基于PAM4調(diào)制的白光可見光通信信號發(fā)射燈源設(shè)計研究

馬一鳴 段明銘 郝祥印 馬世耀

摘 要：基于LED的可見光通信（VLC）是未來機載無線網(wǎng)絡(luò)的熱門候選方案，本文研究了基于PAM4編碼的白光可見光通信信號發(fā)射燈源排布方案，建立了基于紅綠藍(lán)三色LED的并行VLC系統(tǒng)信道模型，通過1組3個同色的LED燈組合，實現(xiàn)PAM4編碼格式的信號發(fā)生;隨后通過3組紅綠藍(lán)單色的LED燈實現(xiàn)白光可見光通信燈源。

關(guān)鍵詞：可見光通信;并行可見光系統(tǒng);脈沖幅度調(diào)制;點對多點的通信

近年來，移動數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)增長，據(jù)預(yù)測到2022年，全球IP流量將達(dá)到396艾字節(jié)/月。為了滿足未來移動數(shù)據(jù)傳輸需要，可見光無線通信技術(shù)（VLC）因其能夠提供遠(yuǎn)超現(xiàn)行系統(tǒng)帶寬的能力而成為研究的熱點。對于VLC系統(tǒng)，單一信號發(fā)射機使用的帶寬有限，難以利用全部可見光頻譜資源。為提高頻譜利用率，基于多輸入多輸出（MIMO）等系統(tǒng)架構(gòu)的可見光并行無線通信[1-3]（PT-LiFi）概念被提出。然而已有的工作都是針對點對點通信系統(tǒng)，無法回應(yīng)點對多點的廣播通信系統(tǒng)的要求。為了實現(xiàn)點對多點的廣播通信，本文構(gòu)想建立基于高功率（約1W）三種RGB單色獨立LED燈的白光可見光通信發(fā)射光源，每種單色的LED燈采用三個LED燈組合以具備了PAM4信號調(diào)制的能力，優(yōu)化仿真了LED燈陣的排布方式，并構(gòu)建實物驗證燈陣的白光性能。

1 模型建立

在可見光通信系統(tǒng)中，LED燈作為信號發(fā)射源，其發(fā)出光源輻射滿足朗伯模式，即理想漫反射源單位表面積向指定方向立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量和該指向方向與表面法線夾角的余弦成正比，輻射強度[4]表示為：

I（φ）=（m+1）/2π·Itcosmφ（1）

式中It代表平均光輻射強度，即在單位時間內(nèi)輻射出的光功率，φ表示輻射光線與LED燈珠方向的夾角，m代表輻射階數(shù)。在理想情況下，信號接收機載某一點接收到單一LED燈k的發(fā)射信號功率為：

pk=RI（φ）/d2k（2）

式中，dk代表照射距離，RA/W是接受器的靈敏度。由于光強具有可疊加性，因此多個LED燈同時對某一位置的總光照度可表示為：

P=∑Nk=1pk（3）

其中，pk為接收機收到來自每個LED的光強度，N代表LED燈的總個數(shù)。

對于PAM-4信號，共有4階信號，因此我們要3個LED光珠發(fā)送OOK信號，在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行疊加形成PAM-4信號。為了保證信號質(zhì)量，結(jié)合我們采用的實際實驗系統(tǒng)，我們認(rèn)為接收處Q因子有10dB即可保證通信質(zhì)量。在考慮PAM-4信號可用范圍的同時，紅綠藍(lán)三色LED燈的功率需要在每個接收點能夠按照一定比例混合，進(jìn)而形成白光或者近似白光效果。我們在這里選用三色光的功率比[5]為紅∶綠∶藍(lán)=9∶28∶7cd。為了能夠形成白光，根據(jù)實驗經(jīng)驗，我們設(shè)定每種光的功率浮動不超過20%。根據(jù)以上限制條件，我們將計算距離燈源z=h處的平面內(nèi)的任意一點接收機所能接收的光照強度和光色，我們的目標(biāo)是在滿足條件下最大化可用白光通信區(qū)域面積，并且最小化目標(biāo)區(qū)域上的光強波動?，F(xiàn)設(shè)3組紅綠藍(lán)三色燈，每組3個燈的位置坐標(biāo)分別為（xi，yi，0），i∈N1SymbolcB@iSymbolcB@9，其中i=1，2，3，為紅光燈坐標(biāo)，i=4，5，6，為綠光燈坐標(biāo)，i=7，8，9，為藍(lán)光燈坐標(biāo)，S表示距離燈源h處滿足條件的點集，則我們可以把問題轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)優(yōu)化問題為：

max（xi，yi，0）S and min（x，y，z=h）∈Svar（Pi（x，y，z））

Pi=m+12πhmR[h2+（x-xi）2+（y-yi）2]m+22（4）

s.t.Pi-Pj|/Pi<0.1 i≠j，i，j∈{1，2，3or4，5，6or7，8，9}

∑i=1，2，3Pi：∑i=4，5，6Pi：∑i=7，8，9Pi=9∶28∶7

其中Pi代表在某一點接收來自i號LED的信號功率，S為滿足條件的位置點集合。最大化照明面積和最小化光照面積區(qū)域內(nèi)的光照幅度之間的比重比例系數(shù)設(shè)定為5∶1，即我們以最大化光照面積優(yōu)先考慮。

2 仿真算法和實物結(jié)果

為了符合座艙燈源功率要求，我們選擇使用遺傳算法求解優(yōu)化問題：算法將每個潛在的LED排布作為一個基因序列，序列中包含9個LED燈的位置信息。在一次迭代中，通過價值函數(shù)判斷每個基因優(yōu)劣，并篩選優(yōu)秀基因，對其他基因進(jìn)行雜交，更新下一代基因。之后重復(fù)上述過程直到滿足迭代停止條件。為了保證光線均勻，我們設(shè)定3組燈按照中心對稱方式排列，進(jìn)而減小優(yōu)化計算量。

根據(jù)算法我們得出燈源排布結(jié)果如圖1示，其中紅色燈的位置如紅色圓圈表示，綠色燈的位置如綠色圓圈表示，藍(lán)色燈的位置如藍(lán)色圓圈表示。我們可以看出燈源成中心對稱方式排列，每3個紅綠藍(lán)三色燈聚集一起。但是3個同色燈并不是成等邊三角形分布，這是因為擴大照明面積相比于降低光照面積區(qū)域內(nèi)的光照幅度在優(yōu)化中的比重更大，為了擴大光照而犧牲部分光照幅度的波動的優(yōu)化目標(biāo)性能。圖2為LED燈制作的燈源實物圖，我們可以看到LED燈底色為紅色的為紅光燈，底色為白色的是綠光燈，底色有箭頭符號透明的為藍(lán)光燈。

圖3是光照實驗結(jié)果圖，我們可以看到LED光源陣列照明結(jié)果近似白光，并且燈光照射強度在肉眼觀察下均勻一致。

對于光源PAM4通信性能測試，我們首先在上位機中生成長度為2^7-1取值范圍為{0，1，2，3}的隨機序列，并利用光源將隨機信號發(fā)出，隨后在高度與光源中心點高度一致，水平距離發(fā)光源1米處，我們用光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并由Agilent MSO9104接收信號，并測試信號眼圖效果。我們設(shè)定數(shù)據(jù)通信速度為1MBaud，綠光通道PAM4信號眼圖結(jié)果如圖4所示。我們可以看出信號分為0，1，2，3四個符號，其中2，3符號間的距離最短，其Q因子為15dB。我們可以看出，光源性能可以滿足PAM4信號編碼通信要求。其余紅藍(lán)兩色光通道性能與綠光三通道性能幾乎一致。

3 結(jié)論

本文為了實現(xiàn)點對多點通信模式，利用遺傳算法設(shè)計并實現(xiàn)了基于紅綠藍(lán)三色獨立LED燈的并行白光無線通信光源陣列。并利用3個同色的LED燈組合形成一組同色光源陣列，實現(xiàn)PAM4編碼格式的信號發(fā)生。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的光源陣列，可以實現(xiàn)均一白光照明，并且滿足距離光源1米范圍內(nèi)的PAM4編碼格式的通信要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wu X，O′Brien D C.Parallel Transmission LiFi[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2020，（99）：1.

[2]Rajbhandari S，Jalajakumari A V N，Chun H，et al.A multi-gigabit/sec integrated multiple input multiple output visible light communication demonstrator[J].Journal of Lightwave Technology，2017：1.

[3]Tsonev D，Videv S，Haas H.Towards a 100 Gb/s visible light wireless access network[J].Optics Express，2015，23（2）：1627.

[4]Naoki Ishikawa and Shinya Sugiura，Maximizing Constrained Capacity of Power-Imbalanced Optical Wireless MIMO Communications Using Spatial Modulation.Journal of Lightwave Technology.，vol.33，no.2，pp.519-527，Jan.15.2015.

[5]趙芳儀，劉小浪，宋振，等.超高顯色指數(shù)、全光譜白光LED封裝技術(shù)[J].照明工程學(xué)報，2019（3）：75-80，100.

項目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃培優(yōu)項目（IEKCAUC2020015）

作者簡介：馬一鳴，男，漢族，河北石家莊人，主要從事空管航路優(yōu)化研究;段明銘，男，漢族，山東聊城人，主要從事天線設(shè)計研究;郝祥印，男，漢族，河北辛集人，主要從事航空電子研究;馬世耀，男，漢族，河南洛陽人，主要從事航空電子信號處理研究。