可见光通信中高阶调制格式研究

赵婷，李洪祚，宫玉琳

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

白光LED因其体积小、安全可靠、光效高、能回收利用、寿命长、发热量低等优点，已被公认为21世纪最有发展前景的新一代革命性绿色固体照明技术。随着各国政府对半导体照明产品发展和生产的大力鼓励，荧光灯、白炽灯和高压气体放电灯等传统光源将被白光LED取代。白光LED的另外一个突出优点是可进行高速调制以传输数据，可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）由此产生，此技术跨越照明和通信两大领域［1］。

可见光通信具有以下突出优点使其优于射频通信和普通光无线通信：

（1）发射功率高。VLC系统中发射的是可见光，故发射功率较高；

（2）无电磁干扰。在严格限制电磁干扰的场合也可以使用，如空间站、医院和飞机上等；

（3）可见光通信无处不在。高速无线数据通信可以通过安装在任何地方的照明灯很方便地实现。

然而，也存在着一些因素限制了VLC技术的发展，其中最主要的挑战是白光LED带宽有限，从而限制了传输速率。研究者已经提出了扩展调制带宽，提高传输比特率的多种技术，如蓝光过滤、均衡技术、多输入多输出（MIMO）技术、高阶调制格式、波分复用技术、离散多音调调制等。VLC系统的传输速率可以通过这些技术中的某种技术或者几种技术相结合得到大大提高。

1 可见光通信系统模型

可见光通信是指利用可见光光源将要发送的数据信息加载到可见光上（波段380nm～780nm）在空气中进行传输，接收端通过光电转换器将光信号变为电信号，从而实现信息的无线传递。可见光通信原理图如图1所示：

图1 可见光通信原理图

在室内LED可见光通信系统中，信号传输信道是不确定的，LED光源分布位置不同以及光的色散效应再加上大气中粒子散射的影响，都会导致码间干扰（ISI），它严重影响系统的性能甚至引起通信失败。在信噪比相同的条件下，MQAM与VLC系统中广泛使用的开关键控（OOK），脉冲编码调制（PCM）和副载波二进制相移键控（SC-BPSK）等调制方式相比误码率最低，同时信道复用可以满足多用户共享的需求，OFDM是一种高效率的调制复用方式，它抗多径效应的效果很显著且能很好的利用频带，自适应OFDM调制可以明显降低无线光信道中噪声对通信系统的影响，提高系统的传输速率。本文研究的重点就是各子载波调制为MQAM的OFDM技术来抑制多径效应对VLC系统性能的影响。

2 MQAM

2.1 MQAM原理

当子载波采用MQAM调制时，产生OFDM信号的原理如图2所示。速率为Rb的二进制数据经串并转换成为N路速率为Rb/N的子数据流，每个子数据流通过各自的子载波进行MQAM调制，然后一起发送。若QAM的进制数是M，则每个子载波上

图2 MQAM-OFDM原理图

MQAM的信号可以用如下二维信号空间的方式表示［2］：

Φ1，Φ2是二维的正交的基本信号，Ai，Bj是基本信号的幅度。电平数为2L，并且可以用星座图来描述。

在二维信号空间中表示的多元调制信号如MQAM信号，在加性高斯白噪声信道传播时接收到的信号为如下形式［3］：

噪声可以表示为：

式（7）表示，噪声信号可以表示成噪声信号在二维信号空间的投影n及与二维信号空间正交的剩余分量n'(t)之和。

由于

因此，噪声信号在二维信号空间的投影n1，n2可以用两个独立的高斯变量描述，每一个都为零均值。根据以上分析可得MQAM信号产生框图如图3所示：

图3 MQAM信号产生框图

2.2 MQAM星座图分析

QAM同时利用了载波的相位和幅度来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率。L=6和8时MQAM的星座图如4、5、6图所示：

QAM星座图对于判断调制方式的误码率等有很直观的效果。比较图4和图5可知，当信噪比为0dB时，由于信号受较大噪声的影响，信号与理想亮点偏差大，误码率就高；当信噪比为20dB时，实际信号在信号空间的分布就非常集中了，此时误码率已经很低了。比较图5和图6可知，当信噪比相同时，信号在信号空间中分布越集中，误码率越低。

2.3 MQAM误符率分析

MQAM的误符率为［3］：

可得M=16，256，1024，4096时的误符率如下：

利用SIMULINK仿真结果如图7：

从仿真图图7可知，在Eb/No相同时，M值越大，MQAM的误符率越大，与理论相符。尽管MQAM的误符率会随M增大变大，但当M＞8时，与同阶的其他调制方式相比MQAM的误符率要小得多［4］，故MQAM调制方式是实际通信中最常用的。

图4 Es/No=0dB M=64QAM星座图

图5 Es/No=20dB M=64QAM星座图

图6 Es/No=20dB M=256QAM星座图

图7 MQAM调制误码率分析

2.4 MQAM平均功率谱密度分析

MQAM功率谱主瓣宽度为2Rs，Rs=Rb/K。可知若Rb不变，MQAM的功率谱主瓣宽度会随M增大而变窄，进而使其频带信道的频带利用率提高。

以Rb=100Mb/s为例，得到M=256和M=16时MQAM信号复包络平均功率谱密度如图8所示。

图8 256QAM信号复包络平均功率谱密度

由图8可知当M=256时，f0=12.5MHz，B=2f0=25Mb/s，256QAM的频带利用率为：Rb/B=4bit*s-1/Hz，满足理论值

同理由图9得，当M=16时，f0=25MHz，B=2f0=50Mb/s，16QAM的频带利用率为：Rb/B=2bit*s-1/Hz，满足理论值

图9 16QAM信号复包络平均功率谱密度

3 结论

本文通过SIMULINK仿真分析MQAM调制的星座图，平均功率谱密度及误码率，验证了MQAM具有频带利用率随调制阶数增大而提高的优势，采用256QAM调制频带利用率提高为16QAM调制的2倍。

［1］熊飞峤，敖邦乾.白光LED可见光无线通信系统的研究［J］.光通信技术，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］骆宏图，陈长缨，傅倩，等.白光LED室内可见光通信的关键技术［J］.光通信技术，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.