白光LED可见光无线通信系统的研究

By | 2020年7月24日

  0 引言


  发光二极管(lighting emitting diode,LED)正在功能方面比现有的白炽灯有不少劣势,如高亮度、高牢靠性、低功耗以及应用寿命长等。LED现已宽泛使用正在全彩显示屏、交通讯号批示以及许多其它照明。今朝,高效的蓝色以及绿色LED曾经使用。夹杂三种原色(白色、绿色以及蓝色),咱们能够失去红色光。与射频无线通讯相比,可见光具备发射功率高、无需请求无线电频谱证、无电磁滋扰和造价低等优点。最近几年来基于白光LED技巧的可见光通讯开端被人们存眷,并被以为是一个颇有后劲的将来照明技巧与通信传输零碎相连系的新兴技巧。许多学者提出了一种基于LED白光的室内可见光通讯(visible-lightco妹妹unication,VLC)零碎,以为LED白光设施不只能够用于照明,同时也能够用于短间隔无线光通讯零碎。


  1 室内可见光通讯信道剖析


  正在室内可见光通讯零碎中,光源固定正在室内的天花板上,以其为旌旗灯号光源的室内无线光信道可分为直射视距光信道(如图1所示)以及漫射光信道[1](如图2所示)。直射视距链路中,接纳机间接指向白光LED光源,信道损耗低,旌旗灯号光源功率行使率高且稳固,易于完成高速数据链接,但会因链路上存正在阻碍物而被阻断,尤为是正在有静止指标的状况下。漫射链路设计中接纳机视角普通较年夜,年夜年夜升高了对指向的要求,零碎不容易受暗影效应影响,但链路中存正在多径效应会惹起码间滋扰(ISI)[2],并且受布景光的影响较年夜,从而限度旌旗灯号传输速度[3]。



  图1  LED间接视距光信道模子



  图2 LED漫射光信道模子


  直射视距光信道直流增益示意为Hd(0),漫射光信道(第一反射光)直流增益示意为dHref(0)。间接视距光信道直流增益[4]为:


  


  漫射光信道(第一反射光)直流增益为:


  


  式(1)、式(2)中,m为光源的辐射模式,A为光电探测器接纳面积,d为发射端与接纳端之间的间隔,准为入射角,φ为发射角,Ts(φ)为光滤波器增益,g(φ)为光聚能器增益,φc为接纳机视角。


  2 OFDMA与SC-FDMA调制技巧


  经过对室内可见光通讯信道的剖析,室内可见光通讯中容易惹起多径效应,引进OFDM(正交频分复用)技巧能无效抵制多径滋扰,使受滋扰的旌旗灯号仍能牢靠地接纳,其旌旗灯号的频带行使率也年夜年夜进步[5]。零碎模子如图3所示。



  图3 OFDM零碎模子框图


  因为OFDM具备外在峰均功率高的特点,使患上OFDM旌旗灯号存正在失真。正在可见光通讯零碎中,较高的包络线会影响视力,也会影响光器件的寿命。为了克服这个缺陷,咱们对下行链路的OFDM技巧进行修正,修正后的OFDM技巧版本被称为单载波的FDMA(SC-FDMA技巧),如图4所示。



  图4 SC-FDMA零碎模子框图


  SC-FDMA技巧采纳单载波调制和频域平衡原理,具备相似OFDM零碎的功能以及根本相反的总体构造,然而却有较低的峰均功率比。它们是延续的子载波传输,而没有是平行的。绝对于OFDM技巧,这类技巧年夜年夜升高了传输波形的包络动摇,因而,SC-FDM的旌旗灯号具备低于OFDM旌旗灯号的PAPR。


  图4包罗发射机以及接纳机,能够看出,SC-FDM与OFDM有不少独特的地方,惟一的区分是SC-FDM的发射机以及接纳机采纳的是DFT离散傅立叶变换。出于这个缘由,SC-FDMA技巧有时被称为OFDM技巧的DFT扩大。今朝,SC-FDMA子载波映照模式分为两类,即散布式以及内陆化[6],如图5所示。


  正在散布式子载波映照模式,输出数据的DFT输入将未被应用的子载波用没有延续的零来占用整个带宽。交织SC-FDM技巧(interleavedSC-FDMA,IFDMA)是一种首要的散布式SC-FDMA的非凡状况,正在内陆化的子载波映照模式下(localizedSC-FDMA,LFDMA),DFT的输入输出数据被延续子载波占用。



  图5 SC-FDMA子载波映照模式

 

  3 PAPR的算法与仿真后果


  应用SC-FDMA零碎后,时域数据符号必需先经过一个M点DFT操作转换到频域,正在子载波映照实现前,必需经过一个N点OFDM调制器,且N弘远于M,设Q=N/M,Q为扩频因子,应用SC-FDMA技巧零碎的用户正在频域占用没有同的子载波。因而,全体传输旌旗灯号经过用户设施后,成为一个低PAPR的单载波旌旗灯号。设{xm:m=0,1,…,M-1}为将进行调制的时域旌旗灯号,{xk:k=0,1,…,M-1}为频域的DFT加工样品。正在IFDMA中,通过DFT转换的旌旗灯号正在子载波间被等间隔的调配到整个带宽。而正在LFDMA中,DFT输入的旌旗灯号被调配正在延续的子载波上。正在每一个用户设施上,未占用的子载波用0示意,失去IFDMA与LFDMA子载波调配表示图如图6所示。



  图6 IFDMA与LFDMA子载波调配表示图


  正在IFDMA中,


  


  正在LFDMA中,


  


  升余弦脉冲被宽泛使用于无线通信的脉冲形态,该发送旌旗灯号的PAPR能够示意为:


  


  为了评价零碎的峰均功率比PAPR,咱们模仿了100000块传输符号来较量争论每一个块的PAPR,即模仿CCDF(互补累积散布函数)的试验数据。CCDF是PAPR高于某一特定PAPR值PAPR0的几率(Pr{PAPR>PAPR0})[7],实用于传输带宽为5MHz的256个子载波。假定数据块巨细N=64,扩频因子Q=M/N。咱们用8倍过采样来较量争论每一个块的峰均比脉冲。为了评价对SC-FDMA整形脉冲的影响,用升余弦卷积截断从-6T至+6T的每个传送符号脉冲波形,此中符号的继续工夫为T秒。察看PAPR0的值,能够看出凌驾的几率小于0.1%(Pr{PAPR>PAPR0}=0.001)。经过仿真比拟,正在不打击的状况下,经QPSK调制低于OFDMA的PAPR约莫为10.5dB,16-QAM调制状况下低7dB。QPSK调制状况下,LFDMA的PAPR低于OFDMA的约3dB,16-QAM调制状况下低约2dB。因而,LFDMA的PAPR比IFDMA正在两种状况调制下的PAPR辨别高7.5dB(QPSK调制)以及5dB(16-QAM调制)。跟着升余弦脉冲整形滚降系数变成0.5,IFDMA的PAPR明显添加,LFDMA的PAPR难以添加。从图七、图8中可看出,正在不任何脉冲的情景下,IFDMA的PAPR比OFDMA低约莫9dB,LFDMA比OFDMA低快要2.5dB(实线示意无打击,虚线示意有打击)。



  图7 QPSK调制状况下PAPR比拟图



  图8 16-QAM调制状况下PAPR比拟图


  4 完结语


  可见光无线通讯模子的构建标明,基于白光的LED采纳与SC-FDMA技巧连系的可见光数据传输零碎,技巧上是可行的。正在峰值功率比如面,SC-FDMA的低PAPR特点不只使LED传输零碎防止失真,比OFDM零碎具备更好的功能,还能维护眼睛。


 


编纂:Cedar