作者
：Robin Le Priol、Sylvain Haese、Maryline Hélard、Ahmad Jabban 和 Sébastien Roy、INSA Rennes/舍布鲁克大学
随着无线电频谱变得越来越拥挤，作为一种富有前景的高速无线通信的替代方案，可见光通信 (VLC) 日益受到关注。VLC 使用发光设备（如 LED）传输信号，使用光电二极管接收信号。它具有许多优于射频数据传输的优点，包括免许可证的宽频谱、更好的安全性和抗电磁干扰性。
在雷恩电子和电信研究所 (IETR)，我们一直在评估 VLC 系统的各种调制方法。我们的目标是使用低成本组件构建这些系统，并在标准光照（例如典型办公室环境中的光照）水平下优化其数据速率。
在最近的项目中，我们对一个 VLC 系统进行了建模、构建和测试，该系统采用频谱高效的无载波振幅和相位 (CAP) 调制来实现可靠的高吞吐量传输：184 Mbps，误码率 (BER) 低于 10-3。通过在 MATLAB® 中使用 Communications Toolbox™ 对此系统进行建模和仿真，我们能够验证试验设置，对仿真结果和测量结果进行比较，并可视化关键性能指标。
与离散多音 (DMT) 和其他调制方案相比，CAP 调制的优点是收发机结构简单。发射机需要一对正交脉冲整形滤波器，它们在接收机端与一组匹配的滤波器配对（图 1）。CAP 的一个有趣属性是，信号频谱在低频 fc 附近发生偏移，使得产生的频谱保持在基带域；即，下边带一直延伸到 f=0。上变频实际上是脉冲整形滤波运算的一部分，从而避免与本地振荡器产生的载波发生混频。
图 1.用于 VLC 系统的 CAP 调制和解调方案。
易于实现也是我们决定使用 MATLAB 对 VLC 设置进行建模和仿真的一个关键因素。我们的研究小组广泛使用 MATLAB，该小组已建立一个可重用的大型 MATLAB 代码库，我们可以根据项目需要访问这些代码。此外，广泛用于射频通信系统开发的 Communications Toolbox 也适用于 VLC 系统，其算法和函数可节省我们系统的三个主要组件（发射机、接收机和通道）的建模时间。
在我们的发射机模型中，要传输的位首先转换为 QAM 符号，然后映射到其同相和正交分量上。接下来，对这两个分量进行上采样，再使其通过正交滤波器，然后求和。所有这些函数 - 包括调制、上采样和求和，以及同相和正交滤波 - 仅用几行 MATLAB 代码即可实现。对于无载波运算，同相滤波器和正交滤波器的冲激响应通过将标准平方根升余弦滤波器响应分别乘以余弦和正弦来实现。
接收机与发射机形成镜像，具有匹配滤波器、下采样和信号求和。然后，组合信号通过均衡器，以在发送到 QAM 解调器之前减轻源于 LED 频率选择性响应的符号之间的干扰。像发射机一样，接收机模型也很容易在 MATLAB 中实现。
对于信道模型，我们使用伪噪声 (PN) 序列来估计实际 VLC 通道的冲激响应。系统中的两个主要噪声源是接收机电路固有的热噪声和光电二极管中由光信号强度和环境光引起的散粒噪声。我们在 MATLAB 中将这两个噪声源建模为高斯白噪声，参数基于在实际接收机上获得的信噪比测量值。
一旦我们对发射机、通道和接收机进行了建模，就可以运行仿真来评估整个系统的性能。在这些评估中，我们生成星座图来检查仿真的接收信号的质量（图 2）。
图 2.以 184 Mbps 速率每符号编码 4 位的 16 CAP 信号的仿真星座图。
当然，我们的研究不仅限于 VLC 建模和仿真；我们主要关注使用 CAP 调制的 VLC 收发机在真实世界中的实现。我们的试验设置包括任意波形生成器 (AWG)、低成本白光 LED、聚焦光信号的透镜、单硅 PIN (S-PIN) 光电二极管和实时示波器，用于捕获和存储信号以便在 MATLAB 中进一步分析（图 3）。
图 3.VLC 试验设备的示意图（左）和实物照片（右）。
为了验证我们的 VLC 试验设置的结果，我们将这些结果与 MATLAB 仿真结果进行比较。具体来说，我们将 BER 视为吞吐量的函数。与预期相符，BER 随着数据速率的提高而增大。我们的试验和仿真结果轨迹相似，真实结果显示更高的错误率。我们将这些差异归因于 LED 的非线性，但我们尚未在 MATLAB 模型中考虑这一点（图 4）。
图 4.试验设置（蓝色）和 MATLAB 仿真（红色）中BER 作为传输速率的函数。
