基于脉冲幅度调制的两发一收可见光通信系统 
【复旦大学迟楠教授研究团队】

        近年来,随着移动互联网、移动媒体等新型业务的发展和普及,从而使得人们需要越来越大的带宽。然而,在现有射频频段上改善技术以求提高频谱利用率的效果是有限的。所以,无线领域的研究人员不得不将通信波段向高频拓展,从毫米波到微波,甚至到太赫兹波等。而无线频谱资源已经被划分得很细致,其使用和分配有严格的管制。

        随着半导体照明技术的普及,基于LED的可见光通信技术已经引起人们广泛的关注,并逐渐成为无线光通信领域的一个热点。可见光通信技术(VLC)是利用LED灯的开关来传输信号,在实现照明的同时传输了信息。基于LED灯,VLC实现了将LED照明与通信的结合。具体细节是,通过对LED驱动电流的控制, 实现对光信号的调制,接收时通过光电二极管转换光信号为电信号,从而完成信息传输。与无线通信相比,VLC作为一种新兴的通信方式,具有许多不可替代的优势,如:绿色安全、方便快捷、保密性能好、频谱资源无需授权、应用场景多等。

        复旦大学信息科学与工程学院通信科学与工程系迟楠教授研究团队致力于解决可见光通信中的各种问题,提出各种优化算法,编解码设计和先进的调制格式。为提高传统点对点单输入单输出(SISO)可见光系统的传输速率,提出了多输入多输出(MIMO)的可见光系统。考虑到接收端系统复杂度的问题,多输入单输出(MISO)可见光通信系统则更受关注。

        本文研究了基于脉冲幅度调制(PAM)的MISO可见光通信系统,并通过实验证明了该系统在特定场景中的运用优势。此外,针对可见光通信系统中LED光源、功率放大器等关键器件存在非线性效应的问题,本文基于两发一收的2×1 MISO可见光通信系统,设计了两路低阶PAM信号在光域叠加产生高阶PAM信号的新型等概率编码映射方案。在两个LED上分别调制PAM4信号,在传输过程中通过光信号叠加产生PAM7信号。


图1  两路PAM4信号叠加生成PAM7信号的编码示意图。(a) 不等概率PAM7信号;(b) 等概率PAM7信号
 

        图1(a)是两路PAM4信号叠加生成不等概率PAM7信号的示意图。PAM4信号具有4个电平,两路信号叠加可产生新的7电平信号。理论上,每路PAM4信号发送2 bit信息,两路信号共可传4 bit信息,共16种映射方式。由于光信号在传输过程中,不同的电平叠加方案可能生成一样的新电平,故两路PAM4信号叠加产生的新信号只有7个电平,即PAM7信号。

        由于PAM7信号只需3个bit就可表示,将两路信号叠加的4 bit信息映射到3 bit 表示,以提高编码效率。生成的PAM7信号中各符号的概率不相等。其中,符号0出现的概率最大,为1/4。该信号在低电平符号的出现概率大,高电平符号出现的概率低,故平均功率降低,相应的PAPR增大。而接收端的功率放大器等器件也具有非线性特性,对于PAPR大的信号容易受到器件非线性的影响,产生畸变失真。故作者希望在接收端生成的PAM7信号是等概率的。为此,需要对发射端的两路PAM4信号进行反编码映射,调整两路PAM4信号各符号出现的概率以得到叠加后等概率的PAM7信号。

        从16个交点中选取7个点作为生成等概率PAM7信号的反映射点。如图1(b)所示,选取了相互间隔距离最大的七个点作为PAM7信号的映射,这样发射端各符号间的平均欧氏距离最大,从而减轻信号码间干扰。7个电平的概率相等,为1/7。反推回去,则两个发射端发射符号的概率不相等,每个发射端只需发送三个不同电平的符号就可在接收端产生等概率的PAM7符号。

        由图1(b)可知,三电平信号中,相邻符号间隔较小的两个电平符号出现概率较小且相等,为2/7。出现概率最大的电平符号与相邻符号的间隔较大,概率为3/7。因此,这种编码方式可有效降低信号的码间干扰。


图2  基于PAM调制的两发一收可见光通信系统框图及实验装置图

        同时,研究人员完成了实验验证(图2)。通过RGB-LED的红灯完成净比特速率700 Mb/s的传输实验系统验证,证明了此方案在实际中的可行性及优越性。

研究团队简介
复旦大学信息科学与工程学院通信科学与工程系迟楠教授研究团队,其研究方向是高速光通信和高速可见光通信,主要研究高谱效率多维多阶光调制技术和数字信号处理技术,包括各种先进调制格式,编解码方案和各种优化算法。团队研究成员有博士/硕士生二十余人。目前团队共发表论文412篇,其中SCI论文261篇,SCI累计他引2479次。迟楠教授近5年发表SCI论文154篇,SCI累计他引1832次,Google Scholar累计引用4292次,h指数32。团队还申请了专利43项(其中12项已被授权)。

相关论文
石蒙, 张梦洁, 迟楠. 基于脉冲幅度调制的两发一收可见光通信系统[J]. 光电工程, 2019, 46(5): 180306.
DOI: 10.12086/oee.2019.180306