Page 27 - 网络电信2023年4月刊
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光    通    信

            扰,但偏移支路需额外添加固定直流偏量,导致系统的符号功率                         存储器中。示波器存储器中的通信数据在MATLAB中经过同步解
            和能耗较高。                                               调,完成整个点对点的通信过程。提出的这种离线方式通过自适
                针对光OFDM方案的设计问题,笔者基于自适应偏置光正交                      应偏置光正交频分复用方案验证使用光OFDM信号在室内进行可
            频分复用(Adaptively Biased Optical OFDM,ABO-OFDM)方案提     见光通信的可行性,同时有利于研究信道特性,并有助于准确分
            出了一种可见光通信数字基带系统的设计方案,来降低计算复杂                         析和找出可见光通信数字基带系统中的合适参数,最大化通信传
            度,提高传输速率,实现频谱资源与功率效率间的折中。其中,基                        输速率。
            带系统中物理层采用了特殊的帧结构设计,用于提高信道估计与                             1.3 基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通
            均衡的能力以及快速傅里叶变换窗口检测的准确性。具体地,首                         信系统离线实现
            先通过自适应偏置光正交频分复用方案的离线实现,验证使用                              首先在MATLAB中产生一组二进制源码序列,然后进行串并
            光OFDM信号在室内进行可见光通信的可行性,并确定基带系统                        转换,再进行发射信号集大小为4的正交幅度调制(Quadrature
            中使用的参数;之后,给出可见光通信数字基带系统的设计方案;                        Amplitude  Modulation,QAM)。将调制好的QAM符号映射到全部
            最后,通过现场可编程逻辑门阵列(Field  Programmable  Gate            奇载波和第2(2n+1)个偶载波(n=0,1,2,…,N/8-1)上。映射后
            Array,FPGA)搭建室内可见光通信硬件平台,实现该数字基带方                    的调制信号随即加载进入厄米特对称模块,经过N=128点的快速
            案,并通过实验测试其性能。                                        傅里叶逆变换,生成全实数的时域信号以满足可见光通信系统
                                                                 中采取的强度调制/直接检测方式。继而添加32点的循环前缀
                一、室内可见光通信系统的MATLAB离线实现                           (Cyclic  Prefix,CP)以防止码间干扰与载波干扰,并将产生的时
                1.1 自适应偏置光正交频分复用方案                               域OFDM实信号量化成16bit数据。每160点的OFDM时域信号为一
                为了在频谱资源与功率效率间进行折中,首先基于文献                    [10]  组数据符号,每一帧由前导序列和数据载荷两部分组成。前导
            中给出的自适应偏置光正交频分复用方案,设计了一个可见光通                         序列由一组OFDM数据符号长度的短训练序列(Short  Training
            信数字基带系统,并搭建了基于FPGA的室内可见光通信硬件平台                       Sequence,STS)和两组相同的OFDM数据符号组成的长训练序列
            对其进行实现和验证。与非对称限幅光正交频分复用方案不同,                         (LongTrainingSequence,LTS)构成,分别用于寻找每一帧的快速
            自适应偏置光正交频分复用方案将映射后的符号加载至全部奇                          傅里叶变换窗口位置和信道估计与均衡。数据载荷部分包含30
            载波和第2(2n+1)个偶载波(n=0,1,2,…,N/8-1)上,再经过厄米              组OFDM数据符号,用于承载用户有效的数据信息。
            特对称、快速傅里叶逆变换,转换为全实数时域信号。但是,此                             将调制后的帧数据写入初始化文件,然后导入FPGA的只读
            时的时域信号为双极性信号,尚不满足可见光通信中非负实数信                         存储器中。通过10MHz的时钟读取只读存储器中的数据,再经过
            号的需求,故需添加直流偏置。与直流偏置光正交频分复用等方                         积分-梳状级联内插滤波器,将数据送入FMC302子卡数模转换模
            案不同,自适应偏置光正交频分复用方案为时域信号添加自适应                         块接口。数字基带信号转换为模拟电信号后,被送至发射端  LED
            偏置,以提升系统功率效率。每4个采样点:x n ,x n+N/4 ,x n+N/2 ,x n+3N/4    驱动电路,经过电路的放大与滤波,通过LED将电信号转换成为强
            添加相同的直流偏置。如果4个点均为非负实数,则无需添加                          度变化的光信号。光信号经过1.5m的自由空间信道,到达接收
            直流偏置。反之,则取4个点中最小值的相反数为直流偏置                           端。接收端的光电探测器将强度变化的光信号转换为微弱的电
            的大小,既满足非负性的约束,又保证最小的额外功率。以                           信号,再经过接收端驱动电路的放大滤波、模数转换、符号同
            b n ,b n+N/4 ,b n+N/2 ,b n+3N/4 表示4个点的直流偏置大小:        步、信道估计与均衡、数字解调等操作,将接收到的比特数据与




























                b n =b n+N/4 =b n+N/2 =b n+3N/4 =-min{x n ,x n+N/4 ,x n+N/2 ,x n+3N/4 ,n=0,1,2,…,N/4-1 。       发端数据进行对比分析,评判系统的误码率性能。计算结果表






                                                            (1)  明,系统可以达到的毛比特率为8.182Mbit/s,在去除循环前缀和
                接收端将接收到的时域信号经过快速傅里叶变换,转换为频                       用于符号同步以及信道估计与均衡的序列开支后,系统可以达到
            域符号,自适应偏置根据其自身的性质,不会影响有效信息,仅会                        5.455Mbit/s的净比特率和6.511×10-4的误码率。在离线实验
            干扰被空置的子载波,即第K=4n个子载波,n=0,1,2,…,N/8-1。                中,该方案的比特率达到106级别,误码率在10-3之下,满足室内
            故而仅需在接收端进行与发射端相反的操作,再提取有效的频域                         可见光通信的需求。
            符号信息,即可得到接收端比特序列。通过与发射端原始二进制
                                                                  图１ 基于MATLAB离线实现的室内可见光通信系统实验装置
            序列的对比,计算基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光
            通信系统误码率,并评判系统性能。
                1.2 室内可见光通信系统的 MATLAB离线实现装置
                基于MATLAB离线实现的室内可见光通信实验装置如图1所
            示。首先通过Xilinx公司的KC705  FPGA       [11-12] 开发板产生基于
            OFDM的数字基带信号,然后通过FMC302子卡中的数模转换模块转
            变成为模拟电信号。之后发射端的发光二极管(Light-Emitting
            Diode,LED)驱动电路将输入的模拟电信号转换为光信号在自由
            空间中传播,光信号经过1.5m的自由空间信道,到达接收端。接
            收端采用LSSPD-3.2型号光电探测器将光信号再转换为电信号,
            电信号经过接收端驱动电路的放大和滤波操作后输入到示波器
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