可见光通信科普——调制方式

可见光通信系统中的常用调制方式

作者:李洪磊、陈雄斌

          白炽灯和荧光灯这些传统的光源因为开关速度慢,一般只用来照明。白光LED具有很好的调制特性,开关速度很快,在调制频率很高的情况下,明暗变化不容易被人的肉眼所察觉。因此白光LED也可以作为可见光通信系统中的通信光源,在照明的同时,实现数据的传输。LED照明的普及和推广为可见光通信技术的发展提供了条件和机遇,目前可见光通信技术已成为国内外研究的热点。可见光通信技术作为无线通信的新技术,有很多有价值的研究方向,为了帮助大家更好地了解可见光通信技术,下面对主要涉及的调制方式,作一个简单的介绍供大家参考。

           电气电子工程师协会(IEEE)在可见光通信兼顾照明和通信的原则下,制定了IEEE 802.15.7标准,专门用来规范短距离可见光通信的相关协议。简单来说,IEEE 802.15.7标准规定了可见光通信系统物理层中的调制方式包括:开关键控(OOK)、可变脉冲位置调制(VPPM)和颜色转移键控(Color shift keying, CSK)。OOK调制方式是最简单的一种调制方式,可以用“1”表示灯亮,用“0”表示灯灭,这里的亮或灭不一定是全亮或全灭,可以是明和暗。VPPM是可变的脉冲位置调制方式,在一个单位周期内,通过改变脉冲出现的位置,来表示“0”“1”VPPM在一个单元时间间隔内定义了V个时间间隙,可以通过改变V的大小以及相应的编码,来实现PWM调光的功能。CSK调制方式是采用多颜色的光源和相应的探测器,实现信息的传输,支持高阶调制。IEEE 802.15.7标准根据速率分类,规定了不同调制方式下采用的编码方式,帧结构等内容,这里不再详细阐述。总之,IEEE 802.15.7标准在制定调制方式时,非常注重将信息传输与调光功能结合,兼顾了可见光通信中照明和通信双重功能,这在可见光通信系统的实际应用中是非常重要的。

           在可见光通信技术研究中,除了以上几种调制方式外,目前应用最多的就是正交频分复用(OFDM)和多音频调制(DMT),由于DMT是一种特殊的OFDM调制方式,这里只简单分析OFDM调制方式。我们知道,OOKVPPM等简单的调制方式,在时域的波形是规则的,在频域是无规则的。通常我们比较容易改变时域的周期和幅度,对频域的相关参数,比如载波频率,进行修改,就相对较难。OOKVPPM一般是二阶调制,频带利用率较低。OFDM相对于OOK调制方式,是一种高频带利用率的调制方式,它在时域上是无规则的波形,在频域上是规则的。我们可以通过对频域上的载波进行分配,充分利用频带,进行信息传输。此外,OFDM经常与高阶调制方式,比如M阶正交幅度调制(M-QAM)等结合,可以有效地提高可见光通信系统的数据传输速率。同时,OFDM调制方式与PWM调光结合,正在被研究人员研究,相信采用OFDM调制方式也可以很好地兼顾照明和通信。简单的说,在相同的器件调制带宽下,采用高阶的OFDM调制方式,系统的数据传输速率比OOK调制方式能高很多。OFDM调制方式虽然暂时没有被定义在IEEE 802.15.7标准内,但是对于器件带宽有限的可见光通信系统是充满了诱惑力,受到了国内外研究人员的喜爱。

           技术的特点总有其两面性,OFDM技术可以实现较高的频带利用率,但是实现比较复杂成本高OOK调制频带利用率虽然低,但是实现起来确实非常简单可靠成本低。从已有的技术文献来看,2014年,可见光通信系统采用OOK调制技术已经实现荧光型LED单路500Mbps实时传输;可见光通信系统采用OFDM调制技术已单色LED1000Mbps实时传输2014年,可见光通信系统采用OFDM调制技术和波分复用技术已实现红绿蓝黄四色LED5.6Gbps离线峰值速率。可以说,通信系统的低价格和高速率不易兼得。但是我们可以根据不同的应用场合和不同的业务要求择优选择。


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

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