王海玉 王國盛

【摘要】 可見光通信以制造成本低、無線頻譜寬而受到人們的關(guān)注。采用自適應(yīng)OFDM技術(shù)能減少多路徑傳輸?shù)臅r(shí)延和衰落，靈活配置調(diào)制模式，提高可見光通信的系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵字】 可見光通信 自適應(yīng) OFDM調(diào)制 系統(tǒng)性能

一、引言

光通信技術(shù)最早稱為自由空間光互聯(lián)，而光纖通信稱為光波導(dǎo)技術(shù)。現(xiàn)在，全光網(wǎng)絡(luò)正在研發(fā)過程中?？梢姽馔ㄐ挪捎冒l(fā)光二極管LED而不是激光當(dāng)作光源，采用強(qiáng)度調(diào)制/直接（IM/DD）檢驗(yàn)技術(shù)，現(xiàn)在的調(diào)制帶寬在500M以上。LED頻譜與405THz的帶寬相同，而無線通信的頻譜則受到限制，屬于通信的低通響應(yīng)。LED光載波信號與自然光不同，是調(diào)制的通信信號。射頻通信產(chǎn)生電磁波干擾，因此可見光通信是高速、廉價(jià)、沒有電磁波干擾的有前途的未來通信技術(shù)。然而，LED的輸入范圍有限，而且有非線性效應(yīng)，可見光的信道傳遞是多徑特征。因此，2005 年，西班牙的研究人員Gonzalez等在可見光通信中，應(yīng)用自適應(yīng)OFDM 技術(shù)，減小存在碼間干擾導(dǎo)致的多徑衰落。OFDM技術(shù)頻譜效率高，把速率高的信號分解成多個(gè)低速率的并行子數(shù)據(jù)信號，在互為正交的子信道系統(tǒng)上傳遞。自適應(yīng)技術(shù)是數(shù)據(jù)信號在不同子載波傳輸時(shí)，由于載波的頻率響應(yīng)特性不同，可選擇特定的編碼實(shí)現(xiàn)調(diào)制。因此，可見光通信系統(tǒng)能適應(yīng)子載波的變化，滿足用戶的不同通信需求，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信性能。

二、可見光通信的OFDM技術(shù)

可見光通信系統(tǒng)能進(jìn)行參數(shù)配置，包括子載波數(shù)、子載波間隔，F(xiàn)FT大小等。應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)信道狀況和用戶的數(shù)據(jù)通信需求，配置傳輸參數(shù)，有編碼和調(diào)制方式、映射方式、功率配置、帶寬分配方式等，提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸性能。自適應(yīng)技術(shù)可用在信道容量的可變性和誤碼率較高的衰落載波的識別上。編碼方式可采用格雷碼。

在可見光通信系統(tǒng)的自適應(yīng)OFDM調(diào)制解調(diào)過程中，首先是發(fā)送方高速編碼脈沖串并轉(zhuǎn)換，根據(jù)信道響應(yīng)狀況，OFDM技術(shù)將并行的不同比特信號調(diào)制到正交子載波上構(gòu)成一個(gè)符號，并且分配功率實(shí)現(xiàn)低速傳遞。然后，接收端對正交的子數(shù)據(jù)信號進(jìn)行解調(diào)，采用信道估計(jì)方法校正，復(fù)原成原高速脈沖信號。子載波間的正交性導(dǎo)致頻譜復(fù)用，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率。LED光源在OFDM技術(shù)對信號幅度的變化調(diào)制為載波，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。OFDM技術(shù)具有抗多徑干擾能力，原因是高速脈沖調(diào)制為多路低速信號，脈沖寬度展寬，能更清晰鑒別信號，提高了每路子載波對抗頻率選擇性衰落和多徑時(shí)延的能力。可見光的OFDM調(diào)制一般采用FFT和逆FFT技術(shù)，將數(shù)據(jù)變到時(shí)域上，顯著降低大量的浮點(diǎn)運(yùn)算。因此在實(shí)際系統(tǒng)中，載波信號采用實(shí)數(shù)形式計(jì)算和傳輸。

OFDM的一個(gè)符號是多個(gè)子載波信號的合成，在符號間設(shè)置保護(hù)間隔，可防止符號間干擾和信號串?dāng)_。子載波調(diào)制方式有QPSK、16QAM和64QAM等，將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換成子載波，可分別采用碼速1/2、3/4、2/3的卷積碼進(jìn)行差錯(cuò)控制。根據(jù)瞬時(shí)特性在每個(gè)符號周期，分配給子載波不同的信息比特和功率。將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成子載波的幅度和相位映射。映射方式是，在情況較差信號衰減較大的信道，分配的子載波應(yīng)用低階映射方式；而條件較好衰減小的信道對應(yīng)的子載波應(yīng)用高階映射，能提高數(shù)據(jù)傳輸率。信道估計(jì)和檢測信息稱為導(dǎo)頻，在數(shù)據(jù)信號OFMD符號中間。

自適應(yīng)OFDM可見光系統(tǒng)權(quán)衡數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)誤碼率BER，關(guān)鍵技術(shù)正在研發(fā)和試制階段。自適應(yīng)技術(shù)用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，有Hughes-Hartogs 、Chow 和Fischer-Huber 算法等。算法有三個(gè)提高方向，包括比特誤碼率、傳輸速率和發(fā)射功率，算法性能由搜索和排序次數(shù)，收斂速度決定。

三、自適應(yīng)OFDM技術(shù)的性能

OFDM不同的調(diào)制模式對應(yīng)不同的系統(tǒng)誤碼率，因此分析多載波OFDM技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)的組合，能提高可見光通信系統(tǒng)的靈活性和性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)1，自適應(yīng)模式符號的數(shù)據(jù)量136b，比QPSK模式多40b，盡管比64QPSK調(diào)制模式少152b，但是64QPSK的誤碼率不符合應(yīng)用系統(tǒng)要求?？梢姽馔ㄐ诺淖赃m應(yīng)OFDM系統(tǒng)的性能包括LED性能和門限電壓、直流偏置壓強(qiáng)、編碼方式、噪聲功率、抗噪聲性能、非線性影響所致信噪比。調(diào)制性能包括：調(diào)制方式、調(diào)制階數(shù)。為方式LED電壓超過門限值，因此要對OFDM信號進(jìn)行限制幅度。噪聲包括熱噪聲和散彈噪聲，以及系統(tǒng)限幅噪聲。

總結(jié)：可見光通信是光通信的新技術(shù)，可采用點(diǎn)到點(diǎn)、廣播和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。廣播方式的應(yīng)用中，LED廣告牌作為主節(jié)點(diǎn)，而多個(gè)手機(jī)可作為從節(jié)點(diǎn)，是最常見的可見光通信方式。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中央節(jié)點(diǎn)能轉(zhuǎn)發(fā)信息，與廣播方式的主節(jié)點(diǎn)不同。OFDM技術(shù)組合自適應(yīng)方法，能在子載波的實(shí)際傳輸狀況下，對信道選擇不同的調(diào)制方式，分配發(fā)送功率。因此，自適應(yīng)算法的應(yīng)用能提高可見光通信系統(tǒng)的綜合性能。在PC機(jī)之間采用可見光通信，能實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議?？梢姽饧夹g(shù)的實(shí)用應(yīng)解決的問題有： LED的頻率響應(yīng)、降低OFDM的高峰均功率比等。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黃繼鵬，李欣，欒泊等. OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析.國外電子測量技術(shù).2010（11）：31～34.

[2]曾福來，劉洛琨，朱義君等.APSK 調(diào)制在基于自適應(yīng)OFDM 的可見光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.信息工程大學(xué)學(xué)報(bào).2014（6）：293～298.