基于軟件無線電的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陸超峰，徐智勇，趙繼勇，汪井源，李建華

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引 言

基于發(fā)光二極管（LED）的可見光通信（VLC）是一種融合了照明和數(shù)據(jù)通信的新型無線通信方式，因其在能效、光譜效率、安全性和可靠性等方面具有突出優(yōu)勢而成為研究熱點。

但是，VLC 存在傳輸距離有限、反向通信鏈路設(shè)計困難、易受到環(huán)境光的干擾等問題，因此，基于VLC 的室內(nèi)無線通信不會替代現(xiàn)有無線通信方式，而是在某些特殊場景中作為對無線通信的有益補充。例如，在醫(yī)院這樣的對電磁干擾敏感的地方，VLC 技術(shù)可用于醫(yī)療設(shè)備間的互連；在設(shè)備機(jī)房等復(fù)雜電磁環(huán)境中，傳統(tǒng)的無線通信方式會受到比較嚴(yán)重的干擾，此時應(yīng)用可見光通信方式可有效避免復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。

可見光通信技術(shù)概念首次由Nakagawa 團(tuán)隊提出，而后該團(tuán)隊又提出了LED 可見光的接入方案[1?2]，自此VLC 成為研究熱點之一。國際電氣和電子工程師協(xié)會于2011年制定了IEEE 802.15.7 的VLC 標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)正在修訂中，新的標(biāo)準(zhǔn)提出了基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的VLC 物理層協(xié)議[3]。目前，基于該協(xié)議的可見光通信研究主要集中在調(diào)制技術(shù)、OFDM 技術(shù)、LED 均衡技術(shù)、VLC 信道特性、光源布局等方面[4?7]。

構(gòu)建可驗證理論研究的硬件平臺也是可見光通信研究必不可缺的一部分。目前該方向研究取得了一定進(jìn)展，研究人員基于搭建的硬件平臺對可見光通信理論進(jìn)行了相關(guān)驗證。其中，基于FPGA 的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計方案開發(fā)難度大、周期長，算法復(fù)雜度高，不能滿足靈活調(diào)整系統(tǒng)功能的需求；而通過軟件定義無線電方案所設(shè)計的可見光通信系統(tǒng)方案采用的是通用的軟件無線電設(shè)備，在軟件層通過可視化界面操作，降低了開發(fā)難度，且進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整靈活，可進(jìn)行廣泛的推廣。

通用軟件定義無線電設(shè)備（Universal Software Radio Peripheral，USRP）可滿足不同實驗帶寬需求，設(shè)備支持速率每秒高達(dá)數(shù)十至數(shù)百Mbit。該平臺是一種具有完善無線通信組件的通信系統(tǒng)開發(fā)平臺，可以通過軟件方案或自定義通信組件實現(xiàn)所設(shè)計的通信協(xié)議或算法，從而構(gòu)建研究所需的通信系統(tǒng)。軟件無線電硬件設(shè)備具有集成的FPGA 板，可實現(xiàn)高性能的快速原型設(shè)計和先進(jìn)的數(shù)字信號處理[8]。

文獻(xiàn)[9]基于USRP 搭建了BPSK 調(diào)制方案的VLC 通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在160 cm 距離范圍傳輸比特的誤碼率能達(dá)到9.766 37×10-5，但該調(diào)制方案對頻譜效率不高。文獻(xiàn)[10]基于軟件無線電和LabVIEW 搭建原型機(jī)，實現(xiàn)了在2 m 的距離完成音頻流的傳輸，其平臺使用非開源軟件，設(shè)計實現(xiàn)成本較高。

本文基于USRP 搭建一個可見光通信系統(tǒng)，采用調(diào)制效率較高的OFDM 方式。該系統(tǒng)具有模塊化、靈活化的特點，能夠?qū)崟r傳輸文本和媒體流。本系統(tǒng)的軟件平臺選用GNU Radio。GNU Radio 平臺開放了源代碼，不僅可以使用它在圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）上通過連線搭建信號流圖的方式構(gòu)建GRC（GNU Radio Companion）文件，完成信號的處理，搭建軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）平臺，而且可以根據(jù)設(shè)計需求使用C++和Python 程序進(jìn)行信號處理模塊設(shè)計[11]。

1 調(diào)制方式

在VLC 系統(tǒng)中，LED 的頻率響應(yīng)模型是重要的組成部分之一，它決定了信號的有效帶寬。常用的LED 呈現(xiàn)低通響應(yīng)特性，高頻分量會有明顯的衰減，如圖1所示，因此單個LED 的調(diào)制帶寬僅有幾MHz，限制了系統(tǒng)的傳輸速率。在有限的帶寬條件下，提高通信容量的有效方式是使用高頻譜效率的調(diào)制格式，充分利用LED調(diào)制帶寬。傳統(tǒng)的單載波調(diào)制存在頻帶利用率低、抗干擾性能弱、調(diào)制速率低等缺點，已不再滿足需求。因此，在可見光通信領(lǐng)域廣泛引入了多載波調(diào)制技術(shù)。

1.1 正交頻分復(fù)用技術(shù)

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，其具有頻譜效率高、抗碼間干擾（ISI）等優(yōu)點，在無線通信中得到了廣泛的運用[12]。

現(xiàn)代的OFDM 系統(tǒng)通過數(shù)字信號處理技術(shù)產(chǎn)生相互正交的子載波，結(jié)構(gòu)簡單，硬件便于設(shè)計且實現(xiàn)成本低。OFDM 技術(shù)將編碼后的數(shù)據(jù)流分為并行的子數(shù)據(jù)流，并把這些子數(shù)據(jù)流調(diào)制到相互正交的子載波上進(jìn)行傳輸，以此提高通信的容量。

OFDM 的信號模型[13]x(n)可表示為：

式中：N表示逆傅里葉變換點數(shù)；k表示子載波數(shù)；Xk表示經(jīng)過映射后的頻域信號；x（n）表示經(jīng)過逆傅里葉變換后的時域信號。當(dāng)N趨于無窮時，根據(jù)中心極限定理，x（n）滿足均值為0、方差為σ2的高斯分布，其概率密度分布函數(shù)為：

1.2 光通信中的正交頻分復(fù)用技術(shù)

與射頻通信不同，在光通信系統(tǒng)中普遍使用強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）技術(shù)[14]，該技術(shù)實現(xiàn)簡單、成本低，研究應(yīng)用廣泛。由于IM/DD 技術(shù)要求只能傳輸單極性實數(shù)信號，因此基于IM/DD 技術(shù)研究人員研究設(shè)計了各種O?OFDM 方案。

在光無線通信中較為常用的OFDM 方案有直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO?OFDM）、非對稱限幅光正交頻分復(fù)用（ACO?OFDM）、脈沖幅度調(diào)制離散多音調(diào)制（PAM?DMT）以及其他形式的O?OFDM[15]。其中，DCO?OFDM 頻帶利用率較高，且易于實現(xiàn)，因此，廣泛應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中。

DCO?OFDM 系統(tǒng)在傳統(tǒng)的OFDM 技術(shù)基礎(chǔ)上，子載波的數(shù)據(jù)信號需要在進(jìn)行IFFT 之前通過厄米特共軛的方式才能夠產(chǎn)生實信號，具體表示為：

即：

式中：k表示第k個子載波；“*”表示復(fù)數(shù)共軛。

通過厄米特共軛變換后的信號是雙極性的實數(shù)信號，因此需要將此時的時域信號通過添加直流偏置的方式變換為正實數(shù)信號。

直流偏置的大小跟時域信號的功率有關(guān)，常用的偏置大小根據(jù)時域信號的功率大小來取：

式中：λDC表示偏置系數(shù)；x（n）表示時域OFDM 信號。

式中，當(dāng)X0=XN/2=0 時，經(jīng)過調(diào)制后的具有厄密特共軛對稱性的頻域信號XDCO（k）在IFFT 后可以得到時域的實數(shù)信號xDCO（n），再加上BDC后變成單極性實數(shù)信號sDCO（n），sDCO（n）經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后變成sDCO（t），可以直接驅(qū)動光發(fā)送模塊完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，然后通過可見光信道進(jìn)行傳輸。在接收端，由光接收模塊對光信號進(jìn)行檢測，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過與發(fā)送端相反的處理，完成信號的解調(diào)，整個調(diào)制過程如圖2所示。

圖2 DCO?OFDM 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)搭建

2.1 硬件環(huán)境

在搭建可見光的通信系統(tǒng)中，發(fā)射端采用一臺N210 和一個LED 實現(xiàn)信號的發(fā)送，接收端通過PD 檢測器接收信號并完成光/電轉(zhuǎn)換，然后再連接另一臺N210實現(xiàn)信號的解調(diào)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的硬件為低成本的軟件無線電設(shè)備USRPN210。USRP 是把波形的處理，如調(diào)制、解調(diào)等通過CPU 完成，把數(shù)字信號的處理，如變頻、抽樣、插值等通過FPGA 完成；其由一塊可進(jìn)行高速信號處理的FPGA 母板和一塊或多塊覆蓋頻率范圍不同的子板構(gòu)成。N210 設(shè)備可以工作在DC～6 GHz 范圍內(nèi)，通過千兆以太網(wǎng)可實現(xiàn)到PC 端最高50 MS/s 的傳輸速率。射頻子板作為射頻前端，其作用是完成射頻信號和不同基帶信號間的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中采用的子板是LFTX 和LFRX，該類型子板工作帶寬為DC～30 MHz，采用的光模塊具有100 kHz～25 MHz 的調(diào)制帶寬，且該模塊中集成了Bias 偏置。因此在實際應(yīng)用過程中不再需要添加額外的直流偏置，簡化了整個可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計。通過光發(fā)送/接收模塊與USRP 的結(jié)合，可以構(gòu)建一個完整的可見光通信系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計

本實驗中采用的UHD 版本為4.1.0，UHD 的功能是實現(xiàn)平臺軟件和USRP 設(shè)備的連接，采用的GNU Radio版本為3.7.13.5，Python 版本為2.7.17。該平臺具有良好的可移植性，可以為進(jìn)一步的開發(fā)研究提供支持。整個軟件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖

在GNURadio 調(diào)制流程中，首先建立一個UDPSource 模塊接收指定IP 地址的數(shù)據(jù)流；然后將數(shù)據(jù)流打包成設(shè)定幀長為96 B 的幀數(shù)據(jù)流，并在每幀數(shù)據(jù)末尾添加4 B 的校驗位，此時每幀數(shù)據(jù)的長度為100 B，同時為數(shù)據(jù)幀創(chuàng)建一個幀頭，幀頭的長度是6 B。

然后對完成預(yù)處理的信號直接進(jìn)行OFDM 的調(diào)制。進(jìn)行調(diào)制的過程中，該系統(tǒng)分別對幀頭和數(shù)據(jù)部分進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的幀頭和數(shù)據(jù)合并。在對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行調(diào)制過程中加上兩組用于進(jìn)行同步和均衡的序列1和序列2，其中序列1 以32 點為周期，相位差為180°，如圖5所示。

圖5 同步序列設(shè)計

調(diào)制設(shè)計部分參數(shù)如表1所示，序列2 主要用于接收端的信道均衡。

表1 信號的調(diào)制參數(shù)設(shè)計

為防止調(diào)制后的OFDM 信號由于功率過大而超過了LED 模塊的線性范圍，因此在調(diào)制完成的信號后加上一個衰減模塊以降低信號的幅度。完成調(diào)制后的OFDM 信號送入USRPSink，實現(xiàn)信號在硬件層面的發(fā)送。在接收端的解調(diào)流程中，首先建立一個UHD：USRPSource 模塊接收來自N210 的信號，并將接收到的信號通過符號模塊實現(xiàn)符號的定時同步，符號的定時同步依靠本地序列的自相關(guān)運算完成，運算流程如圖6所示。

圖6 本地自相關(guān)運算

此外，通過同步序列1 的自相關(guān)運算進(jìn)行頻偏的糾正。定時的度量函數(shù)為：

式中：P(d)為本地序列和接收信號的相關(guān)運算；R(d)用于歸一化處理。

完成同步后的信號分離出幀頭和數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。與數(shù)據(jù)解調(diào)的流程不同，幀頭部分的解調(diào)部分中進(jìn)行了信道的估計和均衡，信道均衡通過OFDM Channel Estimation 和OFDM Frame Equalizer 完成，并把完成的信道估計和均衡后的信息作為標(biāo)簽返回到幀頭和數(shù)據(jù)分離的模塊中，對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行均衡，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)部分的解調(diào)。

解調(diào)后的數(shù)據(jù)部分通過UDP 端口，在應(yīng)用層進(jìn)行接收。應(yīng)用層的視頻流編解碼通過FFmpeg 和FFplay 完成，這是一套可以用來記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻、視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開源計算機(jī)程序。系統(tǒng)通過UDP 端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以方便且較為直觀地進(jìn)行多媒體流的實時傳輸演示，整個流媒體傳輸?shù)倪^程如圖7所示。

圖7 媒體流的傳輸過程

2.3 系統(tǒng)測試與性能分析

在系統(tǒng)測試中，兩個USRP N210 和LFTX、LFRX 子板作為發(fā)射器和接收器，使用一個1Gig?E 端口將數(shù)據(jù)從主機(jī)上傳輸?shù)経SRP，該系統(tǒng)選擇的采樣率為2.5 MS/s。測試方式為視頻流媒體傳輸，視頻源為720P 30 幀的MKV 格式視頻流。

具體過程如下：

首先，在發(fā)送端的PC 上，通過FFmpeg 使用UDP 協(xié)議的方式將視頻流從應(yīng)用層下沉到物理層，UDP 流數(shù)據(jù)包由GNU Radio 的“包編碼”功能進(jìn)行編碼，編碼標(biāo)準(zhǔn)采用H.264 格式，編碼后的視頻流通過端口1234 被SourceSink 模塊接收，接收后的數(shù)據(jù)再通過正交頻分復(fù)用的調(diào)制方式進(jìn)行符號編碼，再通過LFTX 子板進(jìn)行上變頻，其中，子板處設(shè)置的載頻為2.5 MHz。經(jīng)過調(diào)制的基帶信號再通過模擬調(diào)制的方式驅(qū)動LED 模塊，完成整個發(fā)送端的調(diào)制過程。調(diào)制完成后的基帶信號如圖8所示。

圖8 發(fā)送端時域和頻域波形

在接收端，PD 檢測器接收到的信號通過LFRX 子板完成下變頻，接收到的OFDM 時域和頻域信號如圖9所示，下變頻后的基帶信號的解調(diào)和幀解碼在接收機(jī)主機(jī)的GNU Radio 中完成；然后在應(yīng)用層通過UDP 接收的方式接收媒體流；最后FFplay 通過1234 端口將接收到的視頻進(jìn)行解碼并播放。

圖9 接收端時域和頻域波形

實驗過程中，視頻樣本經(jīng)過壓縮編碼，從主機(jī)向客戶端進(jìn)行傳輸。視頻傳輸?shù)钠骄俾蕿? 745 Kb/s，如圖10所示。

圖10 視頻傳輸速率

在傳輸過程中，可以在接收端通過FFplay 播放解碼后的視頻流。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，視頻流能流暢地進(jìn)行播放且感受不到延遲，但其中偶爾會出現(xiàn)像素點的丟失，原因是采用的UDP 協(xié)議效率高，在傳輸過程中如果網(wǎng)絡(luò)有波動，就會存在丟包的現(xiàn)象。截取的視頻播放畫面如圖11所示。

圖11 接收端播放的視頻

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一個基于GNU Radio 和USRP 結(jié)合的VLC 通信系統(tǒng)，其中調(diào)制格式和軟件設(shè)計通過GNU Radio 實現(xiàn)，然后通過USRPN210 完成基帶信號的調(diào)制。該系統(tǒng)基于LOS 鏈路完成了實時視頻的傳輸，平均傳輸速率為1 745 Kb/s，驗證了基于通用軟件無線電設(shè)備開發(fā)可見光通信傳輸系統(tǒng)的可行性。同時，該技術(shù)可推廣應(yīng)用于復(fù)雜電磁環(huán)境中或?qū)﹄姶鸥蓴_敏感的環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過對可見光通信原型系統(tǒng)的搭建，為后續(xù)進(jìn)行可見光通信的研究提供了可驗證的平臺。