薛德宽,胡爱芹,黄兴洲,位浩杰,任学智,于成龙

(中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

可见光通信系统中光源的调制技术的研究

薛德宽,胡爱芹,黄兴洲,位浩杰,任学智,于成龙

(中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

可见光通信系统中光源的选择及针对选用的光源所采用的几种常用调制方式:开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)、脉冲间隔调制(PIM)以及双头脉冲间隔调制(DH-PIM)等并对各种调制方式在平均功率消耗、带宽效率和包误码率方面进行了对比。

可见光通信;调制;LED

白光LED具有高亮度、低功耗、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点,被视为第四代节能环保型的照明光源,LED在全球照明市场中所占据的比重正逐年递增,利用LED灯进行数据传输的LED可见光通信技术愈发受到人类的重视。LED可见光通信技术采用可见光作为传输信号,因此用于无线光通信中的调制方式必须考虑无线光信道的吸收、散射以及背景噪声的影响,同时还要考虑由多径传播造成的码间串扰的影响。而对人眼安全的要求限制了光通信的平均发射功率,因而对调制方式提出了更高要求。对目前主流的调制方式在平均功率消耗、带宽效率和误时隙率方面进行了对比[1-3]。

1 可见光通信中常用的调制技术

调制(modulation)就是对信号源的信息进行处理加到载波上,使其变为适合于信道传输的形式的过程,就是使载波随信号而改变的技术。理论上在无线电领域内的调制方式都可以用在激光通信系统中,如调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)等,但考虑到应用在可见光通信系统中的LED灯的特点,一些在无线电通信领域很少使用的调制方式却常常应用于可见光通信系统中,如强度调制,即用待传输的信息直接去调制光载波的强度。

LED灯采用强度调制十分方便,通过控制LED灯两端的输入电压即可实现。直接强度调制有数字脉冲调制和模拟强度调制两种方式。模拟强度调制方式多用于语音信号的传输,直接将语音信号进行放大对LED灯进行模拟强度调制,应用范围较窄。数字脉冲调制具有实现简单、应用范围广等优点,现有可见光通信系统绝大多数使用数字脉冲调制方式。常用的数字脉冲调制方式有开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)、脉冲间隔调制(PIM)以及双头脉冲间隔调制(DH-PIM)等[5-8]。

1.1 开关键控调制(OOK)

图1 010 110 10 OOK调制示意图

1.2 脉冲位置调制(PPM)

式中符号Sk表示脉冲时隙在第k个位置。采用脉冲位置调制(PPM)方式时传输二进制的n=4位信息01011010时调制示意图如下所示。

图2 010 110 10PPM调制示意图

1.3 差分脉冲调制(DPPM)

DPPM调制方式是PPM的一种简单改进,只要把PPM信号中的“1”时隙后面的“0”时隙去掉就可以得到相应的DPPM信号。则采用差分脉冲调制(DPPM)方式时传输二进制信息010 110 10时调制示意图如下所示。

图3 010 110 10DPPM调制示意图

由于DPPM符号没有固定的时间约束,一个时隙的错误不仅影响了该时隙的信息比特,而且会传递到后续的信息比特中,所以DPPM的误码率要高于PPM。

1.4 脉冲间隔调制(PIM)

PIM调制方式与PPM调制方式唯一不同的是:PPM调试方式中的信息由光脉冲所在的位置来表示,而PIM调制方式中的信息由两个光脉冲之间的间隔时隙数来表示。PIM的一帧仍然分为L个时隙,每log2L位的二进制信息被编码为两个相邻的光脉冲之间的时隙数[9-10]。

1.5 双头脉冲间隔调制(DH-PIM)

表1 OOK符号与DH-PIM符号的对应关系

PPM到DH-PIM结构虽然越来越复杂,但是有效地提高了带宽利用率和系统的信道容量。

2 VLC调制技术的比较

令传输的峰值功率(全1)为P,且二进制信息比特的“0”和“1”等概率出现,则各种调制方式实际的传输功率可定义为传输等量的信息时发射1的概率乘以峰值功率。则开关键控调制(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲调制(DPPM)、脉冲间隔调制(PIM)和双头脉冲间隔调制(DH-PIM)的平均发射功率为如表1所示。

可以看出,对于PPM、DPPM、PIM和DH-PIM调制方式,随着调制阶数M的增加,系统的平均发射功率越来越小,其中DH-PIM是具有最高的功率利用率的调制方式。

平均带宽需求方面,DPPM、DH-PIM的带宽需求明显小于OOK和PPM调制方式,而且随着M的增加,这种带宽的优势将更加突出。因此,在相同的带宽范围内,DPPM、DH-PIM就具有更高的数据传输效率[2]。

包误码率方面,当信噪比相同时,PPM调制方法具有最低的误码率特性,其次是DPPM和DHPIM方式,OOK在误码率特性方面表现较差[4]。

表2 给定峰值发射功率为P时OOK、PPM、DPPM、PIM、DH-PIM的平均发射功率

3 结 论

文章结合可见光通信的特点分析了开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)、脉冲间隔调制(PIM)以及双头脉冲间隔调制(DH-PIM)五种常见的调制方式。其中OOK调制方式简单,不需符号同步,具有最小的带宽需求,但是平均发射功率不高,且包误码率高。在调制阶数相同时,PPM、DPPM、PIM和DHPIM的平均发射功率较小,DPPM、DH-PIM具有更高的数据传输效率,在实际应用中,应将带宽需求/平均发射功率与实际照明需求结合起来,可根据需要选择合适的调制方式,用以适应将来的室内可见光照明通信。

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Study on Light Source M odulation Techniques in Visible Light Communication System

XUE De-kuan,HU Ai-qin,HUANG Xing-zhou,WEIHao-jie,REN Xue-zhi,YU Cheng-long
(China University of Petroleum,Shandong Qingdao 266580)

It discusses several commonly used modulation in visible light communication system:OOK、PPM、DPPM、PIM、DH-PIM,and has carried on the contrast to the above severalmodulation in the average power consumption,bandwidth efficiency and packet error rate.

VLC;modulate;LED

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.010

1007-2934(2015)05-0032-04

2015-08-19