摘 要：本文對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信的分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)進(jìn)行研究，研究表明，均衡技術(shù)對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信中“多徑效應(yīng)”對(duì)通信質(zhì)量的干擾有較好的抑制效果。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)可見(jiàn)光；碼間干擾；均方誤差準(zhǔn)則；分?jǐn)?shù)間隔；均衡技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.1

室內(nèi)可見(jiàn)光通信作為一種新興的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，當(dāng)前正處于科研攻關(guān)階段。室內(nèi)可見(jiàn)光通信是在白光LED照明技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，通常使用于LED照明過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸。隨著科研水平的提升，室內(nèi)可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)正逐步走向成熟，加之市場(chǎng)對(duì)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求日趨增大，移動(dòng)寬帶通信需求正飛速增長(zhǎng)，室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到廣泛重視。因此，室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)是一個(gè)極具研究?jī)r(jià)值的重要課題，需要深入研究。

1 室內(nèi)可見(jiàn)光通信的傳播

室內(nèi)可見(jiàn)光通信時(shí)，信息的傳播環(huán)境與室外的信息傳播環(huán)境不一樣，室內(nèi)的環(huán)境比較密閉，不受風(fēng)、日照、叢林以及背景光的影響，光傳播過(guò)程中損耗基本可以忽略。但是，用LED燈作燈源時(shí)，由于每一個(gè)小LED燈都是一個(gè)光源，光源數(shù)量較多，分布位置和光傳播的方向均不一致，所以在信號(hào)的發(fā)射器和接收器之間有許多不同的光信號(hào)流。由于可見(jiàn)光傳輸路徑的不一致，使得光信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑進(jìn)行傳播，有光程差的存在，從而形成了“多徑效應(yīng)”，存在嚴(yán)重的碼間干擾。相關(guān)科研結(jié)果表明，在可見(jiàn)光通信中存在碼間干擾時(shí)，通信效果會(huì)受到一定程度制約。為了改善這一現(xiàn)象，提高室內(nèi)可見(jiàn)光通信傳播技術(shù)的通信質(zhì)量，可以采用在信號(hào)接收端設(shè)置均衡器對(duì)信道特性進(jìn)行補(bǔ)償，提高整個(gè)系統(tǒng)抑制碼間干擾的能力。在采用均衡器對(duì)信道特性進(jìn)行實(shí)際補(bǔ)償時(shí)，需要提前對(duì)通信中的信道狀況分析研究，然后再采用有效的信道均衡技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，因此，可見(jiàn)光通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一就是信道均衡技術(shù)。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)目前各國(guó)學(xué)者在信道均衡技術(shù)方面的研究均集中在無(wú)線電領(lǐng)域，對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光的信道均衡技術(shù)鮮有研究。此外，光通信與無(wú)線電通信的應(yīng)用領(lǐng)域與傳輸信道也不一樣。因此，無(wú)線電通信中采用的信道均衡技術(shù)不適用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，對(duì)于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，需要研究出新的抗干擾的均衡技術(shù)。本文研究出了室內(nèi)可見(jiàn)光通信的分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)。

2 系統(tǒng)模型

室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)模型中采用陣列式LED照明燈作為信號(hào)發(fā)射源，信號(hào)為單極性信號(hào)，采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）的調(diào)制解調(diào)方式。LED照明燈發(fā)射的白光信號(hào)在信號(hào)發(fā)射端進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制（光有瞬時(shí)信號(hào)功率時(shí)，與二進(jìn)制中的“1”相同，無(wú)時(shí)，則與“0”相同）。調(diào)制后的可見(jiàn)光信號(hào)在不同光路徑上傳輸?shù)叫盘?hào)接收端，接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行直接的檢測(cè)，并將相關(guān)光功率信息進(jìn)行解碼，導(dǎo)出所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

在此系統(tǒng)中，相關(guān)信號(hào)數(shù)學(xué)表示方法如下：

在時(shí)域上，室內(nèi)可見(jiàn)光通信環(huán)境對(duì)可見(jiàn)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣梢圆捎脤?shí)信道的沖激相應(yīng)函數(shù)c（t）進(jìn)行描述。

在數(shù)學(xué)上，信號(hào)接收器接收到的可見(jiàn)光信號(hào)用r（t）表示，發(fā)射光信號(hào)用x（t）表示（x（t）非負(fù)），光信道的噪聲用ω（t）表示，信號(hào)的卷積用?表示。

它們之間的關(guān)系就是：r（t）=x（t）?c（t）+ω（t）。

在信號(hào)傳輸過(guò)程中，信道噪聲由接收端放大器噪聲和散彈噪聲，相關(guān)科學(xué)研究表明，在光通信中，信道噪聲存在的情況下，上述可見(jiàn)光信號(hào)的公式可表示為： （1）

式中，T為周期符號(hào)，x（nT）表示時(shí)刻n的數(shù)據(jù)輸入符號(hào)，Lk表示信道長(zhǎng)度。

3 FSE均衡算法

采用FSE均衡算法對(duì)光信道進(jìn)行計(jì)算前，接收器要對(duì)信道輸出進(jìn)行采樣。采樣過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，T/L為采用周期的第k個(gè)采樣時(shí)刻信號(hào)用rk表示。上式中x（nT）用x（n）表示，c（t-nt）=c（kT/L-nT）用ck，n表示，ω（t）=ω（kT/L）用ωk表示。所以k個(gè)采用時(shí)刻的信號(hào)可表示為：

（2）

在信號(hào)被采集后，需要進(jìn)行濾波處理，為此需要將信號(hào)送到FIR均衡器，均衡器的一個(gè)抽頭間隔為T/L，濾波后的信號(hào)需要被L抽取后再輸出。

3.1 均衡算法。在FIR均衡器中，被采樣序列與均衡器權(quán)系數(shù)之間的卷積能夠表示均衡器對(duì)序列的濾波過(guò)程，因此，均衡器的輸出信號(hào)可以表示為：

（3）

式中，fi為分?jǐn)?shù)間隔均衡器的權(quán)系數(shù)，Nf為均衡器符號(hào)數(shù)，L·Nf為均衡器長(zhǎng)度。

對(duì)均衡器的傳輸信號(hào)進(jìn)行下采樣，下采樣輸出信號(hào)表示為：

（4）

將（2）代入（4），

則得到下采樣輸出信號(hào)的矩陣表達(dá)式：

y（n）=（xT（n）C+wT（n））f （5）

3.2 FSE系數(shù)最優(yōu)化。對(duì)均衡器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用了MMSE準(zhǔn)則，因此，對(duì)于系統(tǒng)誤差，這里按照下式計(jì)算。

e（n）=y（n）-x（n-δ） （6）

式中，δ為誤差計(jì)算中可以被優(yōu)化的變量。

將（5）式代入（6）式，可得誤差公式為：

e（n）=xT（n）（Cf-hδ）+wT（n）f （7）

對(duì)（7）式進(jìn)行分析，采用信源歸一化方法，F(xiàn)SE系數(shù)最小時(shí)，均方誤差最小，均衡器系數(shù)向量和最佳時(shí)延需要符合最優(yōu)化公示f=A-1CHhδ，對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，可知最小均方差誤差為：

JMSE=hδH（I-CA-1CH）hδ （8）

3.3 計(jì)算量分析。對(duì)于一個(gè)算法過(guò)程的計(jì)算量，目前還沒(méi)有十分精確的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，常用的算法計(jì)算量的評(píng)估方法通常是以基本操作數(shù)目的上界進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文以計(jì)算N點(diǎn)輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)分?jǐn)?shù)間隔均衡后輸出所需的乘法次數(shù)對(duì)計(jì)算量的大小進(jìn)行衡算，計(jì)算量的大小用O來(lái)衡量。則采用FSE算法中乘法的計(jì)算量為O（（LN）2）+O（L3Nf3），MMSE算法中乘法的計(jì)算量為O（N2）+O（Lf3）。從以上公式分析，對(duì)于FSE算法，完成一次計(jì)算，計(jì)算量的大小與采樣的間隔時(shí)間和均衡器的長(zhǎng)度都有關(guān)，計(jì)算量與上述兩個(gè)變量之間構(gòu)成多項(xiàng)式關(guān)系。因此，本文采用的均衡算法計(jì)算量合理，在實(shí)際中是行得通的。

4 仿真分析

本文采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)對(duì)FSE均衡算法進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是誤碼率（BER）和均方誤差（MSE）。間隔線性均衡器補(bǔ)償?shù)男诺?，?duì)于碼間干擾引起的通信質(zhì)量下降并不能完全消除，而分?jǐn)?shù)間隔均衡器則能較好地補(bǔ)償信道失真，抑制可見(jiàn)光通信中的碼間干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，對(duì)于其中的難點(diǎn)技術(shù)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)研究。對(duì)于目前可見(jiàn)光通信技術(shù)當(dāng)中由于“多徑效應(yīng)”對(duì)通信質(zhì)量造成的影響，本文采用分?jǐn)?shù)間隔信道均衡補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行研究，希望能促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝秀秀，焦媛，曹玲玲.室內(nèi)可見(jiàn)光通信中的線性均衡與判決反饋均衡[J].信息化研究，2011（02）：29-32+38.

[2]王俊波，謝秀秀，曹玲玲.室內(nèi)可見(jiàn)光通信中的分?jǐn)?shù)間隔均衡技術(shù)[J].光學(xué)精密工程，2012（01）：24-30.

[3]丁舉鵬.可見(jiàn)光通信室內(nèi)信道建模及性能優(yōu)化[D].北京郵電大學(xué)，2013.

[4]何勝陽(yáng).室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：趙華（1980.10-），男，碩士，講師，通信工程教研室主任，研究方向：可見(jiàn)光通信、移動(dòng)通信、光纖通信、微弱信號(hào)檢測(cè)。

作者單位：河北師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，石家莊 050024；河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院，石家莊 050031

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)：基于可見(jiàn)光通信的新一代無(wú)線局域網(wǎng)總體技術(shù)研究；河北師范大學(xué)博士基金項(xiàng)目：微納米粉末在微波寬帶頻率與微波燒結(jié)狀態(tài)下的介電表征（項(xiàng)目編號(hào)：L2012B15）；河北省教育廳基金項(xiàng)目：無(wú)線電波對(duì)大氣霧霾的影響及其在霧霾防治中的應(yīng)用研究（項(xiàng)目編號(hào)：QN2014116）；河北師范大學(xué)青年基金項(xiàng)目：基于混沌振子的微弱方波信號(hào)檢測(cè)方法研究（項(xiàng)目編號(hào)：L2010Q10）。