1.3 可見(jiàn)光通信的系統(tǒng)架構(gòu)

一個(gè)基于白光LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)框圖如圖1-3所示。該系統(tǒng)包括完整的發(fā)射、信道傳輸和接收部分。原始的二進(jìn)制比特流經(jīng)過(guò)預(yù)處理和編碼調(diào)制之后，驅(qū)動(dòng)LED，對(duì)LED進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。預(yù)處理，即預(yù)均衡，是為了補(bǔ)償器件、信道對(duì)信號(hào)帶來(lái)的失真，通過(guò)采用預(yù)均衡技術(shù)提高LED的調(diào)制帶寬，提高傳輸速率。而在接收端進(jìn)行的后均衡，可以補(bǔ)償其他信道損耗，如采樣時(shí)鐘頻偏等。我們將在第5章中詳細(xì)介紹均衡技術(shù)的原理。編碼調(diào)制是為了在有限的帶寬上實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。由于受到可見(jiàn)光通信帶寬的限制，為了提高白光LED通信系統(tǒng)的傳輸速率，在發(fā)射端可以通過(guò)設(shè)計(jì)和采用高階的調(diào)制編碼技術(shù)來(lái)提高傳輸?shù)念l譜效率，從而實(shí)現(xiàn)高速傳輸。目前研究者們采用最多的高階調(diào)制格式為正交振幅調(diào)制—正交頻分復(fù)用技術(shù)（QAM-OFDM）。

圖1-3 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)框圖

VLC系統(tǒng)中使用的光源是白光LED。目前市面上一共有兩種類型：熒光粉LED與紅、綠、藍(lán)（RGB）LED。熒光粉LED是最為廣泛使用的白光LED類型，其原理是利用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉，以產(chǎn)生白光。這種類型的LED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，調(diào)制復(fù)雜度相對(duì)較低，但是調(diào)制帶寬很低，頻譜利用率不高。由于熒光粉LED的調(diào)制帶寬只有幾兆赫茲，系統(tǒng)的傳輸速率被限制，當(dāng)信號(hào)格式采用OOK-NRZ（開(kāi)關(guān)鍵控—不歸零碼）時(shí)，傳輸速率最高只能達(dá)到10Mbit/s。這是由于黃色熒光粉的響應(yīng)速度慢而造成的。另一種類型為RGB-LED，其原理是將紅、綠、藍(lán)三色LED芯片封裝在一起，將它們發(fā)出的光混合在一起得到白光。RGB-LED具有較高的調(diào)制帶寬，非常有希望用于未來(lái)的高速信號(hào)傳輸，但是其調(diào)制復(fù)雜度相對(duì)較高，并且如何控制3個(gè)芯片以保持顏色穩(wěn)定、避免閃爍還有待進(jìn)一步研究。基于兩種類型LED的VLC系統(tǒng)各有其優(yōu)勢(shì)：基于熒光粉LED的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉；基于RGB-LED的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。

承載著傳輸數(shù)據(jù)的光信號(hào)在自由空間中進(jìn)行傳輸，通過(guò)接收機(jī)前端的透鏡，聚焦到光電探測(cè)器上。在此系統(tǒng)中，接收到的絕大部分能量來(lái)自于直射路徑視線（Line Of Sight, LOS）。光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)制、解碼等信號(hào)處理過(guò)程之后，恢復(fù)出原始的發(fā)送信號(hào)。VLC系統(tǒng)可以采用的接收機(jī)類型有3種：基于PIN的接收機(jī)、基于APD的接收機(jī)、基于圖像傳感器（Image Sensor）的接收機(jī)。基于PIN的接收機(jī)響應(yīng)快、靈敏度高、價(jià)格低廉；基于APD的接收機(jī)具有更快的響應(yīng)速度、更高的靈敏度和信噪比，但其價(jià)格相對(duì)較高。目前的高速VLC系統(tǒng)通常采用基于PIN或者APD的接收機(jī)。而基于圖像傳感器的接收機(jī)響應(yīng)速度較慢，靈敏度相對(duì)較低，但是它可以同時(shí)接收來(lái)自多個(gè)光源發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且傳輸距離更長(zhǎng)，因此在MIMO-VLC系統(tǒng)中經(jīng)常使用，同時(shí)在很多應(yīng)用實(shí)例中（如智能交通系統(tǒng)、可見(jiàn)光定位等）經(jīng)常使用。