可见光通信科普——带宽和速率

可见光通信畅谈------带宽和速率

                                     作者:陈雄斌

   对于通信系统来说,有效性(快慢问题)、可靠性(真假问题)和通信距离是几个核心的指标参数。其中有效性可以用带宽或者通信速率来描述;可靠性可以用误码率来描述;至于通信距离则根据具体业务需求来确定,会涉及到视距(直线)传播和非视距传播两种传输模式。通信系统的有效性和可靠性,是一对矛盾。一般情况下,要增加系统的有效性,就得降低可靠性,反之亦然。通信距离增加会使误码率上升,若要保证一定的误码率则通信速率下降。借助于纠错技术,只要原始误码率不高于某一上限值就可以通过纠错编码来检错纠错改善误码率,当然这需要耗费一定的编码资源,付出冗余代价(目前前向纠错的误码率上限要求是3.8×10-3),通常我们说的8B10B编码就是用10位编码来传递原始的8位信息码,编码效率降为80%。

   了解了以上一些基本概念,我们再来进一步了解通信系统中带宽和速率的关系。模拟信道的带宽 B=f2-f1 其中f1定义为信道能够通过的最低频率,f2定义为信道能够通过的最高频率,两者都是由信道的物理特性决定的。若想信号传输的失真小,信道要有足够的带宽。数字信道是一种离散信道,它只能传送离散值的数字信号,信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉冲序列的最高速率。信道带宽与数据传输速率的关系可用奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定律描述。

  奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。奈奎斯特准则指出:如果时间间隔为π/ω(ω=2πf),通过理想通信信道传输窄脉冲信号,则前后码元之间不产生相互窜扰。因此,二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B(B=f,单位Hz)的关系为:Rmax=2f(bps) 。对于二进制数据若信道带宽B=f=1000Hz,则最大数据传输速率为2000bps,多进制(M进制)的话速率可增加N=log2M倍。结论:对于有限带宽、无噪声信道,可以通过提高带宽来提高信息传输速率,在带宽一定的条件下还可以通过使用多进制调制技术提高信息传输速率。

   香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。香农定理指出:在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为:Rmax=B×log2(1+S/N) 式中,Rmax单位为bps,带宽B单位为Hz,信噪比S/N通常以dB(分贝)数表示。若S/N=30(dB),那么信噪比根据公式:S/N(dB)=10×lg(S/N) 可得,S/N=1000。若带宽B=1000Hz,则Rmax≈10kbps。香农定律给出了一个有限带宽、有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值。它表示对于带宽只有1000Hz的通信信道,信噪比在30db时,无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示,都不能用超过10kbps的速率传输数据。结论:对于有限带宽、有随机热噪声的信道,可以通过提高带宽来提高信息传输速率,在带宽一定的条件下还可以通过提高信噪比来提高信息传输速率。

   不管是无噪声的理想信道还是有噪声的实际信道,要想获得更高通信速率(信息传输速率)的用户体验,既可以通过拓展系统带宽来实现,也可以通过新的通信技术来提高频带利用率(所传输的信息速率与系统带宽之比值)。对于可见光通信系统来说,研究人员可以通过RGB三基色LED甚至四色LED做波分复用来提高总带宽,还可以通过预加重和后均衡技术来提高单色光的带宽。带宽提高了,系统信息传输速率就能提高,这就像日常生活中的货物运输,马路修宽(带宽拓宽)了,货物运输量(信息传输速率)增加也容易。当然也可以利用OFDM、DMT等现代通信手段提高频带利用率,这样在带宽一定的前提下还可以进一步提高信息传输速率,这好比在马路宽度一定的前提下,靠提高汽车载重量提高货物整体运输能力。因为OFDM技术涉及比较复杂的信号编解码、数模和模数转换,难以实现高速在线实时处理,通常系统只能做脉冲发送,并据此计算出一个峰值速率。也就是说,既使ECOC2014会议上报道的4色LED采用OFDM技术最高峰值速率已达5.6Gbps,也很难传输1路64kbps的实时数字语音业务。2011年,欧洲欧米伽计划资助下的100Mbps的OFDM实时传输系统是非常有代表性的可见光传输演示系统。如果可见光通信系统的带宽能拓展,则利用简单的OOK调制技术就能实时传输高速信号。科研文献报道,通过带宽拓展技术,2014年,基于10-20MHz的LED器件带宽拓展系统带宽到233MHz后, 1瓦功率的荧光型LED在OOK调制下单路传输,距离1.6米时实时传输速率已经超过500Mbps

   总的来说,可见光通信系统要想获得理想的高速通信,可以从提高系统带宽提高频带利用率两个方面同时着手。

                                                  作者:陈雄斌


注: 原文出自陈雄斌的科研主页 http://www.escience.cn/people/jason

相关学者

最近来访

相同研究领域

同一单位

相同研究兴趣