Page 26 - 网络电信2023年4月刊

可见光通信数字基带系统设计及其FPGA实现

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王鹤潼 ，牛书强 ， 施会丽 ， 王平 ， 郭立新 １，２ ， 刘忠玉 ２
１．西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室；
２．西安电子科技大学 物理与光电工程学院；

摘要：可见光通信物理层主要使用的非对称限幅和直流偏置两种光正交频分复用方案，只能在频谱效
率与功率效率间选择其一。为了兼顾二者，基于自适应偏置的光正交频分复用提出了一种适于可见光通信
的数字基带系统设计方案，并通过现场可编程逻辑门阵列搭建的室内可见光通信硬件平台对该方案进行了
实现和验证。研究中首先通过自适应偏置光正交频分复用的 ＭＡＴＬＡＢ离线实现验证了使用光正交频分
复用信号在室内进行可见光通信的可行 性，并确定了数字基带系统中使用的参数。其次给出了可见光通信
数字基带系统的设计方案。最后基于该 方 案，通过现场可编程逻辑门阵列搭建了室内可见光通信硬件平
台，并对收发端主要模块进行介绍。测试表明所提出的可见光通信数字基带系统有效提高了频谱资源利用
率，降低了系统能耗。其中物理层特殊的帧结构设计提高了快速傅里叶变换窗口检测的准确性和信道估计
与均衡的能力，从而有效降低了误码率，保证了通信传输速率，进而提升了数字基带系统的整体性能。
关键词：正交频分复用；可见光通信；现场可编程逻辑门阵列；数字基带

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可见光通信 (VisibleLightCommunication,VLC)以其丰 增加 。非对称限幅光正交频分复用和脉冲幅度调制离散多音
富的频谱资源、高速率与高效率的传输特性、安全可靠与绿 两种方案能量效率较高,却仅利用了一半的频率资源[7]。为了
色节能等不可比拟的优越性,深受国内外广大科研工作者的青 充分发挥传统光OFDM方案的优势,近年来研究人员从理论的角度
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睐,成为一种备受瞩目的新兴无线通信技术 [1-3] 。正交频分复用 提出了多种新型的光OFDM混合调制方案。文献 中提出的混合
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)作为 非对称限幅光正交频分复用(Hybird Asymmetrically Clipped
可见光通信中关键的物理层技术,具有高传输速率、高频谱利 Optical OFDM,HACO-OFDM)方案分别在奇偶子载波上采用非对称
用率、低干扰、低计算复杂度等诸多优势 [4-5] ,在4G通信中独占 限幅光正交频分复用和脉冲幅度调制离散多音技术,以增加频谱
鳌头,也是5G通信中主要使用的物理层技术之一。在可见光通 利用率。但是削峰噪声会对偶载波中频域符号虚部上承载的有
信系统中,光OFDM技术仅支持传输非负实数信号。因此,研究人 效信息产生影响,因此需提前估算并移除削峰操作的干扰,再对
员提出了3种经典的光OFDM方案,即非对称限幅光正交频分复用 接收到的频域符号进行解调。这使得接收端需要额外进行一次
(Asymmetrically Clipped Optical OFDM,ACO-OFDM),直流偏置 快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)和快速傅里叶
光正交频分复用(Direct Currentbiased Optical OFDM,DCO- 逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT),从而增加了
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OFDM)和脉冲幅度调制离散多音(Pulse Amplitude Modulation- 系统的计算复杂度和时间成本。文献 中提出的增强型光正交
Discrete MultiTone,PAM-DMT),将传统射频通信中的双极性复 频分复用/偏移正交幅度调制(Enhanced Optical OFDM/Offset
OFDM 信号转换为非负实数信号。其中,直流偏置光正交频分复 Quadrature Amplitude Modulation,EO-OFDM/OQAM)方案分为常
用方案频谱效率较高,但需添加额外的直流偏量,使得系统功耗 规与偏置两条支路。该方案提高了频谱效率,且不受削峰噪声干

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