一种新型室内可见光通信调制技术

冯 祎

(北方工业大学 信息学院,北京 100144)

0 引 言

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术,通过白光发光二极管(Light Emitting Diode,LED)闪烁的同时实现了通信和照明的双重功能[1]。限制VLC系统传输速率的主要原因为白光LED有限的调制带宽,目前广泛使用的荧光粉LED的调制带宽一般＜10 MHz[2]。为突破VLC系统带宽受物理器件的限制,李洪磊等人在硬件预均衡的基础上结合硬件后均衡和蓝光滤光技术,将白光LED的调制带宽由3 MHz增加到233 MHz,在非归零开关键控(Non-Reture-to-Zero On-Off Keying,NRZ-OOK)调制方式下实现了550 Mbit/s的传输速率[3-5]；另一种方法是使用效率更高的调制技术,即在调制带宽确定的情况下尽可能提高发送符号可携带的信息量[6]。

在VLC系统调制带宽限定的条件下,本文设计了一种多进制变幅度变周期调制(Multi-ary Variable Amplitude&Period Modulation,MVAPM)技术,有效提高了VLC系统传输速率,并对调制方式进行了详细的理论分析及软件仿真。

1 MVAPM符号结构与参数配置

1.1 符号结构

开关键控(On-Off Keying,OOK)调制、脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)和数字脉冲间隔调制(Digital Pulse Interval Modulation,DPIM)是数字基带调制中较典型和常用的几种调制技术[7-8]。

在基于MVAPM的VLC系统中,进入MVAPM调制器的数据为多进制数字信号,调制器需对数字信号按照b个比特进行分组,其中b=log2M由M VAPM的进制数M决定。MVAPM结合了变脉冲幅度与变脉冲周期的调制方式,每个符号元素中的比特数据会分为两部分参与调制。脉冲幅度调制的比特数为ba,脉冲时间调制的比特数为bs,且满足b=ba+bs。

变周期脉冲调制:bs决定了参与调制数据的位数,而调制数据的值决定了脉冲低电平的长度,因此调制出的脉冲周期是变化的。变周期脉冲调制波形图如图1所示,调制波形的高电平时间为tH,低电平时间为tL+ts,调制周期T=tH+tL+ts,其中tH=tL,ts=N×tslot,N为二进制数bs对应的十进制数,tslot为插入的单位最小时隙,设时隙脉宽比α

图1 变周期脉冲调制波形图

变脉冲幅度调制:脉冲幅度的调制不是连续模拟电压变化,而是分为几种幅度电平,电平的种类数量为2ba,每个符号的幅度为Ai(i=0,1,2,…,2ba-1),设最高脉冲幅度与最低脉冲幅度之比为β=

使用 MVAPM 方式对二进制信息“1001110001100011”以16进制进行分组,分别以两种情况进行调制,设时隙脉宽比为α=0.05,β=2.5,调制波形示意图如图2所示。

图2 MVAPM波形示意图

MVAPM(16,2,2,α=0.05,β=2.5)将二进制信息分为4组调制,每个符号的高2位决定了正脉冲的幅度电平,低2位决定了在低电平后插入几个时隙tslot；同理,MVAPM(16,1,3,α=0.05,β=2.5)的正脉冲只有2种电平,而插入的时隙有8种。

1.2 符号参数选取

MVAPM的符号调制波形由M、ba、bs、α和β决定,M进制数的选取决定了被调制数据的比特数b。ba的数值决定每个符号的正脉冲幅度电平的数量,当ba≥1 bit时,M VAPM的正脉冲将具有多种电平值,电平值由A0和β决定,但相邻正脉冲电平值之间需要留有足够的裕量,以保证接收端可以正确解调；bs的数值决定每个符号的低电平后插入时隙的数量,当bs≥1 bit时,M VAPM的低电平后将加入额外的时隙,因此不同符号对应的调制周期不同。不同α时,bs与传输速率的关系曲线如图3所示。由图可知,bs的取值不宜过大,且需要结合α的取值一同考虑。

图3 不同α时,b s与传输速率的关系曲线

时隙脉宽比α的设计,需合理选取tH、tL和tslot,当调制最长符号时,通信传输速率可表示为TR=设带宽W=1 M Hz,图4所示为不同bs时,α与传输速率的关系曲线。由图可知,α取值越大传输速率越低,以bs=4 bit为例,当α＞0.2后,传输速率＜1 M bit/s,低于同等带宽下OOK调制方式的传输速率。因此α的取值需结合系统调制带宽综合考虑,较大的α可降低解调误码率,但系统的传输速率也会明显下降。

2 性能和仿真分析

2.1 带宽需求

由于荧光粉LED的带宽受限以及大面积光电探测器的大容量电容限制了调制带宽,因此室内VLC系统的带宽需求越小越好[9]。在假设输入到调制器的数据速率TR相同的前提下,OOK调制的每个调制符号只包含1 bit信息,因此OOK调制所需带宽为WOOK=TR。PPM、DPIM和MVAPM均需要对输入数据进行分组,设每组符号有bs个比特,PPM为非变周期调制,因此PPM所需带宽为WPPM=(2bs/bs)·TR。DPIM和MVAPM为变周期调制,显然调制周期最大的符号才能体现调制带宽的需求,因此,DPIM和M VAPM所需带宽分别为TR。

图4 不同b s时,α与传输速率的关系曲线

根据以上分析,归一化的调制带宽需求对比图如图5所示。

图5 归一化的调制带宽需求对比图

2.2 传输容量

传输容量用来表示在单位时间内调制符号所能携带信息容量的大小,这里用比特率(bit/s)来衡量系统的传输容量[10]。设单位时隙为Tμs、每组符号有bs个比特,则OOK调制和PPM的传输容量分别为TCOOK=1/Tμs和TCPPM=bs/(2bs·Tμs)。DPIM和M VAPM为变周期调制,计算传输容量时需取调制符号的平均周期,故DPIM和M VAPM的传输容量分别为

根据以上分析,归一化的传输容量对比图如图6所示。相对于PPM和DPIM方式,OOK调制的传输容量较高,随着bs的增加,PPM和DPIM的传输容量越来越小；MVAPM各取两种α和ba值进行比较,M VAPM的传输容量均远高于PPM和DPIM,且当bs＜7 bit时,PPM和DPIM的传输容量均小于MVAPM调制。

图6 归一化的传输容量对比图

2.3 平均发射功率

设发送一个单位脉冲的幅度为Au、功率为Pu,设每组符号有bs个比特。计算平均发射功率以OOK调制为例,OOK调制的平均发射功率为出现“1”的概率与Pu之积,OOK调制出现“1”和“0”的概率相等,因此OOK调制的平均发射功率为POOK=同理,PPM和DPIM的平均发射功率分别为PPPM=和PDPIM=。由于MVAPM为非单一电平调制,考虑到MVAPM实际发射的各种电平为等概率出现,因此M VAPM的平均脉冲幅度为·Pu,平均发射功率为

根据以上分析,归一化的平均发射功率对比图如图7所示。相对于其他调制方式,PPM的平均发射功率最小,DPIM次之,而OOK调制的平均发射功率最大(β=1时)；MVAPM各取两种α和β值进行比较,可见MVAPM的平均传输功率大于PPM和DPIM；当β=1.5、bs＜5时,MVAPM的平均传输功率会大于OOK调制；当β＞1时,MVAPM的平均脉冲幅度会增加,因此平均传输功率会提高。

图7 归一化的平均发射功率对比图

2.4 误包率

分析调制方式的差错性能对室内VLC系统具有重要意义,用误包率来对比不同调制方式的差错性能更合理[9]。

设VLC系统的信道为加性高斯白噪声理想信道,即噪声均值为0、均方差σ=,式中:N0为噪声功率谱密度；B为调制带宽。设调制一个符号的平均发射功率为Ps.avg,峰值光电流Ip=S·Ps.avg(S为光电二极管的感光灵敏度),判决门限为kEp(0＜k＜1),Ep为脉冲能量,则发送低电平被判决为高电平的概率为为标准正态分布的右尾函数,发送高电平被判决为低电平的概率误时隙率为pSER=p0·pe0+p1·pe1,p0和p1分别为收到低电平和高电平的概率,且满足p0+p1=1。

设每帧发送的数据比特数为n,每个符号的调制位数为b,每个符号的平均时隙为¯s,则每一帧包含的时隙数量为因 此 计 算 误 包 率 公 式 为定义信噪比从而推导出OOK调制、PPM、DPIM和MVAPM的误包率分别可为pPER_OOK=n·Q(,

根据以上分析对各调制方式的误包率进行仿真,当n=1 024,k=0.5,b=4时,各调制方式下相对信噪比的误包率如图8所示。当b固定,α=0.01、β=1.0时,各调制方式下的误包率均随着信噪比的增加而下降,PPM的误包率最低,OOK调制的误包率最高,DPIM和MVAPM的误包率介于PPM和OOK调制之间,但DPIM要好于MVAPM的误包率。

图8 各调制方式下相对信噪比的误包率

3 结束语

在VLC系统调制带宽受限的前提下,提出了MVAPM技术,其在正、负脉冲两个维度对信息调制,在不增加调制带宽的前提下可携带更多的信息,进而有效提高了调制效率。

理论分析及仿真表明,MVAPM具有比OOK调制、PPM和DPIM更小的调制带宽需求和更高的符号传输容量；MVAPM的平均发射功率要高于PPM和DPIM,ba值较高时会低于OOK调制；误包率低于OOK调制但大于DPIM,误包率随着β值的增加逐渐增大,但可适当减小α值对其进行补偿。

综上所述,当VLC系统调制带宽有限且系统具有较高信噪比时,采用MVAPM技术可明显提升系统传输速率,相比OOK调制、PPM和DPIM调制方式具有较为明显的优势。