基于PIB-QPSK調(diào)制的可見光音頻傳輸系統(tǒng)

劉珊　陶紹君　楊坤

摘要：該文提出了一種創(chuàng)新方法來改進基于QPSK調(diào)制的可見光音頻傳輸系統(tǒng)，我們將改進后的系統(tǒng)命名為基于PIB-QPSK調(diào)制的可見光音頻傳輸系統(tǒng)。即對QPSK調(diào)制的信號進行功率的不平等分配來保護重要比特位。該方法不僅保護了傳輸信號的重要比特位還簡化了幀同步設(shè)計模塊。通過仿真實驗，得到的結(jié)論是在相同輸入信噪比條件下，改進后的系統(tǒng)的輸出信號波形受噪聲干擾少。在相同輸出信號增益條件下，改進后的系統(tǒng)性能改善了3dB。

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

中圖分類號：TP3 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0252-02

1 引言

可見光通信（Visible Light Communication， 簡稱VLC）正在成為第五代及以后無線通信中傳統(tǒng)射頻通信的一種有前景的補充技術(shù)[1-2]，越來越多的學(xué)者提出了更多創(chuàng)新技術(shù)來改善可見光通信的性能。然而，誤碼率一直是可見光通信領(lǐng)域的一個大問題。到目前為止，已經(jīng)提出了幾種方法來降低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的保護來減小誤碼率。我們小組最近做了一個基于可見光的實時音頻傳輸系統(tǒng)，使用OOK和QPSK調(diào)制方法來測試不同調(diào)制方法對可見光音頻傳輸系統(tǒng)性能的影響。完成此項目后，我們設(shè)法使用某種方法即保護每幀數(shù)據(jù)中的重要位（高位）來改善VLC音頻傳輸系統(tǒng)的性能。

2 基于QPSK調(diào)制的可見光音頻傳輸系統(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)實物圖如圖1所示。通過測量可知，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，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QPSK調(diào)制信號的功率進行不等分配，即改變每幀的不同比特位的幅度以實現(xiàn)功率分配，觀察系統(tǒng)改進前后輸出信號的增益情況。

3 基于PIB-QPSK調(diào)制的可見光音頻傳輸系統(tǒng)

3.1 QPSK的重要比特保護

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。均勻量化過程中，位數(shù)越高其權(quán)值越大，所以高位出錯會引入更多的誤差。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，改進后的星座圖如圖3所示。

3.2 簡化幀同步結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)將高四位設(shè)定為重要比特位，在星座圖上用兩個較大功率的QPSK碼元發(fā)送。對于低四位的比特，用兩個較小功率的QPSK碼元發(fā)送。由于8bit即4個QPSK碼元在發(fā)送時的前兩個碼元的功率大，而后兩個碼元的功率小，可用包絡(luò)檢波得到一組周期性的方波。并通過鎖相環(huán)同步法將接收信號和這組方波相比較，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)生的位同步信號的相位，若兩者不一致，則鑒相器產(chǎn)生誤差信號調(diào)整位同步信號的相位，直到獲得準(zhǔn)確的位同步信號。

具體方法為：將調(diào)制信號采樣后進行整流和低通濾波，得到其幀同步基帶信號。包絡(luò)檢波輸出基帶波形后，還需要對其進行符號判決及定時輸出。其中判決門限取基帶波形的直流分量，相當(dāng)于取信號的均值。所以我們對該基帶波形取256個輸入數(shù)據(jù)計算其均值，獲得判決門限。然后基于該判決門限對基帶信號進行判決，得到一個方波。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仿真改進前的VLC音頻傳輸系統(tǒng)，設(shè)每個碼元的幅值為[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]。我們對改進前后的系統(tǒng)進行兩個方面的比較。第一個方面是在輸入信噪比相同情況下，比較輸出信號受噪聲干擾的變化情況。第二個方面是在輸出信號相同情況下，比較改進前后的系統(tǒng)所需要的輸入信噪比。設(shè)改進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)改進前后的輸出信號圖，如圖4和5所示。由圖可知，改進后的系統(tǒng)還有的噪聲比改進前的系統(tǒng)要少很多。

在輸出信號受噪聲干擾極為相近的情況下，比較改進前后的系統(tǒng)所需要的信噪比。設(shè)改進后的系統(tǒng)輸出如圖6所示，那么改進前的系統(tǒng)要達到此標(biāo)準(zhǔn)所需要的輸入信噪比為13dB，即改善了3dB。由此可見，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明該方法可以改善VLC音頻傳輸系統(tǒng)，但要做進一步研究，該方法對音頻傳輸系統(tǒng)的改善效果將會更好。

4 結(jié)論

在本文中，我們提出了一種改進的調(diào)制方法來改進VLC實時音頻傳輸系統(tǒng)。 給出了該方法，并給出了仿真結(jié)果。盡管在改進的系統(tǒng)中仍存在一些失真，但它表明改進VLC音頻系統(tǒng)的方法是成功的。具體而言，表明改進后的音頻傳輸系統(tǒng)不僅提高了音頻傳輸?shù)目煽啃裕粫驇^的錯誤比特導(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，該幀同步法沒有額外開銷，提高了系統(tǒng)的有效性。未來的工作將集中在對實時數(shù)字音頻或視頻傳輸?shù)倪M一步研究上。

參考文獻：

[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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