多进制数字调制的可见光通信系统的仿真设计

任鲁涌　许圣飞

【摘 要】本文设计了基于白光LED照明光源为通信光源，以M-ASK多进制数字调制信号为传输电信号的一个用可见光来传输信息的通信仿真系统。系统具有信号传输速率极大、信息传送效率高优点。用仿真软件对此可見光仿真通信系统的各模块进行了仿真，仿真结果表明此仿真系统能验证实际实现M-ASK多进制数字调制的可见光通信系统通信功能的可行性。

【关键词】白光LED;多进制数字调制;仿真

中图分类号： TN911.3文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）35-0007-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.003

以白光LED作为通信光源所构建的无线可见光通信系统是用可见光来传输信息，这种方法可以较有效的缓解时下的通信频谱紧张状况，而且白光通信信道利用的可见光传输的信息，有很高理论传输速率，在现在我们平常能够随处可见到的LED光源照明设施下，用这种不增加额外成本的资源来实现高速通信。白光这种可见光波使用限制少且对我们的身体没有什么影响，目前的社会环境下，网络终端用户的数量需求快速增长，将白光照明与通信功能集成有着很大的发展潜力和很好市场前景。将多进制数字调制信号经白光的通信系统传输更能提高传输效率，这种比较的新颖的白光通信新技术，它的发展中面临这诸多的问题需要人们去了解和研究。

1 M-ASK调制的可见光通信系统调制原理

目前，可见光通信系统所面临的最难的问题之一就是如何提高其系统对信息的传输速率。我们可以通过提高信号的发射速率、或提升码元的比特数、或增加信道链路的方法都能够来实现提高信息的传输速率的目标。但提高信号的发射速率需要开发有着更高调制带宽的LED，高带宽的LED来提高信息的传输速率需要较高的经济成本，若以提高码元的比特数或增加信道链路则需要采用高阶的调制技术，这必须要用复杂的电路。

因此这里我们用了以M-ASK多进制数字调制信号为传输电信号，构建多进制数字调制的可见光通信系统，这样实现的系统有高的信息传输速率。原理是M-ASK的可见光通信系统是利用了可见光产生的不同幅度来对应着不同的数字信号，具体来说就是在无线可见光通信系统的M-ASK调制方式中，先进行M-ASK多进制数字调制，用不同的幅度电平来表示不同的二进制信号，再对LED进行直接强度调制，这样LED的每一次闪光都能够传输log2M位的数字信息，由此看来，M-ASK的调制系统中所产生的通信速率是二进制调制系统的M倍之多。这样实现还具有在M-ASK调制系统中产生的传输比特率与二进制调制系统产生的传输比特率相等时，M-ASK的调制系统产生的脉冲带宽是二进制调制系统产生的脉冲带宽的1/log2M，这样条件下能够减少码间串扰，虽会使发射端的光功率效率相对地降低。但在可见光通信系统中主要是加性高斯噪声，在误码率相等的情况下，M-ASK调制系统的码元速率与二进制调制系统的码元速率相等时，接收端接收到光的光功率会随着进制数的增大而增大的特点，这种方法技术实现相对简单。

2 M-ASK调制的可见光通信系统结构

M-ASK的调制解调的可见光通信系统结构如图1所示，系统结构由：数字信源、M-ASK调制模块、LED驱动电路模块、信道、PIN接收模块、模数转换器组成的信号判决再生模块、M-ASKK解调模块等组成。其中，数字信号先通过M-ASK调制模块实现M-ASK电信号的多进制数字幅度调制，然后再把调制好的信号传输到LED驱动电路模块。在接收一端，经过PIN接收模块接收到光信号，然后经过放大后的信号发送到判决再生模块，最后经过M-ASK解调输出数据。

图1 M-ASK调制解调的可见光通信系统结构

3 M-ASK调制的可见光通信系统仿真设计

用Optisystem软件构建的4-ASK调制的可见光通信系统实验仿真系统如图2所示。系统模型结构中包括了信源、4-ASK调制模块、LED驱动电路模块、信道、PIN接收模块、模数转换器组成的信号判决再生模块、4-ASK解调模块。仿真系统的结构与实际的M-ASK调制的可见光通信系统结构组成是相同的，因此仿真结果就有现实实际意义。其中，数字信号由PN序列代替，经过串并转换传输到4-ASK调制模块进行调制，然后再把调制好的信号传输到LED驱动电路模块。信道设计为线性基带传输模型，在接收一端经过PIN接收模块接收到光信号，然后经过放大后的信号发送到判决再生模块，最后经过4-ASK解调输出数据。运行仿真运算得仿真结果，光发射4-ASK光时域波形如图3所示，PIN光接收后4-ASK波形如图4所示， 接收后4-ASK接收端眼图仿真结果如图5所示。在实际做设计中也做了8-ASK调制的可见光通信系统仿真，接收后8-ASK接收端眼图仿真结果如图6所示。4-ASK的调制解调的系统仿真结果中，可以清楚地看到可见光的四种不同幅度的变化状态，同样8-ASK的调制解调的系统仿真结果中，也可以清楚的查看到可见光的八种不同幅度的变化状态，表明这种技术简单可行。仿真结果还表明，设计的M-ASK调制的可见光通信仿真系统实现了相应功能及指标，用它作为实验验证系统来验证现实M-ASK调制的可见光通信系统的实现技术及性能具有现实意义。

图3 光发射4-ASK光时域波形

图4 PIN光接收后4-ASK波形

图5 接收后 4-ASK接收端眼图

图6 接收后8-ASK接收端眼图

4 结束语

光通信系统的设计与分析过程中，Optisystem具有可以实现很多类型的光链路的通信系统的设计，应用它建立模型来实现光通信系统的仿真能够全面的分析这个系统的性能，可通过直接修改此软件系统中各个元器件的特征参数完成器件的设计，建立的仿真模型能充分体现实际系统的性能。在本仿真设计中做了M=2、4、8等M-ASK调制的可见光通信的仿真，进一步扩展可实现M为更多的M-ASK调制解调的可见光通信系统仿真，这为通信方向的学生扩展光通信知识提高自己的创新能力提供了技术验证条件。

【参考文献】

[1]迟楠.LED可见光通信技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]王虹，蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展[J].半导体光电，2014，35（1）：5-9.