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)

?

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)的單向總數據率達到22.37kbit/s。系統(tǒng)誤碼率(Bit Error Rate，BER)低于前向糾錯碼(Forward Error Correction，FEC)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有無線技術實現更高質量的室內無線接入的一種可行性方案[1]。

網絡終端，如手機、平板、PC等，作為寬帶接入網中重要的一端，自出現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，可以用作傳輸數據，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據。近年有實驗實現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及賦予相應的調制階數。系統(tǒng)的平均信噪比與各門限值進行比較并反饋，據此發(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,以音頻數據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，可實現單向數據速率達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

耳機傳輸的音頻信號一般是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)。在用于雙向的數據通信中時，耳機孔與周邊外設供電及數據通信時可用左右聲道做輸出，MIC可作為數據的輸入通道，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，對輸入的二進制數據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據經過白光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過并串變換恢復信號，完成數據的傳輸[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已調信號經過電放大器(EA)放大后，所得到的信號經過直流偏置(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，至此得到傳輸的數據。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波形數據到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，不同比特數對應的星座圖如(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)送端經過OFDM調制后的頻譜，(b)經過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，信號的波形將出現削頂失真等現象。

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根據不同的SNR分配不同階數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)總的數據速率帶到22.37kbit/s。顯然系統(tǒng)的BER性能在經過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

[1] CHI N, WANG Y, WANG Y, et al. Ultra-high-speed single red-green-blue light-emitting diode-based visible light communication system utilizing advanced modulation formats[J]. Chinese Optics Letters, 2014, 12(1): 010605.

[2] KUO Y S, VERMA S, SCHMID T, et al. Hijacking power and bandwidth from the mobile phone’s audio interface[C]//Proceedings of the First ACM Symposium on Computing for Development. ACM, 2010: 24.

[3] HUANG X, CHEN S, WANG Z, et al. 2.0-Gb/s Visible Light Link Based on Adaptive Bit Allocation OFDM of a Single Phosphorescent White LED[J]. Photonics Journal, IEEE, 2015, 7(5): 1-8.

[4] AFGANI M Z, HAAS H, ELGALA H, et al. Visible light communication using OFDM[C]//The 2nd International Conference on Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks and Communities.IEEE, 2006.

[5] WANG Y, ZHANG M, WANG Y, et al. Experimental demonstration of visible light communication based on sub-carrier multiplexing of multiple-input-single-output OFDM[C]//The 17th Opto-Electronics and Communications Conference (OECC). IEEE, 2012: 745-746.

[6] GONZALEZ O, PEREZ-JIMENEZ R, RODRLGUEZ S, et al. Adaptive OFDM system for communications over the indoor wireless optical channel[J]. IEE Proceedings-Optoelectronics, 2006, 153(4): 139-144.

[7] HUANG X, SHI J, LI J, et al. 750Mbit/s Visible Light Communications employing 64QAM-OFDM Based on Amplitude Equalization Circuit[C]//Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2015: Tu2G. 1.

[8] WANG Y, ZHANG M, WANG Y, et al. Experimental demonstration of visible light communication based on sub-carrier multiplexing of multiple-input-single-output OFDM[C]//The 17th Opto-Electronics and Communications Conference (OECC). IEEE, 2012: 745-746.

[9] WANG Y, WANG Y, CHI N. Experimental verification of performance improvement for a gigabit wavelength division multiplexing visible light communication system utilizing asymmetrically clipped optical orthogonal frequency division multiplexing[J]. Photonics Research, 2014, 2(5): 138-142.

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

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.013