基于双二进制编码的LED车灯通信系统研究

陈 睿，哈依那尔，邹 鹏，迟 楠，胡 波

(1.复旦大学信息科学与工程学院数字信息处理与传输实验室，上海 200433；2.复旦大学通信科学与工程系电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433)

引言

基于LED的可见光通信(Visible Light Communication, VLC)技术结合了通信技术与照明于一体，无需申请频谱并且抗电磁干扰，有望激活400 THz的频谱资源，是一种新兴的绿色节能、成本低的技术，近年来已成为室内和室外高速无线接入的研究热点[1，2]。VLC系统中比较重要的问题是其传输带宽非常有限，因此如何在有限带宽下实现大容量传输引起了研究人员的兴趣。

近年来，随着物联网的快速发展，车联网日渐成为全面建成智能交通的重要一环，而其中最为基础的支撑技术就是通信技术。由于VLC的高可靠性和低延迟特性，已经有诸多研究人员对基于VLC的车间通信进行了研究[3，4]，作为对现有无线通信等技术的补充，从而大幅提高现有异构车辆网络的通信容量[5]。

本文针对基于LED车灯的可见光通信系统中固有存在的带宽受限的问题，提出了一种基于双二进制(Duo-Binary, DB)编码的部分响应系统，通过人为引入受多电平编码控制的符号间干扰来将信号能量集中在较低频段，从而对抗带限系统在高频处的衰落。本文通过实验研究了有无DB编码对基于无载波幅度相位 (Carrierless Amplitude and Phase, CAP) 调制的车灯VLC系统性能的影响，并对该编码在车灯VLC系统中的最佳工作区域进行了研究。

1 车联网

车联网在从诞生之初就广受关注，从信息感知角度出发，车联网是对车辆运行状态进行监管和综合管理；从智能交通和车辆组网的角度看，车联网不仅是综合交通运输信息处理系统，也是包含车与车、车与人、车与路面、车与云以及车内通信在内的大型一体化信息交换网络[6]。图1给出了大型车联网信息交换网络示意图。

除了传统的基于微波、红外、专用短程通信等车间通信技术，近年来，随着LED灯的大规模商用和普及，人们已经看到基于VLC的车间通信方式在车联网应用场景中的巨大潜力，相关研究也相继展开[5,7,8]。在本文中，我们针对LED车灯调制带宽有限的问题，提出一种主动压缩频谱的编码方式，在其有限带宽下实现大容量传输。

图1 车联网系统组网示意图Fig.1 Schematic diagram of car networking and Internet of Vehicle

2 CAP调制&双二进制编码

在20世纪70年代，CAP调制技术首先由美国贝尔实验室提出。CAP调制技术大大降低系统计算复杂度和结构复杂性，并具备较高的频谱效率，因此在数字用户线路中得到广泛应用[9]。

CAP调制解调步骤如图2(a)所示，在发射端对原始比特流进行QAM映射实现高阶编码，之后对得到的符号流进行上采样；接下来对上采样的复数信号进行实部/虚部(或者说同相/正交分量)分离，并对得到的两路数据分别进行脉冲成形，最后对两路正交的数据相加输出就可以得到CAP调制后的信号。在接收端，信号在被采样和量化以后，由一对匹配滤波器来恢复发射信号的同相/正交分量，之后经过下采样、信道均衡和QAM解码，就可以恢复原始得到比特流。

双二进制编码通过人为引入多级编码控制的符号间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)来实现频谱压缩，是一种典型的部分响应系统，其具体实现方式如图2(b)所示。DB编码主要由两部分组成：差分编码与延迟相加滤波。差分编码由延时和异或这两部操作组成；而之后的延迟相加实际上是一种低通滤波，将信号能量集中在低频部分传输——此操作尤其在带宽受限的情况下是较为有用的。

图2 (a)CAP调制与解调系统框图;(b)双二进制编码示意图Fig.2 (a) Block diagram of CAP modulation and demodulation; (b) schematic diagram of duo-binary coding

3 实验设置

基于双二进制编码的车灯VLC系统实验测试台如图3所示。可以看到在发射端，原始数据经过数字信号处理后，被送到任意波形发生器(Agilent, M8190A, 12GSa/s)进行数模转换；之后CAP调制的电信号依次经过均衡器、电放大器和直流偏置器，经过交直流耦合以后被加载到LED车灯并被发射出去。信道是自由空间，距离为2 m；在经过信道之后，光信号在接收端依次通过透镜与滤光片，之后由PD阵列中的一个PIN管(Hamamatsu, S10784)将其转化为电信号，最后由示波器(Agilent, MSO9254A)对电信号进行采样，并将数据送至计算机进行离线处理。在接收端离线处理中，数据被解调、均衡、解码，最后通过计算误码率(BER)来对系统性能进行评估。在本实验中，上采样倍数固定是4。线性均衡是基于简单的最小均方(LMS)算法，其抽头和步长均已经优化。

图3 基于DB编码CAP调制的车灯VLC系统实验装置图Fig.3 The experimental setup of headlight-based DB-coded CAP-VLC system

4 实验结果

图4(a)显示了在基于LED车灯的VLC系统中没有经过DB编码的发射信号频谱(即普通格型16QAM信号)。图4(b)显示了经过信道以后的接收信号频谱；可以看到信号经过基于车灯的可见光信道以后，在信号高频部分有较大衰减。图4(c)显示了经过DB编码后的发射信号频谱(即前后比特延迟相加的49QAM信号)。图4(d)显示了DB编码后的发射信号在经过信道后的接收频谱；同样地，我们可以看到接收信号频谱在高频处迅速衰落，造成传输性能的下降。但是相比没有DB编码的普通QAM信号，经过DB编码的信号通过人为引入ISI来实现频谱能量的集中，对带宽受限的系统更为鲁棒，这在后续的实验结果中将被进一步说明。

图4 (a)没有DB编码时发送信号的频谱图；(b) 没有DB编码时接收信号频谱图；(c)有DB编码时发送信号的频谱图；(d) 有DB编码时接收信号频谱图Fig.4 (a) Spectrogram of the Tx signal w/o DB encoding； (b) spectrogram of the Rx signal w/o DB encoding；(c) spectrogram of the Tx signal w DB encoding； (d) spectrogram of the Rx signal w DB encoding

图5给出了在有无DB编码这两种情况下，信号幅值(峰峰值，Vpp)与系统误码性能之间的关系，此时我们已经找到系统最佳工作电流为432 mA。可以看到，当Vpp过小的时候(0.2 V)，所述两种情况的误码性能均不理想，这解释为信号Vpp过小导致信噪比(SNR)过低，系统BER较高；而当Vpp过大的时候(大于0.6 V)，系统非线性过大，导致所述两种方案误码性能均不理想。因此存在一个令系统性能达到最优的线性区域，在后续带宽测试中我们取信号Vpp为0.4 V。值得注意的是，在非线性工作区域，有DB编码时系统性能反而下降的更严重，这是由于DB编码将前后比特联系在一起，因此在非线性区域误码扩散的更加严重。在线性工作区域，我们可以看到有DB编码会带来一定的增益，使得系统性能相比未编码时更好。图5也给出了线性区和非线性区所述两种方案的星座图对比；如插图(A, B)所示，未DB编码时，各个符号等概率分布，经过DB编码后符号更多集中在星座图内圈，虽然符号间的欧氏距离有所减小，但是频谱也得到了压缩。

图5 信号幅度对系统性能的影响图Fig.5 The influence of signal amplitude on system performance

图6给出了系统传输带宽与BER之间的关系。可以看到，随着信号传输带宽的增加，系统误码性能下降，这也说明了基于车灯的可见光通信系统的带宽很有限；经过DB编码后系统性能得到提升，在7% FEC误码门限下，相比未编码系统，最高无误码传输的速率提高了100 M；在7%FEC误码门限下，实验测得的最高带宽为1.2 GHz，由于4倍上采样以及16QAM格式，数据传输速率为1.2 Gb/s。在带宽不是主要的限制因素的时候，如600 MHz时，有无DB编码对系统影响不大，这可解释为系统SNR均可支持两种方案的传输；当信号带宽过大时(如大于1.4 GHz时)，有无DB编码系统性能基本无差别，都很差，此时信号带宽已经超过系统允许带宽范围。当发射信号带宽在600 MHz到1.4 GHz范围内时，可以看到DB编码相比未编码的普通16QAM可以带来一定的增益，系统性能得到提升。所述两种方案在门限附近的星座图也在图中有表示，同样可以看到，经过DB编码后符号分布在星座图中心点的概率会更大，外圈分布的概率小，这是由编码中的延迟相加带来的结果。

图6 信号带宽对系统性能的影响图Fig.6 The influence of signal bandwidth on system performance

5 结束语

本文基于LED车灯的可见光通信，提出了一种基于双二进制编码的部分响应系统，用于解决车灯在有限带宽下的高速传输问题，并为将来实现车联网中车与车之间高速通信提供解决方案，这是双二进制编码在车灯可见光通信系统中的尝试，并通过实验验证了其有效性。实验中在发射端使用LED车灯模组，接收端使用高灵敏度的PIN，采用经过DB编码的CAP调制方式，系统的实测传输速率超过了1.2 Gb/s，在经过2 m的自由空间传输后，系统的误码性能仍然低于7% HD-FEC误码门限3.8×10-3，经过DB编码后的系统，在7% FEC误码门限下，相比未编码系统，最高无误码传输的速率提高了100 Mb/s。