陳 睿，哈依那爾，鄒 鵬，遲 楠，胡 波

(1.復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院數(shù)字信息處理與傳輸實(shí)驗(yàn)室，上海 200433；2.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

基于LED的可見光通信(Visible Light Communication, VLC)技術(shù)結(jié)合了通信技術(shù)與照明于一體，無需申請(qǐng)頻譜并且抗電磁干擾，有望激活400 THz的頻譜資源，是一種新興的綠色節(jié)能、成本低的技術(shù)，近年來已成為室內(nèi)和室外高速無線接入的研究熱點(diǎn)[1，2]。VLC系統(tǒng)中比較重要的問題是其傳輸帶寬非常有限，因此如何在有限帶寬下實(shí)現(xiàn)大容量傳輸引起了研究人員的興趣。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)日漸成為全面建成智能交通的重要一環(huán)，而其中最為基礎(chǔ)的支撐技術(shù)就是通信技術(shù)。由于VLC的高可靠性和低延遲特性，已經(jīng)有諸多研究人員對(duì)基于VLC的車間通信進(jìn)行了研究[3，4]，作為對(duì)現(xiàn)有無線通信等技術(shù)的補(bǔ)充，從而大幅提高現(xiàn)有異構(gòu)車輛網(wǎng)絡(luò)的通信容量[5]。

本文針對(duì)基于LED車燈的可見光通信系統(tǒng)中固有存在的帶寬受限的問題，提出了一種基于雙二進(jìn)制(Duo-Binary, DB)編碼的部分響應(yīng)系統(tǒng)，通過人為引入受多電平編碼控制的符號(hào)間干擾來將信號(hào)能量集中在較低頻段，從而對(duì)抗帶限系統(tǒng)在高頻處的衰落。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了有無DB編碼對(duì)基于無載波幅度相位 (Carrierless Amplitude and Phase, CAP) 調(diào)制的車燈VLC系統(tǒng)性能的影響，并對(duì)該編碼在車燈VLC系統(tǒng)中的最佳工作區(qū)域進(jìn)行了研究。

1 車聯(lián)網(wǎng)

車聯(lián)網(wǎng)在從誕生之初就廣受關(guān)注，從信息感知角度出發(fā)，車聯(lián)網(wǎng)是對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管和綜合管理；從智能交通和車輛組網(wǎng)的角度看，車聯(lián)網(wǎng)不僅是綜合交通運(yùn)輸信息處理系統(tǒng)，也是包含車與車、車與人、車與路面、車與云以及車內(nèi)通信在內(nèi)的大型一體化信息交換網(wǎng)絡(luò)[6]。圖1給出了大型車聯(lián)網(wǎng)信息交換網(wǎng)絡(luò)示意圖。

除了傳統(tǒng)的基于微波、紅外、專用短程通信等車間通信技術(shù)，近年來，隨著LED燈的大規(guī)模商用和普及，人們已經(jīng)看到基于VLC的車間通信方式在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中的巨大潛力，相關(guān)研究也相繼展開[5,7,8]。在本文中，我們針對(duì)LED車燈調(diào)制帶寬有限的問題，提出一種主動(dòng)壓縮頻譜的編碼方式，在其有限帶寬下實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of car networking and Internet of Vehicle

2 CAP調(diào)制&雙二進(jìn)制編碼

在20世紀(jì)70年代，CAP調(diào)制技術(shù)首先由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出。CAP調(diào)制技術(shù)大大降低系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，并具備較高的頻譜效率，因此在數(shù)字用戶線路中得到廣泛應(yīng)用[9]。

CAP調(diào)制解調(diào)步驟如圖2(a)所示，在發(fā)射端對(duì)原始比特流進(jìn)行QAM映射實(shí)現(xiàn)高階編碼，之后對(duì)得到的符號(hào)流進(jìn)行上采樣；接下來對(duì)上采樣的復(fù)數(shù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)部/虛部(或者說同相/正交分量)分離，并對(duì)得到的兩路數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖成形，最后對(duì)兩路正交的數(shù)據(jù)相加輸出就可以得到CAP調(diào)制后的信號(hào)。在接收端，信號(hào)在被采樣和量化以后，由一對(duì)匹配濾波器來恢復(fù)發(fā)射信號(hào)的同相/正交分量，之后經(jīng)過下采樣、信道均衡和QAM解碼，就可以恢復(fù)原始得到比特流。

雙二進(jìn)制編碼通過人為引入多級(jí)編碼控制的符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)來實(shí)現(xiàn)頻譜壓縮，是一種典型的部分響應(yīng)系統(tǒng)，其具體實(shí)現(xiàn)方式如圖2(b)所示。DB編碼主要由兩部分組成：差分編碼與延遲相加濾波。差分編碼由延時(shí)和異或這兩部操作組成；而之后的延遲相加實(shí)際上是一種低通濾波，將信號(hào)能量集中在低頻部分傳輸——此操作尤其在帶寬受限的情況下是較為有用的。

圖2 (a)CAP調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)框圖;(b)雙二進(jìn)制編碼示意圖Fig.2 (a) Block diagram of CAP modulation and demodulation; (b) schematic diagram of duo-binary coding

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

基于雙二進(jìn)制編碼的車燈VLC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)如圖3所示?？梢钥吹皆诎l(fā)射端，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后，被送到任意波形發(fā)生器(Agilent, M8190A, 12GSa/s)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；之后CAP調(diào)制的電信號(hào)依次經(jīng)過均衡器、電放大器和直流偏置器，經(jīng)過交直流耦合以后被加載到LED車燈并被發(fā)射出去。信道是自由空間，距離為2 m；在經(jīng)過信道之后，光信號(hào)在接收端依次通過透鏡與濾光片，之后由PD陣列中的一個(gè)PIN管(Hamamatsu, S10784)將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后由示波器(Agilent, MSO9254A)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行離線處理。在接收端離線處理中，數(shù)據(jù)被解調(diào)、均衡、解碼，最后通過計(jì)算誤碼率(BER)來對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。在本實(shí)驗(yàn)中，上采樣倍數(shù)固定是4。線性均衡是基于簡(jiǎn)單的最小均方(LMS)算法，其抽頭和步長(zhǎng)均已經(jīng)優(yōu)化。

圖3 基于DB編碼CAP調(diào)制的車燈VLC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 The experimental setup of headlight-based DB-coded CAP-VLC system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4(a)顯示了在基于LED車燈的VLC系統(tǒng)中沒有經(jīng)過DB編碼的發(fā)射信號(hào)頻譜(即普通格型16QAM信號(hào))。圖4(b)顯示了經(jīng)過信道以后的接收信號(hào)頻譜；可以看到信號(hào)經(jīng)過基于車燈的可見光信道以后，在信號(hào)高頻部分有較大衰減。圖4(c)顯示了經(jīng)過DB編碼后的發(fā)射信號(hào)頻譜(即前后比特延遲相加的49QAM信號(hào))。圖4(d)顯示了DB編碼后的發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過信道后的接收頻譜；同樣地，我們可以看到接收信號(hào)頻譜在高頻處迅速衰落，造成傳輸性能的下降。但是相比沒有DB編碼的普通QAM信號(hào)，經(jīng)過DB編碼的信號(hào)通過人為引入ISI來實(shí)現(xiàn)頻譜能量的集中，對(duì)帶寬受限的系統(tǒng)更為魯棒，這在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中將被進(jìn)一步說明。

圖4 (a)沒有DB編碼時(shí)發(fā)送信號(hào)的頻譜圖；(b) 沒有DB編碼時(shí)接收信號(hào)頻譜圖；(c)有DB編碼時(shí)發(fā)送信號(hào)的頻譜圖；(d) 有DB編碼時(shí)接收信號(hào)頻譜圖Fig.4 (a) Spectrogram of the Tx signal w/o DB encoding； (b) spectrogram of the Rx signal w/o DB encoding；(c) spectrogram of the Tx signal w DB encoding； (d) spectrogram of the Rx signal w DB encoding

圖5給出了在有無DB編碼這兩種情況下，信號(hào)幅值(峰峰值，Vpp)與系統(tǒng)誤碼性能之間的關(guān)系，此時(shí)我們已經(jīng)找到系統(tǒng)最佳工作電流為432 mA。可以看到，當(dāng)Vpp過小的時(shí)候(0.2 V)，所述兩種情況的誤碼性能均不理想，這解釋為信號(hào)Vpp過小導(dǎo)致信噪比(SNR)過低，系統(tǒng)BER較高；而當(dāng)Vpp過大的時(shí)候(大于0.6 V)，系統(tǒng)非線性過大，導(dǎo)致所述兩種方案誤碼性能均不理想。因此存在一個(gè)令系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)的線性區(qū)域，在后續(xù)帶寬測(cè)試中我們?nèi)⌒盘?hào)Vpp為0.4 V。值得注意的是，在非線性工作區(qū)域，有DB編碼時(shí)系統(tǒng)性能反而下降的更嚴(yán)重，這是由于DB編碼將前后比特聯(lián)系在一起，因此在非線性區(qū)域誤碼擴(kuò)散的更加嚴(yán)重。在線性工作區(qū)域，我們可以看到有DB編碼會(huì)帶來一定的增益，使得系統(tǒng)性能相比未編碼時(shí)更好。圖5也給出了線性區(qū)和非線性區(qū)所述兩種方案的星座圖對(duì)比；如插圖(A, B)所示，未DB編碼時(shí)，各個(gè)符號(hào)等概率分布，經(jīng)過DB編碼后符號(hào)更多集中在星座圖內(nèi)圈，雖然符號(hào)間的歐氏距離有所減小，但是頻譜也得到了壓縮。

圖5 信號(hào)幅度對(duì)系統(tǒng)性能的影響圖Fig.5 The influence of signal amplitude on system performance

圖6給出了系統(tǒng)傳輸帶寬與BER之間的關(guān)系。可以看到，隨著信號(hào)傳輸帶寬的增加，系統(tǒng)誤碼性能下降，這也說明了基于車燈的可見光通信系統(tǒng)的帶寬很有限；經(jīng)過DB編碼后系統(tǒng)性能得到提升，在7% FEC誤碼門限下，相比未編碼系統(tǒng)，最高無誤碼傳輸?shù)乃俾侍岣吡?00 M；在7%FEC誤碼門限下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最高帶寬為1.2 GHz，由于4倍上采樣以及16QAM格式，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.2 Gb/s。在帶寬不是主要的限制因素的時(shí)候，如600 MHz時(shí)，有無DB編碼對(duì)系統(tǒng)影響不大，這可解釋為系統(tǒng)SNR均可支持兩種方案的傳輸；當(dāng)信號(hào)帶寬過大時(shí)(如大于1.4 GHz時(shí))，有無DB編碼系統(tǒng)性能基本無差別，都很差，此時(shí)信號(hào)帶寬已經(jīng)超過系統(tǒng)允許帶寬范圍。當(dāng)發(fā)射信號(hào)帶寬在600 MHz到1.4 GHz范圍內(nèi)時(shí)，可以看到DB編碼相比未編碼的普通16QAM可以帶來一定的增益，系統(tǒng)性能得到提升。所述兩種方案在門限附近的星座圖也在圖中有表示，同樣可以看到，經(jīng)過DB編碼后符號(hào)分布在星座圖中心點(diǎn)的概率會(huì)更大，外圈分布的概率小，這是由編碼中的延遲相加帶來的結(jié)果。

圖6 信號(hào)帶寬對(duì)系統(tǒng)性能的影響圖Fig.6 The influence of signal bandwidth on system performance

5 結(jié)束語

本文基于LED車燈的可見光通信，提出了一種基于雙二進(jìn)制編碼的部分響應(yīng)系統(tǒng)，用于解決車燈在有限帶寬下的高速傳輸問題，并為將來實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)中車與車之間高速通信提供解決方案，這是雙二進(jìn)制編碼在車燈可見光通信系統(tǒng)中的嘗試，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。實(shí)驗(yàn)中在發(fā)射端使用LED車燈模組，接收端使用高靈敏度的PIN，采用經(jīng)過DB編碼的CAP調(diào)制方式，系統(tǒng)的實(shí)測(cè)傳輸速率超過了1.2 Gb/s，在經(jīng)過2 m的自由空間傳輸后，系統(tǒng)的誤碼性能仍然低于7% HD-FEC誤碼門限3.8×10-3，經(jīng)過DB編碼后的系統(tǒng)，在7% FEC誤碼門限下，相比未編碼系統(tǒng)，最高無誤碼傳輸?shù)乃俾侍岣吡?00 Mb/s。