1.3 可见光通信的系统架构

一个基于白光LED的可见光通信系统框图如图1-3所示。该系统包括完整的发射、信道传输和接收部分。原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后，驱动LED，对LED进行强度调制，将电信号转换为光信号。预处理，即预均衡，是为了补偿器件、信道对信号带来的失真，通过采用预均衡技术提高LED的调制带宽，提高传输速率。而在接收端进行的后均衡，可以补偿其他信道损耗，如采样时钟频偏等。我们将在第5章中详细介绍均衡技术的原理。编码调制是为了在有限的带宽上实现更高的传输速率。由于受到可见光通信带宽的限制，为了提高白光LED通信系统的传输速率，在发射端可以通过设计和采用高阶的调制编码技术来提高传输的频谱效率，从而实现高速传输。目前研究者们采用最多的高阶调制格式为正交振幅调制—正交频分复用技术（QAM-OFDM）。

图1-3 可见光通信系统框图

VLC系统中使用的光源是白光LED。目前市面上一共有两种类型：荧光粉LED与红、绿、蓝（RGB）LED。荧光粉LED是最为广泛使用的白光LED类型，其原理是利用蓝光激发黄色荧光粉，以产生白光。这种类型的LED结构简单，成本较低，调制复杂度相对较低，但是调制带宽很低，频谱利用率不高。由于荧光粉LED的调制带宽只有几兆赫兹，系统的传输速率被限制，当信号格式采用OOK-NRZ（开关键控—不归零码）时，传输速率最高只能达到10Mbit/s。这是由于黄色荧光粉的响应速度慢而造成的。另一种类型为RGB-LED，其原理是将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起得到白光。RGB-LED具有较高的调制带宽，非常有希望用于未来的高速信号传输，但是其调制复杂度相对较高，并且如何控制3个芯片以保持颜色稳定、避免闪烁还有待进一步研究。基于两种类型LED的VLC系统各有其优势：基于荧光粉LED的系统优势在于实现简单、成本低廉；基于RGB-LED的系统优势在于可以实现更高的传输速率。

承载着传输数据的光信号在自由空间中进行传输，通过接收机前端的透镜，聚焦到光电探测器上。在此系统中，接收到的绝大部分能量来自于直射路径视线（Line Of Sight, LOS）。光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，对信号进行解调制、解码等信号处理过程之后，恢复出原始的发送信号。VLC系统可以采用的接收机类型有3种：基于PIN的接收机、基于APD的接收机、基于图像传感器（Image Sensor）的接收机。基于PIN的接收机响应快、灵敏度高、价格低廉；基于APD的接收机具有更快的响应速度、更高的灵敏度和信噪比，但其价格相对较高。目前的高速VLC系统通常采用基于PIN或者APD的接收机。而基于图像传感器的接收机响应速度较慢，灵敏度相对较低，但是它可以同时接收来自多个光源发送的数据，并且传输距离更长，因此在MIMO-VLC系统中经常使用，同时在很多应用实例中（如智能交通系统、可见光定位等）经常使用。