基于PAM4调制的白光可见光通信信号发射灯源设计研究

马一鸣 段明铭 郝祥印 马世耀

摘 要：基于LED的可见光通信（VLC）是未来机载无线网络的热门候选方案，本文研究了基于PAM4编码的白光可见光通信信号发射灯源排布方案，建立了基于红绿蓝三色LED的并行VLC系统信道模型，通过1组3个同色的LED灯组合，实现PAM4编码格式的信号发生;随后通过3组红绿蓝单色的LED灯实现白光可见光通信灯源。

关键词：可见光通信;并行可见光系统;脉冲幅度调制;点对多点的通信

近年来，移动数据流量呈指数增长，据预测到2022年，全球IP流量将达到396艾字节/月。为了满足未来移动数据传输需要，可见光无线通信技术（VLC）因其能够提供远超现行系统带宽的能力而成为研究的热点。对于VLC系统，单一信号发射机使用的带宽有限，难以利用全部可见光频谱资源。为提高频谱利用率，基于多输入多输出（MIMO）等系统架构的可见光并行无线通信[1-3]（PT-LiFi）概念被提出。然而已有的工作都是针对点对点通信系统，无法回应点对多点的广播通信系统的要求。为了实现点对多点的广播通信，本文构想建立基于高功率（约1W）三种RGB单色独立LED灯的白光可见光通信发射光源，每种单色的LED灯采用三个LED灯组合以具备了PAM4信号调制的能力，优化仿真了LED灯阵的排布方式，并构建实物验证灯阵的白光性能。

1 模型建立

在可见光通信系统中，LED灯作为信号发射源，其发出光源辐射满足朗伯模式，即理想漫反射源单位表面积向指定方向立体角内发射的辐射通量和该指向方向与表面法线夹角的余弦成正比，辐射强度[4]表示为：

I（φ）=（m+1）/2π·Itcosmφ（1）

式中It代表平均光辐射强度，即在单位时间内辐射出的光功率，φ表示辐射光线与LED灯珠方向的夹角，m代表辐射阶数。在理想情况下，信号接收机载某一点接收到单一LED灯k的发射信号功率为：

pk=RI（φ）/d2k（2）

式中，dk代表照射距离，RA/W是接受器的灵敏度。由于光强具有可叠加性，因此多个LED灯同时对某一位置的总光照度可表示为：

P=∑Nk=1pk（3）

其中，pk为接收机收到来自每个LED的光强度，N代表LED灯的总个数。

对于PAM-4信号，共有4阶信号，因此我们要3个LED光珠发送OOK信号，在目标区域进行叠加形成PAM-4信号。为了保证信号质量，结合我们采用的实际实验系统，我们认为接收处Q因子有10dB即可保证通信质量。在考虑PAM-4信号可用范围的同时，红绿蓝三色LED灯的功率需要在每个接收点能够按照一定比例混合，进而形成白光或者近似白光效果。我们在这里选用三色光的功率比[5]为红∶绿∶蓝=9∶28∶7cd。为了能够形成白光，根据实验经验，我们设定每种光的功率浮动不超过20%。根据以上限制条件，我们将计算距离灯源z=h处的平面内的任意一点接收机所能接收的光照强度和光色，我们的目标是在满足条件下最大化可用白光通信区域面积，并且最小化目标区域上的光强波动。现设3组红绿蓝三色灯，每组3个灯的位置坐标分别为（xi，yi，0），i∈N1SymbolcB@iSymbolcB@9，其中i=1，2，3，为红光灯坐标，i=4，5，6，为绿光灯坐标，i=7，8，9，为蓝光灯坐标，S表示距离灯源h处满足条件的点集，则我们可以把问题转化为多目标优化问题为：

max（xi，yi，0）S and min（x，y，z=h）∈Svar（Pi（x，y，z））

Pi=m+12πhmR[h2+（x-xi）2+（y-yi）2]m+22（4）

s.t.Pi-Pj|/Pi<0.1 i≠j，i，j∈{1，2，3or4，5，6or7，8，9}

∑i=1，2，3Pi：∑i=4，5，6Pi：∑i=7，8，9Pi=9∶28∶7

其中Pi代表在某一点接收来自i号LED的信号功率，S为满足条件的位置点集合。最大化照明面积和最小化光照面积区域内的光照幅度之间的比重比例系数设定为5∶1，即我们以最大化光照面积优先考虑。

2 仿真算法和实物结果

为了符合座舱灯源功率要求，我们选择使用遗传算法求解优化问题：算法将每个潜在的LED排布作为一个基因序列，序列中包含9个LED灯的位置信息。在一次迭代中，通过价值函数判断每个基因优劣，并筛选优秀基因，对其他基因进行杂交，更新下一代基因。之后重復上述过程直到满足迭代停止条件。为了保证光线均匀，我们设定3组灯按照中心对称方式排列，进而减小优化计算量。

根据算法我们得出灯源排布结果如图1示，其中红色灯的位置如红色圆圈表示，绿色灯的位置如绿色圆圈表示，蓝色灯的位置如蓝色圆圈表示。我们可以看出灯源成中心对称方式排列，每3个红绿蓝三色灯聚集一起。但是3个同色灯并不是成等边三角形分布，这是因为扩大照明面积相比于降低光照面积区域内的光照幅度在优化中的比重更大，为了扩大光照而牺牲部分光照幅度的波动的优化目标性能。图2为LED灯制作的灯源实物图，我们可以看到LED灯底色为红色的为红光灯，底色为白色的是绿光灯，底色有箭头符号透明的为蓝光灯。

图3是光照实验结果图，我们可以看到LED光源阵列照明结果近似白光，并且灯光照射强度在肉眼观察下均匀一致。

对于光源PAM4通信性能测试，我们首先在上位机中生成长度为2^7-1取值范围为{0，1，2，3}的随机序列，并利用光源将随机信号发出，随后在高度与光源中心点高度一致，水平距离发光源1米处，我们用光电转换装置将光信号转换为电压信号，并由Agilent MSO9104接收信号，并测试信号眼图效果。我们设定数据通信速度为1MBaud，绿光通道PAM4信号眼图结果如图4所示。我们可以看出信号分为0，1，2，3四个符号，其中2，3符号间的距离最短，其Q因子为15dB。我们可以看出，光源性能可以满足PAM4信号编码通信要求。其余红蓝两色光通道性能与绿光三通道性能几乎一致。

3 结论

本文为了实现点对多点通信模式，利用遗传算法设计并实现了基于红绿蓝三色独立LED灯的并行白光无线通信光源阵列。并利用3个同色的LED灯组合形成一组同色光源阵列，实现PAM4编码格式的信号发生。实验结果表明，设计的光源阵列，可以实现均一白光照明，并且满足距离光源1米范围内的PAM4编码格式的通信要求。

参考文献：

[1]Wu X，O′Brien D C.Parallel Transmission LiFi[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2020，（99）：1.

[2]Rajbhandari S，Jalajakumari A V N，Chun H，et al.A multi-gigabit/sec integrated multiple input multiple output visible light communication demonstrator[J].Journal of Lightwave Technology，2017：1.

[3]Tsonev D，Videv S，Haas H.Towards a 100 Gb/s visible light wireless access network[J].Optics Express，2015，23（2）：1627.

[4]Naoki Ishikawa and Shinya Sugiura，Maximizing Constrained Capacity of Power-Imbalanced Optical Wireless MIMO Communications Using Spatial Modulation.Journal of Lightwave Technology.，vol.33，no.2，pp.519-527，Jan.15.2015.

[5]趙芳仪，刘小浪，宋振，等.超高显色指数、全光谱白光LED封装技术[J].照明工程学报，2019（3）：75-80，100.

项目：中国民航大学大学生创新创业计划培优项目（IEKCAUC2020015）

作者简介：马一鸣，男，汉族，河北石家庄人，主要从事空管航路优化研究;段明铭，男，汉族，山东聊城人，主要从事天线设计研究;郝祥印，男，汉族，河北辛集人，主要从事航空电子研究;马世耀，男，汉族，河南洛阳人，主要从事航空电子信号处理研究。