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  • 室内可见光通信中的分数间隔均衡技术

  • 内容出处:http://www.cnkery.com时间2013-12-14 01:37作者admin浏览次数
室内可见光通信中的分数间隔均衡技术
 
 
摘要:研究了室内可见光通信系统分数间隔均衡技术,以降低码间干扰对该通信系统性能的影响。针对室内可见光通信 系统的传输特点和信号调制特性,建立了室内可见光通信链路模型;在此基础上,提出了分数间隔均衡方法,并利用最小 均方误差准则优化设计均衡器。最后,通过计算机仿真,对提出的分数间隔均衡方法进行了性能评估。实验结果表明, 相同误码率条件下,T/2分数间隔均衡器比符号间隔均衡器的性能优12 dB,能够更有效地抑制由信道多径效应等引 起的码间干扰,提高信号传输的可靠性。
 
关键词:室内可见光通信;码间干扰;均方误差准则;分数间隔均衡器;符号间隔均衡器 
 
1引言
 
室内无线可见光通信是随着白光LED照明 技术[12]的发展而兴起的一种宽带无线接人技术, 该技术在采用LED灯照明的同时进行数据传输。 与无线电通信和红外通信相比,无线可见光通 信拥有许多传统通信所不具备的特殊优势,如发 射功率高、无电磁辐射、无需进行特定的频谱申 请、保密性强、节约能源等[4 6],很有希望成为一种 新的无线通信传输方式,并在未来无线通信中占 据重要地位。随着全光网络技术的发展和市场对 宽带移动通信需求的飞速增长,室内可见光通信 巳逐渐引起学术界和产业界的极大关注[78],有关 可见光全球标准化工作也已展开[9]。因此,可见 光通信是一个具有极大研究价值的研究课题,拥 有广阔的应用前景和巨大的市场潜力[8]。
 
与室外传播环境不同,室内可见光通信的传 播通常是在一个密闭的空间,不会受到强背景光 和天气的影响,光传播的损耗可以忽略[1°],但是 由于LED光源个数较多,分布位置不同,且具有 较大的表面积,因而在发射机和接收机之间存在 若干条不同的光路径。光信号由光源发出后,极 有可能经过多次的反射、折射才能到达接收 机[11],由于这些路径上的光程存在差异,信号经 过不同的光路径到达接收机的时间不同,从而形 成了“多径效应”[12],导致严重的码间干扰[11,13]。 研究表明,码间干扰可导致室内可见光通信系统 存在严重的检测误码[4’14]。为了改善通信质量, 有必要通过在接收端安置均衡器来补偿信道特 性[15’16],抑制码间干扰。由于在实际系统中,接 收端需首先通过信道估计技术了解信道状况,再 采用信道均衡技术补偿信道特性,因此,信道均衡 技术是室内可见光通信的关键技术之一。
 
对相关文献研究分析可以发现,目前国内外 相关学者也在对室内可见光的信道估计方法进行 研究[1718],有关均衡技术的研究主要集中在无线 电领域,室内可见光均衡技术的研究尚处于起步 阶段。需要注意的是,由于受到光电器件的限制, 室内可见光通信系统釆用的是与无线电通信不同 的调制方式。无线电通信的调制方式属于双极性 调制,而无线可见光通信中的调制方式为单极性 调制。此外,光通信与无线电通信的应用场景、传
输信道也是不同的[19]。显然,上述差异导致无线 电通信中的信道均衡研究成果不适用于可见光通 信系统。另外,虽然可见光通信和红外通信有很 多的相似之处[19],但是文献[5]和[20]均指出可 见光通信的光源安置在天花板上,有很大的发射 功率和表面积,因而可见光通信系统具有与红外 无线通信系统不同的信道冲激响应。因此,基于 室内可见光通信系统研究抗干扰的均衡技术是非 常必要的。
 
本文针对室内可见光通信系统研究分数间隔 均衡(Fractionally Spaced Equalizer, FSE)技术。 文中考虑分数间隔均衡器的原理和室内可见光通 信系统的特点,建立了相应的信道模型,在此基础 上提出分数间隔均衡器的均衡方法与理论,最后 通过计算机仿真对分数间隔均衡方法进行理论验 证和性能评估。
 
2 系统模型
常用的室内可见光通信系统如图1所示。
图1可见光通信系统模型 Fig. 1 Model of VLC systems
系统采用LED灯阵列作为照明和通信发射 源。与传统无线电通信不同,受光学器件等各方 面的限制,光通信中所传输的信号为单极性信号, 因此在可见光通信系统中,适用的调制解调机制 为强度调制/直接检测(IM/DD)。发射端通过白 光LED灯发射信号,并对信号进行强度调制,即 用光信号瞬时功率的有无来表示二进制信息“1” 或“0”。调制后的信号经过自由空间的多次反射、 折射到达接收端,接收机对接收到的光信号进行 直接检测,并将光功率信号恢复为所传输的信息。
由于在大多数情况下,很难了解一个算法完 成运算所需基本运算的精确数目,因此,算法的计 算量通常使用大O记号,渐近的表示基本操作数 目的上界。令L 和1分别为均衡器的长度 和采样间隔,若以计算N点输入信号经过分数间 隔均衡后输出所需的乘法次数来衡量计算量的大 小,则不同均衡方法所需的计算量如表1所示。 从表中不难发现,完成均衡所需要的计算复杂度 与采样间隔和均衡器长度有关,并成多项式关系, 因此本文中所提出的均衡算法是有效的。
 
 
本文通过计算机仿真,对上文所提出的均衡 方法进行了性能评估,首先从误码率(BER)和均 方误差(MSE)两方面衡量FSE和符号间隔均衡 器之间的性能差异,然后对FSE性能的影响因素 展开讨论。
 
图2和图3分别给出了两种均衡器MSE和 BER性能随光信噪比(OSNR)的变化情况。由两 图可以看出,对于本文所使用的可见光通信信道, 符号间隔线性均衡器并不能完全补偿信道失真, 而分数间隔均衡器的性能要明显优于符号间隔的 线性均衡器。在相同信噪比条件下,FSE的均方 误差要比符号间隔均衡器低12个数量级,并且 这种性能优势随信噪比增加更加显著。而在给定 误码率情况下,FSE也有12 dB的性能改善。 另外从图3还可以看出,随着采样间隔的增大,系 统性能变化并不明显。此种现象表明相对于符号 间隔均衡器以码率1/了对信号进行采样,FSE可 采用不低于Nyquist速率in的采样速率对输入 信号进行采样,能够避免因欠采样引起的频谱混 叠,可以补偿接收信号中的信道畸变,减少码间干 扰的影响,很好地改善了系统性能。而由于 Nyquist采样速率是不引起频谱混叠的临界情 况,随着采样间隔增大,采样速率大于等于
 
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