散弹噪声干扰下的多电平调制可见光通信系统

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1、散弹噪声干扰下的多电平调制可见光通信系统中图分类号：TN929.1文献标志码：A文章编号：1009-6868（2014）06-0036-004摘要：认为可见光通信系统中的散弹噪声对高电平的调制符号产生很大干扰，应当考虑调制电平之间的距离逐渐增加以提升系统性能。提出一种简单的设计准则，并通过数值结果验证了其几乎能达到最优方案的性能。数值结果显示，合理的电平设计将带来明显的性能提升。数值结果的比较发现照明需求将影响设计结果，这进一步说明了提出的简单设计准则的必要性。关键词：可见光通信;信号相关噪声;多电平调制Abstract：Shotnoiseinvisible-lightcommunic

2、ationsystemsgreatlyinterfereswithsymbolsinhigh-levelpositions.Thedistancebetweenthelevelpositionsshouldbegraduallyincreasedinordertoimprovesystemperformance.Thispaperproposesasimpledesignprinciple，andthenumericalresultsshowthatitcanalmostachieveoptimalperformance.Redesignfortheoptimallevelplacem

3、entsisneededwhenilluminationrequirement13changes，whichindicatestheimportanceofasimpledesignprinciple.Keywords：visiblelightcommunications;signaldependentnoise;multilevelmodulation随着固态照明技术的发展，发光二极管（LED）将被广泛应用于大量的照明环境中。与传统的照明光源相比，LED的光强变化对电信号具有更快的响应速度，因此可见光通信（VLC）的概念被提出。与无线电通信系统相比，VLC系统[1-2]有诸多优点：（

4、1）其工作频段为可见光范围，无需许可并且不占用日益拥挤的无线电频段;（2）实现照明的同时传输信号，节省了能量，是一种绿色通信;（3）可见光信号不可穿透墙壁，使得各个房间天然形成无干扰的小区，并且提高了通信的安全性;（4）在某些电磁敏感的场合可被用作无线通信的手段。总之，可见光通信是一项非常具有前景的技术。在可见光通信系统中，受技术与成本的限制，主要的调制检测技术为强度调制/直接检测（IM/DD）[3]。在发送端，LED随着电信号的电流变化改变发光强度，从而将电信号转化为光信号。在接收端，光电二极管根据收到的光强产生相应大小的电流，将光信号转变为电信号。然而，在接收端的“光-电”的转换过

5、程中，一种加性高斯噪声――散弹噪声（Shot13Noise）产生了[4-7]。与常见的热噪声相比，这种噪声最大的特点是噪声方差正比于接收光强。因此，使用IM/DD技术的系统将受到信号相关噪声的干扰。然而，在以往的研究里，信号相关噪声通常被忽略了，信道模型建模为通常的加性高斯信道，噪声大小与信号无关。当热噪声占主导地位时，或者背景光比光信号强许多时这种考虑是合理。但是，在VLC系统中，光信号同时兼顾照明需求，接收信号的强度相当大，导致的散弹噪声不可被忽略[8]，甚至替代热噪声成为主导噪声[9]。因此，文献[8]提出了一种更准确的信道模型，而本文也将基于此作进一步研究。本文考虑的是多电平调

6、制系统。早期的VLC系统采用开关键控（OOK）调制，由于LED的频率响应特性，调制带宽通常只有几至几十兆赫兹。为了进一步提高传输速率，一种简单而有效的方式是采用多电平调制。在以往情况下，例如主要噪声为热噪声的系统，调制电平的强度一般为等间隔分布，而判决边界则取两相邻电平的中点值。但是，在VLC系统中，由于散弹噪声的存在，不同强度的电平信号将受到不同强度的噪声影响，因此，更合理的电平分布应当是：电平之间的距离逐渐增加，与噪声大小相一致。此外，判决边界也应当重新考虑。13可以把电平选择视作星座设计问题。但是在有关的可见光/无线光通信系统星座设计的研究文献中，通常只考虑了信号独立噪声，而忽略

7、了信号相关噪声的影响[10-13]。设计方法通常是最大化最小欧式距离或者用填球法，最终设计的星座点是均匀分布的。显然，这种设计方法是不适合本文考虑的问题的。在本文中，多电平的选择被考虑为一个最优化问题，最终我们提出了一个简单而有效的方法以获得最优解，进一步，通过数值结果验证了设计的有效性和必要性，并发现了更多的结论。1多电平调制可见光通信系统模型考虑使用IM/DD技术，采用多电平调制的VLC系统。在发送端，每[n]个比特被映射为某符号[si∈S