王鶴潼，牛書強(qiáng)，施會(huì)麗，王 平，郭立新，，劉忠玉

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071；2.西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

可見光通信 (Visible Light Communication，VLC) 以其豐富的頻譜資源、高速率與高效率的傳輸特性、安全可靠與綠色節(jié)能等不可比擬的優(yōu)越性，深受國(guó)內(nèi)外廣大科研工作者的青睞，成為一種備受矚目的新興無線通信技術(shù)[1-3]。正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 作為可見光通信中關(guān)鍵的物理層技術(shù)，具有高傳輸速率、高頻譜利用率、低干擾、低計(jì)算復(fù)雜度等諸多優(yōu)勢(shì)[4-5]，在4G通信中獨(dú)占鰲頭，也是5G通信中主要使用的物理層技術(shù)之一。在可見光通信系統(tǒng)中，光OFDM技術(shù)僅支持傳輸非負(fù)實(shí)數(shù)信號(hào)。因此，研究人員提出了3種經(jīng)典的光OFDM方案，即非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用(Asymmetrically Clipped Optical OFDM，ACO-OFDM)，直流偏置光正交頻分復(fù)用(Direct Current biased Optical OFDM，DCO-OFDM)和脈沖幅度調(diào)制離散多音(Pulse Amplitude Modulation-Discrete MultiTone，PAM-DMT)，將傳統(tǒng)射頻通信中的雙極性復(fù)OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為非負(fù)實(shí)數(shù)信號(hào)。其中，直流偏置光正交頻分復(fù)用方案頻譜效率較高，但需添加額外的直流偏量，使得系統(tǒng)功耗增加[6]。非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用和脈沖幅度調(diào)制離散多音兩種方案能量效率較高，卻僅利用了一半的頻率資源[7]。為了充分發(fā)揮傳統(tǒng)光OFDM方案的優(yōu)勢(shì)，近年來研究人員從理論的角度提出了多種新型的光OFDM混合調(diào)制方案。文獻(xiàn)[8]中提出的混合非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用(Hybird Asymmetrically Clipped Optical OFDM，HACO-OFDM)方案分別在奇偶子載波上采用非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用和脈沖幅度調(diào)制離散多音技術(shù)，以增加頻譜利用率。但是削峰噪聲會(huì)對(duì)偶載波中頻域符號(hào)虛部上承載的有效信息產(chǎn)生影響，因此需提前估算并移除削峰操作的干擾，再對(duì)接收到的頻域符號(hào)進(jìn)行解調(diào)。這使得接收端需要額外進(jìn)行一次快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，從而增加了系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度和時(shí)間成本。文獻(xiàn)[9]中提出的增強(qiáng)型光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制(Enhanced Optical OFDM/Offset Quadrature Amplitude Modulation，EO-OFDM/OQAM)方案分為常規(guī)與偏置兩條支路。該方案提高了頻譜效率，且不受削峰噪聲干擾，但偏移支路需額外添加固定直流偏量，導(dǎo)致系統(tǒng)的符號(hào)功率和能耗較高。

針對(duì)光OFDM方案的設(shè)計(jì)問題，筆者基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用(Adaptively Biased Optical OFDM，ABO-OFDM)方案提出了一種可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，來降低計(jì)算復(fù)雜度，提高傳輸速率，實(shí)現(xiàn)頻譜資源與功率效率間的折中。其中，基帶系統(tǒng)中物理層采用了特殊的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于提高信道估計(jì)與均衡的能力以及快速傅里葉變換窗口檢測(cè)的準(zhǔn)確性。具體地，首先通過自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的離線實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證使用光OFDM信號(hào)在室內(nèi)進(jìn)行可見光通信的可行性，并確定基帶系統(tǒng)中使用的參數(shù)；之后，給出可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；最后，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)搭建室內(nèi)可見光通信硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)該數(shù)字基帶方案，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試其性能。

1 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的MATLAB離線實(shí)現(xiàn)

1.1 自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案

為了在頻譜資源與功率效率間進(jìn)行折中，首先基于文獻(xiàn)[10]中給出的自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)，并搭建了基于FPGA的室內(nèi)可見光通信硬件平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。與非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用方案不同，自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案將映射后的符號(hào)加載至全部奇載波和第2(2n+1)個(gè)偶載波(n=0，1，2，…，N/8-1)上，再經(jīng)過厄米特對(duì)稱、快速傅里葉逆變換，轉(zhuǎn)換為全實(shí)數(shù)時(shí)域信號(hào)。但是，此時(shí)的時(shí)域信號(hào)為雙極性信號(hào)，尚不滿足可見光通信中非負(fù)實(shí)數(shù)信號(hào)的需求，故需添加直流偏置。與直流偏置光正交頻分復(fù)用等方案不同，自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案為時(shí)域信號(hào)添加自適應(yīng)偏置，以提升系統(tǒng)功率效率。每4個(gè)采樣點(diǎn)：xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4添加相同的直流偏置。如果4個(gè)點(diǎn)均為非負(fù)實(shí)數(shù)，則無需添加直流偏置。反之，則取4個(gè)點(diǎn)中最小值的相反數(shù)為直流偏置的大小，既滿足非負(fù)性的約束，又保證最小的額外功率。以bn，bn+N/4，bn+N/2，bn+3N/4表示4個(gè)點(diǎn)的直流偏置大?。?/p>

bn=bn+N/4=bn+N/2=bn+3N/4=-min{xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4}，n=0，1，2，…，N/4-1 。

(1)

接收端將接收到的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為頻域符號(hào)，自適應(yīng)偏置根據(jù)其自身的性質(zhì)，不會(huì)影響有效信息，僅會(huì)干擾被空置的子載波，即第K=4n個(gè)子載波，n=0，1，2，…，N/8-1。故而僅需在接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的操作，再提取有效的頻域符號(hào)信息，即可得到接收端比特序列。通過與發(fā)射端原始二進(jìn)制序列的對(duì)比，計(jì)算基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的可見光通信系統(tǒng)誤碼率，并評(píng)判系統(tǒng)性能。

1.2 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的MATLAB離線實(shí)現(xiàn)裝置

基于MATLAB離線實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)可見光通信實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。首先通過Xilinx公司的KC705 FPGA[11-12]開發(fā)板產(chǎn)生基于OFDM的數(shù)字基帶信號(hào)，然后通過FMC302子卡中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變成為模擬電信號(hào)。之后發(fā)射端的發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode，LED)驅(qū)動(dòng)電路將輸入的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)在自由空間中傳播，光信號(hào)經(jīng)過1.5 m的自由空間信道，到達(dá)接收端。接收端采用LSSPD-3.2型號(hào)光電探測(cè)器將光信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過接收端驅(qū)動(dòng)電路的放大和濾波操作后輸入到示波器存儲(chǔ)器中。示波器存儲(chǔ)器中的通信數(shù)據(jù)在MATLAB中經(jīng)過同步解調(diào)，完成整個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信過程。提出的這種離線方式通過自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案驗(yàn)證使用光OFDM信號(hào)在室內(nèi)進(jìn)行可見光通信的可行性，同時(shí)有利于研究信道特性，并有助于準(zhǔn)確分析和找出可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)中的合適參數(shù)，最大化通信傳輸速率。

1.3 基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的可見光通信系統(tǒng)離線實(shí)現(xiàn)

首先在MATLAB中產(chǎn)生一組二進(jìn)制源碼序列，然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行發(fā)射信號(hào)集大小為4的正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)。將調(diào)制好的QAM符號(hào)映射到全部奇載波和第2(2n+1)個(gè)偶載波(n=0，1，2，…，N/8-1)上。映射后的調(diào)制信號(hào)隨即加載進(jìn)入厄米特對(duì)稱模塊，經(jīng)過N=128點(diǎn)的快速傅里葉逆變換，生成全實(shí)數(shù)的時(shí)域信號(hào)以滿足可見光通信系統(tǒng)中采取的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)方式。繼而添加32點(diǎn)的循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)以防止碼間干擾與載波干擾，并將產(chǎn)生的時(shí)域OFDM實(shí)信號(hào)量化成16 bit數(shù)據(jù)。每160點(diǎn)的OFDM時(shí)域信號(hào)為一組數(shù)據(jù)符號(hào)，每一幀由前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)載荷兩部分組成。前導(dǎo)序列由一組OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)長(zhǎng)度的短訓(xùn)練序列(Short Training Sequence，STS)和兩組相同的OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)組成的長(zhǎng)訓(xùn)練序列(Long Training Sequence，LTS)構(gòu)成，分別用于尋找每一幀的快速傅里葉變換窗口位置和信道估計(jì)與均衡。數(shù)據(jù)載荷部分包含30組OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)，用于承載用戶有效的數(shù)據(jù)信息。

將調(diào)制后的幀數(shù)據(jù)寫入初始化文件，然后導(dǎo)入FPGA的只讀存儲(chǔ)器中。通過10 MHz的時(shí)鐘讀取只讀存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過積分-梳狀級(jí)聯(lián)內(nèi)插濾波器，將數(shù)據(jù)送入FMC302子卡數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊接口。數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)后，被送至發(fā)射端LED驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過電路的放大與濾波，通過LED將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為強(qiáng)度變化的光信號(hào)。光信號(hào)經(jīng)過1.5 m的自由空間信道，到達(dá)接收端。接收端的光電探測(cè)器將強(qiáng)度變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，再經(jīng)過接收端驅(qū)動(dòng)電路的放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、符號(hào)同步、信道估計(jì)與均衡、數(shù)字解調(diào)等操作，將接收到的比特?cái)?shù)據(jù)與發(fā)端數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)判系統(tǒng)的誤碼率性能。計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)可以達(dá)到的毛比特率為8.182 Mbit/s，在去除循環(huán)前綴和用于符號(hào)同步以及信道估計(jì)與均衡的序列開支后，系統(tǒng)可以達(dá)到5.455 Mbit/s的凈比特率和6.511×10-4的誤碼率。在離線實(shí)驗(yàn)中，該方案的比特率達(dá)到106級(jí)別，誤碼率在10-3之下，滿足室內(nèi)可見光通信的需求。

2 可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用的可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：系統(tǒng)的基本參數(shù)和物理層幀結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中采取與第1節(jié)相同的采樣頻率，即10 MHz。因?yàn)镮SE14.7開發(fā)環(huán)境中的快速傅里葉變換核設(shè)置的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度多為2的冪次方，故該系統(tǒng)采取27，即128點(diǎn)的快速傅里葉變換/快速傅里葉逆變換，并取其長(zhǎng)度的1/4作為循環(huán)前綴。表1中列出了可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)中主要使用的數(shù)據(jù)參數(shù)。

表1 可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)計(jì)

圖2展示了該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的物理層幀結(jié)構(gòu)。以快速傅里葉逆變換后128點(diǎn)的時(shí)域數(shù)據(jù)和32點(diǎn)的循環(huán)前綴，共160個(gè)采樣點(diǎn)長(zhǎng)度為一組OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)?？梢姽馔ㄐ艛?shù)字基帶系統(tǒng)中的每一幀由前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)載荷兩部分組成。其中，前導(dǎo)序列包含160個(gè)采樣點(diǎn)長(zhǎng)度的短訓(xùn)練序列和兩組相同OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)組成的長(zhǎng)訓(xùn)練序列，分別用于尋找每一幀快速傅里葉變換的窗口位置和信道的估計(jì)與均衡。數(shù)據(jù)載荷部分位于前導(dǎo)序列之后，通過自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案承載傳輸?shù)挠行畔?。在該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的物理層幀結(jié)構(gòu)中，每一幀包括由一組短訓(xùn)練序列，一組長(zhǎng)訓(xùn)練序列組成的前導(dǎo)序列和30組OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)組成的數(shù)據(jù)載荷。

3 可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

第1節(jié)通過自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的MATLAB離線實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了使用光OFDM信號(hào)在室內(nèi)進(jìn)行可見光通信的可行性。通過FPGA搭建室內(nèi)可見光通信硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)第2節(jié)提出的基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)。具體地，基于FPGA在ISE14.7開發(fā)環(huán)境下利用Verilog語言實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并將給出發(fā)射端和接收端快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊、自適應(yīng)直流偏置模塊、前導(dǎo)序列模塊等3個(gè)主要模塊的實(shí)現(xiàn)原理、細(xì)節(jié)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3展示了筆者搭建的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)硬件平臺(tái)的實(shí)物裝置。

3.1 快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊

快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊是該平臺(tái)的核心部分。發(fā)射端的快速傅里葉逆變換將子載波上承載的頻域符號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傳輸，而接收端的快速傅里葉變換模塊將接收到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域符號(hào)進(jìn)行解調(diào)。串行的比特?cái)?shù)據(jù)在進(jìn)入FPGA后，每2個(gè)或4個(gè)比特分為一組，通過格雷碼映射到復(fù)平面上，進(jìn)行4QAM或16QAM的數(shù)字映射。本節(jié)實(shí)驗(yàn)中快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換模塊中設(shè)置的IP核輸入為16 bit，故而將星座點(diǎn)的值量化為16 bit的數(shù)據(jù)。即在4QAM數(shù)字映射中，實(shí)部和虛部?jī)蓷l支路的十進(jìn)制取值為{-128，+127}，而在16QAM數(shù)字映射中，兩條支路的十進(jìn)制取值為{-384，-128，+127，+381}。以4QAM映射方案為例，其二進(jìn)制取值對(duì)照如表2所示。

表2 4QAM數(shù)字映射二進(jìn)制取值對(duì)照表

映射后的QAM符號(hào)對(duì)應(yīng)前64個(gè)子載波中所有的奇載波和第2(2n+1)個(gè)偶載波，n=0，1，2，…，15，而第4n個(gè)子載波被空置，n=0，1，2，…，15，不攜帶有效數(shù)字符號(hào)。映射后的調(diào)制信號(hào)隨即加載進(jìn)入厄米特對(duì)稱模塊，形成128點(diǎn)的頻域符號(hào)。該平臺(tái)主要采用ISE14.7開發(fā)環(huán)境中的FFT IP核實(shí)現(xiàn)快速傅里葉逆變換/快速傅里葉變換。FFT IP核的設(shè)置主要包含參數(shù)配置、算法架構(gòu)方式和輸入輸出信號(hào)分析?？梢姽馔ㄐ艛?shù)字基帶系統(tǒng)中FFT IP核的參數(shù)配置為1個(gè)通道數(shù)目，128點(diǎn)快速傅里葉變換長(zhǎng)度，16 bit輸入數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)正序輸出并添加循環(huán)前綴使能和使用可配置邏輯塊的蝴蝶算法等。算法架構(gòu)方式采取流水線I/O結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)處理和較大的吞吐量。FFT IP核中主要輸入輸出信號(hào)的功能描述如表3所示。

表3 FFT IP核輸入輸出信號(hào)功能描述

圖4展示了發(fā)射端快速傅里葉逆變換模塊的部分時(shí)序圖。快速傅里葉逆變換模塊將輸入信號(hào)fwd_inv設(shè)置為0，表示進(jìn)行快速傅里葉逆變換。當(dāng)輸入信號(hào)start變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，加載厄米特對(duì)稱的128點(diǎn)頻域符號(hào)進(jìn)入快速傅里葉逆變換模塊。xn_re、xn_im分別表示頻域符號(hào)的實(shí)部和虛部，通過xn_index指示輸入信號(hào)下標(biāo)，且每隔3個(gè)頻域符號(hào)就有1個(gè)符號(hào)被置零，滿足自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的載波要求。busy信號(hào)轉(zhuǎn)為高電平時(shí)表示IP核開始對(duì)輸入的頻域符號(hào)進(jìn)行快速傅里葉逆變換。在第1組頻域符號(hào)轉(zhuǎn)換完成后，dv信號(hào)由低轉(zhuǎn)高，128點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)伴隨著xk_index的指示下標(biāo)相繼輸出。xk_re、xk_im分別表示輸出時(shí)域信號(hào)的實(shí)部和虛部，且xk_im幾近為0，符合厄米特對(duì)稱的性質(zhì)，滿足可見光通信中實(shí)數(shù)信號(hào)的需求。當(dāng)每一組OFDM時(shí)域信號(hào)開始輸出時(shí)，輸出信號(hào)done升高一個(gè)時(shí)鐘周期，xk_index歸0，并開始新一輪從0至127的逐漸累加。因?yàn)镕FT IP核中已經(jīng)添加循環(huán)前綴使能，快速傅里葉逆變換模塊可以自動(dòng)添加循環(huán)前綴。

3.2 自適應(yīng)直流偏置模塊

頻域符號(hào)經(jīng)過快速傅里葉逆變換模塊轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)時(shí)域信號(hào)后，仍為雙極性信號(hào)，尚不滿足可見光通信非負(fù)性的需求。因此根據(jù)文獻(xiàn)[10]，為每4個(gè)時(shí)域信號(hào)采樣點(diǎn)：xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4，n=0，1，2，…，N/4-1，依照式 (1) 添加相同的直流偏置。圖5中abo_data即為時(shí)域信號(hào)添加自適應(yīng)直流偏置并經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的時(shí)序圖。此時(shí)的時(shí)域信號(hào)已經(jīng)滿足可見光通信中非負(fù)實(shí)數(shù)信號(hào)的要求。

3.3 前導(dǎo)序列模塊

可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)中每一幀的前導(dǎo)序列中包含一組短訓(xùn)練序列和一組長(zhǎng)訓(xùn)練序列，分別用于符號(hào)同步以尋找每一幀快速傅里葉變換的窗口位置[13]和信道的估計(jì)與均衡。

由于背景光源和系統(tǒng)收發(fā)電路中熱噪聲等的干擾，短訓(xùn)練序列到達(dá)接收端后會(huì)出現(xiàn)一定的失真。因此在該系統(tǒng)中，接收端存儲(chǔ)著通過線性反饋移位寄存器生成的自相關(guān)性能良好的m偽隨機(jī)序列。隨著數(shù)據(jù)一幀一幀地到達(dá)接收端，當(dāng)收發(fā)同步序列如圖6所示滑動(dòng)對(duì)齊時(shí)，將出現(xiàn)一組相關(guān)峰值。該平臺(tái)采取多段長(zhǎng)度較短的序列代替單一的同步序列，以避免相關(guān)峰值的平臺(tái)效應(yīng)和在數(shù)據(jù)載荷部分出現(xiàn)的可能性。同時(shí)，將最后一個(gè)同步序列的值全部取反，以得到一個(gè)負(fù)值的相關(guān)峰，從而增加快速傅里葉窗口檢測(cè)的準(zhǔn)確性。取連續(xù)25個(gè)互相關(guān)值的絕對(duì)值，求其平均，繼而乘以8倍，得到更為合適的動(dòng)態(tài)門限值，存儲(chǔ)進(jìn)Sync_Threshold寄存器，用于峰值判定。

從圖7中可以明顯看出，收發(fā)序列對(duì)齊后，會(huì)出現(xiàn)一組連續(xù)的相關(guān)峰值，且最后一個(gè)相關(guān)峰值為負(fù)值，絕對(duì)值均遠(yuǎn)大于其它未對(duì)齊時(shí)刻的互相關(guān)值，此時(shí)即可判定找到了快速傅里葉變換窗口位置，也不會(huì)出現(xiàn)偽同步的現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)注意，在FPGA中建立的存儲(chǔ)空間需要比同步序列多一段長(zhǎng)度，用于緩沖數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，以保證有效數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

長(zhǎng)訓(xùn)練序列位于每一幀前導(dǎo)序列中的短訓(xùn)練序列之后，通常采用兩組相同的OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)，主要用于信道的估計(jì)與均衡。信道估計(jì)的準(zhǔn)確性將直接影響整個(gè)可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)的誤碼率性能等，故實(shí)驗(yàn)需產(chǎn)生不易被破壞且峰均比較低的OFDM訓(xùn)練符號(hào)。該平臺(tái)采用最小二乘法[14]，通過最小化接收端本地符號(hào)序列與接收到的長(zhǎng)訓(xùn)練序列間的平方誤差，來實(shí)現(xiàn)信道的估計(jì)與均衡。

arg minH‖Y-XH‖2=arg minH(Y-XH)H(Y-XH) 。

(2)

式(2)展示了該模塊采用的最小二乘法，式中Y表示接收到的訓(xùn)練序列，X表示本地同步序列，H為信道頻率響應(yīng)。由式(2)可得

(3)

由式(3)可知，使用最小二乘法進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)，只需將接收到的頻域符號(hào)與接收端本地存儲(chǔ)序列相除即可。因?yàn)轭l域符號(hào)多為復(fù)數(shù)，而FPGA不能直接進(jìn)行復(fù)數(shù)除法運(yùn)算，故采用模值為1的訓(xùn)練序列，直接取消除法運(yùn)算，以大幅降低系統(tǒng)算法復(fù)雜度。在完成信道估計(jì)后，根據(jù)下式進(jìn)行信道均衡：

(4)

因?yàn)槭?(4) 中的分母項(xiàng)為信道估計(jì)值，無法提前預(yù)知，故而無法將其模值固定為1，只能進(jìn)行實(shí)數(shù)除法運(yùn)算。因而采用CORDIC算法[15]，通過實(shí)數(shù)迭代逼近的思想，得到實(shí)數(shù)除法的近似值。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

圖8中分別展示了采用4QAM和16QAM兩種數(shù)字調(diào)制方式時(shí)，室內(nèi)可見光通信硬件平臺(tái)接收端子載波上的解調(diào)星座圖。表4展示了基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)與直流偏置光正交頻分復(fù)用，非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用，混合非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用以及增強(qiáng)型光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制等方案在可見光通信硬件平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果。

表4 多種方案的平臺(tái)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)于傳輸速率，自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案利用了75%的頻譜資源，其凈比特率介于直流偏置光正交頻分復(fù)用與非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用兩種方案之間，略高于混合非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用方案，有效提高了頻譜資源利用率，且保證了通信傳輸速率。由于可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)特殊的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了快速傅里葉變換窗口檢測(cè)的準(zhǔn)確性和信道估計(jì)與均衡的能力，有效降低了系統(tǒng)的誤碼率，達(dá)到10-4，僅略高于非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用方案。對(duì)于計(jì)算復(fù)雜度，自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案僅主要考慮快速傅里葉變換操作的復(fù)雜度，不需要考慮削峰噪聲等的影響，因此與直流偏置光正交頻分復(fù)用和非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用兩種方案的計(jì)算復(fù)雜度一致，均為最低計(jì)算復(fù)雜度，節(jié)省了系統(tǒng)開支與時(shí)間成本，有效地提高了計(jì)算效率。同時(shí)，自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案雖然需要添加直流偏置，但其添加的是自適應(yīng)直流偏置，而非直流偏置光正交頻分復(fù)用方案中的固定直流偏置，故而有著低于直流偏置光正交頻分復(fù)用方案的符號(hào)功率。因此，基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了頻譜資源與功率效率間的折中，提高了計(jì)算效率，其中特殊的物理層幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低了系統(tǒng)的誤碼率，保證了通信傳輸速率，進(jìn)而提升了數(shù)字基帶系統(tǒng)的整體性能。

4 結(jié)束語

筆者基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案設(shè)計(jì)了一種可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)，并通過FPGA搭建的可見光通信硬件平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。首先通過自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的MATLAB離線實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了使用光OFDM信號(hào)在室內(nèi)進(jìn)行可見光通信的可行性，并確定了數(shù)字基帶系統(tǒng)中使用的參數(shù)。然后，給出了可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。最后，通過FPGA搭建的室內(nèi)可見光通信硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了提出的基于自適應(yīng)偏置光正交頻分復(fù)用方案的可見光通信數(shù)字基帶系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，筆者提出的數(shù)字基帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了頻譜資源與功率效率間的折中。其中特殊的物理層幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高了快速傅里葉窗口檢測(cè)的準(zhǔn)確性和信道估計(jì)與均衡的能力，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的誤碼率并提升了所設(shè)計(jì)數(shù)字基帶系統(tǒng)的整體性能。