可見光通信中高階調制格式研究

趙婷，李洪祚，宮玉琳

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

白光LED因其體積小、安全可靠、光效高、能回收利用、壽命長、發熱量低等優點，已被公認為21世紀最有發展前景的新一代革命性綠色固體照明技術。隨著各國政府對半導體照明產品發展和生產的大力鼓勵，熒光燈、白熾燈和高壓氣體放電燈等傳統光源將被白光LED取代。白光LED的另外一個突出優點是可進行高速調制以傳輸數據，可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC）由此產生，此技術跨越照明和通信兩大領域［1］。

可見光通信具有以下突出優點使其優于射頻通信和普通光無線通信：

（1）發射功率高。VLC系統中發射的是可見光，故發射功率較高；

（2）無電磁干擾。在嚴格限制電磁干擾的場合也可以使用，如空間站、醫院和飛機上等；

（3）可見光通信無處不在。高速無線數據通信可以通過安裝在任何地方的照明燈很方便地實現。

然而，也存在著一些因素限制了VLC技術的發展，其中最主要的挑戰是白光LED帶寬有限，從而限制了傳輸速率。研究者已經提出了擴展調制帶寬，提高傳輸比特率的多種技術，如藍光過濾、均衡技術、多輸入多輸出（MIMO）技術、高階調制格式、波分復用技術、離散多音調調制等。VLC系統的傳輸速率可以通過這些技術中的某種技術或者幾種技術相結合得到大大提高。

1 可見光通信系統模型

可見光通信是指利用可見光光源將要發送的數據信息加載到可見光上（波段380nm～780nm）在空氣中進行傳輸，接收端通過光電轉換器將光信號變為電信號，從而實現信息的無線傳遞?？梢姽馔ㄐ旁韴D如圖1所示：

圖1 可見光通信原理圖

在室內LED可見光通信系統中，信號傳輸信道是不確定的，LED光源分布位置不同以及光的色散效應再加上大氣中粒子散射的影響，都會導致碼間干擾（ISI），它嚴重影響系統的性能甚至引起通信失敗。在信噪比相同的條件下，MQAM與VLC系統中廣泛使用的開關鍵控（OOK），脈沖編碼調制（PCM）和副載波二進制相移鍵控（SC-BPSK）等調制方式相比誤碼率最低，同時信道復用可以滿足多用戶共享的需求，OFDM是一種高效率的調制復用方式，它抗多徑效應的效果很顯著且能很好的利用頻帶，自適應OFDM調制可以明顯降低無線光信道中噪聲對通信系統的影響，提高系統的傳輸速率。本文研究的重點就是各子載波調制為MQAM的OFDM技術來抑制多徑效應對VLC系統性能的影響。

2 MQAM

2.1 MQAM原理

當子載波采用MQAM調制時，產生OFDM信號的原理如圖2所示。速率為Rb的二進制數據經串并轉換成為N路速率為Rb/N的子數據流，每個子數據流通過各自的子載波進行MQAM調制，然后一起發送。若QAM的進制數是M，則每個子載波上

圖2 MQAM-OFDM原理圖

MQAM的信號可以用如下二維信號空間的方式表示［2］：

Φ1，Φ2是二維的正交的基本信號，Ai，Bj是基本信號的幅度。電平數為2L，并且可以用星座圖來描述。

在二維信號空間中表示的多元調制信號如MQAM信號，在加性高斯白噪聲信道傳播時接收到的信號為如下形式［3］：

噪聲可以表示為：

式（7）表示，噪聲信號可以表示成噪聲信號在二維信號空間的投影n及與二維信號空間正交的剩余分量n'(t)之和。

由于

因此，噪聲信號在二維信號空間的投影n1，n2可以用兩個獨立的高斯變量描述，每一個都為零均值。根據以上分析可得MQAM信號產生框圖如圖3所示：

圖3 MQAM信號產生框圖

2.2 MQAM星座圖分析

QAM同時利用了載波的相位和幅度來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的星座點，即可實現更高的頻帶利用率。L=6和8時MQAM的星座圖如4、5、6圖所示：

QAM星座圖對于判斷調制方式的誤碼率等有很直觀的效果。比較圖4和圖5可知，當信噪比為0dB時，由于信號受較大噪聲的影響，信號與理想亮點偏差大，誤碼率就高；當信噪比為20dB時，實際信號在信號空間的分布就非常集中了，此時誤碼率已經很低了。比較圖5和圖6可知，當信噪比相同時，信號在信號空間中分布越集中，誤碼率越低。

2.3 MQAM誤符率分析

MQAM的誤符率為［3］：

可得M=16，256，1024，4096時的誤符率如下：

利用SIMULINK仿真結果如圖7：

從仿真圖圖7可知，在Eb/No相同時，M值越大，MQAM的誤符率越大，與理論相符。盡管MQAM的誤符率會隨M增大變大，但當M＞8時，與同階的其他調制方式相比MQAM的誤符率要小得多［4］，故MQAM調制方式是實際通信中最常用的。

圖4 Es/No=0dB M=64QAM星座圖

圖5 Es/No=20dB M=64QAM星座圖

圖6 Es/No=20dB M=256QAM星座圖

圖7 MQAM調制誤碼率分析

2.4 MQAM平均功率譜密度分析

MQAM功率譜主瓣寬度為2Rs，Rs=Rb/K?？芍鬜b不變，MQAM的功率譜主瓣寬度會隨M增大而變窄，進而使其頻帶信道的頻帶利用率提高。

以Rb=100Mb/s為例，得到M=256和M=16時MQAM信號復包絡平均功率譜密度如圖8所示。

圖8 256QAM信號復包絡平均功率譜密度

由圖8可知當M=256時，f0=12.5MHz，B=2f0=25Mb/s，256QAM的頻帶利用率為：Rb/B=4bit*s-1/Hz，滿足理論值

同理由圖9得，當M=16時，f0=25MHz，B=2f0=50Mb/s，16QAM的頻帶利用率為：Rb/B=2bit*s-1/Hz，滿足理論值

圖9 16QAM信號復包絡平均功率譜密度

3 結論

本文通過SIMULINK仿真分析MQAM調制的星座圖，平均功率譜密度及誤碼率，驗證了MQAM具有頻帶利用率隨調制階數增大而提高的優勢，采用256QAM調制頻帶利用率提高為16QAM調制的2倍。

［1］熊飛嶠，敖邦乾.白光LED可見光無線通信系統的研究［J］.光通信技術，2013，1：021.

［2］Kim Y J，Li X.A Low PAPR Visible Light Communication System Employing SC-FDMA Technique［J］.Appl Math，2013，7（2）：539-544.

［3］駱宏圖，陳長纓，傅倩，等.白光LED室內可見光通信的關鍵技術［J］.光通信技術，2011，36（2）：56-59.

［4］Sung J Y，Chow C W，Yeh C H，et al.Service integrated access network using highly spectral-efficient MASK-MQAM-OFDM coding［J］.Optics Express，2013，21（5）：6555-6560.