了一种基于WDM思想的啁啾脉冲堆积脉冲整形方法，可以有效地降低拍频效应，得到更为平滑的整形脉冲。本文利用Optisystem软件组建了WDM技术在VLC链路传输中的系统结构，实现了光路百兆级的实时通信，对比研究了系统在NRZ（非归零）码和RZ（归零）码调制方式下的传输性能，讨论了不同传输距离下系统BER（误码率）的变化特性。

1 VLC系统及WDM技术

1.1VLC系统原理

VLC技术是利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式［6］，其系统结构如图1所示。在发送部分，系统首先对将要传送的数据信息通过相应的信号处理进行编码，产生所需传输的信号码型，然后对LED进行调制的同时将电信号转换为光信号，并将数据信息加载到光束上发射到自由空间中，以空气为传输介质，用点对点的方式进行数据传输。由于人眼察觉不到这种高速明暗闪烁的信号，因此在满足基本照明要求的同时能够进行数据传输［7］。在接收部分，光线最终汇聚到光电探测器表面，进而将接收到的光信号转换为电信号，再通过去噪放大等信号处理方式还原出原始发送信号。

图1　VLC系统框图

1.2WDM传输系统设计

WDM是指将一系列载有信息但波长不同的光信号（对于RGB LED而言，即将R（红）、G（绿）、B（蓝）3种不同颜色的光束分别调制后合在一起）在发射端经复用器汇合，经过自由空间的无线信道传输，在接收端通过解复用器对不同波长的光载波信号进行分离，然后由光电探测器进行光/电转换及信号处理以恢复原始发送信号的通信技术［8］。

本文设计的WDM传输系统原理图如图2所示。在发送端，输入信号经过设定的码型变换，再经过串/并转换分为3路由不同波长的光载波（R，G，B）携带，经过复用器将多束光复合后送入自由空间无线信道，由于各信号是通过不同波长的光束携带，在自由空间中传输互不干扰［9］。接收端利用解复用器将不同波长的光信号分离，为了区分不同波长光束所传输的信号，在PIN型光电探测器前增加光带通滤波器，滤除携带其他信息的光，有效地减少了背景光的干扰［10］。最终光束将汇聚到PIN光电探测器表面，将光信号转换为电信号，再经过跨阻放大器使信号在一定范围内变化，通过低通贝塞尔滤波器滤除噪声，再经过并/串转换装置恢复出原始信号送到相应的接收机。

图2　波分复用传输系统原理图

1.3系统仿真

信号源选择波长为623、530和465nm的RGB LED，其光谱带宽均为20nm；空间无线信道的衰减系数为2.5dB/km；发射光束的发散角为2mrad，信号源的光学发射孔径为5cm；PIN光电探测器的接收孔径为20mm，暗电流大小为10nA，响应度为1 A/W；跨阻放大器的增益为40dB；自动增益控制的输出电压为5V。接收端采用了透射率高且对其他颜色光隔离度高的光带通滤波器来进行信号分离。RGB 3路信号分别经过WDM后传输到自由空间无线信道中，利用光谱分析仪检测到的信道中RGB 3色光谱（如图3所示），在WDM方式下RGB波长相互独立，并且增加了信道的传输容量，在很大程度上解决了传输带宽问题。

图3　信道中RGB 3色光谱

为研究百兆级的传输速率，将R、G和B信道的传输速率分别设置为50、30和20Mbit/s，其他条件不变，在接收端利用误码分析仪观察输出信号的特性，其眼图如图4所示，由图可以看出，呈现的迹线清晰，眼睛端正，相应的眼高分别为0. 43、0.48和0.51，其BER水平均低于10-20数量级。RGB 3路信号在传输过程中互不干扰，且传输特性良好。因此通过采用3色光WDM技术，可将VLC系统的传输容量提升3倍。

图4　RGB 3路信道的输出信号眼图

2 结果分析与讨论

为了研究和评价系统的可靠性，在终端接入眼图分析仪和误码率分析仪来分析信号的传输性能。光调制方式为IM/DD（强度调制/直接检测），电信号调制方式为OOK（开关键控）。对比NRZ和RZ系统在传输速率分别为100、150和200Mbit/s情况下的传输特性，设定传输距离为3m。

2.1OOK-NRZ调制方式

通过眼图分析仪来定性评价系统性能。在OOK-NRZ调制方式下，不同速率的系统眼图如图5所示。由图可见，眼图中信号上升和下降较快，交叉点的比例反映了信号占空比的大小，由于传输过程中光信号的脉冲宽度会展宽，导致接收侧交叉点相对于发送侧上移，接收侧交叉点比例在45%左右，说明接收侧的灵敏度较好。

图5　OOK-NRZ调制方式下不同速率对应的眼图

图5（a）中眼图清晰，眼睛端正，张开度大，噪声容限也大，有利于终端判决。Q因子曲线随着眼图的张开程度大小作如下变化：越靠近眼图张开最大处，其Q因子越大，对应的BER越小。在眼图张开最大时刻，其Q因子达到85.24。在传输距离不变的情况下，随着速率增加到150和200Mbit/s时，系统眼图分别如图5（b）和5（c）所示，迹线变得模糊，张开度变小，BER性能也逐渐下降。表1为不同速率下眼图呈现出的眼高和BER变化关系。

表1　OOK-NRZ调制系统下的眼图参数

2.2OOK-RZ调制方式

OOK-RZ调制方式下不同速率的系统眼图如图6所示，整体眼图的下边阴影区垂直距离和左右阴影区斜率较大，表明系统最大信号失真量较大且对定时抖动的灵敏度较高。说明RZ传输系统稳定度较低，容易受噪声影响，对同步的要求也较高。在较高速率的情况下，RZ传输系统的眼图迹线模糊程度较大，张开度缩小明显，相应的BER水平衰减明显。保持传输距离不变，随着速率的增加，眼高和BER随速率的变化关系如表2所示。

表2　OOK-RZ调制系统下的眼图参数

从以上数据可以看出，在相同速率的条件下，NRZ调制方式下的系统性能优于RZ调制方式。以100Mbit/s的传输速率为例，NRZ调制方式下的BER性能明显优于RZ调制方式，但随着系统传输速率的提高，二者的传输质量均下降，当速率到达200Mbit/s时，RZ调制方式下的系统BER性能已经衰减为10-4数量级，若继续提高传输速率，则系统接收信号的还原将受到影响。

图6　OOK-RZ调制方式下不同速率对应的眼图

2.3传输距离对系统性能的影响

传输距离是影响通信系统性能的因素之一，因此本文在保证其他参数不变的条件下，通过调节收发装置间的距离来观察系统BER的变化，其变化关系如图7所示。从图中可以看出，随着传输距离的增大，系统的BER呈现升高的趋势。在传输距离小于18m的情况下，NRZ调制方式下的系统性能要优于RZ调制方式。当传输距离为12m时，RZ传输系统的BER为10-4，NRZ传输系统的BER为10-5，系统依旧可以恢复出原始发送信号。因此本文设计的基于WDM技术的LED VLC系统传输性能是稳定可靠的。

3 结束语

在LED VLC系统中应用WDM技术可充分提高系统的信道利用率。本文设计了WDM技术在VLC链路传输中的系统结构，实现了光路的实时通信。对NRZ和RZ调制方式下的传输性能进行了对比研究，分析了传输速率和距离对系统BER性能的影响，为进一步研究长距离高速VLC奠定了基础。

［1]臧景峰，朴燕，宋正勋，等.基于白光LED照明光源的室内VLC系统［J］.发光学报，2009，30（6）：877-881.

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［3]徐鑫，徐宁.光域多址技术的分析［J］.光通信研究，2014，（4）：36-39.

［4]陈海云，顾铮，高侃.基于波分复用的长周期光纤光栅光化学多参量传感技术研究［J］.中国激光，2014，41 （2）：（0205003）1-8.

［5]曾曙光，胡静，王飞，等.基于波分复用思想的啁啾脉冲堆积方法［J］.光学学报，2013，33（5）：（0514001）1-6.

［6]汪广业，高英明，王金鹏，等.RGB LED可见光通信系统性能的仿真研究［J］.光通信技术，2015，39（10）：41-43.

［7]王巍，梁绣滟，王宁，等.离散多音频技术在可见光通信中的应用［J］.电工技术学报，2014，29（4）：160-165.

［8]张霞，田凤，张晓光，等.基于多载波的相干波分复用太比特传输实验研究［J］.中国激光，2014，41（6）：（0605005）1-6.

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［10］王俊波，谢秀秀，曹玲玲，等.室内可见光通信中的分数间隔均衡技术［J］.光学精密工程，2012，20（1）：24-30.

Study on LED Visible Light Communication based on Wavelength Division Multiplexing Technology

WANG Guang-ye，ZOU Nian-yu，WANG Jin-peng，LI Ping，CHEN Ai-lin，YU Fang-nan，MIAO Mei-yuan，GAO Ying-ming
（Research Institute of Photonics，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034，China）

In this paper，we first introduce the principle of LED based visible light communication system and wavelength division multiplexing technology.Then we design the system structure of real-time visible light communication link with wavelength division multiplexing technology based on Optisystem software.Under the direct modulation scheme，the transmission performances of NRZ and RZ modulation are studied，respectively.The effects of different data rates on the bit error rate and Q factor of the system are analyzed.The performances of bit error rate at different transmission distance are also discussed.Finally，the feasibility and stability of the wavelength division multiplexing technology in the visible light communication system are verified.

visible light communication；wavelength division multiplexing；LED；BER

TN929.1

A

1005-8788（2016）02-0067-04

10.13756/j.gtxyj.2016.02.021

2015-09-19

辽宁省研究生教育创新计划资助项目（辽教发［2014］154）；辽宁省普通高等教育本科教学改革立项资助项目（UPRP20140139）；大连市科技计划资助项目（2014A11GX050，2014A11GX052）

汪广业（1990-），男，辽宁丹东人。硕士研究生，主要研究方向为LED光通信。

高英明，博士。E-mail：gyming@dlpu.edu.cn