基于自適應比特加載OFDM的白光LED音頻通信系統(tǒng)研究

陳思源，王智鑫，趙嘉琦，黃星星，遲　楠

(復旦大學通信科學與工程系，上?！?00433)

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基于自適應比特加載OFDM的白光LED音頻通信系統(tǒng)研究

陳思源，王智鑫，趙嘉琦，黃星星，遲楠

(復旦大學通信科學與工程系，上海200433)

提出了一種可適用于室內低速的可見光音頻通信系統(tǒng)(Visible Light Communication，VLC)。發(fā)射端光源為白光LED，使用智能移動終端的音頻接口和高靈敏度的光電探測器(PIN)組成接收端，調制方式為自適應比特加載OFDM，自由空間傳輸距離1.2m,系統(tǒng)的單向總數(shù)據(jù)率達到22.37kbit/s。系統(tǒng)誤碼率(Bit Error Rate，BER)低于前向糾錯碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)門限3.8×10-3。該VLC系統(tǒng)使用的3.5mm耳機信道是幾乎所有智能終端的一種標準接口，和智能終端兼容性高，而VLC作為室內寬帶接入的一種方式，已受到越來越多的關注，實驗結果表明，可見光音頻通信將在智能移動終端領域獲得潛在的應用。

自適應比特分配；可見光通信；音頻；OFDM

引言

在通信方面，與現(xiàn)在的無線通信相比，可見光具有發(fā)射功率高、無需再申請頻譜、無電磁敏感以及成本低等優(yōu)點。VLC結合照明技術與通信技術于一體，是一種新興的技術， 因此近年來基于白光 LED的可見光通信得到更多的關注。在實際應用方面，室內可見光通信技術是代替現(xiàn)有無線技術實現(xiàn)更高質量的室內無線接入的一種可行性方案[1]。

網(wǎng)絡終端，如手機、平板、PC等，作為寬帶接入網(wǎng)中重要的一端，自出現(xiàn)以來已得到普遍的應用，而在終端設備的眾多的模擬接口中，3.5mm耳機孔是一個標準的，開放的，易于接入的接口，通常作為音頻的輸入輸出，但是作為一種接口和其他配件的結合，可以用作傳輸數(shù)據(jù)，充電，及控制等功能的信道。在實際應用中，拉卡拉刷卡器利用應用程序和3.5mm的耳機孔信道，通過射頻無線信道交互數(shù)據(jù)。近年有實驗實現(xiàn)了使用智能手機的耳機孔為周邊設備供電及進行有效的通信，實驗模擬了一個簡單的示波器功能，實現(xiàn)在3.5V工作電壓下，負載的功率是7.4mW, 雙向的通信速率為8.82kbps[2]。

由于音頻信號帶寬的限制及自由空間信道的特性，高頻部分的信號衰落較大。在VLC中使用自適應比特加載OFDM調制方式, 通過對信道的估計，靈活的分配各個子信道的比特數(shù)及賦予相應的調制階數(shù)。系統(tǒng)的平均信噪比與各門限值進行比較并反饋，據(jù)此發(fā)端做相應的調制模式調整，可以提升系統(tǒng)的整個吞吐量[3]。

在本文中介紹了一種用耳機孔作為VLC在終端的信道，使用智能終端的錄音程序采集,以音頻數(shù)據(jù)格式保存后做離線處理，使用自適應比特加載OFDM調制方式，利用白光LED作為發(fā)射端和高性能的PIN作為接收端。實驗中VLC系統(tǒng)在7.35kHz調制帶寬，通信距離為1.2m的自由空間傳輸條件下，可實現(xiàn)單向數(shù)據(jù)速率達22.37kbit/s，并且BER低于FEC極限3.8×10-3。與不使用自適應比特加載調制方式相比，采用自適應調制方式后，系統(tǒng)的速率可以提高一倍。

1　耳機孔信道

耳機傳輸?shù)囊纛l信號一般是1250Hz～9600Hz的交流音頻信號，因此系統(tǒng)對高頻部分衰落表現(xiàn)相當明顯。目前的耳機孔的結構普遍采用4芯標準，分為左聲道L、右聲道R和MIC(麥克風)以及GND(地線)。在用于雙向的數(shù)據(jù)通信中時，耳機孔與周邊外設供電及數(shù)據(jù)通信時可用左右聲道做輸出，MIC可作為數(shù)據(jù)的輸入通道，這就是音頻信道通信的硬件基礎[2]。

2　自適應比特加載OFDM調制方式原理

VLC自適應比特加載OFDM系統(tǒng)模型如圖1所示，對輸入的二進制數(shù)據(jù)先進行串并轉換并做QAM映射，為保證有時延的OFDM信號在FFT積分周期內總是具有整倍數(shù)周期，對信號做循環(huán)前綴(CP)。為了進行信道估計，在符號中加入導頻符號，做快速傅里葉逆變換(IFFT)實現(xiàn)對各個信號調制到相互正交的子載波上，最后對信號做并串轉換后將串行數(shù)據(jù)經(jīng)過白光LED光源發(fā)送出去[4，5]。在VLC系統(tǒng)的接收端，光電探測器(PIN)轉換白光LED信號為電域。 OFDM的解調時，信號在移除CP做FFT變換之前，先做串并轉換。為了對各個子載波分配合適的調制方式，需要先明確不同的信道響應，因此系統(tǒng)利用導頻先做信道估計[3，6]。得到每個OFDM符號的SNR的平均值，即有效值。之后利用BER與有效SNR的對應關系，確定每個BER目標所需的SNR閾值。根據(jù)估計結果反饋給發(fā)射端，以便各載波在選擇合適的調制方式，使系統(tǒng)工作在最好的狀態(tài)，同時接收端接收的信號經(jīng)過并串變換恢復信號，完成數(shù)據(jù)的傳輸[7-9]。

圖1　VLC自適應比特加載OFDM系統(tǒng)模型Fig.1　The adaptive bit loading OFDM of VLC system diagram

圖2　VLC系統(tǒng)實驗裝置圖Fig.2　The experimental setup of VLC system

3　實驗設置

VLC系統(tǒng)的原理如圖1所示，實驗設置如圖2所示。在這個VLC系統(tǒng)中，任意波形發(fā)生器(Tektronix AWG520)輸出的OFDM已調信號經(jīng)過電放大器(EA)放大后，所得到的信號經(jīng)過直流偏置(Bias)交直流耦合后，加載到白光LED上，接收端端采用PIN接收光信號，接收端PIN之前的信號經(jīng)過自由空間傳輸，接收到的帶有噪聲的信號進入四段式耳機的MIC段，由移動終端(Mobile Terminal，MT)采集，實驗中移動終端使用了智能手機，用其自帶的錄音軟件以MP3的格式存儲下來，至此得到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。發(fā)射信號采用自適應比特加載OFDM調制方式，4QAM-OFDM信號上變頻至中心頻率24.80kHz，系統(tǒng)的調制帶寬為7.35kHz。下載4QAM-OFDM波形數(shù)據(jù)到AWG中，并由AWG輸出到驅動模塊，驅動白光LED。接收到的信號首先下變頻至基帶，然后進行相應4QAM-OFDM編碼的解碼流程，操作計算機離線恢復發(fā)送信號，最后比較輸入輸出信號的差錯率(BER)，并決定SNR的門限值，反饋給發(fā)送端。

4　實驗結果

如圖3所示，(a)為OFDM調制后接收端子載波的SNR分布，在高頻部分的衰落明顯，(b)為自適應比特加載后子載波分配的比特數(shù)，不同比特數(shù)對應的星座圖如(d),(c)為子載波誤碼的分布狀態(tài)。

圖3　(a)各載波的SNR分布；(b)各載波的比特分配;(c)各載波的誤碼率;(d)星座圖Fig.3　(a) SNR estimation; (b)Bit allocation;(c) BER per subcarrier；(d) constellation

圖4是所測得的使用不同狀態(tài)下所得到的信號的頻譜圖，(a)發(fā)送端經(jīng)過OFDM調制后的頻譜，(b)經(jīng)過VLC系統(tǒng)的接收信號的頻譜圖，(c)自適應比特加載OFDM調制下發(fā)射信號的頻譜圖，相對于(b)圖，信號的頻譜得到的改善，(d)是使用自適應比特加載OFDM的接收信號的頻譜圖，其相對于(c)變化程度相對于(a)(b)，有明顯的下降。即從圖可以看到，采用自適應之后，高頻部分的衰減程度上得到改善。

圖4　頻譜圖Fig.4　The spectrum

在使用音頻信道的VLC系統(tǒng)實驗時，我們把將白光LED和PIN的之間的距離設定在1.2m, 驅動電路的直流大小為75mA，驅動電路的驅動電壓為3.2V，子載波數(shù)為256個，系統(tǒng)的調制帶寬為7.35kHz,測試偏置電壓(Bias Voltage)與BER及數(shù)率(Bit Rate)之間的關系， 如圖5所示，BER隨偏置電壓的關系，其中當偏置電壓從3.0V到3.3V變化時，在滿足BER低于FEC的極限3.8×10-3時，系統(tǒng)取得最高速率的偏置電壓為3.2V，由圖也可以看出自適應比特加載OFDM方式對BER的改善，誤碼越高時，改善的效果越明顯，這是由于在誤碼嚴重的高頻分配的信息少。

圖5　BER及Bit Rate與偏置電壓之間的關系Fig.5　BER and Bit Rate at different Bias Voltage

圖6　BER及Bit Rate與AWG輸出電壓之間的關系Fig.6　BER and Bit Rate at different Input Signal Virtual Power Plant

在此基礎上，改變AWG的輸出信號的峰峰值(Upp)，如圖6所示，從60mV到90mV的變化。圖中分別是采用OFDM和自適應比特加載OFDM調制方式得到的BER及數(shù)率隨Upp之間的關系，可以看到在滿足BER<3.8×10-3條件下，取得最高速率時的最佳的Upp為70mV。隨著峰峰值的增大，信號的波形將出現(xiàn)削頂失真等現(xiàn)象。

最后實驗測試了白光LED和接收PIN之間距離的關系，距離變換范圍為1.0m～1.6m，步進為0.2m,圖7是傳輸距離和BER及數(shù)率之間的關系，由于距離增加后接收機接收到的光功率降低，系統(tǒng)的SNR降低，BER增加。實驗中在最佳工作點時，系統(tǒng)帶寬為7.35kHz,自適應OFDM調制后平均的比特率為3.043 bit/Hz，因此系統(tǒng)采用白光LED和耳機孔信道通信條件下，可以使系統(tǒng)在距離1.2m條件下的總速率達到22.37kbit/s。自適應比特加載OFDM根據(jù)不同的SNR分配不同階數(shù)QAM。

圖7　BER及Bit Rate與傳輸距離之間的關系Fig.7　BER and Bit Rate at different distance

5　結束語

在本文中，我們提出一種可以使用于室內可見光通信的具有統(tǒng)一標準接口的移動終端系統(tǒng)，該信道具有普遍的實用性，及統(tǒng)一的標準。實驗中使用商用的白光LED，高靈敏度的PIN，在調制帶寬為7.35kHz時，采用自適應比特加載OFDM調制方式，可以使系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)速率帶到22.37kbit/s。顯然系統(tǒng)的BER性能在經(jīng)過1.2m自由空間傳輸后仍然低于前向糾錯碼的極限3.8×10-3，實驗中與OFDM調制相比，采用自適應方式比特加載后，系統(tǒng)的速率和BER均得到很大的改善

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White LED Audio Communication System Based on Adaptive Bit Allocation OFDM

CHEN Siyuan, WANG Zhixing, ZHAO Jiaqi, HUANG Xingxing, CHI Nan

(DepartmentofCommunicationScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

In this paper, we proposed a low speed audio communication system using visible light which is suitable used in indoor communication. In the system, the unidirectional total data rate is 22.37kbit/s used OFDM Adaptive bit loading with BER under pre-FEC limit of 3.8×10-3after 1.2m free-space transmission, which have a white LED as a transmitter and the audio interface of smart mobile using a High-sensitivity Photodetectors (PIN) as a receiver. The 3.5mm headphone channel is a standard interface for all intelligent terminals with high compatibility, and VLC is a way of indoor broadband access, which has been received more and more attention. With this development, the 3.5mm headphone channel based on VLC will be popular

adaptive bit allocation; Visible Light Communication; audio; OFDM

國家電網(wǎng)公司科技項目“電力復雜電磁環(huán)境下高可靠短距離無線通信關鍵技術研究”資助

TM923

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10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.013