基于PIB-QPSK調(diào)制的可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)

劉珊　陶紹君　楊坤

摘要：該文提出了一種創(chuàng)新方法來(lái)改進(jìn)基于QPSK調(diào)制的可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)，我們將改進(jìn)后的系統(tǒng)命名為基于PIB-QPSK調(diào)制的可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)。即對(duì)QPSK調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行功率的不平等分配來(lái)保護(hù)重要比特位。該方法不僅保護(hù)了傳輸信號(hào)的重要比特位還簡(jiǎn)化了幀同步設(shè)計(jì)模塊。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論是在相同輸入信噪比條件下，改進(jìn)后的系統(tǒng)的輸出信號(hào)波形受噪聲干擾少。在相同輸出信號(hào)增益條件下，改進(jìn)后的系統(tǒng)性能改善了3dB。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信; 音頻傳輸系統(tǒng); PIB-QPSK; 功率分配; 位保護(hù); 幀同步

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0252-02

1 引言

可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication， 簡(jiǎn)稱(chēng)VLC）正在成為第五代及以后無(wú)線通信中傳統(tǒng)射頻通信的一種有前景的補(bǔ)充技術(shù)[1-2]，越來(lái)越多的學(xué)者提出了更多創(chuàng)新技術(shù)來(lái)改善可見(jiàn)光通信的性能。然而，誤碼率一直是可見(jiàn)光通信領(lǐng)域的一個(gè)大問(wèn)題。到目前為止，已經(jīng)提出了幾種方法來(lái)降低VLC系統(tǒng)的誤碼率，例如使用不同的調(diào)制方案或編碼信道或改進(jìn)設(shè)備。根據(jù)不同的調(diào)制方法，將MSK的誤碼率性能與GMSK進(jìn)行比較，得出MSK具有更好的性能。而基于VLC系統(tǒng)的室內(nèi)多輸入多輸出的BER已進(jìn)行了分析。

然而，很少有人提出為物理層星座中的重要比特提供增強(qiáng)的保護(hù)來(lái)減小誤碼率。我們小組最近做了一個(gè)基于可見(jiàn)光的實(shí)時(shí)音頻傳輸系統(tǒng)，使用OOK和QPSK調(diào)制方法來(lái)測(cè)試不同調(diào)制方法對(duì)可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)性能的影響。完成此項(xiàng)目后，我們?cè)O(shè)法使用某種方法即保護(hù)每幀數(shù)據(jù)中的重要位（高位）來(lái)改善VLC音頻傳輸系統(tǒng)的性能。

2 基于QPSK調(diào)制的可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)

本文比較了采用OOK調(diào)制和QPSK調(diào)制方法下的系統(tǒng)誤碼率，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示。通過(guò)測(cè)量可知，在相同的音頻輸入情況下，QPSK調(diào)制在誤碼率性能上有較大優(yōu)勢(shì)，且誤碼率隨著LED發(fā)射功率的增大而減小。QPSK的誤碼率在基本調(diào)制方式中是最低的，于是我們對(duì)QPSK調(diào)制信號(hào)的功率進(jìn)行不等分配，即改變每幀的不同比特位的幅度以實(shí)現(xiàn)功率分配，觀察系統(tǒng)改進(jìn)前后輸出信號(hào)的增益情況。

3 基于PIB-QPSK調(diào)制的可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)

3.1 QPSK的重要比特保護(hù)

本系統(tǒng)采用的一幀數(shù)據(jù)格式中包含8位數(shù)據(jù)位，即每次傳輸8比特。均勻量化過(guò)程中，位數(shù)越高其權(quán)值越大，所以高位出錯(cuò)會(huì)引入更多的誤差。因此若能在星座圖上增大高位碼元與圓點(diǎn)的距離即增大功率，能降低高位誤碼率、提高音頻傳輸可靠性。原始QPSK星座圖如圖2所示，取兩組QPSK碼元分別增大和減小功率，改進(jìn)后的星座圖如圖3所示。

3.2 簡(jiǎn)化幀同步結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)將高四位設(shè)定為重要比特位，在星座圖上用兩個(gè)較大功率的QPSK碼元發(fā)送。對(duì)于低四位的比特，用兩個(gè)較小功率的QPSK碼元發(fā)送。由于8bit即4個(gè)QPSK碼元在發(fā)送時(shí)的前兩個(gè)碼元的功率大，而后兩個(gè)碼元的功率小，可用包絡(luò)檢波得到一組周期性的方波。并通過(guò)鎖相環(huán)同步法將接收信號(hào)和這組方波相比較，使這組方波和接收碼元波形的轉(zhuǎn)變點(diǎn)保持同步。鎖相環(huán)同步法的基本原理，是在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位，若兩者不一致，則鑒相器產(chǎn)生誤差信號(hào)調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直到獲得準(zhǔn)確的位同步信號(hào)。

具體方法為：將調(diào)制信號(hào)采樣后進(jìn)行整流和低通濾波，得到其幀同步基帶信號(hào)。包絡(luò)檢波輸出基帶波形后，還需要對(duì)其進(jìn)行符號(hào)判決及定時(shí)輸出。其中判決門(mén)限取基帶波形的直流分量，相當(dāng)于取信號(hào)的均值。所以我們對(duì)該基帶波形取256個(gè)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算其均值，獲得判決門(mén)限。然后基于該判決門(mén)限對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行判決，得到一個(gè)方波。最后將這組方波作為幀同步信息碼組。

3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

假設(shè)信道中的噪聲是高斯白噪聲，輸入音頻信號(hào)為頻率為10kHz的正弦波，采樣率為250kHz。在總功率相同條件下，首先用MATLAB仿真改進(jìn)前的VLC音頻傳輸系統(tǒng)，設(shè)每個(gè)碼元的幅值為[5]。然后，在總功率不變的情況下，改變高4位和低四位比特的功率，如取高兩位碼元的幅值為2[2]，低兩位碼元的幅值為[2]。我們對(duì)改進(jìn)前后的系統(tǒng)進(jìn)行兩個(gè)方面的比較。第一個(gè)方面是在輸入信噪比相同情況下，比較輸出信號(hào)受噪聲干擾的變化情況。第二個(gè)方面是在輸出信號(hào)相同情況下，比較改進(jìn)前后的系統(tǒng)所需要的輸入信噪比。設(shè)改進(jìn)前后的輸入信噪比均為10dB，即保證輸入信噪比相同，觀察系統(tǒng)改進(jìn)前后的輸出信號(hào)圖，如圖4和5所示。由圖可知，改進(jìn)后的系統(tǒng)還有的噪聲比改進(jìn)前的系統(tǒng)要少很多。

在輸出信號(hào)受噪聲干擾極為相近的情況下，比較改進(jìn)前后的系統(tǒng)所需要的信噪比。設(shè)改進(jìn)后的系統(tǒng)輸出如圖6所示，那么改進(jìn)前的系統(tǒng)要達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)所需要的輸入信噪比為13dB，即改善了3dB。由此可見(jiàn)，我們提出的方法改善了該VLC音頻傳輸系統(tǒng)。我們舉的例子僅僅是為了說(shuō)明該方法可以改善VLC音頻傳輸系統(tǒng)，但要做進(jìn)一步研究，該方法對(duì)音頻傳輸系統(tǒng)的改善效果將會(huì)更好。

4 結(jié)論

在本文中，我們提出了一種改進(jìn)的調(diào)制方法來(lái)改進(jìn)VLC實(shí)時(shí)音頻傳輸系統(tǒng)。 給出了該方法，并給出了仿真結(jié)果。盡管在改進(jìn)的系統(tǒng)中仍存在一些失真，但它表明改進(jìn)VLC音頻系統(tǒng)的方法是成功的。具體而言，表明改進(jìn)后的音頻傳輸系統(tǒng)不僅提高了音頻傳輸?shù)目煽啃?，不?huì)因幀頭的錯(cuò)誤比特導(dǎo)致失去同步從而失去某些數(shù)據(jù)幀，提高了幀同步的可靠性。此外，該幀同步法沒(méi)有額外開(kāi)銷(xiāo)，提高了系統(tǒng)的有效性。未來(lái)的工作將集中在對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字音頻或視頻傳輸?shù)倪M(jìn)一步研究上。

參考文獻(xiàn)：

[1] F. Haider et al. Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEE Commun. Mag，2014，52（2）： 122-130.

[2] S. Wu H. Wang C. Youn.Visible light communications for 5G wireless networking systems： From fixed to mobile communications[J].IEEE Netw，2014，28（6）： 41-45.

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