（通信与信息系统专业论文）照明光通信的信道特性与分集效果分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 作为无线光通信的一个重要分支，利用照明系统进行通信正在受到越来 越多的关注。本文着眼于推动照明光通信技术的发展进程，对亟待解决的若 干问题进行研究与分析，为使其早日实现实用化做出努力。 从无线光通信系统的整体入手，首先介绍了系统模型，并阐述了数字传 输系统的工作方式和主要编码调制方案。以此为基础，介绍了可见光l e d 照 明技术，并说明了其用于通信的特点、优势及应用。之后探讨了照明光通信 技术的核心器件一照明用可见光l e d 的若干特性，主要包括光源的工作方 式、谱功率分布、发射方向性等几个方面。 为了推动照明光通信技术的发展，首先针对需要面对的主要问题进行了 论述：分析了室内反射环境以及信号的多径传播对接收信号产生的影响：研 究了以阳光为主的背景光噪声特性、室内光照的不均匀性和各向异性特征， 并对系统整体性能进行了评估。然后以角度分集技术作为解决方案，分析了 其在信号的接收和接收机输出信噪比等方面的应用效果，比较了三种常用合 并方式的性能差异，并对角度分集技术的有效性进行了验证。结果表明：接 收到的直射信号能量占据了接收能量的绝大部分，丽信号脉冲的展宽严重限 制了高速系统的性能，并且在空间的不同位置具有不同的展宽幅度；作为主 要系统噪声的背景光，不仅是使系统产生误码的主要因素之一，还间接地影 响了系统光源的选择；除此之外光照的不均匀性和各向异性特征在对系统提 出更高要求的同时，也为应用角度分集技术提供了空间。角度分集技术可有 效减小信号的脉冲展宽并减弱噪声，进而明显改善系统性；在输出信噪比的 对比测试中，m r c 合并方式表现最好，可以作为高性能系统的第一选择。同 时e g c 也有不错的性能，在系统复杂度较为敏感的应用中可成为m r c 的替 代方案。而s c 方式和前两者相比有着较大差距，因此一般不建议选用。 关键词：照明光通信；背景光噪声；多径效应；各向异性；角度分集 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sab r a n c ho fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o nu s i n g l i g h t i n g s y s t e mh a sb e e nr e c e i v e dm o r ea n dm o r ec o n c e m s t h i sa r t i c l em a i n l yf o c u s e so n t h ed e v e l o p m e n ta n dd i s c u s s e ss e v e r a lc r i t i c a lp r o b l e m so ft h et e c h n i q u e b e g i n n i n gw i t hw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，t h es y s t e mm o d e la n dt h e o p e r a t i o nm o d ea n dt h em o d u l a t i o ns c h e m eo fd i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mw e r e f i r s ti n t r o d u c e d t h e nt h e l e d - l i g h t i n gt e c h n i q u ea n d i t s c h a r a c t e r i s t i c s ， a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o n sw e r ei l l u s t r a t e d a f t e rt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o r e c o m p o n e n t , v i s i b l e - l i g h tl e d ，w a sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gs o u r c eo p e r a t i o nm o d e ， s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o na n dd i r e c t i v i t y f o rp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fl i g h t i n gl i g h tc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ， s o m ee x i s t e d p r o b l e m s ，t h e i n d o o rd i f f u s e c i r c u m s t a n c e ，t h em u l t i p a t h p r o p a g a t i o no fl i g h ts i g n a l ，t h eb a c k g r o u n d - l i g h tn o i s ea n dt h ea n i s o t r o p yo f r e c e i v e dl i g h t ，w e r ef i r s td i s s e r t a t e da n da n a l y z e d t h e nt h ea n g l ed i v e r s i t yw a s e m p l o y e da st h es c h e m e ，a n di t se f f e c t si ns i g n a lr e c e i v i n ga n dc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s ei m p r o v i n gw e r ea n a l y z e d a f t e rt h a tac o m p a d s o no ft h ep e r f o r m a n c e b e t w e e nt h r e ec o m b i n i n gt e c h n i q u e sw a sp r e s e n t e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n ， a n dt h ev a l i d i t yo ft h ea n g l ed i v e r s i t ys y s t e mw a sv a l i d a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h er e c e i v e dp o w e ro ft h ed i r e c tc o m p o n e n tt a k e so v e r7 0 o ft h et o t a lr e c e i v e d p o w e r , a n dt h et i m e d e l a ys p r e a dl i m i t st h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - s p e e ds y s t e m s e r i o u s l y a st h em a i ns y s t e mn o i s e ，b a c k g r o u n dl i g h tn o to n l yi st h ep r i m a r y f a c t o rw h i c hc a u s e st h eb i te r r o r s ，b u ta l s oe x e r t sa ni n f l u e n c eo nt h ec h o i c eo f s y s t e ml i g h ts o u r c e t h ee x i s t e n c eo fa n i s o t r o p yp r o v i d e saw o r k i n gs p a c ef o rt h e a n g l ed i v e r s i t yt e c h n i q u e ，w h i c hc o u l dr e d u c et h et i m e d e l a ys p r e a da n dp r o v i d e s u p p o r tf o ri m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h ec o m p a r i s o nt e s t ，t h em a x i m a l r a t i oc o m b i n i n ge x h i b i t e dt h eb e s tp e r f o r m a n c ea n dc o u l db eu s e da st h ef i r s t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c h o i c ei nh i g h s p e e ds y s t e m t h ee q u a lg a i nc o m b i n i n ga l s os h o w e dag o o d p e r f o r m a n c ea n dc o u l db eu s e da sa na l t e r n a t i v es c h e m ei n t h es y s t e mt h a ti s s e n s i t i v et oc o m p l e x i t y c o m p a r i n gw i t ha b o v et w ot e c h n i q u e s ，t h es e l e c t i v e c o m b i n i n gh a dal o wp e r f o r m a n c ea n dw a s n o tr e c o m m e n d e d k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o nu t i l i z i n gl i g h t i n g - s y s t e m ；b a c k g r o u n d l i g h tn o i s e ； m u l t i p a t he f f e c t ；a n i s o t r o p y ；a n g l ed i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创，l - 生声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 l 一 作者( 签字) ： - + 悼4 日期： 幻d 9 年。弓月晤日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：囱卑月 日期：；z o o 罗年3 月心日 导师( 签字) ：嗜麦午 1 0 0 罗年3 h i s e i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线光通信 1 1 1 概述 长久以来，电子工程师一直在为实现梦寐以求的全面互联理念而不懈努 力。相关技术已经取得了令人瞩目的发展，如今通过笔记本电脑、掌上电脑 或其他数码设备利用w i f i 技术收发信息和文件的人已有数亿之多。终端用 户在摆脱了固定连接电缆束缚的同时，也越来越希望能够享受无线宽带上网 服务。但是现有的无线网络技术还不尽如人意，即使是w i m a x 这种速度更 快的无线技术也不太适用于建筑物内部的宽带通信，因为它只能供狭小空间 内的少数用户使用。 在有线通信领域，光纤通信技术凭借其所提供的超高带宽及强抗干扰能 力成为大容量超高速通信的首选方案。人们自然不希望光的通信潜能只被局 限在纤细的多层玻璃丝中。光在无线通信应用中的广阔前景促使越来越多的 研究人员投入到这个全新的研究领域，光通信技术也渐渐地成为了一个可选 的无线通信方式1 1 吲。 无线光通信技术的一个重要研究方向就是在室内提供无线宽带连接。早 在2 0 世纪8 0 年代初，i b m 苏黎士研究实验室的工程师就设计出了第一套实 用的无线光网络系统。不过当时对无线宽带通信的需求尚未提上日程，使得 这项技术在随后十多年的时间里一直无人问津。不过互联网的迅猛发展和对 通信带宽需求令人瞠目的增长已经让我们看到了这种技术的应用价值。 图1 1 给出了室内无线光通信系统的结构示意图。在这类系统中，传送 数据的是光波( 光子) ，而不是波长较长的无线电波或微波。这种目前正在迅 速发展的新技术拥有几个主要优势，使其特别适合于面积较大且有多个宽带 用户近距离工作的办公场所：1 光束所覆盖的通信区域是不受常规电磁干扰 的，可以为多个用户提供巨大的带宽；2 光不同于波长较长电磁波，它无法 穿透墙壁，这就保证了通信几乎百分之百的安全。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 室内无线光互联 手机、p d a 和笔记本电脑等便携式终端应该能够获得高速有线网的所有 业务h ，”。但与相应的有线产品不同，便携式设备在功耗、尺寸及重量大小等 方面受到较大限制。开发井生产满足上述要求、实现高速且廉价通信的便携 式无线光通信通信设各已成为各研究机构及终端厂商的长期目标。 短距离个人通信需求具有强劲的增长势头，可以说在室内环境下的应用 才是推动无线光通信技术不断发展的真正动力，本文也将重点集中于对室内 光通信技术及其相关问题的论述。 1 12 室内无线光通信 基本的无线光通信系统由发射机、接收机及传播媒介三部分组成，其中 传输媒介主要是室内空间。在另外两个部分中，二极管均扮演者极为重要的 角色。发射机使用发光二极管( 1 i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 或激光二极管( 1 a s e r d i o d e ，l d ) 将电信号转化为光信号，而p i n 光电二极管( p i nd i o d e ) 或雪 崩光电二极管( a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，a p d ) 则在接收端检测光信号并将其 重新转换为电信号。 1 红外通信与可见光通信 具体使用何种介质作为信息的载体是设计光通信系统时首先要考虑的问 题之一。在室内光通信技术中，光源的选择可以用波长进行划分，比较理想 的选择是波长较长的近红外光与波长较短的可见光。 臻鼬 窭 、| 5懈 哈尔滨工程大学硕士学位论文 利用红外光进行通信早已不是什么新技术了，这样的设备除了我们经常 使用的红外遥控器之外，还包括广泛应用于个人电脑、移动电话和p d a 上的 红外信息接口等。这种红外接口的工作距离通常较短且传输速率不高，还不 具备替代现有射频无线通信技术的能力。然而近几年来，设计并实现室内高 速红外无线网络的相关研究不断取得进展，使人们看到了利用红外光进行高 速通信的可能。在实验室中，某些系统已可以使传输速率达到g b p s 量级， 初步具备了和传统射频技术竞争的实力。 红外通信领域的研究起步较早，技术成熟，实用化程度也比较高。但另 一种光通信技术可见光通信将很有可能在未来取代红外通信的地位， 成为主要的无线光通信技术解决方案。这种技术主要基于以可见光l e d 为光 源的照明系统，除具备红外通信的主要特征外，还有一些自身独有的特点： ( 1 ) 基于室内照明系统使得其安装与配置过程相对简单，构建成本较低； ( 2 ) 照明灯架设位置通常会让灯光可以照亮室内各处，这就间接地减弱了 在一般光通信系统中相当明显的阴影效应，提高了通信的稳定性； ( 3 ) 基于照明系统还使其可以方便地与电力线宽带网络相连接，提供便捷 的宽带接入服务。 2 数据传输技术 a l o s b d i f f u s e 黑、 黑 四 、 、， 。墨 崮凼 ， 、 7 ， j ， ， 一一7 7 。 k 一- _ l 一 - - - 一 ， 甾篙管酯 ， 、 ， 、， 凶酯 图1 2 室内无线光通信传输设置 选定光源种类之后，需要为系统设置一个合适的工作方式。室内光通信 系统可以使用多种传输技术，我们可以从发射机和接收机之间是否存在直接 链路方面将其分为直射传输和漫反射传输两大类【6 1 。图1 2 表示出了这两种典 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型传输技术的设置方式。这些工作方式可以单独使用，也可以混合在一起组 成定向、非定向或集群系统。 ( 1 ) 直射传输( 1 i n eo f s i g h t ，l o s ) 光信号不经反射，直接由发射机到达接收机，如图1 2 a 所示。直射传输 设计可实现最大的功率效率和最小的多路失真。但同时其直射光链路也很容 易被障碍物所遮挡，这在一定程度上限制了其应用。 ( 2 ) 漫反射传输( d i f f u s e ) 发射机向漫反射面发射信号，经过若干次反射后到达接收机。这种设计 无疑为终端用户带来了极大方便。即使发射机和接收机之间存在障碍物时也 能使链路继续正常工作。但这种系统需要较大的发射功率，接收机也要有较 大的接收范围。这将带来一系列问题：更大的接收范围将接收到更多的背景 光噪声，同时也将接收到更多的多径信号，造成更严重的信号畸变。 3 光通信与射频通信 我们无时无刻不被包围在各种无线网络中，如在个人无线网络技术领域 已成为普遍标准的8 0 2 1 l a b g 标准，以及采用m i m o ( m u l t i p l e i n p u ta n d m u l t i p l e o u t p u t ，多输入多输出) 技术、将成为未来主流射频通信方案之一的 8 0 2 1 1 n 标准等。这些技术已经可以实现每秒数十，甚至数百兆比特的传输速 率。尽管如此，无线光通信技术仍然有其存在的必要性。除了其所能带来的 g b p s 级超高带宽外，无线光通信与传统射频通信相比还具有一些特殊的优势。 。 首先，不同光信号间一般不会产生严重的干扰。这意味着基本上不用在 意不同设备间的冲突问题，这也为复用技术的应用打下了基础。相比之下， 射频通信会受到工作于相近频率、发射于不同设备( 有时甚至是同一设备) 的信号的强烈干扰，因此工作频率的使用需要通过专门的部门进行统一管理， 要进行射频通信须先取得相关许可。即便如此，现有射频频带也已拥挤不堪。 其次，由于光波一般不会发生相消干涉，且光电检测器“较大的接收面积 又能间接达到分集的效果，所以无线光通信对多径衰落并不敏感。而在射频 通信中，衰落却是限制系统性能的一个主要因素。最后，也是与射频通信最 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大的不同，就是用于通信的光载波无法穿透墙壁等障碍物，这就从根本上消 除了“隔墙偷听”的可能，为安全通信提供了保障。 无线光通信自然也有其弱点，困扰射频通信的一些问题同样也存在于在 光通信技术中，只是表现的形式有所不同【7 1 。太阳与人造光源带来的背景光 是光通信系统中的主要的噪声，这些噪声会严重影响光信号的接收【8 ，9 1 ，迫使 系统提高发射功率；而多径效应会使相邻的光脉冲发生交叠，产生码间干扰 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，造成误码率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) 升高， 限制了传输速率的提高【6 ，l o 】。另外光源的发光强度是否会对人眼与皮肤造成 伤害也是需要考虑的方面之一【i l 】。 1 2 研究历史与动态 自2 0 世纪7 0 年代以来，人们已经在如何利用光载波实现高速室内无线 数据传输方面做了大量的研究。1 9 7 9 年，人们开发出了第一套室内无线光通 信系统。这套系统由于所用的光源是无定向红外光源，因此被称之为红外漫 反射系统。从那时起，已经有数套使用红外光源的系统成功地实现了商业化 应用。廉价的光电设备的发展，正是这些系统得以应用的关键。过去的几年 里，从简单的家庭远程控制到更复杂一些的无线局域网领域，室内无线光通 信系统已经开始了其初步的应用【1 2 】。 在红外波段，现在的研究主要集中在调制技术的选择以及多径效应的抑 制等方面。由于对人眼安全性和移动设备便携性的要求，无线光通信的发射 功率受到很大限制。这就需要尽可能提高峰值功率和平均功率的比值( 峰平 比，p a p r ) ，而功率效率的提高通常伴随着带宽效率的降低。因此，应用方 案的构建存在一个带宽需求和功率效率的平衡。另一方面，多径传输导致的 码间干扰( i s i ) 会严重损害系统性能，高速宽带传输系统所受影响更为严重。 在信息的调制方面，现有调制技术主要包括p p m 、p i m 、d p p m 、d a p p m 、 d a p i m 等，其中在传输中采用p p m 调制技术的研究较多【1 3 15 1 。研究表明， 当i s i 严重时，对于相同的位分辨率，d a p i m 可获得比p p m 和p i m 低的误 哈尔滨工程大学硕士学位论文 码率。为了更好地实现多用户通信，人们还引入了其它一些技术，比如t u r b o 编码、c d m a 码分多址技术和o t d m 光时分复用技术等【1 6 ，1 7 1 。由于t u r b o 码具有较好的纠错性能，因此有望应用于光p p m 通信中来提高系统性能。 a b d a l l a hs a i da l a h m a r i 的博士论文，“t u r b oc o d e dp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o nf o r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ”，对t u r b o 和p p m 在无线光通信中的结合进行了分析 和论述，提出一种改进的调制方案2 l 2 p p m ，实现比o o k 、p p m 、m p p m 更 好的性能。 除此之外，信号发射与接收部分的结构也实现了一些创新。其中，美国 的研究人员提出了一种使用全息透镜的新方案。这种方案使用一组光束来传 输数据，这些光束由一个特殊的全息透镜生成，携带完全相同的信息。在接 收端，接收机通过“蝇眼式”全息透镜接收信号，将来自不同方向的信号引 导到不同的光电检测器上，起到分集的效果。 室内l e d 可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中。日本 k e i o 大学的t a n a k a 等人和s o n y 计算机科学研究所的h a r u y a m a 在2 0 0 0 年 提出了利用可见光l e d 作为光源进行信息传输的室内通信系统。他们以 g f e l l e r 和b a p s t 的室内光传输信道为传输模型i 嘲，将信道分为直接信道和反 射信道两部分，认为l e d 光源满足朗博( l a m b e r t i a n ) 辐射形式，并以光强 调制直接检测( i m ，d d ) 方式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及 接收功率等之间的关系，认为传送数据率为1 0 m b p s 以下的系统是可行的。 2 0 0 1 年，t a n a k a 等人在原来的基础上分别采用o o k - r z 与o f d m 调制方式 对系统进行了仿真。结果表明：当传送数据率在l o o m b p s 以下时这两种调制 技术都是可行的，当数据率大于l o o m b p s 时，o f d m 调制技术优于o o k r z 调制技术【1 9 l 。2 0 0 5 年，k o m i n e 等人利用基于最小均方误差算法的自适应均 衡技术来克服i s i ，仿真表明在数据率为4 0 0 m b p s 以下时，f i r 均衡器和d f e 均衡器都可有效减少i s i 的影响，当数据率高于4 0 0 m b p s 时，d f e 均衡器更 能有效克服码间干扰( i s i ) 。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 研究目的及主要内容 本文相关研究的目的，是建立一种相对完善的可见光通信系统模型，并 在此基础上较为深入地探讨一些室内可见光通信技术发展道路上亟待解决的 问题。这些问题主要集中在多径效应、背景光噪声和各向异性信道等三个方 面。同时通过计算机仿真，对角度分集技术在无线光通信技术中的应用效果 进行研究，并对这种技术的有效性进行验证。 本文主要分为无线光通信、室内通信环境以及角度分集接收技术三个部 分。其中第二章将概括介绍无线光通信系统的模型、模拟和数字传输系统的 主要特性以及无线光通信技术中使用的主要编码调制技术。第三章开始对可 见光无线通信方面的论述。首先由可见光通信的总体特征入手，之后转向可 见光通信的一个重要分支照明光通信技术，主要介绍了其工作方式和光 源的主要特性。 第四章首先建立了信道模型并对信道冲激响应进行了仿真计算与分析； 之后研究了三种主要背景光噪声的功率分布特征，以及由人造光源所产生的 震荡干扰等因素；然后对室内光照的均匀性差异和各向异性特征进行了研究； 最后从误码率等方面对系统性能进行了整体分析。 本文最后一章针对照明光通信技术中现存的一些限制系统性能的因素， 选择角度分集技术为解决方案，主要对其在抑制信号的时延扩展、减弱信号 噪声和提高接收机输出信噪比等三个方面的应用效果进行了研究与分析，并 对其有效性进行了评估。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线光通信系统 2 1 无线光通信系统模型 基本的无线光通信系统结构如图2 1 所示，从中可以清楚地了解系统的 主要组成部分。作为对无线光通信系统的总体描述，此图同时适用于模拟与 数字调制系统。 图2 1 系统结构图 现有无线光通信系统几乎都使用非相干检测技术，其中最常使用的便是 i m d d ( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ，光强调制直接检测) 方式。在 发射端，二进制数据或模拟幅度信号直接驱动l e d 发光( 只有极少数室内无 线光通信系统使用l d ，这种设备需要使用特殊的透镜使其发出的光可以到 达室内各处) ；信息以光强的形式通过光信道传输到接收端，在接收端用光电 检测器直接对光信号进行检测。 光电检测器的输出通常为电流信号，幅度的变化反映了接收光强的变化。 这个电流信号在通过放大器和滤波器等设备的“预处理”后，通常还要经过 电流电压变换被转化为电压信号以便后续操作，如门限判决、脉冲整形和时 钟恢复等。 对于模拟系统，首先要在光源线性输出区域接近中点处设置偏置点，模 拟信号才可以利用某种调制技术加以发送( 如图2 2 中厶所示) 。在这种系统 中，光强直接调制方式通过简单地改变偏置点周围的电流，使光源发出的光 强度与信号电平成比例，信息直接以基带方式实现传输。 设无信号输入时，输出光强为只，则当调制光源的模拟信号为s ( o 时， 输出的光信号尸( f ) 可表示为： p ( t ) = 掰1 + 脚( f ) 】 其中m 为调制指数，定义为： 8 ( 2 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 朋：竽 ( 2 2 ) ； 对于l e d ，本式中= 厶；而对于l d ，= 厶一厶，其中厶为l d 的阈值电 流。在模拟系统中，m 的典型值约为o 2 5 0 5 。变量为输入信号电流相对 于偏置点的变化量，为防止输出信号失真，调制操作必须限制在光源输出的 线性部分。 ，、 瓷 、_ 一 糌 督 装 弭 集 图2 2 模拟调制 模拟传送的主要目标是在尽可能减小波形畸变的情况下将光源发出的光 信号可靠地传送到接收机。发送信息的另一种方式是以数字形式进行传送， 即把所传信息转换为膨迸制信号( 膨通常为2 ) ，并以调制光强的形式发送 出去。在这种系统中，接收机的任务是对接收到的光信号进行检测和解码。 对系统性能的度量存在一个较为直观的标准误码率( b e r ) ，即错误比特 占总发射比特的比例。 数字系统相对于模拟系统的带宽利用率更高、传输速率更快，且随着数 字信号处理技术的发展，尤其是数字信号处理芯片等硬件性能的飞跃式提高， 处理数字信号变的越来越容易且效率更高。所以实际应用中绝大多数光通信 系统都是数字系统。 2 2 数字传输系统 由图2 3 可以看出，数字系统和模拟系统最大的不同之处在于编解码和 调制解调部分。在数字系统中可以采用多种编码和调制技术，在下面的部分 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将分别介绍其中的几个主要可选技术，这些构成了信息传输的基础。 图2 3 数字光通信系统结构 2 2 1 信息的传输 光学比特的调制方式主要可以分为连续波( c o n t i n u a lw a v e ，c w ) 调制和脉 冲调制两大类。在c w 系统中，光源产生连续的光输出，而比特是通过调制 光波得到的。在直接检测系统中，c w 编码的通常形式是对光源进行副载波 强度调制，而在外差系统中则多为直接对激光载波进行调制。 而在无线光通信技术中，使用更多的则是脉冲调制方式( 本文的剩余部 分将以采用脉冲调制方式的系统为主，c w 系统的相关信息可参见相关文献 2 0 - - , 2 3 】) 。在脉冲调制系统中，通过使光源发出特定强度的光脉冲进行比特的 发送。通常情况下系统采用单极性二进制信号，在种配置中只存在两种脉冲 幅度，用脉冲幅度的大小区分二进制数字“0 ”和“l 。注意，此处直接对光 强进行调制的信号是经编码后的二进制数据流，而非原始信息。下面将介绍 在无线光通信系统中最具代表性的两种编码调制方案开关键控和脉冲位 置调制。 2 2 2 开关键控 对于采用二进制、i m d d 方式的系统来说，脉冲调制最一般、也是最简 单的形式是开关键控( o na n do f f k e y ，o o k ) 。在o o k 系统中，通过在每一比 特周期内使光源驱动开关开启或关闭对每个比特进行数字编码调制，同时将 信息加载到光载波上，如图2 4 所示。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，一一l _ 一i 0 么叶l | ；l f 一 图2 4o o k 调制逻辑 o o k 系统直接检测基本原理如图2 5 所示：通过在光电检测器输出端一 个完整的比特周期内进行积分，并比较积分器输出电流是否超过某一阈值来 完成检测。由于光电检测器的输出表示在一个比特周期内所接收到的总光能 量，所以o o k 检测是基于判断接收到的光能量是否足够高而进行的。 入射光信号 生信息序列 图2 5o o k 信号的接收与解码 对于接收机来说，如果发送一个“0 ”比特而检测到积分值高于阂值，或 者发送一个“1 ”比特而积分值低于阈值则会发生判决错误。发生错误的概率 主要取决于接收到的光信号与各种噪声的特性。 在o o k 方式中，采用的编码格式主要有两种：非归零( n l 屹) 格式和 归零( r z ) 格式。 1 n r z 码 现在已经有好几种不同n r z 格式的码型得到了广泛应用。最简单的n r z 码型就是n r z 电平，如图2 6 所示。对于一个串行的数据流，使用占满一个 完整周期的脉冲代表二进制数字“1 ”，没有脉冲发送则代表“0 ”。 0 ；l ；0il ；l ；0 i0i 王；0 ；l ；0 ；l ；l 高电s f i；iii ； ； 低茹兀：! 厂三兀门二f 图2 6 n r z 编码格式 在很长的连“l ”出现时，n r z 码接收的高电平将会导致基线漂移效应。 这种效应是由接收机的交流耦合滤波器的低频特性引起脉冲拖尾的累积所造 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成的。对此通常建议在接收端使用量化反馈( q u a n t i z e df e e d b a c k ) 的活性基线恢 复来去除基线偏移效应 2 4 , 2 5 】。 另外，长的连“1 ”或连“0 ”n r z 码没有定时信息，所以就要求系统的 定时时钟非常稳定，而这往往是很难做到的。一种解决的方法是在数据流中 加入扰码，并使之与原始数据进行模二加运算，但这种方案不可避免的要增 加译码电路的复杂度。 2 r z 码 r z 码也有多种形式，为了提供定时信息，可以在部分或全部的比特周期 内产生信号电平的变化。在单极性r z 码中，“1 ”码由一个在比特周期的前 半部或后半部的半周期脉冲表示，而“0 ”码则由在比特周期内无信号表示。 0 ；l ；oil ；l o i0il o ；1 ；0 l ；1 瓶磁带 二：冈二! 1 二1 二 时钟臻号 配码 图2 7 单极性r z 编码格式 2 2 3 脉冲位置调制 在通常的数字系统中，解码要求在发射机编码器和接收机解码器之间建 立精确的比特同步，即在解码过程中解码器必须精确的知道每个比特何时开 始，何时结束。这种称为时钟同步的过程通常由位于光电检测器之后，与电 解码器并行工作的定时系统完成。保持精确的时钟同步是决定系统( 尤其对 于高速系统) 能否正常运行的关键因素之一。 由于存在时钟丢失现象，因此通常情况下无线光通信系统很少直接采用 o o k 方式。o o k 方式的另一个主要的不利因素是，为了阈值的优化设置， 必须预先知道或能在通信过程中准确测量( 或估计) 接收信号的关键参数值 及相关特性，但在实际应用中往往不能得到理想的检测结果。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为避免使用这些“先验特征”，可以利用脉冲与脉冲之间的关系进行编解 码，一种可选方案便是光曼彻斯特码。这种码在每个比特周期的中心处都有 电平变换，负向变换表示“l ”码，而正向变换代表“0 ”码( 当然也可取相 反的对应关系) 。在图2 8 中给出了这种编码方式的基本码型。注意，这是一 种单极性码，与电域中的双极性曼彻斯特码是不同的。 一工 鼍h ；圮 0 一噩 oh ，：k 图2 8 光曼彻斯特码 基本的光曼彻斯特码解码原理如图2 9 所示：对光电检测器输出的脉冲 序列分别在两个l 2 比特间隔上进行积分，再通过比较积分结果来完成解码。 由于信号脉冲持续时间为比特周期的一半，所以也可以看作为特殊的r z 码 型，只是解码器积分过程的时间间隔更短。此时系统出现错误判决的概率变 为包含脉冲的半个比特间隔内的积分输出值较小的概率。 入射光 光电检 广 测器 口一 输出比较 也陀 i 输出序列 图2 9 光曼彻斯特码解码过程 从另一个角度来审视光曼彻斯特码，可以认为是通过在若干个时隙中的 某一个内发送光脉冲来区分所传输的数据。在前面的光曼彻斯特码中只存在 两个时隙，在第一个时隙内的光脉冲代表“l ”，第二个时隙内的光脉冲则代 表“0 ”。如果将输入的二迸制信号通过分组后再进行编码，一次处理多个比 特，并用多个时隙中的一个特定时隙内的脉冲来代表一组比特，便构成了称 为脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 的编码调制方式。 我们通常使用名称“上p p m 来特化某一p p m 系统，这表示在编码中存 在三个时隙。三个时隙一次可以编码m = l o g ，三比特，每个“p p m 帧”内特 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定位置的脉冲代表一组预先设定的二进制比特组，如图2 1 0 所示。 l lll lilil lil | “l 位”p p m 帧4 l 位”p p m 帧 二进制数据叵亘卜叫至p 出光信号 图2 1 0l p p m 编码调制 基本的p p m 解码器结构如图2 1l 所示。在积分器中对光电检测器输出 的电脉冲序列的每个时隙进行积分，选取积分输出最大值的时隙作为信号脉 冲所在时隙，然后依据编码映射表恢复数据。由于积分的起始位置和终止位 置取决于定时脉冲，因此需要对接收信号采取位同步措施。 入射光 在时隙， 解码 图2 1 lp p m 解码器结构 标准的p p m 方案是一种正交调制方案，和o o k 相比要求更大的带宽， 但减少了对平均发射功率的要求。比较常见的p p m 方案包括4 - p p m 、8 - p p m 和1 6 p p m 等。这些方案的性能在不同的噪声强度及信道环境下会存在较大 差距，对此a n t o n i ot a v a r e s 和r u iv a l a d a s 等研究人与已经做过较为深入的研 究 2 6 - - 2 8 1 。实际应用中，p p m 编码调制方式还常常和均衡技术搭配使用，可以 显著提高系统性能【2 9 ，3 0 1 。现在还存在一种改进版本的p p m 调制技术，被称 称为“l p p m + ”。这种方式通过在p p m 数据帧中插入定时和校验位来提高系 统的解码效果 3 1 】。 除了前面所说的标准p p m ，差分脉冲位置调锘l j ( d i f f e r e n t i a lp u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ，d p p m ) 也是光通信技术中一种不错的选择。这种编码方式中编 码器的输出编码位数是不固定的，由若干位低电平后面跟着一位高电平构成。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d p p m 调制信号将p p m 调制信号的一个帧( 码组) 中高电平以后的“0 ”全 部去掉，在相同的信息速率下比p p m 调制占用更少的信道带宽【3 2 1 。研究人 员还开发了一种称为d a p p m 的编码方式，此方式e h 对d p p m 的改进得来， 在某些情况下可提供优于d p p m 的性能【3 3 】，图2 1 2 显示了d p p m 与d a p p m 的区别。最近，研究人员又将混沌理论与p p m 调制结合了起来，开创了一个 新的研究方向【3 4 】。 s o ( t ) 5 1 ( f ) s 2 t t )s 3 ( t ) r l ，玫k ，段k ，段h ， 瓦2 瓦3 疋4 瓦 f ，)s li t ) s , t t )s 3 ( t ) m l 。住k ，段l ，段l ， 又 2 l ：r 2 瓦 图2 1 2 d p p m ( a ) 与d a p p m ( b ) 信息的编解码和调制解调方式对通信性能都具有关键性的影响。表2 1 和表2 2 对主要p p m 编码调制方案的编码格式、p a p r 以及带宽需求等特性 作了对比总结( 其中a 代表脉冲幅度，兄为数据比特速率) 。在保持可靠性 的前提下，选择的工作方式应具有较高的传输速率和传输效率。有时在高速 率和高可靠性方面的要求会彼此矛盾，这就要求在设计和应用时根据实际情 况做出取舍。 表2 1o o k 信号( 3 b i t ) 至p p m 、d p p m 、d a p p m 的映射 d a p p md a p p m o o kp p m ( l = 嚣) d p p m ( l = 8 ) ( a = 2 ，l = ：4 )( a = 4 ，l = 2 ) 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0l1l 0 0 l0 1 0 0 0 0 0 0o lo l0 1 0 1 00 0 1 0 0 0 0 00 0 10 0 l2 0 1 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 10 0 0 l0 2 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 l23 1 0 10 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 l0 20 3 l l o0 0 0 0 0 0 l o 0 0 0 0 0 0 l0 0 24 1 1 10 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 010 0 0 20 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 2p p m 、d p p m 、d a p p m 的p a p r 和带宽需求 编码方式 p p m d p p m d a p p m 2 肘+ 12 肘j - a p a p r 2 m 二么+ 1 带宽 2 肘r( 2 m + 1 ) r( 2 肼+ 彳) r m2 m2 a 纠 在无线光通信技术中，通常要求在保证一定信息速率的情况下，传输效 率尽可能高或平均发光功率尽可能小。对于这些要求，光p p m 被认为是一种 较为合适的方案。这种编码调制方式产生的p a p r 可以达到一个相对较高的 水平( 不同于一些射频通信系统，无线光通信技术往往需要较高的p a p r ) 。 与通常的o o k 调制方式相比，脉冲位置调制可降低对光源平均发光功率的 要求。较小的发光功率在延长光源寿命，特别是增强对人眼与皮肤的安全性 等方面提供了优良的特性。因此，光p p m 特别适合于室内无线光通信等要求 低平均发光功率、高信息传输速率的应用。 2 3 本章小结 本章首先对无线光通信系统的组成及工作方式等基础结构信息进行了论 述，涵盖了模拟与数字两种系统。之后以数字传输系统为重点，探讨了其与 模拟系统的主要区别，并从信息传输方式入手，介绍了在数字无线光通信技 术中广泛采用的多种编码和调制方式，通过对比说明了它们自身的不同特点， 如峰平比和带宽占用等，为进入后面关于照明光通信技术的相关内容作铺垫。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章照明光通信 3 1 可见光通信 现有可见光通信系统主要基于可见光l