蔣子豪，梁尚雨，王福民，趙一衡，喬 梁，遲 楠

(復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433)

引言

可見(jiàn)光通信技術(shù)于2000年被提出，其利用LED作為光源，使得LED不僅可以用于照明，還可以用于信號(hào)傳輸領(lǐng)域。由于如今無(wú)線的頻譜資源緊張，而可見(jiàn)光波段的頻譜仍然是空白，所以這可以很有效利用頻譜資源。基于LED的可見(jiàn)光通信技術(shù)擁有以下優(yōu)點(diǎn)：可見(jiàn)光對(duì)人眼的相對(duì)安全性；可見(jiàn)光的不可穿透而導(dǎo)致的高保密性；可見(jiàn)光與射頻不干擾因而具有抗電磁干擾；高信噪比而帶來(lái)的高傳輸速率。綜上所述優(yōu)點(diǎn)，可見(jiàn)光通信推動(dòng)著下一代通信與照明的進(jìn)步與發(fā)展，因而成為國(guó)際前沿研究的熱點(diǎn)[1-3]。

作為寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，終端設(shè)備，如移動(dòng)電話、平板電腦、PC等，可作為VLC的接收終端使用。與此同時(shí)，LED的的節(jié)能與極小發(fā)光二極管的可設(shè)計(jì)性也成為用作車(chē)燈的一大優(yōu)勢(shì)，所以越來(lái)越多的廠商選擇LED作為車(chē)燈照明的光源。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們率先使用了符合光學(xué)ECE/GB標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)燈LED作為可見(jiàn)光的光源，同時(shí)也使用3.5 mm的耳機(jī)孔作為接收端。在許多終端的模擬接口中，3.5 mm耳機(jī)接口是一個(gè)音頻輸入和輸出接口，可用于充電、控制信道和數(shù)據(jù)傳輸。

1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)中所運(yùn)用到的通信技術(shù)依據(jù)對(duì)象可劃分為下面五類(lèi):車(chē)間通信、車(chē)內(nèi)通信、車(chē)與人通信、車(chē)與路通信與車(chē)與云端通信五種。其中，車(chē)間通信指的是移動(dòng)車(chē)輛之間的雙向信息交互，其主要考慮的因素有安全性和實(shí)時(shí)性，現(xiàn)階段車(chē)間通信主要運(yùn)用微波、紅外和專(zhuān)用短程通信等技術(shù)。車(chē)內(nèi)通信主要是汽車(chē)內(nèi)部信息的傳輸，其要求實(shí)時(shí)且可靠，現(xiàn)階段主要運(yùn)用的技術(shù)有Bluetooth、MOST、CAN、FlexRAY和LIN。車(chē)與人通信是指人使用移動(dòng)終端與車(chē)載電子或其他汽車(chē)設(shè)備之間的通信，其主要采用藍(lán)牙、RFID等通信技術(shù)。車(chē)路通信主要是車(chē)輛與外部交通設(shè)施之間的無(wú)線通信，其特點(diǎn)是短距離和高移速，所用的技術(shù)有紅外、微波和專(zhuān)用短程通信。車(chē)與云端的通信主要應(yīng)用于車(chē)輛導(dǎo)航、定位、援救、娛樂(lè)等服務(wù)，現(xiàn)今所用的主要技術(shù)包括GPS、GSM等[4-6]。

圖1 車(chē)輛可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Vehicular visible light networks

文獻(xiàn)[7]提出了可以在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中運(yùn)用可見(jiàn)光通信技術(shù)，其中圖1即其設(shè)想的車(chē)輛可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)，可以主要運(yùn)用在車(chē)間通信與車(chē)路通信之中，從而對(duì)無(wú)線通信等其它通信技術(shù)做一個(gè)補(bǔ)充。

2 實(shí)驗(yàn)原理

1)DFTS-OFDM調(diào)制。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)被稱(chēng)為正交頻分復(fù)用技術(shù)，是一種新的、高效的調(diào)制技術(shù)，同時(shí)也可以被看做是一種復(fù)用技術(shù)。由于子載波具有正交性，子信道的頻譜可以在OFDM系統(tǒng)中重疊，因此有相對(duì)高的頻譜效率。其優(yōu)點(diǎn)是減少碼間串?dāng)_(inter-symbol interference, ISI)，對(duì)抗信道衰弱但缺點(diǎn)是信號(hào)的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)會(huì)相對(duì)偏大。所以我們可以采用DFT-S OFDM來(lái)減少PAPR，這個(gè)方法也可以使得系統(tǒng)的誤碼性能更好。DFTS-OFDM調(diào)制即每個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)都進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)和離散傅里葉反變換(IDFT)[8]。

圖2顯示了基于DFTS-OFDM的VLC系統(tǒng)框圖。在發(fā)射端，數(shù)據(jù)首先從時(shí)域映射到頻域。數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)化之后，進(jìn)行OFDM調(diào)制，其中在OFDM調(diào)制前需要進(jìn)行DFT,在OFDM調(diào)制后進(jìn)行IDFT，最后將并轉(zhuǎn)串的數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送端發(fā)送。我們采用的子載波數(shù)是256，循環(huán)前綴(CP)被放置在每個(gè)OFDM信號(hào)的前面。而解調(diào)過(guò)程可以看作是調(diào)制過(guò)程的逆過(guò)程。需要注意的是，在接收端，信號(hào)在OFDM恢復(fù)和QAM解映射之前應(yīng)該進(jìn)行同步。

圖2 基于DFTS-OFDM的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagrams of a VLC system based on DFT-S OFDM

2)ISFA算法。信道估計(jì)是OFDM信號(hào)傳輸過(guò)程中的重要部分，有了準(zhǔn)確的信道估計(jì)就能夠得到光纖傳輸鏈路中色度色散(CD)和極化模式色散(PMD)給信號(hào)造成的干擾，由此可以通過(guò)后均衡過(guò)程提高信號(hào)的質(zhì)量?；跁r(shí)域的平均方法能夠在信道估計(jì)過(guò)程中有效地抑制噪聲項(xiàng)，但同時(shí)它也會(huì)造成頻譜效率下降。而ISFA(Intra-symbol frequency-domain averaging)是一種基于滑動(dòng)平均理論的頻域處理方法，它在抑制噪聲干擾的同時(shí)不會(huì)降低頻譜效率。由此，我們可以把它看做為一種抽頭數(shù)為奇數(shù)的低通濾波器(LPF)[9]。

為了在有噪聲的情況下提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確度，可以使用對(duì)信道矩陣取滑動(dòng)平均的方法。設(shè)滑動(dòng)窗口的長(zhǎng)度為2m+1，則每個(gè)點(diǎn)在進(jìn)行ISFA之后的信道估計(jì)值為原來(lái)這個(gè)點(diǎn)之前的m個(gè)點(diǎn)和這個(gè)點(diǎn)之后的m個(gè)點(diǎn)的平均值。對(duì)于整個(gè)矩陣的前m個(gè)點(diǎn)和后m個(gè)點(diǎn)，依然保持它們?cè)镜闹导纯伞?/p>

因此，ISFA之后的信道矩陣可以表示為

其中，kmax和kmin是有效子載波數(shù)的最大和最小值。

3 仿真結(jié)果

LED車(chē)燈作為該可見(jiàn)光系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射源，因而了解LED燈的光場(chǎng)強(qiáng)度空間分布對(duì)分析系統(tǒng)特性有著相對(duì)重要的意義。在本節(jié)中，我們采用Lambert模型對(duì)光場(chǎng)強(qiáng)度空間分布進(jìn)行建模與仿真分析。

LED光場(chǎng)強(qiáng)度可表示為

I(θ)=I(0)cosm(θ)(2)

其中I0是LED的中心照明強(qiáng)度，θ是輻射角度，m是Lambert輻射階數(shù)，可以用LED半功率半角Φ1/2表示Lambert輻射階數(shù)m，即

(3)

因此，接收端平面的水平照度Eh可表示為

(4)

其中L是發(fā)射端到接收端的距離，ψ是入射角度。

我們已知不同距離的車(chē)燈的光場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)仿真我們可以得到圖3，從圖中可以看出，無(wú)論是32QAM還是64QAM信號(hào)，誤碼率隨著距離的增加而增加，其中64QAM信號(hào)傳輸?shù)臉O限距離小于4 m。

圖3 距離對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.3 Simulated BER v.s distance

4 實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果

圖4給出了VLC系統(tǒng)中的DFTS-OFDM的系統(tǒng)框圖和實(shí)驗(yàn)設(shè)置，發(fā)射端到接收端的距離是5 m。我們所使用的任意波形發(fā)生器(AWG)型號(hào)是Tektronix AWG520，車(chē)燈作為信號(hào)源，3.5 mm的耳機(jī)孔作為接收端。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們將MATALB中生成的數(shù)據(jù)輸入到AWG中，然后通過(guò)AWG發(fā)送隨機(jī)的信號(hào)。在通過(guò)放大器之后，波形與直流電流進(jìn)行疊加，并將疊加的信號(hào)加載到車(chē)燈上并進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，該車(chē)燈是由滑動(dòng)變阻器和驅(qū)動(dòng)電路控制的。光信號(hào)通過(guò)透鏡然后被移動(dòng)終端接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，最后，數(shù)字信號(hào)被解調(diào)和處理。由于耳機(jī)口的最高頻率只有88.2 kbps，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，這個(gè)系統(tǒng)的接收移動(dòng)終端的采樣頻率為44.1 kbps。

圖4 基于DFTS-OFDM的VLC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.4 Experimental setup for high-speed VLC system based on DFTS-OFDM

通過(guò)改變采樣倍數(shù)，我們得到圖5中32 QAM和64QAM信號(hào)的BER與上采樣倍數(shù)的關(guān)系。我們選取上采樣倍數(shù)為4,8,12,16,20的五個(gè)點(diǎn)。從圖5中可得，上抽樣倍數(shù)增加，系統(tǒng)的傳輸速率下降，相對(duì)地，誤碼率也會(huì)隨之下降。

圖5 上采樣倍數(shù)對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.5 Measured BER v.s upsampling rate

我們將驅(qū)動(dòng)電流范圍從80 mA調(diào)節(jié)到160 mA，間隔為20 mA，測(cè)試了不同調(diào)制格式下的系統(tǒng)的誤碼率性能(如圖6所示)與不同距離的系統(tǒng)的誤碼率性能(如圖7所示)。從圖6可得，當(dāng)電流從80 mA調(diào)節(jié)到160 mA時(shí)，32QAM的信號(hào)的誤碼率總是保持在誤碼門(mén)限3.8×10-3以下。然而，64QAM的信號(hào)只有在驅(qū)動(dòng)電流為120 mA時(shí)，其誤碼性能才符合要求。車(chē)頭燈是由恒壓驅(qū)動(dòng)的，所以影響頭燈光照度的主要因素是驅(qū)動(dòng)電流，由此我們可以得到該車(chē)燈的最佳工作電流為120 mA。將圖7的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較，可以得到系統(tǒng)的誤碼率隨傳輸距離的增大而增大，這與前面仿真得到的結(jié)果是相一致的。橫向比較圖7中的數(shù)據(jù)，當(dāng)傳輸距離為5 m，電流大于150 mA時(shí)，系統(tǒng)誤碼超過(guò)門(mén)限，而當(dāng)傳輸距離為1 m時(shí)，電流在80 mA調(diào)節(jié)到160 mA時(shí)，系統(tǒng)傳輸性能良好。

圖6 電流與調(diào)制格式對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.6 Measured BER v.s current and QAM

圖7 電流與距離對(duì)信號(hào)性能的影響圖Fig.7 Measured BER v.s current and distance

5 結(jié)束語(yǔ)

我們提出了基于LED車(chē)燈可見(jiàn)光通信的車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的調(diào)制方式為DFTS-OFDM，實(shí)驗(yàn)中用到車(chē)燈模組、3.5 mm的耳機(jī)孔、高靈敏度的光電探測(cè)器等原件。創(chuàng)新點(diǎn)在于運(yùn)用了LED車(chē)燈作為可見(jiàn)光通信的信號(hào)源，同時(shí)驗(yàn)證了基于滑動(dòng)平均理論的ISFA算法在抑制噪聲干擾的同時(shí)，不會(huì)降低頻譜效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以得到，當(dāng)該車(chē)燈的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為80～120 mA，傳輸距離小于5 m時(shí)，32 QAM信號(hào)的傳輸誤碼小于3.8×10-3。