張士灝　湯璇　林邦姜　張敏　李藝偉

摘要對(duì)3種室內(nèi)可見光通信傳輸技術(shù)的數(shù)字信號(hào)處理方法（DSP），包括正交頻分復(fù)用（OFDM）、單載波頻域均衡（SCFDE）與單載波頻分復(fù)用（SCFDM）進(jìn)行了對(duì)比分析.通過(guò)峰值功率比（PAPR）和計(jì)算復(fù)雜度比較了3種方法的優(yōu)劣.分析結(jié)果表明，SCFDE和 SCFDM具有較低的PAPR，但SCFDM計(jì)算復(fù)雜度較高.此外，還使用白光LED燈針對(duì)3種調(diào)制解調(diào)方法建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在VLC傳輸系統(tǒng)中，由于低PAPR特性，使得SCFDE和SCFDM在誤碼率（BER）和Q值方面的性能優(yōu)于OFDM.關(guān)鍵詞可見光通信；單載波頻域均衡；單載波頻分多址；正交頻分復(fù)用；峰均值功率比

中圖分類號(hào)TN20

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

白光LED可用于照明與通信的特點(diǎn)，使得可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術(shù)成為近年來(lái)研究熱點(diǎn).VLC與射頻技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，如能源效率高、無(wú)需授權(quán)頻譜、無(wú)RF干擾以及安全保密性高等[15].結(jié)合以光信號(hào)為載波的空間傳輸模式，可見光通信（VLC）可開拓豐富的光譜資源，為新一代大容量移動(dòng)通信的系統(tǒng)提供了解決方案.

正交頻分復(fù)用 （Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)具有傳輸效率高、有效對(duì)抗多徑衰落、消除ISI、信道利用率高等特點(diǎn)[6]，不但在射頻領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且也成為無(wú)線光通信研究領(lǐng)域高速通信的關(guān)鍵技術(shù)[710].然而，在OFDM系統(tǒng)中復(fù)合包絡(luò)是多個(gè)子載波信號(hào)的疊加，信號(hào)的包絡(luò)變化劇烈，高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）對(duì)驅(qū)動(dòng)器的線性要求很高[11].在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，發(fā)射端光源LED IV特性呈非線性，受數(shù)模轉(zhuǎn)化器有限字長(zhǎng)效應(yīng)等限制，會(huì)對(duì)OFDM系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的影響.為了降低PAPR，克服OFDM的峰均功率比值過(guò)大的問(wèn)題，文獻(xiàn)[12]提出了利用SCFDE（單載波頻域均衡）調(diào)制方法.除此之外，文獻(xiàn)[13]提出的SCFDM（單載波頻分復(fù)用）也是一種高數(shù)據(jù)速率、高頻譜利用率的無(wú)線傳輸方案.

目前，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)對(duì)OFDM、SCFDE和SCFDM進(jìn)行了分析研究[1215].然而，在室內(nèi)VLC場(chǎng)景下，尚未見此類研究.此外，以往的研究是基于理想的加性高斯白噪聲（AWGN）信道前提下的仿真分析，本文則通過(guò)仿真分析，比較3種數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方法的PAPR以及計(jì)算復(fù)雜度，進(jìn)而設(shè)置具體實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)比分析了3種方法的實(shí)用性能.

1PAPR及計(jì)算復(fù)雜度性能分析

OFDM 符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)疊加而成的，當(dāng)各個(gè)子載波相位相同或者相近時(shí)，疊加信號(hào)便會(huì)受到相同初始相位信號(hào)的調(diào)制，從而產(chǎn)生較大的瞬時(shí)功率峰值，由此帶來(lái)較高的峰值平均功率比（PAPR），簡(jiǎn)稱峰均比.峰均比超過(guò)某一給定門限值的概率，即互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）是最常用來(lái)衡量PAPR的指標(biāo).本文基于QPSK星座映射，子載波數(shù)為256，對(duì)OFDM、SCFDM 和 SCFDE系

表1可以看出，OFDM和SCFDE有相同的、較低的計(jì)算復(fù)雜度，有利于LED驅(qū)動(dòng)器的上行傳輸.相比之下，SCFDM具有最高的計(jì)算復(fù)雜度.對(duì)于典型值M=256，OFDM（SCFDE）和SCFDM系統(tǒng)乘法除法運(yùn)算量分別為2 304和4 352.相對(duì)于SCFDM，OFDM和SCFDE的系統(tǒng)復(fù)雜度為其529%.

2實(shí)驗(yàn)建立與結(jié)果分析

為了進(jìn)一步考察3種系統(tǒng)在室內(nèi)VLC場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)傳輸性能，本文進(jìn)行了具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

在發(fā)射端，OFDM、SCFDE和SCFDM基帶信號(hào)進(jìn)行3次上采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字IQ調(diào)制.總子載波數(shù)為1 024，其中724子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，循環(huán)前綴（CP）和循環(huán)后綴（CS）的大小為16.生成的波形上傳至任意波形發(fā)生器（AWG），設(shè)采樣率為5 MS/s，利用Bias Tee結(jié)合電信號(hào)與直流（DC）信息，發(fā)射機(jī)采用市售的磷光白光LED（Cree XLamp xhp50）作為光源，LED調(diào)制帶寬小于10 MHz，LED的IP（電流功率）特性曲線如圖3所示.接收端利用商用硅固定放大檢測(cè)器Thorlabs PDA10A將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào).檢測(cè)器的輸出信號(hào)由實(shí)時(shí)數(shù)字示波器記錄，采樣信號(hào)進(jìn)行離線解碼.

圖4和圖5分別為OFDM、SCFDE和SCFDM的誤碼率（BER）、Q因子與傳輸距離之間的關(guān)系.該試驗(yàn)基于QPSK星座映射.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SCFDE系統(tǒng)具有最佳的傳輸性能，OFDM的傳輸性能最差.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，OFDM具有高的PAPR，因瞬時(shí)光功率峰值而引起較強(qiáng)的非線性損壞.由圖5可以看出，隨著距離的增加，Q值越來(lái)越低.

3結(jié)束語(yǔ)

本文基于室內(nèi)VLC系統(tǒng)，在LED的非線性特性和無(wú)線光信道色散性質(zhì)下，對(duì)OFDM、SCFDE和SCFDM 3種技術(shù)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明，發(fā)射端SCFDE系統(tǒng)具有低的PAPR和復(fù)雜性，有利于實(shí)現(xiàn)傳輸.OFDM的計(jì)算復(fù)雜度與SCFDE相等，但具有最高的峰均比，受傳輸系統(tǒng)非線性影響較大，導(dǎo)致較高的誤碼率.SCFDM較OFDM有更低的PAPR，BER和Q因子的性能表現(xiàn)良好，可以較好地抑制PAPR，降低非線性效應(yīng)的影響，但是VLC傳輸過(guò)程中具有最高的計(jì)算復(fù)雜度.

參考文獻(xiàn)

References

[1]Kashani M A，Kavehrad M.On the performance of singleand multicarrier modulation schemes for indoor visible light communication systems[J].IEEE Global Communications Conference，2015，34（3）：20842089

[2]Yang S H，Jeong E M，Kim D R，et al.Indoor threedimensional location estimation based on LED visible light communication[J].Electronics Letters，2013，49（1）：5456

[3]Ma X X，Lee K，Lee K.Appropriate modulation scheme for visible light communication systems considering illumination[J].Electronics Letters，2012，48（18）：11371139

[4]Huang X X，Wang Z X，Shi J Y，et al.16 Gbit/s phosphorescent white LED based VLC transmission using a cascaded preequalization circuit and a differential outputs PIN receiver[J].Optics Express，2015，23（17）：2203422042

[5]Wang Y Q，Wang Y G，Chi N，et al.Demonstration of 575 Mb/s downlink and 225 Mb/s uplink bidirectional SCMWDM visible light communication using RGB LED and phosphorbased LED[J].Optics Express，2013，21（1）：12031208

[6]Wang Z X，Yu C Y，Zhong W D，et al.Performance of a novel LED lamp arrangement to reduce SNR fluctuation for multiuser visible light communication systems[J].Optics Express，2012，20（4）：45644573

[7]Kimura H，Asaka K，Nakamura H，et al.Energy efficient IMDD OFDMPON using dynamic SNR management and adaptive modulation[J].Optics Express，2014，22（2）：17891795

[8]Wang Y Q，Shao Y F，Shang H L，et al.875 Mb/s asynchronous bidirectional 64QAMOFDM SCMWDM transmission over RGBLEDbased visible light communication system[C]∥Optical Fiber Communication Conference，2013：13

[9]Azhar A H，Tran T，OBrien D.A Gigabit/s Indoor wireless transmission using MIMOOFDM visiblelight communications[J].IEEE Photonics Technology Letters，2013，25（2）：171174

[10]Tsonev D，Chun H，Rajbhandari S，et al.A 3 Gb/s singleLED OFDMbased wireless VLC link using a Gallium Nitride[J].IEEE Photonics Technology Letters，2014，26（7）：637640

[11]Elgala H，Mesleh R，Haas H.Indoor broadcasting via white LEDs and OFDM[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2009，55（3）：11271134

[12]Li H L，Chen X B，Guo J Q，et al.A 550 Mbit/s realtime visible light communication system based on phosphorescent white light LED for Practical highspeed lowcomplexity application[J].Optics Express，2014，22（22）：2720327213

[13]Wang Y G，Huang X X，Tao L，et al.45 Gb/s RGBLED based WDM visible light communication system employing CAP modulation and RLS based adaptive equalization[J].Optics Express，2015，23（10）：1362613633

[14]Cossu G，Khalid A M，Choudhury P，et al.34 Gbit/s visible optical wireless transmission based on RGB LED[J].Optics Express，2012，20（26）：501506

[15]Dang J，Zhang Z，Wu L.A novel receiver for ACOOFDM in visible light communication[J].IEEE Communications Letters，2013，17（12）：23202323

AbstractIn this paper，we investigate and compare the performance of three digital signal processing （DSP） based transmission technologies for indoor visible light communication （VLC）.These schemes include orthogonal frequency division multiplexing （OFDM），single carrier frequency domain equalization （SCFDE），and singlecarrier frequency division multiplexing （SCFDM）.Particularly，we analyze their peaktoaverage power ratio （PAPR） and computational complexity for comparison.Our results indicate that SCFDE and SCFDM system have relatively low PAPR while SCFDM has the highest complexity.Besides，we present a hardware prototype for the three modulation methods using a white LED lamp.Experimental results show that，due to their low PAPR，SCFDE and SCFDM outperform OFDM in aspects of bit error rate （BER） and Q factor performances in VLC transmission.

Key wordsvisible light communication；single carrier frequency domain equalization；singlecarrier frequency division multiplexing；orthogonal frequency division multiplexing；peak to average power ratio