隨著無線電頻譜變得越來越擁擠，作為一種富有前景的高速無線通信的替代方案，可見光通信 (VLC) 日益受到關注。VLC 使用發光設備（如 LED）傳輸信號，使用光電二極管接收信號。它具有許多優于射頻數據傳輸的優點，包括免許可證的寬頻譜、更好的安全性和抗電磁干擾性。
在雷恩電子和電信研究所 (IETR)，我們一直在評估 VLC 系統的各種調制方法。我們的目標是使用低成本組件構建這些系統，并在標準光照（例如典型辦公室環境中的光照）水平下優化其數據速率。在最近的項目中，我們對一個 VLC 系統進行了建模、構建和測試，該系統采用頻譜高效的無載波振幅和相位 (CAP) 調制來實現可靠的高吞吐量傳輸：184 Mbps，誤碼率 (BER) 低于 10-3。通過在 MATLAB® 中使用 Communications Toolbox™ 對此系統進行建模和仿真，我們能夠驗證試驗設置，對仿真結果和測量結果進行比較，并可視化關鍵性能指標。
VLC 系統建模
與離散多音 (DMT) 和其他調制方案相比，CAP 調制的優點是收發機結構簡單。發射機需要一對正交脈沖整形濾波器，它們在接收機端與一組匹配的濾波器配對（圖 1）。CAP 的一個有趣屬性是，信號頻譜在低頻 fc 附近發生偏移，使得產生的頻譜保持在基帶域；即，下邊帶一直延伸到 f=0。上變頻實際上是脈沖整形濾波運算的一部分，從而避免與本地振蕩器產生的載波發生混頻。
圖 1.用于 VLC 系統的 CAP 調制和解調方案
易于實現也是我們決定使用 MATLAB 對 VLC 設置進行建模和仿真的一個關鍵因素。我們的研究小組廣泛使用 MATLAB，該小組已建立一個可重用的大型 MATLAB 代碼庫，我們可以根據項目需要訪問這些代碼。此外，廣泛用于射頻通信系統開發的 Communications Toolbox 也適用于 VLC 系統，其算法和函數可節省我們系統的三個主要組件（發射機、接收機和通道）的建模時間。
在我們的發射機模型中，要傳輸的位首先轉換為 QAM 符號，然后映射到其同相和正交分量上。接下來，對這兩個分量進行上采樣，再使其通過正交濾波器，然后求和。所有這些函數 - 包括調制、上采樣和求和，以及同相和正交濾波 - 僅用幾行 MATLAB 代碼即可實現。對于無載波運算，同相濾波器和正交濾波器的沖激響應通過將標準平方根升余弦濾波器響應分別乘以余弦和正弦來實現。
接收機與發射機形成鏡像，具有匹配濾波器、下采樣和信號求和。然后，組合信號通過均衡器，以在發送到 QAM 解調器之前減輕源于 LED 頻率選擇性響應的符號之間的干擾。像發射機一樣，接收機模型也很容易在 MATLAB 中實現。
對于信道模型，我們使用偽噪聲 (PN) 序列來估計實際 VLC 通道的沖激響應。系統中的兩個主要噪聲源是接收機電路固有的熱噪聲和光電二極管中由光信號強度和環境光引起的散粒噪聲。我們在 MATLAB 中將這兩個噪聲源建模為高斯白噪聲，參數基于在實際接收機上獲得的信噪比測量值。
一旦我們對發射機、通道和接收機進行了建模，就可以運行仿真來評估整個系統的性能。在這些評估中，我們生成星座圖來檢查仿真的接收信號的質量（圖 2）。
圖 2.以 184 Mbps 速率每符號編碼 4 位的 16 CAP 信號的仿真星座圖
硬件實現和與模型的比較
當然，我們的研究不僅限于 VLC 建模和仿真；我們主要關注使用 CAP 調制的 VLC 收發機在真實世界中的實現。我們的試驗設置包括任意波形生成器 (AWG)、低成本白光 LED、聚焦光信號的透鏡、單硅 PIN (S-PIN) 光電二極管和實時示波器，用于捕獲和存儲信號以便在 MATLAB 中進一步分析（圖 3）。
圖 3.VLC 試驗設備的示意圖（左）和實物照片（右）。
為了驗證我們的 VLC 試驗設置的結果，我們將這些結果與 MATLAB 仿真結果進行比較。具體來說，我們將 BER 視為吞吐量的函數。與預期相符，BER 隨著數據速率的提高而增大。我們的試驗和仿真結果軌跡相似，真實結果顯示更高的錯誤率。我們將這些差異歸因于 LED 的非線性，但我們尚未在 MATLAB 模型中考慮這一點（圖 4）。
圖 4.試驗設置（藍色）和 MATLAB 仿真（紅色）中BER 作為傳輸速率的函數。
LED 非線性的影響建模
當將仿真星座圖與試驗星座圖進行比較時，我們注意到，由于 LED 的非線性行為，接收到的 CAP 星座圖的邊緣發生失真，這會影響整體系統性能。事實上，與輸入電流和輻射光功率相關的電光傳輸特性是非線性函數。此外，LED 非線性的影響取決于頻率，因此表現出隨信號帶寬增長的記憶效應。
為了在仿真中對 LED 非線性的影響建模，我們研究了兩個具有不同復雜度的模型。第一個是 Hammerstein 模型，它包含一個無記憶多項式，后跟一階低通濾波器（圖 5）。此模型的優點是簡單，因為多項式函數和一階低通濾波器的系數很容易測量。
圖 5.Hammerstein 模型的模塊圖
我們研究的第二個模型是基于 Volterra 級數展開式的 Volterra 模型。Volterra 級數的系數，也稱為核，不能直接確定。我們采用一種自適應算法，該算法將試驗中接收的信號與發射的信號之間的誤差降至最低，以提取最高二階的 Volterra 級數系數（圖 6）。
圖 6.Volterra 核自適應估計的模塊圖。
然后，我們用這兩個非線性模型生成仿真星座圖，并與試驗星座圖進行比較（圖 7）。我們觀察到，星座圖的右上角和左下角存在相似的輕微失真。此外，試驗中接收到的星座圖含噪稍高。雖然 Hammerstein 模型具有簡單這一優點，但對于大信號帶寬的情況，該模型的準確度不夠。而 Volterra 模型能夠更準確地表示 LED 的非線性影響。
圖 7.接收到的使用 Hammerstein 模型的仿真星座圖（左）、使用 Volterra 模型的仿真星座圖（中）和使用 135 Mbps 的 64-CAP（每個符號編碼 6 位）的試驗星座圖（右）
進一步研究的計劃
我們將繼續評估調制方案，包括 CAP、DMT 和脈沖振幅調制 (PAM)，以優化 VLC 系統。特別是，我們當前正在實現一種后失真算法，它有助于減輕 LED 的非線性帶來的不利影響。接下來，我們開始將多入多出 (MIMO) 方法應用于 VLC 通信。
隨著我們不斷改進 VLC 設計的范圍、吞吐量和穩健性，我們將研究這些設計在現實應用中的實際實現。例如，一個現實應用是辦公室環境中的頂燈裝置與嵌入或連接到工作站的設備之間的無線數據鏈路。
關于作者
Robin Le Priol，博士生；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164 和舍布魯克大學
Sylvain Haese，副教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164
Maryline Hélard 博士，榮譽退休教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164
Ahmad Jabban，副教授；INSA Rennes、IETR、CNRS UMR 6164
Sébastien Roy 博士，舍布魯克大學電氣和計算機工程系教授兼項目負責人
