可见光通信（共8篇）
可见光通信 篇1
可见光通讯在所谓的频谱危机提供了一种经济的解决方案。爱丁堡大学该项技术则能在基于LED的可见光通信链中实现双极性信号到单极性信号的转变。通过对双极性信号使用脉冲整形滤波器, 将脉冲的负值部分转化, 净效应显著增加了信号传输速率。该方法可以很容易地集成到LED照明设施上, 使用低成本的终端设备实现可见光通信。
该系统用于通信领域, 特别是针对移动设备和数据提供商之间的连接造成的瓶颈问题, 例如室内通信、医院、体育场馆、航空、安全与军事、水下通信等领域。
该实验室成果申请了专利, 外方期望以技术许可等方式开展合作。
可见光通信 篇2
【摘要】 可见光通信以制造成本低、无线频谱宽而受到人们的关注。采用自适应OFDM技术能减少多路径传输的时延和衰落，灵活配置调制模式，提高可见光通信的系统性能。
【关键字】 可见光通信 自适应 OFDM调制 系统性能
一、引言
光通信技术最早称为自由空间光互联，而光纤通信称为光波导技术。现在，全光网络正在研发过程中。可见光通信采用发光二极管LED而不是激光当作光源，采用强度调制/直接（IM/DD）检验技术，现在的调制带宽在500M以上。LED频谱与405THz的带宽相同，而无线通信的频谱则受到限制，属于通信的低通响应。LED光载波信号与自然光不同，是调制的通信信号。射频通信产生电磁波干扰，因此可见光通信是高速、廉价、没有电磁波干扰的有前途的未来通信技术。然而，LED的输入范围有限，而且有非线性效应，可见光的信道传递是多径特征。因此，2005 年，西班牙的研究人员Gonzalez等在可见光通信中，应用自适应OFDM 技术，减小存在码间干扰导致的多径衰落。OFDM技术频谱效率高，把速率高的信号分解成多个低速率的并行子数据信号，在互为正交的子信道系统上传递。自适应技术是数据信号在不同子载波传输时，由于载波的频率响应特性不同，可选择特定的编码实现调制。因此，可见光通信系统能适应子载波的变化，满足用户的不同通信需求，提高系统数据通信性能。
二、可见光通信的OFDM技术
可见光通信系统能进行参数配置，包括子载波数、子载波间隔，FFT大小等。应用自适应技术，根据信道状况和用户的数据通信需求，配置传输参数，有编码和调制方式、映射方式、功率配置、带宽分配方式等，提高系统容量和数据传输性能。自适应技术可用在信道容量的可变性和误码率较高的衰落载波的识别上。编码方式可采用格雷码。
在可见光通信系统的自适应OFDM调制解调过程中，首先是发送方高速编码脉冲串并转换，根据信道响应状况，OFDM技术将并行的不同比特信号调制到正交子载波上构成一个符号，并且分配功率实现低速传递。然后，接收端对正交的子数据信号进行解调，采用信道估计方法校正，复原成原高速脉冲信号。子载波间的正交性导致频谱复用，提高系统的数据传输率。LED光源在OFDM技术对信号幅度的变化调制为载波，实现强度调制。OFDM技术具有抗多径干扰能力，原因是高速脉冲调制为多路低速信号，脉冲宽度展宽，能更清晰鉴别信号，提高了每路子载波对抗频率选择性衰落和多径时延的能力。可见光的OFDM调制一般采用FFT和逆FFT技术，将数据变到时域上，显著降低大量的浮点运算。因此在实际系统中，载波信号采用实数形式计算和传输。
OFDM的一个符号是多个子载波信号的合成，在符号间设置保护间隔，可防止符号间干扰和信号串扰。子载波调制方式有QPSK、16QAM和64QAM等，将数字脉冲转换成子载波，可分别采用码速1/2、3/4、2/3的卷积码进行差错控制。根据瞬时特性在每个符号周期，分配给子载波不同的信息比特和功率。将数字信号转换成子载波的幅度和相位映射。映射方式是，在情况较差信号衰减较大的信道，分配的子载波应用低阶映射方式；而条件较好衰减小的信道对应的子载波应用高阶映射，能提高数据传输率。信道估计和检测信息称为导频，在数据信号OFMD符号中间。
自适应OFDM可见光系统权衡数据传输效率和系统误码率BER，关键技术正在研发和试制阶段。自适应技术用计算机软件实现，有Hughes-Hartogs 、Chow 和Fischer-Huber 算法等。算法有三个提高方向，包括比特误码率、传输速率和发射功率，算法性能由搜索和排序次数，收敛速度决定。
三、自适应OFDM技术的性能
OFDM不同的调制模式对应不同的系统误码率，因此分析多载波OFDM技术和自适应技术的组合，能提高可见光通信系统的灵活性和性能。根据参考文献1，自适应模式符号的数据量136b，比QPSK模式多40b，尽管比64QPSK调制模式少152b，但是64QPSK的误码率不符合应用系统要求。可见光通信的自适应OFDM系统的性能包括LED性能和门限电压、直流偏置压强、编码方式、噪声功率、抗噪声性能、非线性影响所致信噪比。调制性能包括：调制方式、调制阶数。为方式LED电压超过门限值，因此要对OFDM信号进行限制幅度。噪声包括热噪声和散弹噪声，以及系统限幅噪声。
总结：可见光通信是光通信的新技术，可采用点到点、广播和星型拓扑结构。广播方式的应用中，LED广告牌作为主节点，而多个手机可作为从节点，是最常见的可见光通信方式。星型拓扑结构的中央节点能转发信息，与广播方式的主节点不同。OFDM技术组合自适应方法，能在子载波的实际传输状况下，对信道选择不同的调制方式，分配发送功率。因此，自适应算法的应用能提高可见光通信系统的综合性能。在PC机之间采用可见光通信，能实现TCP/IP协议。可见光技术的实用应解决的问题有： LED的频率响应、降低OFDM的高峰均功率比等。
参 考 文 献
[1]黄继鹏，李欣，栾泊等. OFDM系统中自适应调制结构设计与性能分析.国外电子测量技术.2010（11）：31～34.
可见光通信的信号改进技术 篇3
可见光通讯在所谓的频谱危机提供了一种经济的解决方案。爱丁堡大学该项技术则能在基于LED的可见光通信链中实现双极性信号到单极性信号的转变。通过对双极性信号使用脉冲整形滤波器, 将脉冲的负值部分转化, 净效应显著增加了信号传输速率。该方法可以很容易地集成到LED照明设施上, 使用低成本的终端设备实现可见光通信。
该系统用于通信领域, 特别是针对移动设备和数据提供商之间的连接造成的瓶颈问题, 例如室内通信、医院、体育场馆、航空、安全与军事、水下通信等领域。
基于可见光通信的语音传输 篇4
近年来, 被誉为“绿色照明”的半导体 (LED) 照明技术发展迅猛[1]。与传统照明光源相比, 白光LED不仅功耗低, 使用寿命长, 尺寸小, 绿色环保, 更具有调制性能好, 响应灵敏度高等优点。利用LED的这种特性, 它能用作照明的同时, 还可以把信号调制到LED可见光束上进行数据传输, 实现一种新兴的光无线通信技术, 即可见光通信 (Visible light communication, VLC) [2]技术。与传统射频无线技术相比, VLC可利用带宽高, 具有更高的安全性和私密性, 不产生电磁干扰, 也无需相应频段的许可授权, 能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。具有很好的空间复用性, 极大地拓展了网络的覆盖面, 是对现有射频技术的很好的补充。这些吸引人的特性, 使得VLC在世界范围内受到极大关[2]。
二、系统的组成及工作原理
低频语音信号经过频率调制, 变为高频已调波。经过发射电路的处理, 驱动高速频闪的大功率LED阵列, 发出因调制信号变化而变化的光信号。光信号通过光电转换器, 实现光信号到电信号的转换, 并对电信号进行解调, 得到与原信号匹配的数据, 再经过并以声音的形式显现出来。
三、系统硬件结构
3.1 LED驱动电路
如上图是是LED阵列的驱动电路, 电路中采用了集成恒流源的方法, 直接采用电容作为限流元件, 在此电路中, 由于电容上的分压几乎达到了全部电源电压, (R3特别小) , 具有良好的限流特性, 且输出电流随电源电压在一定的上下波动范围内波动, 这样就保证了电源电压波动时LED上的电流仍处于良好的状态[4]。
3.2语音信号的产生
为产生稳定的语音信号, 本文采用N9200, N9200是一个提供串口的MP3芯片, 集成了MP3, WMA的硬解码芯片, 支持FAT16, FAT32文件, 通过简单的UART串口指令或一线串口指令即可完成指定的音乐。P27引脚为电平测试引脚, 为方便控制, 我们直接将P27引脚接高电平, 芯片在上电后便自动播放第一首音乐。DACL引脚为音频输出口。输出的音乐信号经调制后控制LED的明暗。
3.3语音信号的调制
所谓频率调制, 就是使高频振荡信号的的频率按照调制信号的规律变化 (瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系) 。语音芯片输出信号的频率范围是300Hz~3.4k Hz, 如果直接按电压强度大小去控制LED, 由于频率低, 且语音信号为模拟信号, 那么LED将会产生明显的闪烁, 因此本文采用频率调制。将低频的模拟信号“嫁接”到高频信号上, 从而将信息有效地发送出去。
3.4可见光调制
系统中我们采用的是频率调制的方法, 所谓频率调制, 就是使高频振荡信号的频率按照调制信号的规律变化 (瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系) 。
设调制信号为uΩ (t) =UΩcosΩt, 未调载波电压为u C=UCcosωct, 则调频信号的瞬时角频率为:
它是在ωc的基础上, 增加了与uΩ (t) 成正比的频率偏移, 式中kf为比例常数。
角频率ω (t) 对时间微分就能得到调频信号的瞬时相位φ (t) , 最后得到调频波的表达式为:
语音芯片输出信号的频率范围是300Hz~3.4k Hz, 如果直接按电压强度大小去控制LED, 由于频率低, 且语音信号为模拟信号, 那么LED将会产生明显的闪烁, 因此本文采用频率调制。将低频的模拟信号“嫁接”到高频信号上, 从而将信息有效地发送出去。
3.5光电转化器
可见光接收部分, 发挥主要作用的是光电探测器。光电探测器是一种把光辐射信号 (光能量) 转变为电信号 (电能量) 的器件, 其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产的内光电效应。在光通信系统中最常用的光电探测器有PIN光电二极管、雪崩二极管 (APD) 、金属-半导体-金属光电探测器 (MSM-PD) 。其中PIN硅光电平面二极管具有结电容小、渡越时间短和灵敏度高等优点, 因此本文采用一款SIEMENS公司的PIN硅光电池BPX65。
3.6光接收电路
BPX65接收到光信号, 输出的电流很小, 而且含有噪声, 因此必须经过放大和滤波。系统采用的运算放器为AD8055, 其是一种300MHz高速响应放大器, 建立时间为20ns, 噪声6n V/Hz, 高输出驱动电流60m A。LM386驱动扬声器, 将LM386反相输入端接地[5], 其内部电路自动偏置输出信号为电源电压的二分之一, 图中电路用来驱动一个4欧姆的扬声器。
3.7光解调电路
接收到的光信号经放大滤波后, 是含有语音信息的高频信号, 必须从调频信号的频率中提取出原来的调制信号。调制的方法很多, 概括起来主要分为直接鉴频法和间接鉴频法。结合现有条件, 本文采用的是直接脉冲计数式鉴频法, 调频信号的信息是寄托在已调波的频率上。信号的频率与信号电压波形单位时间内通过零点 (或零交点) 的次数有关。本文所用的鉴频器电路如图, 先将输入调频信号进行带宽放大和限幅, 变成调频方波信号, 然后进行微分得到一串高度相等、形状相同的微分脉冲序列。再经过半波整流得到反映调频信号瞬时频率变化的单向微分脉冲序列。对此单向脉冲计数, 就可以直接得到调频信号的频率。将微分脉冲序列变换成矩形脉冲序列, 然后对该调频脉冲直接计数或通过低通滤波器得到输出解调电压。
五、结束语
可见光通信技术是短距离无线通信领域中具有革命性意义的新兴技术, 基于可见光通信的语音传输系统的研究与设计是一个很有意义的课题。本文提出一种基于可见光通信的语音传输系统设计方法。利用可见光无电磁干扰与辐射、节约能源、不占用无线电频谱等的优点, 设计了采用白光LED的可见光通信系统, 系统采用模拟语音芯片产生语音信号, 用LED阵列进行光电转换实现信号的传输, 光电二极管接收到信息进行解调, 恢复到原来的信号, 达到语音信号传递的目的, 从而实现语音通信和照明的双重功能。
摘要：可见光通信是一种基于白光LED的无线通信技术, 具有无电磁干扰与辐射、节约能源、不占用无线电频谱等优点, 为了实现通信和照明的双重功能, 设计了采用白光LED的可见光通信系统, 系统采用模拟语音芯片产生语音信号, 用LED阵列进行光电转换实现信号的传输, 光电二极管接收到信息进行解调, 回复原来的信号, 达到语音信号传递的目的。
关键词：白光LED,可见光通信3.
参考文献
[1]皱自立.全光系统的技术发展[J].信息产业部电子第ZY研究所, 2001 (4) :21-26
[2]吴承治.可见光通信技术及应用初探[J].电信科学技术第五研究所, 2012 (3) :8-19
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[4]武洲, 孟亚俐.矩阵式LED智能光通量输出系统[J].湖南工业职业技术学院学报2014 (6) :14-15
可见光通信及其关键技术研究 篇5
1 可见光通信的研究目的与现状
1.1 可见光通信的研究目的
无线通信系统的传输方式有很多种, 其中, 可见光通信是最为主要的一种。首先, 它的传播途径为射频传播, 利用频段的移动规律进行方式核准与转变。相对于传统的通信方式而言, 可见光的优势是非常显著的, 包括: (1) 可见光模式可以提供大量的数据宽带, 数据宽带的质量非常高, 数量也比较突出。它的使用方式与其他途径不同, 它可以不受任何管理权限的约束。在传统的通信技术中, 管理是非常严格的。其所有的程序都要受相应体系的控制, 在逐步提升维护成本的前提下才能够达到资源合理利用的目的。 (2) 可见光通信所搭建的平台更加合理, 网络构建方式更加安全。该技术的传播媒介是可见光, 所以它的传播地点是有限制的, 它不能穿过墙体来达到传播的目的, 介质会将这一部分阻隔在外界, 在物理阻挡的作用下将干扰性信号排除。这样也在一定程度上保证了信息的安全性与可靠性。 (3) 可见光通信可以在系统性的网络连接通路上进行输送, 在实际的网络搭建平台上进行灵活应用。它可以穿过一些信号的传播盲点, 在集约化与大数据化的系统上工作运行。
1.2 可见光通信的研究现状
可见光通信是在近几年来发展起来的技术方式, 它在我国的应用还不是非常的广泛与成熟。以可见光的通信系统组成结构为例, 分析它的主要形式与内容, 如图1所示。
如图1所示, 我们可以从中看出可见光的主要构成部分就是数字信号的光电转化器。系统将数字信号在激光器上进行调节, 在统一的天线上进行合理配置。当经过电信调制器时, 系统会将信号进行自动过滤, 在发生器与转换器双重作用下将通信信号转入。作为一项巨大的科技性工程, 我国也将此技术列入到单独的发展战略上, 在资源调整与课题开发的基础上达到多用户接入的目的。但是我国的多用户网络接入系统还不是非常完善, 所以更要对其关键技术的进行实际应用与开发。
2 可见光通信技术的简要论述
2.1 可见光通信技术的应用原理
可见光的基本原理是通过LED驱动器将信号传输到外界。但是它较为特殊的一点是, 可以将电信号转化为光信号, 光信号则能够对信号来源进行检测, 确定输送路径无误后在原有调制方式的基础上, 实现信号的控制与利用。可见光传输在光源的转化系统上将整体分为几个部分, 分别是发射、通道与接收部分。信号在预制的光源节点上进行输出, LED的光源街道则负责将传输路径引入。当无线信号到达顶端的时候, 再进行原有路径的复制。可见光信道包括上行链路与下行链路。下行链路主要是保证在移动过程中控制信号传输的节点位置, 使集中式的信号变为分散形式来源;上行链路则与之不同, 它是将分散变为集中的一种方式。可见光信道的运行结构如图2所示。
如图2所示, 我们可以从中看出, 它的整个路径的关键步骤就是对信源进行模拟。在波幅过滤器中对信息进行编号、重组, 接着, 将整体数据信号都传送到数字信道当中, 通过波形解码器的重置进行无线通信来源输出。
2.2 可见光通信的应用领域
可见光通信的技术性非常强, 应用领域也相对广泛, 包括: (1) 可见光通信可以应用在室内光源的照明中, 作为室内的无线通信调制端口, 将现实生活中的通信网接入。 (2) 可以在交通通信中发挥一定的作用。在街道照明、应急信息管理、光源的移动接入端口上进行制定。在现阶段的智能交通中, 我们都使用LED信号光源, 对汽车灯控进行管理, 实现交通理念的全自动化与信息化。同时, 它还能够为汽车的运行提供导航定位。 (3) 可见光通信以图像处理为主要方式, 将LED的信息调制到一个高度, 实现各室内终端设备的连接。例如室内灯光、计算机、电脑、打印机等设备之间可以通过一条无线端口进行连接, 实现各设备之间的串联。以智能交通系统为例, 探讨其在可见光技术的具体应用, 如图3所示。
在图3中, 我们可以看出, 应用可见光通信可以将车辆的具体信息都以LED具体光源的形式记录上。这样在系统的操控平台上就可以通过车牌号与位置进行载体之间的交互与监控信息输送。可见光通信技术将集约化的数据传送到基站中心, 管理人员通过对图像显示频的分析, 在车载终端的控制中心上进行管理, 实现大数据化的网络覆盖效率与综合性管理。
3 可见光通信关键技术的研究
3.1 可见光通信技术的光源
想要了解可见光的通信技术, 对其光源的探索是必不可少的。我们都知道可见光是通过LED信号传输的光照闪烁规律来完成的, 信号传输的特殊性就在于这种高效的立体系统是不能用肉眼进行识别的。它要完成在发送端上的明暗调控, 就要利用合理的条码标注。比如, 一般的光源传送将“明”标注为“1”, 将“暗”标注为数字“0”, 它们代表了数据流通的具体规则。其主要步骤如下: (1) 系统会将标注好的数字编码加以分类, 在光源中以数字流通的方式达到光纤信息传输的目的, 进而完成整个发送过程。 (2) 将光源在相应的探测接头中进行过滤, 调整明暗光源的解码模式。 (3) 通过在客户终端上译出光源所代表的数值, 在室内形成高速的室内接收端口。其次, 在工艺结构上, 系统可以对光源的LED调节模式进行合理布局。它会找出光源的任意覆盖点, 利用通信技术调节接收端的频率与信号, 在红外接收系统的规范模式中添加端口指令, 通信就会在高速传递的过程中逐渐稳固, 进而实现可见光通信光源的关键技术管理。
3.2 不同路径引起的ISI
在可见光通信的技术中, LED灯源的排列方式是非常重要的。为了使通信的技术性更强, 光照的光亮更加明显, 在路径的接口处通常会引入多个数据传播通道, 来达到合理排列组合的目的。一般情况下, 我们会在增大面积的基础上在房间的不同角落设置内部光源。当不同的光信号达到接收机位置时, 它就会有不同的机会产生ISI, 从而使得可见光的速度减慢, 使系统的传播途径减少, 性能降低。ISI是码间干扰的一种, 在很大程度上影响了通信质量与速度。
不同路径的延时分布结构如图4所示, 显示出不同的信道中因延时而改变路径的情况。我们可以从中看出, 当通信系统在主节点中分散开来的情况下, 主节点会将各组成部分在不同的路径处进行转化, 进而达到减弱ISI的目的。其具体实施措施主要有以下两种: (1) 在不同路径的调制器中进行空间转码, 将信号在主要节点处进行分散, 以多个渠道进行输送, 这样就可以在增加运输平台的基础上达到延时的目的, 以防信号拦截情况的出现。 (2) 我们也可以使用均衡滤波器进行信号转码。首先利用脉冲的平衡原则将不同路径的信号进行叠加, 信号波动会在冲脉的阻隔下形成一层保护界面, 我们要令冲脉的长度小于信号间隔的距离, 这样系统的宽带传输效率就远远高于原有的数值。但是因为信道的冲击概率不同, 所以在可见光通信的流动标准上也有着很大的差异。在系统进行标准化计算的过程中, 可以开启平衡器, 其性能就是改善信源的编码性能, 使光交传输在串行的子载波体上保持速度与稳定性的双重融合。这样也能在高效数据的调节频道上将光信号源发射出去, 降低ISI系统的干扰。
3.3 接收端硬件与软件系统的设计
可见光通信系统的接收端部分是非常重要的, 其硬件与软件的设计也可以说是其中的关键。可见光的接收端是由光电的测试模块、信号传递模块、通信信道流入模块、信号波幅的过滤模块组成的。各模块之间如果想要达到软件开发技术的有效性与可执行能力, 就要将各模块进行联合与约束。可见光通信软件属于单片的连接机体, 它有显示相关数据的功能。信号可以通过光检测装置进行无限制性的放大, 通过对其放大规律的观察, 使光限号变为电信号。接着, 系统对信号进行自动过滤, 在USB的转串口处将产生干扰的通信结构略去, 滤波会随着系统的整体变化而出现结构性的转换。但是, 我们不要忘记的是, 最终想要达到的目的是将原有通信路径还原。当信号解码模块以一定的速度向前发展时, 光电会在系统内形成自动的接收系统, 在各阶段上以波幅的放电形式进行规划。
4 结论
综上所述, 科学技术的进步也带动了可见光通信的发展。本文从可见光通信技术的研究现状为出发点, 对其工作原理与具体的应用领域进行探索。首先, 建立了可见光通信技术的基本模型, 证明了它是以光源为关键性技术、以LED通信传输为依托的宽带系统化技术。其次, 从可见光通信干扰性因素作为编码分析的方式得出分散通信的传播路径能够在一定程度上减缓干扰, 达到大数据输送的目的。所以, 可见光通信技术是对原有模式的延续与发展, 为我国多样化的网络接入方式创造了有利条件。
参考文献
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可见光通信 篇6
近年来,VLC(可见光通信)因其频谱资源丰富、能量损耗低和安全性高等优势与射频通信形成良好的优势互补,成为无线通信、短距离传输及高速接入技术的研究热点[1,2]。OFDM(正交频分复用)可以在VLC中提供高速传输速率,同时可以有效对抗光无线信道的ISI(码间串扰)和LED(发光二极管)非线性频率响应引起的失真[3]。LED的物理特性使得VLC系统通常采用IM/DD(强度调制/直接检测)实现信息传输。这样便要求加载到LED的OFDM信号必须为“实、正”值。传统的O-OFDM(光正交频分复用)利用IFFT/FFT(快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换)高效算法来实现OFDM信号的调制/解调,通过对IFFT输入信号构建Hermitian(共轭)对称性形式实现OFDM实信号要求,同时利用各种光单极性方法进一步得到实正信号。而目前傅里叶变换发生器普遍利用基于CooleyTukey的FFT实现。与上述方法不同,文献[4]提出了利用IFHT/FHT(快速哈特莱逆变换/快速哈特莱变换)实现OFDM信号的调制/解调的思想,该方法在减少运算时间、简化硬件设计方面具有显著优势。
O-OFDM单极化方法的技术关键是在频谱利用率、功率利用率、系统复杂度和系统可靠性等技术指标之间寻求一种最佳折中。本文针对提高系统频谱利用率、降低硬件实现复杂度这一目标,提出了一种新的用于VLC的O-OFDM技术方案,即HP-OFDM(哈特莱极性光正交频分复用)。该方案相较于传统的ACO-OFDM(非对称限幅光正交频分复用)[5]方法简化了硬件设计,其频谱利用率是ACO-OFDM的两倍,误码性能优于ACO-OFDM,并且可有效地降低PAPR(峰均功率比)。
1 HP-OFDM系统
1.1 哈特莱变换
哈特莱变换式定义如下:
式中,N为OFDM系统子载波个数,且假设IFHT/FHT的运算点数为N;X(k)为频域信号,是经调制星座映射后加载到第k个子载波上的数据。经IFHT得到的h(n)可作为时域信号,其中,变换核为
由式(3)可知,哈特莱变换是实变换,当输入信号为实信号时,输出信号为实;相应地,当输入信号为复信号时,输出信号为复信号。对于实输入信号,可利用BPSK(二进制相移键控)或M-PAM(M阶脉冲幅度调制)进行实星座映射产生;对于复输入信号,则可以利用QAM(正交幅度调制)产生[6]。相较于BPSK和PAM,QAM能够更充分地利用带宽资源且具有良好的抗噪声能力和抗干扰能力。图1所示为输入信号分别采用BPSK调制和4QAM时IF-HT产生的16符号的OFDM输出。
1.2 HP-OFDM原理
由图1可知,QAM信号X(k)经过IDHT(离散哈特莱变换)后,产生的时域信号h(n)仍是复信号。但对于IM/DD系统,需要信号是实正值,因此本文利用极坐标转换的思想将复信号转化为实正信号[7,8]。主要过程如下:将笛卡尔坐标下的h(n)转换到极坐标系下传输,即分别传输复信号的幅值和相位。接收端将极坐标系下的幅值和相位信息恢复到笛卡尔坐标,再经FHT解调出原输入信息。HP-OFDM原理框图如图2所示。
2 HP-OFDM系统性能分析
2.1 硬件复杂性
离散傅里叶变换是复函数,需要分别求变换的实部和虚部,这在硬件实现时很不方便。IDHT是实函数,不需要计算虚部,因此FHT的算术运算量是Cooley-Tukey FFT的一半,从而节约了存储单元和运算时间。FHT的正反变换完全一样,所以OFDM信号的调制/解调可以用同一发生器产生,简化了硬件设计。另外,FHT算法的迭代结构使得两个相同的低阶FHT就可以形成一个高阶FHT,信号流图的有序结构便于硬件的实现。
2.2 SNR(信噪比)分析
由图2可知,发射端极坐标系下的OFDM信号的幅值为rn,相位为θn。当rn、θn各自携带的能量发生变化时,系统的性能也会发生变化。定义m1、m2为rn、θn的能量调节因子。接收端接收到的极坐标OFDM信号为
式中,Nr、Nθ分别为rn、θn上叠加的噪声,建模为均值为零、方差为σz2的AWGN(加性高斯白噪声)。
经笛卡尔坐标系恢复的OFDM信号为
式中,为乘性噪声;为加性噪声。假定m2足够大,则Nθ/m2足够小,这时有:
代入式(5)得:
式中,hn为发射端时域信号。因此接收端SNR为
式中,E{h2(n)}为发射信号hn的平均发射能量。若发射能量为Ps,则发射端SNR为SNRT=E{h2(n)}/σz2=Ps/σz2,发射端与接收端SNR比值为
由上式可以看到,若发端信噪比SNRT固定,则当m1、m2变化时,接收端有效SNR将随之变化,进而系统的性能发生变化。考虑公平比较,将接收端的能量保持一致时,HP-OFDM系统发射端需要更大的发射功率,因此功率利用率降低。但是其误码性能优于ACO-OFDM系统。
2.3 PAPR性能
PAPR是衡量OFDM系统的一项关键指标,有效地降低PAPR值可以减少系统非线性失真。
PAPR定义为
HP-OFDM系统分别传输复OFDM的幅值和相位,有效地降低了系统的PAPR值,并且通过调节幅值和相位的能量可以进一步降低PAPR值。
2.4 频谱利用率
传统ACO-OFDM仅在奇载波上加载满足Hermitian的信息,因此其频谱利用率下降为双极性OFDM的1/4。本文提出的HP-OFDM,输入信号不需要满足Hermitian,在笛卡尔-极坐标转换的过程中损失了一半的频谱利用率,所以其频谱利用率为双极性OFDM的1/2。因此,HP-OFDM的频谱利用率是传统ACO-OFDM的两倍。
3 仿真结果分析
3.1 误码性能
本节首先讨论能量分配方案对HP-OFDM误码性能的影响。假设OFDM子载波数为64。
表1给出了HP-OFDM幅值、相位的几种能量分配方案。
图3给出了针对不同能量分配方案,4QAM HP-OFDM系统的误码性能曲线。可以看到,能量分配方案对系统性能影响非常明显,其中E1方案的误码性能最优。E4方案误码性能接近于无能量分配方案E0,二者在误码率BER=10-4时相差近10dB。
图4分别给出了E1方案的HP-OFDM和传统ACO-OFDM在相同频谱利用率和相同调制阶数时发射端SNR与BER的关系曲线。由图4(a)可见,当BER=10-4时,HP-OFDM相对于ACO-OFDM的误码性能改善了4dB。由图4(b)可知,当BER=10-4时,HP-OFDM相对于ACO-OFDM的误码性能损失了1dB,但是频谱利用率增加了1倍。
3.2 PAPR性能
图5为HP-OFDM在不同能量分配方案下关于PAPR的CCDF(互补累积分布函数)曲线。HP-OFDM、ACO-OFDM分别为8QAM、64QAM,子载波数为512。在E0方案下,HP-OFDM的PAPR性能相对ACO-OFDM改善了约2dB。E1方案的PAPR性能最优,相对改善了约8dB。
4 结束语
本文提出了一种新的在硬件复杂性、频谱利用率、功率利用率及可靠性方面最佳折中的O-OFDM实现方案。理论分析和仿真实验验证了所提HP-OFDM方案优于传统ACO-OFDM,同时在降低系统PAPR方面也具有明显的性能优势。
参考文献
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[7]Elgala H,Little T D C.P-OFDM:Spectrally efficient unipolar OFDM[C]//OFC 2014.San Francisco,US:OSA,2014:1-3.
可见光通信 篇7
可见光通信系统的研发可两步走:一是瞄准关键指标, 如速率、器件和关键部件, 实现技术突破;二是面向产业应用, 如集成化高度封装的灯光系统、高精度定位系统。
技术方面, LED照明器件实现通照一体化是最核心的问题之一, 也是可见光通信未来发展能否突破瓶颈的关键问题。目前, 国国内外的企业、研究院所对LED照明元器件方面最关心的是光效如何提升, 提升到何种程度, 但对其它重要参数, 如调制带宽、兼容性等研究没有得到足够的重视, 测试结果也并不理想, 存在带荧光粉的LED调制带宽一致性差、LED老化等为题, 对于解决这些元器件的问题目前面临较大的困难。因此, 要从根本上解决这些问题就需要各方的合力与投入, 从材料研究、外延生长、器件封装、调制带宽等方面加大研究。另外, 灯光上行方面, 目前有很多解决方案, 如红外、激光器, 但这些都各有各的缺陷, 因此如果要接入大容量、大数据量的网络, 上行就成为另一个困扰我们的较大的瓶颈。
产业应用方面, 业界提出了灯光上网、高精度定位等许多应用设想, 但还没有提出相关的“杀手级”应用, 如据目前的研究结果, 定位精度最高可实现毫米级, 但什么地方, 什么人需要这么高的定位精度, 如何能让用户买单, 如何进行差异化的竞争, 如何调整自身的优势点与其它技术进行融合或取代同类技术是值得思考的问题。
北京邮电大学信息与通信工程学院田辉教授:提供真正无缝的、随时随地接入的通信体验
可见光通信的组网、光源的铺设、确保照明均匀、保证照明同时又能实现用户的正常通信, 这些都是值得我们研究的一系列关键技术。关键要解决以下问题:室内, 信道模型、室内组网、上下行、组网切换等问题;室外, 可见光通信如何与广电网、通信网及计算机网络实现三网融合, 如何从终端、网络、业务等不同层面进行融合。首先, 终端层面要支持可见光通信和其它无线通信;第二, 网络融合涉及网络协议的兼容性, 具有良好兼容性的网络只需要细小的改动就能支持与移动通信等其它网络融合, 这需要从信令、接口、网络协议的设计上考虑;第三, 业务上要从资源利用率、成本等因素考虑, 可见光通信应用将对其它网络通信起互补作用。
可见光应用领域需得到不断拓展, 带来更大的应用前景和应用价值, 才能推动与其他通信方式的融合, 提供真正无缝的、随时随地接入的通信体验。
暨南大学理工学院光电工程系陈长缨教授:可见光通信应该“接地气”
大家注意到没有, 在新一轮可见光通信的炒作热潮中, 最先涉足可见光通信的日本却少有报道, 他们干什么去了?他们在默默找寻可见光通信的市场化之路。商场如战场, 知己知彼方能百战百胜, 为此有必要搞清楚可见光通信的所长缩短:
1.可见光通信的最大特长是“可见”, 能够实现“精确限域”通信——其通信范围能够精确限制在光束照射区域内, 如本人完成的“可见光无线宽带接入技术及其产品” (广州市2003年科技攻关项目) 便体现了该特长:可目视对准、不易被窃听。
2.可见光通信的另一特长是照明通信“兼用”, 目的是节约资源实现低成本。为此要求做到1+1<2:一个可见光通信装置的费用要低于原因两套单用装置的费用才有市场竞争力。
3.白光LED的短处在于通信速率暂时不高。
综上所述, 高明的做法是“扬长避短”, 可见光通信应该“接地气”。对于大部分企业而言, 目前高速可见光通信芯片、接收系统的成熟和普及应用可能要等上5年至10年, 因此, 企业应该从低端切入, 从接地气的地方切入, 如在低端的定位、低速通信上进行产业化研究, 把低端的问题解决好。前期先开发一些中低速、高性价比的可见光通信特色产品。
中山大学物理科学与工程技术学院刘立林副教授:Ga N基的材料器件将是VLC的发展方向
可见光通信有两条研究路径:一是只考虑VLC, 即通信;另一个是照明和通信两者都要考虑。在后者的层面上, 目前基于RGB LED的可见光通信系统在应用上较难实现, 更多的是采取蓝光LED加荧光粉。在器件层面要做的工作是保证正常照明的情况下使带宽进一步提高。在发射端, 我们已实现正常工作电压下, 器件带宽达到60 MHz, 后续还有很大的提高空间。另一个方向是仅考虑VLC的性能, 对于最近兴起的视觉通信应用, 只考虑通信不考虑照明, 带宽可实现超过400MHz;在接收端, 目前大多采用硅基探测器, 其敏感波段是红外光, 而LED蓝光基底大约在460nm, 这也成为了探测端的瓶颈。在解决这一器件瓶颈问题上, 目前提出了Ga N (氮化镓) 基的LED, 它基于石英成分, 可连续可调, 因此探测端可以实现宽频率的响应。为以后除了在空间、时间上, 在色域上也提供了更多的通道。
另一个瓶颈是, 调制电路在500Hz会出现光退现象, 这将对以后的高速通信造成影响, 基于Ga N基的新型材料器件可以有效解决LED光源衰退的问题, 今后基于Ga N基的LED、Ga N基的探测器、Ga N基的控制器件将是VLC的发展方向。
更多嘉宾精彩观点
中国产学研合作促进会副会长、全国政协教科文卫体委员会副主任陈小娅:按照国家“十二五”规划, 建立统筹结合技术创新和发展需求的可见光通信产业联盟, 将大大推动可见光通信的规模化集约化应用和产业化发展目标的实现。
信息工程大学党委常委、科研部部长朱智强:可见光通信是产值可达万亿元的新兴产业, 希望科研院校能够与地方政府、行业企业等多方合作, 实现可见光通信产业化, 走技术与产业结合、科技与金融结合的道路, 提升中国可见光通信产业国际竞争力。
美国波士顿大学教授thomaslittle:美国也积极开展可见光通信领域的研究。目前, 已成功研发出四色多通道可见光传输系统及室内可见光定位系统, 且即将应用于沃尔玛超市。当前可见光通信技术发展上还存在诸如led产品传输速率有限、集成化微型化、摄像头并非接收器、可见光会伤害眼睛、单应用与双应用等问题需要解决。
日本庆应大学教授haruyamashinichiro:作为最早进行可见光通信研究国家之一, 目前日本在可见光通信领域取得了很大进展。可见光通信技术在日本的运用主要包括室内定位系统, 重点是协助视觉障碍人群的室内导航、进行超市人流统计以及精确位置测量等, 通过可见光图像传感器实现定位, 精度可达到1毫米。
中科院无线光电通信重点实验室主任、中国科学技术大学无线光通信与网络研究中心主任徐正元:较完整的led照明产业链为可见光通信奠定了较好的发展基础, 并为照明产业带来新的增长点, 短期内可应用于定位与低速通信领域, 未来市场将主要是基于位置的大容量服务方面。可见光通信也面临着技术点多、涉及面广, 可参考方案少, 需要形成完备的“生态系统”, 探索可行化的商业模式还尚有一段路要走。
华中科技大学光学与电子信息学院元秀华教授:VLC要跟现有网络 (包括移动网, 有线网) 联系起来, 可见光应用要以照明为主, 兼顾通信。研究的关键点在于光电集成、光学结构和相关器件上。
深圳光启智能光子技术有限公司刘京京博士:低速和中速可见光通信产品会逐渐成熟并迅速占领市场, 而高速可见光通信需要在技术和成本都有较大突破的情况下, 才会被市场接受。尤其是在双向通信的情况下, 下行信号采用可见光通信, 上行信号可采用红外、射频等其它技术来实现。
可见光通信 篇8
VLC(可见光通信)技术集合了照明和通信两大用途,在照明的同时可以实现数据传输,是一种绿色环保的新型技术[1]。在室内VLC系统中,信号经过不同的路径到达接收端,多径效应会导致ISI(码间串扰)。为了有效地降低ISI引起的BER(误码率),提高通信系统的传输特性,可以在接收端使用均衡器对信道的传输特性进行补偿[2]。
目前,针对无线通信中的均衡技术研究较多[3]。本文借鉴红外通信领域中对信道均衡的研究方法,采用一种改进的变步长LMS(最小均方)算法对室内VLC系统的信道进行均衡补偿。
1 信道分析
1.1 信道模型
VLC系统的信道模型如下[4]:
式中,y(t)为接收端接收到的信号功率;x(t)为发射机发射的信号功率;h(t)为VLC系统中的信道冲激响应;n(t)为加性高斯白噪声。
k时刻的采样信号为
式中,L为信道抽头长度。
假设接收端均衡器的冲激响应为heq(t),则经过均衡器补偿后的信号为
不考虑噪声的干扰,要使接收端输出的信号功率与发射端发射的信号功率相等,则有
图1所示为VLC系统的信道模型及均衡器。图中,xk为发射信号,nk为信道的高斯白噪声,yk为均衡器输入信号,为均衡器输出信号,ek为期望信号dk与的差值。自适应均衡器的作用就是根据时变信道ek的变化更新滤波器的抽头系数。
图图11 VVLLCC系系统统信信道道模模型型及及均均衡衡器器
1.2 信道冲激响应
对于固定的光源P和接收端Q,信道的冲激响应为
式中,h(k)为LED(发光二极管)发射的信号经过k次反射后到达接收端的信道冲激响应。h(0)(t;P,Q)表示LED发射的信号经过0次反射到达接收端的冲激响应,也称为直射链路的冲激响应。
式中,α为LED发射光线与光源轴(法向)的夹角;β为接收端入射角;LED光源特性满足朗伯辐射模型,因此n=1;FOV为视场角;d为接收端与LED光源发射端的距离;c为光速。
依据参考文献[5],使用网格法把信号传输过程中遇到的反射面分割成一个一个微小的反射面。假设每个反射面的面积为ΔS,则可以在面积为dS的反射面上建立模型。信号的一次反射冲激响应为
式中,h(0)(t;P,ζa)为信号经过一次反射后第a个微反射面上的冲激响应;M为反射面数量;μa为第a个微反射面上的反射率;s为微反射面位置向量,为微反射面的单位法向向量。
随着反射次数的增加,信号到达接收端时强度变弱。本文只考虑信号经过一次反射到达接收端的情况。于是,信道冲激响应为
2 判决反馈均衡
DEF(判决反馈均衡)的含义就是当前一个时刻的信号被检测到后,由信道传输的非理想特性而引起的ISI可以被减弱。判决反馈均衡器由FFF(前置反馈滤波器)和FBF(后置反馈滤波器)组成[6]。FBF的抽头系数由前一时刻检测到的均衡器输出信号决定,可以实时调整更新,以减弱下一个时刻信号传输过程中的ISI。FFF有NFF+1个抽头,FBF有NFB个抽头,自适应均衡器的输出信号可表示为
式中,cn*和Fi*分别为FFF和FFB的抽头系数;yk-n为当前时刻均衡器的输入信号;dk-i为前一时刻均衡器反馈的输出信号;NFF和NFB分别为前置、后置滤波器的抽头数。
3 LMS算法
3.1 LMS算法
假设yk=[yk,yk-1,yk-2,…,yk-N]T为均衡器的输入信号向量,wk=[w0k,w1k,w2k,…,wNk]T为均衡器抽头权系数向量。如果均衡器的期望输出信号已知,则误差信号ek为
LMS算法是最简单的均衡算法,假设变量n为迭代序列,则LMS算法的迭代过程可以表示为[7]
式中,N为滤波器的阶数;λ为控制算法收敛速度和稳定性的步长因子。
λ为常数,当λ取值较大时,算法的收敛速度会很快,对时变信道的跟踪能力比较强。但在系统趋于稳定时的稳态误差比较大,即自适应均衡器对由信道传输的非理想特性引起的ISI的减弱作用较小,BER较高。当λ取值较小时,虽然系统的稳态误差会相应减小,BER会降低,但是系统的收敛速度会变慢,对时变信道的跟踪能力也会变弱。在室内VLC系统中,针对这个问题,本文提出一种步长因子λ随误差信号e(n)不断实时更新改变的LMS算法。
3.2 改进的LMS算法
为了使算法收敛速度较快时系统的稳态误差不会太大,BER也不会太高,可以在算法的初始阶段取比较大的步长因子λ值,这样系统能够尽快地达到稳定;在系统趋于稳定后再改变λ,即将λ的取值变小,这时系统的稳态误差会变小,BER会降低[8]。λ与e(n)的关系如下:
式中,α决定误差靠近0时,步长的大小;β控制步长随误差的变化速度,影响算法的收敛速率。从上式中可以看出,λ与β成正比例关系。经过多次仿真实验,本文选取β=0.7,α=0.5。
4 仿真结果与分析
针对VLC系统信道模型,假设房间的长、宽和高分别为5、5和3 m。室内VLC系统包括4个LED光源发射机,每个发射机处有60×60个LED,相邻LED之间的距离为2 cm。4个发射机分别放置在天花板的(1,1,3)、(1,4,3)、(4,1,3)和(4,4,3)处,如图2所示。本文的所有实验仿真结果都是基于坐标为(0.4,2.0,0.85)的接收端获得的;仿真环境参见文献[6],具体的仿真参数如表1所示。
从BER、MSE(均方误差)和收敛速度3个方面分析比较两种算法。设置FFF的阶数为5,FBF的阶数为3;数据传输速率为5 00 Mbit/s。未改进的LMS算法的固定步长因子λ为0.02。
图3所示为仿真得到的算法改进前后SNR(信噪比)与BER的关系曲线。设置训练序列的长度为5 000。图中显示,数据传输速率为500 Mbit/s时,如果选择λ为0.02的LMS算法对信道进行均衡,则系统BER明显比较高,而且BER下降缓慢,通信
质量并没有明显地提高。如果采用改进后的LMS算法对信道进行均衡,则在相同的数据传输速率下,系统BER明显降低,且随着SNR的增加,BER下降速率变快。SNR为6 dB时,BER降到了0.001左右。而采用固定步长的LMS算法,SNR为6 dB时,BER约为0.1。
图4所示为仿真得到的算法改进前后MSE与训练序列长度的关系曲线,数据取2 000次试验结果的平均值。图中显示,采用改进后的LMS算法对信道进行补偿时,系统的收敛速度更快,MSE更小,自适应均衡器对时变信道的跟踪能力更强,系统的稳态误差更小,系统趋于稳定后稳态误差相比改进前降低约0.1。
5 结束语
本文首先建立了室内VLC系统的信道模型,分析了信号传输过程中的信道冲激响应。为改善VLC系统的通信性能,采用了一种改进的LMS算法对VLC信道进行均衡补偿。仿真结果显示:采用改进后的LMS算法时,系统的BER有所降低,收敛速度变快,对于时变信道的跟踪能力更强,系统的稳态误差更小。
参考文献
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