基于高阶PAM室内可见光通信系统设计与实现

魏同成，王岩红，林昌永，张 波

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004）

LED光源相比较于普通白炽灯，在同等亮度下可以节省大量能源［1］。LED光源具有照明和通信的双重功能，其调制带宽理论上可以达到几百THz［2］，目前基于 LED 的可见光通信（Visible Light Communication，VLC）已经成为研究热点［3－5］。 随着无线应用的发展，传统的射频通信已经不能满足高速无线数据传输的需求，而VLC解决了目前由于无线通信技术发展带来的频谱资源紧张以及频谱授权困难等问题［6］。

高阶PAM技术在光纤通信领域的研究已取得了丰硕的成果。例如，佐治亚理工学院的Laverencik小组运用了PAM4以及脉冲整形技术实现了850 nm垂直腔面发射激光器以100 Gb／s速度在100 m光纤链路的无误差传输［7］，实现了在100 m光纤中超过100 Gb／s的PAM4信号，其误码率小于10－12。华为通过使用PAM4与均衡实现了在多模光纤中以 155 Gb／s的速率传输 100 m［8］。 文献［9］中为了提高传统点对点可见光通信系统的传输速率，设计了室内两发一收的VLC系统，采用高阶PAM等概率编码映射方案，通过RGB⁃LED的红灯完成了净比特速率为700 Mb／s的传输实验验证。文献［10］为了解决低成本无源光网络传输系统中带宽限制，采用PAM4调制并且提出改进型支持向量机的均衡算法，搭建并实现了50 Gb／s的PAM4信号传输系统。目前室内VLC系统大多采用开关键控、脉冲位置调制和数字脉冲间隔调制方式［11－13］，这3种调制方式不能有效克服室内VLC系统中由于多径效应引起的码间干扰［14］。在相同的码元内，高阶PAM可以传输更多比特。例如PAM4调制，每个码元含有2 b的信息，PAM2每个码元只能表示1 b信息，高阶PAM调制方式的优点是单位频带的信息传输速率高，频带利用率可以超过1 b／s·Hz［15］，并且在相同数据速率下，高阶PAM调制可以减少由多径效应而产生的码间干扰。该调制方式缺点是，在相同的幅度下，M阶的PAM信号需要M个电平幅值数对应编码信息，即需要M－1个判决门限电平，随着M的增加，系统的信噪比将会降低。在相同平均信噪比下，高阶 PAM 抗衰减能力差［16－18］。 针对上述问题，本文提出一种改进的高阶PAM波形结构，通过仿真和实测验证了在相同信噪比和调制阶数时，系统的误码率将会下降。采用以TMS320C6748为核心的数据处理器［19－20］（这款 DSP 相对于其他TMS320C6000平台的DSP具有更低的功耗设计），基于高阶PAM设计并实现了一套高可靠性的室内VLC系统，并在室内进行了性能测试与验证。

1 高阶PAM光通信系统

基于高阶PAM室内VLC系统主要由发射端、室内信道和接收端三部分组成，本系统的原理如图1所示。在发射端，首先将信源数据从PC机经由串口发送到DSP处理模块，然后DSP将数据进行M⁃PAM编码，再将编码好的数据加上帧头后封装成帧，接着把调制好的M⁃PAM数据帧通过数字转模拟（Digital To Analog Conversion，DAC）转成模拟信号，最后调制信号通过LED将光信号发射出去。

在接收端，LED发送的调制信号经过室内信道传输到接收端后，首先经过PIN模块将光信号转化成电流信号，电流信号经过流压转换模块转换为电压信号，然后通过模拟转数字（Analog⁃To⁃Digital Converter，ADC）将模拟电压信号转换为数字信号，DSP进行帧同步判别，同步完成后将数据传输给DSP进行解调和译码，最后将译码后的信息经由串口传输至PC端，并进行实时误码率分析。

2 高阶PAM波形结构改进方法

在数字PAM中，信号的波形可以表示为

式中，p（t）表示持续时间为T的矩形脉冲，信号幅值 ｛Am＝2m －1－M，m ＝1，2，…，M｝，即幅度信息为±1，±3，±5，…，±（M－1），k个信息比特对应着M＝2k个可能的信号幅值，即有M个电平。信号sm（t） 的能量为 εm， 其值为

式中， εp为 p（t） 的能量，由此可知 sm（t） 的平均能量为

高阶PAM信号的星座有两种类型的点：M－2个内点和2个外点，当｜n｜＞dmin／2时内点就会发生错误，外点的差错概率为内点的一半，因为噪声方向仅在一个方向引起。其中n是均值为0、方差为N0／2的高斯白噪声，当M较大时，则有符号差错概率

式中，M为调制阶数，Q为标准正态的右尾函数，εbavg为平均比特能量，N0为噪声功率。当M增加时，要保持符号差错概率不变，就必须提高信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）。 基带高阶PAM 在不同M阶调制的符号差错概率曲线如图2所示。随着M加倍（等效于传输速率增加1 b），若要保持性能不变，由图2可知，增加信噪比需要功率增加6 dB，由放大倍数K＝10lg（Po／Pi）可知，需要将比特信噪比提高4倍。等效于传输速率增加1 b／s，需要发射功率增加6 dB。由图2还可知，随着调制阶数M的增加，当M较大时，系统性能将会逐渐降低，相应于M与2M的曲线相差约6 dB。

图2 基带PAM在不同M值下的误符号差错概率曲线

随着调制阶数M的增加，设备复杂性增加。当M较大时，判决电平个数增加，在有限的发送功率下，系统性能和稳定性将会下降。综合考虑，本设计选择M＝4，即基于PAM4进行室内可见光通信系统设计。如图3所示为普通PAM4数据波形结构。

图3 4幅度电平基带PAM信号

图4 改进后PAM4数据帧结构

由式（6）可以得到改进后调制阶数、信噪比和符号差错概率关系，仿真得到改进前和改进后基带PAM信号在不同M值下符号差错概率曲线，如图5所示。其中虚线代表改进后PAM的差错概率曲线，实线代表普通基带PAM差错概率。

图5 改变前后M⁃PAM差错概率曲线

通过图5可知，在相同的调制阶数和信噪比下，改进后的PAM误码率下降，可靠性增强。随着调制阶数M的增加，系统性能提升越明显。但同时随着M增加，系统调制解调以及设备复杂度也会增加。

改进前PAM4对于数据的解调方式是硬判决，即通过判断AD采样累加值并设置合适的判决门限进行解调。改进后的PAM4对01（三角波）码元的判别需要判断两次，第一次通过AD累加和判断出11和00码元；第二次判别是通过解调端算法将AD采样值的后5个采样点和前5个采样点做差值运算（AD 10倍采样），其差值较大的判为01码。虽然解调复杂度略有增加，但通过仿真和实际测试发现改进后的系统在相同信噪比下，系统的误码率降低。

3 实验结果与分析

本设计选用调制阶数M＝4，即基于PAM4调制来实现室内VLC系统，PAM4技术被认为是短距离接入应用中最有潜力的调制方案。相对更高阶的PAM系统设计，PAM4设计难度适中。收发两端的数字信号处理芯片是TI公司推出的TMS320C6748，开发板采用6层板工艺设计，并做严格等长线设计；DAC芯片型号采用AD9708，最大速率为125 MSPS；LED光源是欧司朗的LB W5SN；ADC芯片型号为AD9280，最高速率为32 MSPS；PIN型号为 LSSPD⁃1.2，响应波长范围为400～1 100 nm。

为了验证本室内光通信系统的通信性能，根据图1的整体方案搭建了高阶PAM4室内VLC系统，两个通信板通过同轴线连接测试（以下简称电调）和系统加上LED光源在室内信道进行测试（以下简称光调）分别如图6和图7所示。将发送端和接收端的DSP通过串口连接到PC，在PC端利用本实验室内部人员编写的误码率分析仪读取上传的文本信息，然后传送给发端的DSP。发端DSP对接收到的数据进行PAM4调制，再将调制后的数据加载给DAC模块，最后驱动电路将数据以光信号的形式发出；接收端利用PIN模块将光信号转换为电信号。AD模块对信号进行10倍采样，先经过帧头同步判别，再进行时隙调整，采样的10个数据点进行累加运算。得到的累加值由相应门限进行判别，判别出对应的码元信息“00”、“01”、“10”、“11”。 经过解调后将数据通过串口再发给PC端。误码率分析仪对错误码元进行统计，并实时计算误码率。

图6 PAM4室内可见光通信电调实物图

图7 PAM4室内可见光通信光调实物图

电调测试结果如图8所示。利用两个串口调试助手进行通信测试，波特率选择9 600 b／s，一次发送一个汉字即两个字节信息。左边串口调试助手前两个数据位是这两个字节的ASCII码，后8个数据位是将其映射成PAM4的数据码元（00、01、10、11），右边串口调试助手显示PAM4译码结果。经过测试验证，从发射端的串口调试助手连续发送汉字，数据经过DSP进行PAM4调制解调后在接收端串口助手中显示，可以稳定可靠地进行PAM4通信。

图8 PAM4室内可见光通信电调结果

误码率是体现在规定时间内传输数据准确性的指标，是通信系统的重要参数。因此为了验证系统硬件平台的稳定性以及改进后方案的可行性，在通信速率为10 Mb时，在不同的通信距离下，对设计的PAM4室内VLC系统进行误码率分析，当电调稳定在1×10－6后，在室内进行光调测试得到的误码率如表1所示。

由表1可知，若采用普通PAM4调制波形在室内进行通信，在通信距离为1 m时，系统误码率在10－4左右，距离增加到2 m时，系统误码率超过了10－3。若采用改进的PAM4波形结构进行通信，在通信距离为1 m时，系统误码率在10－6以下，距离增加到2.5 m时，系统误码率在10－4左右。可以看出改进方案可以提高室内可见光通信系统可靠性，降低系统误码率，测试达到了预期效果。同时，测试发现LED光源在不加透镜的情况下，由于光信号经过信道衰减和发散，接收端信号变差，误码率急剧增加。

表1 不同通信距离PAM4测试结果

4 结束语

室内VLC技术是无线通信领域具有重要地位的新型通信技术，本文设计并实现了基于高阶PAM的室内VLC系统。为了解决TMS320C6000系列的功耗问题，选取了具有高速率、更低功耗的TMS320C6748型浮点数字信号处理器作为本设计的核心处理芯片，利用 ADC、DAC、LED驱动以及PIN探测器实现了室内可见光的可靠通信。经仿真和实际测试，改进的PAM4波形结构可以提高系统的可靠性，降低系统误码率。本系统具有结构简单、稳定可靠、误码率低等优点，具有一定的工程应用价值。