CN116366153A - 基于不同占空比rz-pam4信号的室内多色复用可见光接入系统 - Google Patents
基于不同占空比rz-pam4信号的室内多色复用可见光接入系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于不同占空比RZ‑PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，基于不同占空比RZ‑PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，RZ‑PAM4信号生成模块，用于产生4路不同占空比的RZ‑PAM4信号；可见光传输链路模块将4路RZ‑PAM4信号分别加载到四色LED上产生4路可见光信号，在可见光信道中进行传输；接收模块分别接收4路可见光信号，并恢复出原始信号。本发明系统支持1.5Gbit/s RZ‑PAM4信号的收发以及4路下行信号在8m无线光信道上的传输；在相同波长下，占空比为67％的可见光信号比其他两个占空比信号具有更好的传输性能。该方案不仅能提供高带宽效率和较好的收发性能，还可满足不同接入用户的需求，在未来室内宽带接入系统中具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光通信网络中基于归零码-4阶脉冲幅度调制(RZ-PAM4)信号的多色复用室内可见光通信接入系统，用于改善可见光信号的传输容量及接收性能。
背景技术
近年来，许多宽带接入业务发展迅速，尤其是室内高速、大带宽接入应用需求日益增加，可见光通信(Visible light communications，VLC)技术作为一种支持室内宽带接入(或室内短距离通信)的新兴高速无线通信技术，已经在无线通信领域吸引了人们广泛的关注和兴趣。利用发光二极管(LED)实现室内照明和高速数据通信的可见光通信系统具有带宽大、无需频谱资源认证、电磁辐射干扰小等诸多技术优势。目前，采用高光谱效率多载波调制技术的单通道VLC系统的传输速率已提高到Gbit/s，但单色LED的通信带宽不够大，带宽利用率相对较低，传输速率有限。在VLC系统中采用多输入多输出(MIMO)技术和偏振分复用(PDM)技术，传输容量和传输速率可成倍提高。但MIMO技术由于需要复杂的数字信号处理，难以应用于VLC系统中。PDM技术需要使用偏光器，这将消耗一半的光能。相比之下，在发射端使用多色LED可达到与传统白光相同的发光效果，又能在不同的下行通道上同时传输信号，在色温可调、实现更高传输速率两方面更具有优势。而多色复用技术就是利用多色LED作为光源，在可见光波段不断增加单色信道个数即可实现，基本不增加系统的复杂度。为了达到更高的光谱效率，一些调制格式，如正交调幅(QAM)和正交频分复用(OFDM)技术，已经在多色VLC系统中得到验证和应用，而四阶脉冲幅度调制(PAM4)信号可以在同一码元内传输更多的比特信息，可减少多径效应引起的码间干扰(ISI)。该方案在未来的室内宽带接入网络中具有潜在的应用价值。
目前业界已提出的多色复用可见光通信接入系统方案，具有一定的有效提升谱效率和速率的能力。随着各种多媒体终端接入业务的发展，对于多用户来说，其收发性能以及频谱利用率有待进一步改进和提高。
发明内容
本发明针对上述情况，提出了一种采用33％、50％和67％的归零码-4阶脉冲幅度调制(RZ-PAM4)下行信号的室内多色复用可见光通信接入系统，并在系统中采用红、蓝、绿、黄发光二极管(R-LED、B-LED、G-LED、Y-LED)作为发射光源，产生的四个可见光信号以1.5Gbit/s的传输速率在8m无线光信道上进行传输。测试结果证明：虽然33％、50％和67％RZ-PAM4信号可以有效传输和接收，但在相同波长下，占空比为67％的信号比其他两个占空比信号具有更好的传输性能。该方案将在未来室内宽带接入系统中具有潜在的应用价值。上述装置实现方便，技术上切实可行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，包括RZ-PAM4信号生成模块、可见光传输链路模块和接收模块，其中，所述RZ-PAM4信号生成模块，用于产生4路不同占空比的RZ-PAM4信号；
所述可见光传输链路模块将4路RZ-PAM4信号分别加载到四色LED上产生4路可见光信号，在可见光信道中进行传输；
所述接收模块分别接收4路可见光信号，并恢复出原始信号。
具体地，所述RZ-PAM4信号生成模块包括伪随机序列发生器PRBS、非归零脉冲发生器NRZ、正弦发生器SG、PAM序列生成模块和多阶脉冲生成MPG，其中伪随机序列发生器PRBS产生二进制序列，通过非归零脉冲发生器NRZ实现电信号的输出，再经过正弦发生器SG得到不同占空比的RZ信号；由4个PAM序列生成模块和4个多阶脉冲生成MPG模块生成PAM4信号，然后将产生的RZ信号叠加到每个PAM4信号上，从而产生不同占空比的RZ-PAM4信号。
进一步，所述可见光传输链路模块的传输过程中采用具有四个单色薄膜透明片的空间滤波器进行滤波。
更具体地，所述接收模块包括4个光电探测器PIN、跨阻抗放大器TIA、自动增益控制器AGC和低通滤波器LPF，将4路可见光信号通过4个光电探测器PIN实现光电转换，后采用跨阻抗放大器TIA和自动增益控制器AGC将接收到的信号进行放大，可有效地接收各种颜色地可见光信号，提高系统的稳定性，便于后续的信号处理。并通过低通滤波器LPF进行滤波，从而恢复出原始信号。
在本方案中，所述四色LED包括红、蓝、绿、黄。所述四色LED的波长分别为460nm、525nm、580nm和635nm。
本发明将不同占空比的RZ信号与PAM4信号相结合，并采用四种颜色的LED作为发射源，可以满足不同接入用户的需求，获得了较好的收发性能。与其他室内通信技术相比，该多色VLC接入系统的下行接入带宽和信道数成倍增加。采用该方案可以大大增加接入业务的带宽，还可与室内节能LED组集成实现照明，在保证一定的通信质量的同时实现低功耗，适用于有多个LED照明设备的室内房间。
附图说明
图1为本发明中基于不同占空比RZ-PAM4信号的多色复用VLC接入系统结构图；
图2为33％、50％和67％ RZ-PAM4信号在460nm、525nm、580nm和635nm工作波长下的时域波形图；
图3为33％、50％和67％ RZ-PAM4信号在460nm、525nm、580nm和635nm工作波长下的光谱图；
图4为本发明中33％(ab)、50％(cd)和67％(ef)RZ-PAM4信号传输前后的眼图；
图5为本发明中不同占空比的RZ-PAM4信号的接收功率与误码率的关系图。
具体实施方式
如图1所示，在发射端，每个电信号由伪随机比特序列PRBS发生器和非归零脉冲发生器NRZ产生，通过改变正弦发生器SG的参数，将频率分别设置为0.75GHz和1.5GHz，再采用幅度调制器AM实现占空比分别为33％、50％和67％RZ信号的产生。4个PAM序列发生器和4个多阶脉冲发生模块MPG用于生成PAM4信号。然后，将产生的不同占空比的RZ信号叠加到每个PAM4信号上，得到不同占空比的RZ-PAM4信号，再增加直流偏置DC将产生的信号驱动四个LED灯，可得到更好的通信效果。生成的四路VLC信号以1.5Gbit/s的速率传输到下行室内可见光信道中。在8m可见光通道中进行传输。在接收端，四路可见光信号通过四个空间滤波器进行滤波后，采用四路光电探测器PIN实现光电转换，再采用跨阻抗放大器TIA和输出电压为0.005V的自动增益控制器AGC来接收各种颜色的可见光信号，使其在适当的接收范围内动态改变所接收的各个VLC信号。在每条接收路径中，通过采用低通滤波器LPF对带外噪声进行滤波，并通过3R再生器恢复出原始数据。
图2为不同占空比RZ-PAM4信号在四个工作波长下的时域波形图，可以看出，在信号波长相同的情况下，67％ RZ-PAM4信号的脉宽比33％和50％ RZ-PAM4信号宽，50％ RZ-PAM4信号的带宽比33％ RZ-PAM4信号宽。在相同占空比下，波长为460nm、525nm、580nm和635nm的可见光信号带宽基本相同，但四种VLC信号的功率有明显差异。
图3为不同波长下不同占空比RZ-PAM4信号的频谱图。很明显，在不同的工作波长下，具有不同占空比的可见光信号具有相同的主瓣带宽。由于传输速率为1.5Gbit/s，信号的主瓣带宽为1.5GHz，频谱能量主要集中在主瓣中。同时，整个频域的功率衰减也比较平缓。
图4为波长为460nm时，33％(ab)、50％(cd)以及67％(ef)VLC信号传输前后的眼图。对于不同占空比的信号(每个都含4个电平)，经8m自由空间光传输后的眼图仍然清晰，张开度明显，只有眼睑略增厚。这表明33％、50％和67％的RZ-PAM4信号均具有良好的接收性能。但与占空比为33％和50％的信号相比，占空比为67％的VLC信号传输前后的开眼效果明显。
图5为在460nm、525nm、580nm、635nm四种颜色波长下，不同占空比的RZ-PAM4 VLC信号的误码率v/s接收功率曲线如图5(a)、(b)、(c)、(d)所示。结果表明，随着接收功率的增加，误码率明显降低。当信号波长为460nm，接收机灵敏度约为-1.85dBm时，33％、50％和67％ RZ-PAM4信号的BERs分别为10-3.14、10-3.4和10-4.46。在信号波长为525nm，接收灵敏度为-1.85dBm的情况下，33％、50％和67％ RZ-PAM4信号的BERs分别为10-3.24、10-3.4和10-4.35。当波长为580nm，接收灵敏度约为-1.85dBm时，33％、50％和67％ RZ-PAM4信号的BERs分别为10-3.23、10-3.36和10-4.44。当信号波长为635nm，接收机灵敏度约为-1.85dBm时，33％、50％和67％ RZ-PAM4信号的BERs分别为10-3.25、10-3.4和10-4.24。三种占空比RZ-PAM4VLC信号都可有效接收。但与33％和50％ RZ-PAM4光信号相比，67％ RZ-PAM4VLC信号具有更好的接收性能。此外，当占空比为67％时，460nm波长的VLC下行信号比其他波长的信号具有更好的接收性能。
Claims (6)
1.基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，其特征在于：包括RZ-PAM4信号生成模块、可见光传输链路模块和接收模块，其中，所述RZ-PAM4信号生成模块，用于产生4路不同占空比的RZ-PAM4信号；
所述可见光传输链路模块将4路RZ-PAM4信号分别加载到四色LED上产生4路可见光信号，在可见光信道中进行传输；
所述接收模块分别接收4路可见光信号，并恢复出原始信号。
2.根据权利要求1所述基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，其特征在于：所述RZ-PAM4信号生成模块包括伪随机序列发生器(PRBS)、非归零脉冲发生器(NRZ)、正弦发生器(SG)、PAM序列生成模块和多阶脉冲生成(MPG)，其中伪随机序列发生器(PRBS)产生二进制序列，通过非归零脉冲发生器(NRZ)实现电信号的输出，再经过正弦发生器(SG)得到不同占空比的RZ信号；由4个PAM序列生成模块和4个多阶脉冲生成(MPG)模块生成PAM4信号，然后将产生的RZ信号叠加到每个PAM4信号上，从而产生不同占空比的RZ-PAM4信号。
3.根据权利要求1所述基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，其特征在于：所述可见光传输链路模块的传输过程中采用具有四个单色薄膜透明片的空间滤波器进行滤波。
4.根据权利要求1所述基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，其特征在于：所述接收模块包括4个光电探测器(PIN)、跨阻抗放大器(TIA)、自动增益控制器(AGC)和低通滤波器(LPF)，将4路可见光信号通过4个光电探测器(PIN)实现光电转换，后采用跨阻抗放大器(TIA)和自动增益控制器(AGC)来接收各种颜色的可见光信号，并通过低通滤波器(LPF)进行滤波，从而恢复出原始信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，其特征在于：所述四色LED包括红、蓝、绿、黄。
6.根据权利要5所述基于不同占空比RZ-PAM4信号的室内多色复用可见光接入系统，其特征在于：所述四色LED的波长分别为460nm、525nm、580nm和635nm。
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