室內(nèi)可見光無線通信調(diào)制方法

李世亮, 張興周

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

室內(nèi)可見光無線通信調(diào)制方法

李世亮, 張興周

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

為研究適合于室內(nèi)可見光無線通信的信道傳輸編碼方式,結(jié)合信道和光電接收器的特點(diǎn),基于 OOK、M-PPM、DPPM、OPPM調(diào)制結(jié)構(gòu),提出差分可重疊脈沖位置調(diào)制方式 (DOPPM),并比較各調(diào)制方式的照明光功率和傳信率。結(jié)果表明:在保持較高照明光功率的前提下,DOPPM的傳信率明顯高于其他調(diào)制編碼方式,該調(diào)制方式更適用于室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)。該研究可為通信系統(tǒng)進(jìn)一步選擇實(shí)用的調(diào)制方式提供理論支持。

可見光;無線通信;調(diào)制;DOPPM

Abstract:A imed at investigating modulation schemes suitable for indoor visible lightwireless communication,thispaper proposes a new modulation schemes-differentialoverlapping pulse-position modulation(DOPPM),combined with the modulation structures of the typical modulation schemes OOK,M-PPM,DPPM and OPPM and based on the characteristic of the communication channel and the photo-electricity receiver and presents a comparison between the lighting power and the information transmitting rate.The results show that,with greater lighting power,DOPPM affords an obviously higher information transmitting rate than othermodulation schemes.DOPPM provesmore suitable for indoor visible lightwireless communication.The study offers theoretical support for the choice of more practical modulation schemes.

Key words:visible light;wireless communication;modulation scheme;DOPPM

0 引 言

近年來,室內(nèi)無線光通信因其無需頻率申請(qǐng)、保密性好、帶寬高、組網(wǎng)便捷[1]等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。LED作為照明光源比傳統(tǒng)光源耗電量低、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)牢固[2],是室內(nèi)可見光無線通信光源的不二選擇。因此,基于LED光源的室內(nèi)可見光無線通信 (indoor visible lightwireless communication)成為研究熱點(diǎn)。

室內(nèi)可見光無線通信與激光通信不同,其光源是白光,波長(zhǎng)豐富,且采用短距離散射傳輸,適合的信道傳輸編碼方式是其應(yīng)用的關(guān)鍵。基于此,筆者結(jié)合室內(nèi)可見光無線通信的特點(diǎn),提出一種新的調(diào)制編碼方法——差分可重疊脈沖位置調(diào)制(DOPP M),并與開關(guān)鍵控 (OOK)、單脈沖位置調(diào)制(M-PPM)、差分脈沖位置調(diào)制 (DPPM)、重疊脈沖位置調(diào)制 (OPPM)四種常見的光通信調(diào)制方式進(jìn)行對(duì)比。

1 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)

1.1 信道

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的光路徑分為直射路徑和漫反射路徑兩種。漫反射光路[3]為系統(tǒng)終端提供的可移動(dòng)性較直射系統(tǒng)大,陰影對(duì)通信質(zhì)量的影響弱,但它引起的多徑效應(yīng)即由不同傳輸路徑產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中,光源一般距離接收端 3～5 m,該路徑時(shí)延下通信速率達(dá)到或超過數(shù)十兆比特每秒時(shí),多徑效應(yīng)便會(huì)限制系統(tǒng)性能。但事實(shí)上,接收端接收到的 LOS信號(hào)能量占總接收能量的 70%以上 (圖 1)。這是因?yàn)榉瓷涿鎸?duì)光信號(hào)的吸收和光傳輸路徑長(zhǎng)度的增加致使信號(hào)強(qiáng)度迅速衰減。另外,從圖 1中還可以看到,接收到的反射信號(hào)能量主要集中在 10 ns延遲內(nèi)[4];在 25 ns處一階反射強(qiáng)度不足其峰值的 1/10?？梢?室內(nèi)無線光信道理論帶寬可以達(dá)到百兆級(jí)。

圖 1 室內(nèi)無線光信道的沖擊響應(yīng)Fig.1 I mpulse response of indoor-channel

1.2 光電接收器

為提高照明效果,室內(nèi)可見光無線通信的 LED光源采用散射型,這使得光電檢測(cè)器接收的光功率降低。為得到足夠的光電流,光電檢測(cè)器的接收面積一般較大,但較大的接收面積又提高了結(jié)電容,降低了光電檢測(cè)器的帶寬。當(dāng)接收信號(hào)頻率過高時(shí)將無法即時(shí)響應(yīng),使接收信號(hào)失真。

圖 2給出了不同信號(hào)發(fā)送頻率下光電接收器輸出信號(hào)的示波器波形。

從圖 2可以看出,隨著發(fā)射端信號(hào)頻率的提高,輸出信號(hào)接近三角波而非方波;當(dāng)頻率達(dá)到一定值(周期小于 400 ns)時(shí),光電接收器工作在線性區(qū)域。這種特性致使接收到的信號(hào)幅度為信號(hào)持續(xù)時(shí)間的線性積分,從而產(chǎn)生基帶漂移,加大了信號(hào)的解調(diào)還原難度和誤判率。

圖 2 光電接收器的輸出信號(hào)Fig.2 Optical receiver output signal

圖 3顯示了接收端的基帶漂移情況。由圖 3可見,當(dāng) LED明暗不均勻排列時(shí) (方波曲線),受光電接收器的結(jié)電容和速度影響,接收信號(hào)的 0點(diǎn)低電平和 1點(diǎn)高電平峰值不斷變化。為避免這種情況,必須在每個(gè)信息碼前增加保護(hù)時(shí)隙。

圖 3 接收端基帶漂移Fig.3 Baseline wander of optical receiver

2 調(diào)制編碼

目前,無線光通信中普遍采用強(qiáng)度調(diào)制 /直接檢測(cè) ( IM/DD)系統(tǒng),其調(diào)制編碼方式主要有 OOK、MPPM、DPPM、OPPM四種[5]。

(1)OOK。該調(diào)制方式在每個(gè)信息位時(shí)隙 t內(nèi)通過光脈沖的有無即明暗分別以信息 0(低電平,光源不工作)和 1(高電平,光源工作)表示。

(2)M-PPM。該調(diào)制方式所攜帶的信息是由光脈沖所在的位置表示的。當(dāng)一幀傳輸 n比特信息時(shí),幀長(zhǎng)有M=2n個(gè)時(shí)隙 (n是調(diào)制參數(shù))。

(3)DPPM。該調(diào)制方式是 PPM的一種改進(jìn)形式,它是通過去掉 PPM信號(hào)中 1時(shí)隙后面的 0時(shí)隙而得到的。

(4)OPPM。該調(diào)制方式是 PPM的另一種改進(jìn)形式,當(dāng)信息幀長(zhǎng)度固定時(shí),縮短光脈沖的寬度可以提高傳信率。光脈沖寬度已到極限時(shí)如果脈沖位置之間允許重疊,可拓展 PP M的調(diào)制信號(hào)集,提高傳輸效率[6-7]。

筆者結(jié)合室內(nèi)可見光無線通信信道和光電接收器特點(diǎn),綜合 DPPM和 OPP M兩種調(diào)制優(yōu)點(diǎn)提出一種新型調(diào)制方式——差分可重疊脈沖位置調(diào)制(DOPPM)。

3 性能分析

3.1 碼型

重疊系數(shù) N=3時(shí)各調(diào)制方式的碼型如圖 4所示。

從圖 4可以看到,PPM及其各種改進(jìn)調(diào)制方式的傳信光效率很高,但是照明光效率很低。為提高感知光亮度,需要較多的 LED,但 LED數(shù)目增多會(huì)加重碼間干擾的程度,進(jìn)而嚴(yán)重影響傳輸速率,所以,為了減少 LED數(shù)目需盡量提高 LED的照明光效率。鑒于以上原因,調(diào)制編碼采用負(fù)邏輯,將信息位用 0表示,盡可能讓 LED保持 1的工作狀態(tài)。

圖 4 調(diào)制碼型Fig.4 M odulation symbol structure

為克服基帶漂移,在每個(gè)信號(hào)幀前加一個(gè)保護(hù)時(shí)隙 (Tp),使得無論下一時(shí)隙信息是 0還是 1接收器輸出電平與前一幀的高電平基本相同。加入保護(hù)時(shí)隙的等信號(hào)脈沖寬度負(fù)邏輯調(diào)制編碼波形如圖 5所示。由圖 5可見,時(shí)隙到來前光電接收器接近穩(wěn)態(tài),信道噪聲引起的噪聲光電流相對(duì)于穩(wěn)態(tài)電流很小;信號(hào)時(shí)隙到來時(shí),光電流接近 0;調(diào)制編碼所需帶寬小于室內(nèi)光信道帶寬時(shí),抗干擾性能與信號(hào)脈沖寬度等趨勢(shì)變化?？梢?只要保證足夠的信號(hào)脈寬,光電流引起的誤判幾率就會(huì)降低。

圖 5 加保護(hù)時(shí)隙的等信號(hào)脈沖寬度負(fù)邏輯編碼波形Fig.5 Negative logic modulation symbol structure with protection slot in same pulse width

3.2 平均照明功率

當(dāng)傳輸 n比特信息且 0和 1出現(xiàn)的概率相同時(shí),OOK的幀長(zhǎng)為 2nt,平均發(fā)射功率

式中:Pt——光源工作時(shí)的發(fā)射光功率。M-PPM的幀長(zhǎng)為 (1+2n)t,平均發(fā)射功率

OPP M的幀長(zhǎng)為

當(dāng) N=3時(shí),OOK、M-PPM、DPPM、OPP M、DOPPM相對(duì)于 n的歸一化照明光功率 P如圖 6所示 (設(shè) Pt=1)。

圖 6 各調(diào)制編碼的照明光功率Fig.6 L ight ing power of differentmodulation schemes

由圖 6可以看出,除 OOK外,其他四種調(diào)制編碼的照明光功率曲線相差不大,隨著 n的增大趨于一致。

3.3 傳信率

OOK在 2n個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳輸 n比特的信息,其傳信率為γOOK=1/2。M-PPM在 1+2n個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳輸 n比特的信息,其傳信率為

同理,DPPM、OPPM、DOPPM的傳信率分別為

圖 7給出了當(dāng) N=3時(shí),OOK、M-PPM、DPP M、OPPM、DOPPM相對(duì)于 n的歸一化傳信率 (設(shè)無保護(hù)時(shí)隙的 OOK傳信率為 1)。

由圖 7可以看出,DOPPM的傳信率始終高于其他編碼方式,且當(dāng) n=3時(shí)最高。

圖 7 各調(diào)制編碼的傳信率Fig.7 Information trans m itt ing rate of differentmodulation schemes

4 結(jié)束語

筆者結(jié)合室內(nèi)可見光無線通信的特點(diǎn),提出一種新的調(diào)制方法——差分可重疊脈沖位置調(diào)制(DOPP M)。與 OOK、M-PPM、DPPM、OPP M四種常見的光通信調(diào)制方式的比較結(jié)果顯示:各調(diào)制方式的照明光功率差別不大,且隨著 n的增大,趨于一致;在光脈沖寬度一定時(shí),DOPPM的傳信率明顯高于其他調(diào)制編碼方式。由此可見,DOPPM適用于室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)。該研究可為通信系統(tǒng)進(jìn)一步選擇更實(shí)用的調(diào)制方式提供理論依據(jù)。

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(編輯 荀海鑫)

Modulation scheme for indoor visible light wireless communication

L I Shiliang, ZHANG Xingzhou
(College of Infor mation&Communication Engineering,Harbin EngineeringUniversity,Harbin 150001,China)

TN929.12

A

1671-0118(2010)05-0379-04

2010-09-16

李世亮 (1984-),男,黑龍江省哈爾濱人,碩士,研究方向:光學(xué)工程,E-mail:superlsl@yahoo.com.cn。