室內(nèi)VLC通信系統(tǒng)的定時同步技術(shù)研究

王勇杰 周文杰 魏濤

【關(guān)鍵詞】Park算法;改進(jìn)算法;可見光通信系統(tǒng)

【中圖分類號】TN929.12;TN914.332【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）09-0034-03

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，高速的Wi-Fi在人們的生活和工作中已經(jīng)不可或缺，但是Wi-Fi技術(shù)存在應(yīng)用領(lǐng)域被限制、頻譜范圍窄及安全性較差等問題[1]，于是VLC技術(shù)應(yīng)運而生。VLC技術(shù)很好地解決了這些問題，滿足了人們對新型通信的需求，它不僅具有通信的功能，還能輔助照明。基于此，VLC技術(shù)高速發(fā)展，成為無線通信領(lǐng)域中炙手可熱的研究內(nèi)容[2]。

本文對可見光通信系統(tǒng)的同步技術(shù)加以研究，分Park算法、Minn算法和S&C算法，以及當(dāng)下研究中存在的不足，提出了一種新的算法，并將上述算法應(yīng)用于所建立的系統(tǒng)模型中測試相應(yīng)的性能后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)優(yōu)化的算法具有極強(qiáng)的抗干擾能力、良好的實時性及均方差小等優(yōu)點。

1 可見光通信系統(tǒng)的建模

1.1 LED的布局建模

設(shè)LED為朗伯（Lambertian）點光源s，用一個三元組表示，即s=（r，n，m），其中r為點光源的位置向量;n為發(fā)光面的法線方向，沿此方向光強(qiáng)最大;m為表示發(fā)光方向性的模式參數(shù)[3]。光源的光強(qiáng)分布：

上式中，Rs（θ，φ）代表光源方向的輻射強(qiáng)度[4]。

1.2 探測器和接收電路建模

在可見光通信中，因為LED的電光效應(yīng)主要用作發(fā)送光信號的信號源，所以通信的接收端大多采用光電二極管（PD）或雪崩光電二極管（APD）。有一些研究人員注意到發(fā)光二極管可以被光子激發(fā)，這是發(fā)光二極管對光的反應(yīng)能力，即光致發(fā)光（PL），發(fā)光二極管在吸收光子后發(fā)出光。所以，可利用光到光的轉(zhuǎn)換測試LED的結(jié)構(gòu)。

由于LED具有電光效應(yīng)，所以它可以同時作為接收器和發(fā)射機(jī)，還可以形成半雙工VLC通信系統(tǒng)。通常，接收探測器采用寬光譜吸收，峰值寬度相當(dāng)長，而想要提高信噪比，就需要過濾干擾光，大幅度接收信號頻段的光。為了解決這個問題，可以在接收端配合上一個波長范圍大小固定的濾波片，形成一個符合要求的濾波器。LED具有的窄頻接收特性，可以通過天然濾波器的特性彌補，節(jié)省了濾波器的采購成本，簡化了接收機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了成本。近年來，一些團(tuán)隊已經(jīng)開始研究如何利用路燈通過感知光線變化監(jiān)控交通流量。這種路燈中只嵌入了一個很小的電路，不需要其他設(shè)備。與監(jiān)控攝像頭相比，每套系統(tǒng)設(shè)備可以節(jié)省數(shù)萬元的成本。LED在人們的生活中無處不在，將LED作為探測器，可以利用冗余照明或顯示屏開發(fā)傳感和通信功能，從而減少空間資源占用，降低設(shè)備成本。因此，研究LED光通信系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

光電接收電路由電源電路、二階RC高通濾波電路、前端光接收電路及二級放大電路4個部分組成。電源電路的作用是給光電接收電路的芯片提供合適的工作電壓。前端光電接收電路的作用是接收調(diào)制后的光波信號，然后轉(zhuǎn)換為電信號。高通濾波電路的作用是濾除環(huán)境光和電路中的直流分量。二級放大電路的作用是放大有用信號，達(dá)到FPGA處理單元解調(diào)的要求。

PIN光電探測器用于調(diào)制光強(qiáng)信號的接收端，通過PIN探測器轉(zhuǎn)換放大信號和能級聯(lián)的信號，相關(guān)的探測器峰值波長為800 nm，響應(yīng)帶寬為500 MHz。因為PIN型光電探測器轉(zhuǎn)換電信號的能力較弱，所以系統(tǒng)分別把OPA847芯片和THS3091芯片當(dāng)成一級放大電路芯片和二級放大電路芯片。OPA847芯片和THS3091芯片在正常工作情況下的電壓分別為5 V和-5 V，它們的工作電壓由電源電路提供。D1是PIN光電二極管，相應(yīng)的型號為S597，由電源電路提供偏置電壓為-5 V。PIN二極管生成微弱電流信號通過OPA847芯片放大后轉(zhuǎn)換變成電壓信號（可識別）。THS3091放大器放大收到的一級信號二級放大，可以滿足后續(xù)電路電壓的要求。電阻R2與R3的比值和OPA847和THS3091的信號放大倍數(shù)息息相關(guān)，相位補償功能則由C3電容實現(xiàn)。

1.3 可見光通信系統(tǒng)的信道建模

可見，光通信系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)鏈路類型：視光（LOS）鏈路和散射（DIF）鏈路。在視線鏈接中，LED發(fā)射器發(fā)送的信號在接收器的視野范圍內(nèi)，必須與PD對應(yīng)。視光鏈路通過點對點的方式進(jìn)行直接通信，相應(yīng)的功率效率非常高。在散射鏈路部分，通過墻壁等相應(yīng)介質(zhì)或其他介質(zhì)反射發(fā)射器產(chǎn)生的相應(yīng)信號，讓對應(yīng)的光信號在接收器的視野范圍內(nèi)。DIF鏈路比LOS鏈路接收到更多的信號，但時延引起的多徑效應(yīng)也會影響系統(tǒng)性能，這是因為傳輸信號到達(dá)每個散射點的時間不同。

在VLC系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的定時同步算法總是存在碼間干擾，它是由正交頻分復(fù)用符號的延遲擴(kuò)展所引起的相鄰信號干擾造成的。為了解決這個問題，可以在相鄰符號之間插入保護(hù)間隔。通常，將幀的末尾復(fù)制到幀的頭部，稱為循環(huán)前綴（Cycle Prefix，CP），它是一個保護(hù)間隔，這個保護(hù)間隔的長度大于OFDM符號的延遲擴(kuò)展。由于CP是重復(fù)的信息，所以在對數(shù)據(jù)執(zhí)行Slide Auto-Correlation（SAC）時，頭部和尾部信息是相同的，相關(guān)性值必須是峰值。受噪聲和干擾的影響，相關(guān)峰不是峰值，導(dǎo)致時序模糊，特別是在信噪比低的情況下。為了改善這一現(xiàn)象，有4種傳統(tǒng)的算法。

2 Park算法

2.1 Park算法的幀結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的定時同步算法有S&C算法、S&C優(yōu)化算法和Minn算法。前兩種算法都有不足之處，Minn算法雖然可以讓定時偏差的方差較低，也抹去了S&C的峰值平臺，但是無法避免副峰的產(chǎn)生，而且相應(yīng)的判決的度量太大。因此，對Park算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的定時同步算法，此算法的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

此算法和Park算法一樣的判決度量一樣，對于OFDM的第N/2個點對稱的結(jié)構(gòu)，它也有相似的判決方案。因為在信號N/4和3N/4點處這兩個沒有對稱，所以在兩點處沒有小的相關(guān)峰，抹除了Park算法中干擾的兩個副峰，比Park算法性能更佳。

2.2 Park改進(jìn)算法定時測度

圖2顯示了在光信道中，當(dāng)N數(shù)=256、Ng數(shù)=32和SNR數(shù)=20 dB時，改進(jìn)Park算法的判決量一般情況下的位置為0。從圖2可以看出，改進(jìn)Park算法獨到的判決量，直接抹除副峰，相比Park算法是很大的進(jìn)步。循環(huán)前綴導(dǎo)致相應(yīng)的峰值平臺，偏差大的S&C算法定時模糊。Minn算法峰值較緩，有明顯的副峰。Park算法的定時測量非常尖銳，但子峰仍然較大，對定時干擾嚴(yán)重。由此，本文所設(shè)計的Park改進(jìn)算法適用于DCO-OFDM系統(tǒng)。

3 仿真結(jié)果

設(shè)置室內(nèi)無線可見光信道，采用DCO-OFDM方案，循環(huán)前綴Ng=32，N數(shù)=256，得到了改進(jìn)Park算法在不同判決端口下的幀誤檢率。由于檢測率取決于判決容易產(chǎn)生很大的影響，別的算法在判決門限難以抉擇，所以選擇改進(jìn)Park算法。此外，算法基本都有以下規(guī)律，判決門限越大，漏檢率越高;判決門限越小，幀誤檢率越高。

圖3比較了幀誤檢率在不同自相關(guān)的定時同步算法的情況?？梢钥闯觯兴惴S著X變大，相應(yīng)減小的是幀誤檢率，而一直有較高的幀誤檢率的是S&C算法，當(dāng)然它也在緩慢下降。如果在理想的無噪聲信道情況下，將會有一個相似的平臺，相比它峰值相同，判決度量減小。但是受外部因素影響，可能造成錯誤的判決，峰值可能不在相同位置;而Park算法幀誤檢率低，Park算法的性能相應(yīng)在高信噪比情況下也是不錯的，但是Park算法在低信噪比情況下容易發(fā)生誤差，副峰過高。當(dāng)然，Park改進(jìn)算法相比之下略勝一籌，相同條件下，Park算法幀誤檢率最低。

Park改進(jìn)算法相比基礎(chǔ)的算法，不僅有一部分性能得到提升，而且沒有副峰的干擾，檢測率有所上升。在較低的信噪比下，符號量化單周期互相關(guān)算法比另外兩種互相關(guān)算法的性能更好。但是，隨著信噪比的增大，符號量化單周期互相關(guān)算法基本趨于平緩，而另外兩種互相關(guān)算法還在持續(xù)下降，當(dāng)信噪比達(dá)5 dB時，改進(jìn)的多周期互相關(guān)算法性能超過符號量化單周期互相關(guān)算法，當(dāng)信噪比達(dá)11 dB時，多周期互相關(guān)算法性能也超過符號量化單周期互相關(guān)算法，這是符號量化性能下降導(dǎo)致的，即使性能很高，也會有一定的差錯概率?？梢钥闯?，改進(jìn)后的多周期互相關(guān)算法的性能相比原多周期互相關(guān)算法提高了6 dB左右。與原多周期互相關(guān)算法相比，多周期互相關(guān)算法的性能有了明顯的提高。改進(jìn)的多周期互相關(guān)算法不僅性能比原多周期互相關(guān)算法高，而且信噪比的要求很低，資源利用率也很高。

對不同算法的定時均方誤差進(jìn)行比較，因為低通的室內(nèi)VLC通信系統(tǒng)的多徑效應(yīng)不太明顯，所以只要保持正確的幀同步，采樣點就能達(dá)到最佳?；诨ハ嚓P(guān)的算法和改進(jìn)的Park算法只要不漏檢，無虛檢，定時均方誤差都為0，但是其他基礎(chǔ)算法在相應(yīng)的低信噪比條件下定時均方誤差就顯得比較大了，尤其是S&C算法，即使在高信噪比下定時均方誤差都特別大。

4 結(jié)論

本文提出的傳統(tǒng)算法和改進(jìn)Park算法采用峰值檢測技術(shù)進(jìn)行檢測。在一般科學(xué)檢測中，不能實現(xiàn)絕對峰檢測，只能實現(xiàn)寬范圍或局部峰檢測。傳統(tǒng)算法在同步前采用最小檢測，同步后采用局部檢測。在檢測中不能只做閾值檢測，因為只做閾值檢測可能會把副峰誤認(rèn)為是正確的定時位置，導(dǎo)致錯誤。相比其他算法，改進(jìn)的Park算法沒有干擾項，可以采用局部峰值檢測作為檢測方法，大大提高了檢測精度。

在VLC系統(tǒng)中，本文提出的改進(jìn)Park算法有兩個優(yōu)點：一是對傳輸字符串具有較高的準(zhǔn)確性，二是具有處理圖片大量數(shù)據(jù)信息的可行性。通過改進(jìn)后的算法，彌補了大部分傳統(tǒng)算法的缺陷，它具有更好的實時性、更低的誤碼率及更強(qiáng)的抗干擾能力;但是它還有一些不足之處，例如在實際的通信環(huán)境里，外界干擾元素太多，各種情況難以預(yù)知。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3]蔣明爭.室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的自動對準(zhǔn)技術(shù)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2020：18.

[4]陳穎.OFDM系統(tǒng)時頻同步算法的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京化工大學(xué)，2020：22.

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