可见光通信数字基带系统设计及其FPGA实现

王鹤潼，牛书强，施会丽，王 平，郭立新，，刘忠玉

(1.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071；2.西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071)

可见光通信 (Visible Light Communication，VLC) 以其丰富的频谱资源、高速率与高效率的传输特性、安全可靠与绿色节能等不可比拟的优越性，深受国内外广大科研工作者的青睐，成为一种备受瞩目的新兴无线通信技术[1-3]。正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 作为可见光通信中关键的物理层技术，具有高传输速率、高频谱利用率、低干扰、低计算复杂度等诸多优势[4-5]，在4G通信中独占鳌头，也是5G通信中主要使用的物理层技术之一。在可见光通信系统中，光OFDM技术仅支持传输非负实数信号。因此，研究人员提出了3种经典的光OFDM方案，即非对称限幅光正交频分复用(Asymmetrically Clipped Optical OFDM，ACO-OFDM)，直流偏置光正交频分复用(Direct Current biased Optical OFDM，DCO-OFDM)和脉冲幅度调制离散多音(Pulse Amplitude Modulation-Discrete MultiTone，PAM-DMT)，将传统射频通信中的双极性复OFDM信号转换为非负实数信号。其中，直流偏置光正交频分复用方案频谱效率较高，但需添加额外的直流偏量，使得系统功耗增加[6]。非对称限幅光正交频分复用和脉冲幅度调制离散多音两种方案能量效率较高，却仅利用了一半的频率资源[7]。为了充分发挥传统光OFDM方案的优势，近年来研究人员从理论的角度提出了多种新型的光OFDM混合调制方案。文献[8]中提出的混合非对称限幅光正交频分复用(Hybird Asymmetrically Clipped Optical OFDM，HACO-OFDM)方案分别在奇偶子载波上采用非对称限幅光正交频分复用和脉冲幅度调制离散多音技术，以增加频谱利用率。但是削峰噪声会对偶载波中频域符号虚部上承载的有效信息产生影响，因此需提前估算并移除削峰操作的干扰，再对接收到的频域符号进行解调。这使得接收端需要额外进行一次快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)和快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，从而增加了系统的计算复杂度和时间成本。文献[9]中提出的增强型光正交频分复用/偏移正交幅度调制(Enhanced Optical OFDM/Offset Quadrature Amplitude Modulation，EO-OFDM/OQAM)方案分为常规与偏置两条支路。该方案提高了频谱效率，且不受削峰噪声干扰，但偏移支路需额外添加固定直流偏量，导致系统的符号功率和能耗较高。

针对光OFDM方案的设计问题，笔者基于自适应偏置光正交频分复用(Adaptively Biased Optical OFDM，ABO-OFDM)方案提出了一种可见光通信数字基带系统的设计方案，来降低计算复杂度，提高传输速率，实现频谱资源与功率效率间的折中。其中，基带系统中物理层采用了特殊的帧结构设计，用于提高信道估计与均衡的能力以及快速傅里叶变换窗口检测的准确性。具体地，首先通过自适应偏置光正交频分复用方案的离线实现，验证使用光OFDM信号在室内进行可见光通信的可行性，并确定基带系统中使用的参数；之后，给出可见光通信数字基带系统的设计方案；最后，通过现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)搭建室内可见光通信硬件平台，实现该数字基带方案，并通过实验测试其性能。

1 室内可见光通信系统的MATLAB离线实现

1.1 自适应偏置光正交频分复用方案

为了在频谱资源与功率效率间进行折中，首先基于文献[10]中给出的自适应偏置光正交频分复用方案，设计了一个可见光通信数字基带系统，并搭建了基于FPGA的室内可见光通信硬件平台对其进行实现和验证。与非对称限幅光正交频分复用方案不同，自适应偏置光正交频分复用方案将映射后的符号加载至全部奇载波和第2(2n+1)个偶载波(n=0，1，2，…，N/8-1)上，再经过厄米特对称、快速傅里叶逆变换，转换为全实数时域信号。但是，此时的时域信号为双极性信号，尚不满足可见光通信中非负实数信号的需求，故需添加直流偏置。与直流偏置光正交频分复用等方案不同，自适应偏置光正交频分复用方案为时域信号添加自适应偏置，以提升系统功率效率。每4个采样点：xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4添加相同的直流偏置。如果4个点均为非负实数，则无需添加直流偏置。反之，则取4个点中最小值的相反数为直流偏置的大小，既满足非负性的约束，又保证最小的额外功率。以bn，bn+N/4，bn+N/2，bn+3N/4表示4个点的直流偏置大小：

bn=bn+N/4=bn+N/2=bn+3N/4=-min{xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4}，n=0，1，2，…，N/4-1 。

(1)

接收端将接收到的时域信号经过快速傅里叶变换，转换为频域符号，自适应偏置根据其自身的性质，不会影响有效信息，仅会干扰被空置的子载波，即第K=4n个子载波，n=0，1，2，…，N/8-1。故而仅需在接收端进行与发射端相反的操作，再提取有效的频域符号信息，即可得到接收端比特序列。通过与发射端原始二进制序列的对比，计算基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信系统误码率，并评判系统性能。

1.2 室内可见光通信系统的MATLAB离线实现装置

基于MATLAB离线实现的室内可见光通信实验装置如图1所示。首先通过Xilinx公司的KC705 FPGA[11-12]开发板产生基于OFDM的数字基带信号，然后通过FMC302子卡中的数模转换模块转变成为模拟电信号。之后发射端的发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)驱动电路将输入的模拟电信号转换为光信号在自由空间中传播，光信号经过1.5 m的自由空间信道，到达接收端。接收端采用LSSPD-3.2型号光电探测器将光信号再转换为电信号，电信号经过接收端驱动电路的放大和滤波操作后输入到示波器存储器中。示波器存储器中的通信数据在MATLAB中经过同步解调，完成整个点对点的通信过程。提出的这种离线方式通过自适应偏置光正交频分复用方案验证使用光OFDM信号在室内进行可见光通信的可行性，同时有利于研究信道特性，并有助于准确分析和找出可见光通信数字基带系统中的合适参数，最大化通信传输速率。

1.3 基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信系统离线实现

首先在MATLAB中产生一组二进制源码序列，然后进行串并转换，再进行发射信号集大小为4的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)。将调制好的QAM符号映射到全部奇载波和第2(2n+1)个偶载波(n=0，1，2，…，N/8-1)上。映射后的调制信号随即加载进入厄米特对称模块，经过N=128点的快速傅里叶逆变换，生成全实数的时域信号以满足可见光通信系统中采取的强度调制/直接检测方式。继而添加32点的循环前缀(Cyclic Prefix，CP)以防止码间干扰与载波干扰，并将产生的时域OFDM实信号量化成16 bit数据。每160点的OFDM时域信号为一组数据符号，每一帧由前导序列和数据载荷两部分组成。前导序列由一组OFDM数据符号长度的短训练序列(Short Training Sequence，STS)和两组相同的OFDM数据符号组成的长训练序列(Long Training Sequence，LTS)构成，分别用于寻找每一帧的快速傅里叶变换窗口位置和信道估计与均衡。数据载荷部分包含30组OFDM数据符号，用于承载用户有效的数据信息。

将调制后的帧数据写入初始化文件，然后导入FPGA的只读存储器中。通过10 MHz的时钟读取只读存储器中的数据，再经过积分-梳状级联内插滤波器，将数据送入FMC302子卡数模转换模块接口。数字基带信号转换为模拟电信号后，被送至发射端LED驱动电路，经过电路的放大与滤波，通过LED将电信号转换成为强度变化的光信号。光信号经过1.5 m的自由空间信道，到达接收端。接收端的光电探测器将强度变化的光信号转换为微弱的电信号，再经过接收端驱动电路的放大滤波、模数转换、符号同步、信道估计与均衡、数字解调等操作，将接收到的比特数据与发端数据进行对比分析，评判系统的误码率性能。计算结果表明，系统可以达到的毛比特率为8.182 Mbit/s，在去除循环前缀和用于符号同步以及信道估计与均衡的序列开支后，系统可以达到5.455 Mbit/s的净比特率和6.511×10-4的误码率。在离线实验中，该方案的比特率达到106级别，误码率在10-3之下，满足室内可见光通信的需求。

2 可见光通信数字基带系统设计方案

基于自适应偏置光正交频分复用的可见光通信数字基带系统设计主要包括两个部分：系统的基本参数和物理层帧结构。该系统中采取与第1节相同的采样频率，即10 MHz。因为ISE14.7开发环境中的快速傅里叶变换核设置的数据长度多为2的幂次方，故该系统采取27，即128点的快速傅里叶变换/快速傅里叶逆变换，并取其长度的1/4作为循环前缀。表1中列出了可见光通信数字基带系统中主要使用的数据参数。

表1 可见光通信数字基带系统基本参数设计

图2展示了该系统所设计的物理层帧结构。以快速傅里叶逆变换后128点的时域数据和32点的循环前缀，共160个采样点长度为一组OFDM数据符号。可见光通信数字基带系统中的每一帧由前导序列和数据载荷两部分组成。其中，前导序列包含160个采样点长度的短训练序列和两组相同OFDM数据符号组成的长训练序列，分别用于寻找每一帧快速傅里叶变换的窗口位置和信道的估计与均衡。数据载荷部分位于前导序列之后，通过自适应偏置光正交频分复用方案承载传输的有效信息。在该系统所设计的物理层帧结构中，每一帧包括由一组短训练序列，一组长训练序列组成的前导序列和30组OFDM数据符号组成的数据载荷。

3 可见光通信数字基带系统的FPGA实现

第1节通过自适应偏置光正交频分复用方案的MATLAB离线实现验证了使用光OFDM信号在室内进行可见光通信的可行性。通过FPGA搭建室内可见光通信硬件平台，设计并实现第2节提出的基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信数字基带系统。具体地，基于FPGA在ISE14.7开发环境下利用Verilog语言实现室内可见光通信系统的关键技术，并将给出发射端和接收端快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块、自适应直流偏置模块、前导序列模块等3个主要模块的实现原理、细节及实验结果。图3展示了笔者搭建的室内可见光通信系统硬件平台的实物装置。

3.1 快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块

快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块是该平台的核心部分。发射端的快速傅里叶逆变换将子载波上承载的频域符号转换为时域信号进行传输，而接收端的快速傅里叶变换模块将接收到的时域信号转换为频域符号进行解调。串行的比特数据在进入FPGA后，每2个或4个比特分为一组，通过格雷码映射到复平面上，进行4QAM或16QAM的数字映射。本节实验中快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块中设置的IP核输入为16 bit，故而将星座点的值量化为16 bit的数据。即在4QAM数字映射中，实部和虚部两条支路的十进制取值为{-128，+127}，而在16QAM数字映射中，两条支路的十进制取值为{-384，-128，+127，+381}。以4QAM映射方案为例，其二进制取值对照如表2所示。

表2 4QAM数字映射二进制取值对照表

映射后的QAM符号对应前64个子载波中所有的奇载波和第2(2n+1)个偶载波，n=0，1，2，…，15，而第4n个子载波被空置，n=0，1，2，…，15，不携带有效数字符号。映射后的调制信号随即加载进入厄米特对称模块，形成128点的频域符号。该平台主要采用ISE14.7开发环境中的FFT IP核实现快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换。FFT IP核的设置主要包含参数配置、算法架构方式和输入输出信号分析。可见光通信数字基带系统中FFT IP核的参数配置为1个通道数目，128点快速傅里叶变换长度，16 bit输入数据宽度，数据正序输出并添加循环前缀使能和使用可配置逻辑块的蝴蝶算法等。算法架构方式采取流水线I/O结构，以实现数据的连续处理和较大的吞吐量。FFT IP核中主要输入输出信号的功能描述如表3所示。

表3 FFT IP核输入输出信号功能描述

图4展示了发射端快速傅里叶逆变换模块的部分时序图。快速傅里叶逆变换模块将输入信号fwd_inv设置为0，表示进行快速傅里叶逆变换。当输入信号start变为高电平时，加载厄米特对称的128点频域符号进入快速傅里叶逆变换模块。xn_re、xn_im分别表示频域符号的实部和虚部，通过xn_index指示输入信号下标，且每隔3个频域符号就有1个符号被置零，满足自适应偏置光正交频分复用方案的载波要求。busy信号转为高电平时表示IP核开始对输入的频域符号进行快速傅里叶逆变换。在第1组频域符号转换完成后，dv信号由低转高，128点的时域信号伴随着xk_index的指示下标相继输出。xk_re、xk_im分别表示输出时域信号的实部和虚部，且xk_im几近为0，符合厄米特对称的性质，满足可见光通信中实数信号的需求。当每一组OFDM时域信号开始输出时，输出信号done升高一个时钟周期，xk_index归0，并开始新一轮从0至127的逐渐累加。因为FFT IP核中已经添加循环前缀使能，快速傅里叶逆变换模块可以自动添加循环前缀。

3.2 自适应直流偏置模块

频域符号经过快速傅里叶逆变换模块转换为实数时域信号后，仍为双极性信号，尚不满足可见光通信非负性的需求。因此根据文献[10]，为每4个时域信号采样点：xn，xn+N/4，xn+N/2，xn+3N/4，n=0，1，2，…，N/4-1，依照式 (1) 添加相同的直流偏置。图5中abo_data即为时域信号添加自适应直流偏置并经过数模转换后的时序图。此时的时域信号已经满足可见光通信中非负实数信号的要求。

3.3 前导序列模块

可见光通信数字基带系统中每一帧的前导序列中包含一组短训练序列和一组长训练序列，分别用于符号同步以寻找每一帧快速傅里叶变换的窗口位置[13]和信道的估计与均衡。

由于背景光源和系统收发电路中热噪声等的干扰，短训练序列到达接收端后会出现一定的失真。因此在该系统中，接收端存储着通过线性反馈移位寄存器生成的自相关性能良好的m伪随机序列。随着数据一帧一帧地到达接收端，当收发同步序列如图6所示滑动对齐时，将出现一组相关峰值。该平台采取多段长度较短的序列代替单一的同步序列，以避免相关峰值的平台效应和在数据载荷部分出现的可能性。同时，将最后一个同步序列的值全部取反，以得到一个负值的相关峰，从而增加快速傅里叶窗口检测的准确性。取连续25个互相关值的绝对值，求其平均，继而乘以8倍，得到更为合适的动态门限值，存储进Sync_Threshold寄存器，用于峰值判定。

从图7中可以明显看出，收发序列对齐后，会出现一组连续的相关峰值，且最后一个相关峰值为负值，绝对值均远大于其它未对齐时刻的互相关值，此时即可判定找到了快速傅里叶变换窗口位置，也不会出现伪同步的现象。应当注意，在FPGA中建立的存储空间需要比同步序列多一段长度，用于缓冲数据的运算与处理，以保证有效数据不会丢失。

长训练序列位于每一帧前导序列中的短训练序列之后，通常采用两组相同的OFDM数据符号，主要用于信道的估计与均衡。信道估计的准确性将直接影响整个可见光通信数字基带系统的误码率性能等，故实验需产生不易被破坏且峰均比较低的OFDM训练符号。该平台采用最小二乘法[14]，通过最小化接收端本地符号序列与接收到的长训练序列间的平方误差，来实现信道的估计与均衡。

arg minH‖Y-XH‖2=arg minH(Y-XH)H(Y-XH) 。

(2)

式(2)展示了该模块采用的最小二乘法，式中Y表示接收到的训练序列，X表示本地同步序列，H为信道频率响应。由式(2)可得

(3)

由式(3)可知，使用最小二乘法进行信道估计时，只需将接收到的频域符号与接收端本地存储序列相除即可。因为频域符号多为复数，而FPGA不能直接进行复数除法运算，故采用模值为1的训练序列，直接取消除法运算，以大幅降低系统算法复杂度。在完成信道估计后，根据下式进行信道均衡：

(4)

因为式 (4) 中的分母项为信道估计值，无法提前预知，故而无法将其模值固定为1，只能进行实数除法运算。因而采用CORDIC算法[15]，通过实数迭代逼近的思想，得到实数除法的近似值。

3.4 实验结果与对比分析

图8中分别展示了采用4QAM和16QAM两种数字调制方式时，室内可见光通信硬件平台接收端子载波上的解调星座图。表4展示了基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信数字基带系统与直流偏置光正交频分复用，非对称限幅光正交频分复用，混合非对称限幅光正交频分复用以及增强型光正交频分复用/偏移正交幅度调制等方案在可见光通信硬件平台上的测试结果。

表4 多种方案的平台测试结果对比

对于传输速率，自适应偏置光正交频分复用方案利用了75%的频谱资源，其净比特率介于直流偏置光正交频分复用与非对称限幅光正交频分复用两种方案之间，略高于混合非对称限幅光正交频分复用方案，有效提高了频谱资源利用率，且保证了通信传输速率。由于可见光通信数字基带系统特殊的帧结构设计，增加了快速傅里叶变换窗口检测的准确性和信道估计与均衡的能力，有效降低了系统的误码率，达到10-4，仅略高于非对称限幅光正交频分复用方案。对于计算复杂度，自适应偏置光正交频分复用方案仅主要考虑快速傅里叶变换操作的复杂度，不需要考虑削峰噪声等的影响，因此与直流偏置光正交频分复用和非对称限幅光正交频分复用两种方案的计算复杂度一致，均为最低计算复杂度，节省了系统开支与时间成本，有效地提高了计算效率。同时，自适应偏置光正交频分复用方案虽然需要添加直流偏置，但其添加的是自适应直流偏置，而非直流偏置光正交频分复用方案中的固定直流偏置，故而有着低于直流偏置光正交频分复用方案的符号功率。因此，基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信数字基带系统实现了频谱资源与功率效率间的折中，提高了计算效率，其中特殊的物理层帧结构设计有效降低了系统的误码率，保证了通信传输速率，进而提升了数字基带系统的整体性能。

4 结束语

笔者基于自适应偏置光正交频分复用方案设计了一种可见光通信数字基带系统，并通过FPGA搭建的可见光通信硬件平台对系统进行了实现和验证。首先通过自适应偏置光正交频分复用方案的MATLAB离线实现，验证了使用光OFDM信号在室内进行可见光通信的可行性，并确定了数字基带系统中使用的参数。然后，给出了可见光通信数字基带系统的设计方案。最后，通过FPGA搭建的室内可见光通信硬件平台，实现了提出的基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信数字基带系统。测试结果表明，笔者提出的数字基带系统实现了频谱资源与功率效率间的折中。其中特殊的物理层帧结构设计，有效提高了快速傅里叶窗口检测的准确性和信道估计与均衡的能力，进而降低了系统的误码率并提升了所设计数字基带系统的整体性能。