可見光通信系統(tǒng)中光源的調(diào)制技術(shù)的研究

薛德寬,胡愛芹,黃興洲,位浩杰,任學(xué)智,于成龍

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

可見光通信系統(tǒng)中光源的調(diào)制技術(shù)的研究

薛德寬,胡愛芹,黃興洲,位浩杰,任學(xué)智,于成龍

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

可見光通信系統(tǒng)中光源的選擇及針對選用的光源所采用的幾種常用調(diào)制方式:開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)、脈沖間隔調(diào)制(PIM)以及雙頭脈沖間隔調(diào)制(DH-PIM)等并對各種調(diào)制方式在平均功率消耗、帶寬效率和包誤碼率方面進(jìn)行了對比。

可見光通信;調(diào)制;LED

白光LED具有高亮度、低功耗、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),被視為第四代節(jié)能環(huán)保型的照明光源,LED在全球照明市場中所占據(jù)的比重正逐年遞增,利用LED燈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖ED可見光通信技術(shù)愈發(fā)受到人類的重視。LED可見光通信技術(shù)采用可見光作為傳輸信號,因此用于無線光通信中的調(diào)制方式必須考慮無線光信道的吸收、散射以及背景噪聲的影響,同時(shí)還要考慮由多徑傳播造成的碼間串?dāng)_的影響。而對人眼安全的要求限制了光通信的平均發(fā)射功率,因而對調(diào)制方式提出了更高要求。對目前主流的調(diào)制方式在平均功率消耗、帶寬效率和誤時(shí)隙率方面進(jìn)行了對比[1-3]。

1 可見光通信中常用的調(diào)制技術(shù)

調(diào)制(modulation)就是對信號源的信息進(jìn)行處理加到載波上,使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^程,就是使載波隨信號而改變的技術(shù)。理論上在無線電領(lǐng)域內(nèi)的調(diào)制方式都可以用在激光通信系統(tǒng)中,如調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)等,但考慮到應(yīng)用在可見光通信系統(tǒng)中的LED燈的特點(diǎn),一些在無線電通信領(lǐng)域很少使用的調(diào)制方式卻常常應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中,如強(qiáng)度調(diào)制,即用待傳輸?shù)男畔⒅苯尤フ{(diào)制光載波的強(qiáng)度。

LED燈采用強(qiáng)度調(diào)制十分方便,通過控制LED燈兩端的輸入電壓即可實(shí)現(xiàn)。直接強(qiáng)度調(diào)制有數(shù)字脈沖調(diào)制和模擬強(qiáng)度調(diào)制兩種方式。模擬強(qiáng)度調(diào)制方式多用于語音信號的傳輸,直接將語音信號進(jìn)行放大對LED燈進(jìn)行模擬強(qiáng)度調(diào)制,應(yīng)用范圍較窄。數(shù)字脈沖調(diào)制具有實(shí)現(xiàn)簡單、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)有可見光通信系統(tǒng)絕大多數(shù)使用數(shù)字脈沖調(diào)制方式。常用的數(shù)字脈沖調(diào)制方式有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)、脈沖間隔調(diào)制(PIM)以及雙頭脈沖間隔調(diào)制(DH-PIM)等[5-8]。

1.1 開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)

圖1 010 110 10 OOK調(diào)制示意圖

1.2 脈沖位置調(diào)制(PPM)

式中符號Sk表示脈沖時(shí)隙在第k個(gè)位置。采用脈沖位置調(diào)制(PPM)方式時(shí)傳輸二進(jìn)制的n=4位信息01011010時(shí)調(diào)制示意圖如下所示。

圖2 010 110 10PPM調(diào)制示意圖

1.3 差分脈沖調(diào)制(DPPM)

DPPM調(diào)制方式是PPM的一種簡單改進(jìn),只要把PPM信號中的“1”時(shí)隙后面的“0”時(shí)隙去掉就可以得到相應(yīng)的DPPM信號。則采用差分脈沖調(diào)制(DPPM)方式時(shí)傳輸二進(jìn)制信息010 110 10時(shí)調(diào)制示意圖如下所示。

圖3 010 110 10DPPM調(diào)制示意圖

由于DPPM符號沒有固定的時(shí)間約束,一個(gè)時(shí)隙的錯(cuò)誤不僅影響了該時(shí)隙的信息比特,而且會傳遞到后續(xù)的信息比特中,所以DPPM的誤碼率要高于PPM。

1.4 脈沖間隔調(diào)制(PIM)

PIM調(diào)制方式與PPM調(diào)制方式唯一不同的是:PPM調(diào)試方式中的信息由光脈沖所在的位置來表示,而PIM調(diào)制方式中的信息由兩個(gè)光脈沖之間的間隔時(shí)隙數(shù)來表示。PIM的一幀仍然分為L個(gè)時(shí)隙,每log2L位的二進(jìn)制信息被編碼為兩個(gè)相鄰的光脈沖之間的時(shí)隙數(shù)[9-10]。

1.5 雙頭脈沖間隔調(diào)制(DH-PIM)

表1 OOK符號與DH-PIM符號的對應(yīng)關(guān)系

PPM到DH-PIM結(jié)構(gòu)雖然越來越復(fù)雜,但是有效地提高了帶寬利用率和系統(tǒng)的信道容量。

2 VLC調(diào)制技術(shù)的比較

令傳輸?shù)姆逯倒β?全1)為P,且二進(jìn)制信息比特的“0”和“1”等概率出現(xiàn),則各種調(diào)制方式實(shí)際的傳輸功率可定義為傳輸?shù)攘康男畔r(shí)發(fā)射1的概率乘以峰值功率。則開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、差分脈沖調(diào)制(DPPM)、脈沖間隔調(diào)制(PIM)和雙頭脈沖間隔調(diào)制(DH-PIM)的平均發(fā)射功率為如表1所示。

可以看出,對于PPM、DPPM、PIM和DH-PIM調(diào)制方式,隨著調(diào)制階數(shù)M的增加,系統(tǒng)的平均發(fā)射功率越來越小,其中DH-PIM是具有最高的功率利用率的調(diào)制方式。

平均帶寬需求方面,DPPM、DH-PIM的帶寬需求明顯小于OOK和PPM調(diào)制方式,而且隨著M的增加,這種帶寬的優(yōu)勢將更加突出。因此,在相同的帶寬范圍內(nèi),DPPM、DH-PIM就具有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率[2]。

包誤碼率方面,當(dāng)信噪比相同時(shí),PPM調(diào)制方法具有最低的誤碼率特性,其次是DPPM和DHPIM方式,OOK在誤碼率特性方面表現(xiàn)較差[4]。

表2 給定峰值發(fā)射功率為P時(shí)OOK、PPM、DPPM、PIM、DH-PIM的平均發(fā)射功率

3 結(jié) 論

文章結(jié)合可見光通信的特點(diǎn)分析了開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)、脈沖間隔調(diào)制(PIM)以及雙頭脈沖間隔調(diào)制(DH-PIM)五種常見的調(diào)制方式。其中OOK調(diào)制方式簡單,不需符號同步,具有最小的帶寬需求,但是平均發(fā)射功率不高,且包誤碼率高。在調(diào)制階數(shù)相同時(shí),PPM、DPPM、PIM和DHPIM的平均發(fā)射功率較小,DPPM、DH-PIM具有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)將帶寬需求/平均發(fā)射功率與實(shí)際照明需求結(jié)合起來,可根據(jù)需要選擇合適的調(diào)制方式,用以適應(yīng)將來的室內(nèi)可見光照明通信。

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Study on Light Source M odulation Techniques in Visible Light Communication System

XUE De-kuan,HU Ai-qin,HUANG Xing-zhou,WEIHao-jie,REN Xue-zhi,YU Cheng-long
(China University of Petroleum,Shandong Qingdao 266580)

It discusses several commonly used modulation in visible light communication system:OOK、PPM、DPPM、PIM、DH-PIM,and has carried on the contrast to the above severalmodulation in the average power consumption,bandwidth efficiency and packet error rate.

VLC;modulate;LED

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.010

1007-2934(2015)05-0032-04

2015-08-19