基于PIB-QPSK調制的可見光音頻傳輸系統

劉珊　陶紹君　楊坤

摘要：該文提出了一種創新方法來改進基于QPSK調制的可見光音頻傳輸系統，我們將改進后的系統命名為基于PIB-QPSK調制的可見光音頻傳輸系統。即對QPSK調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計模塊。通過仿真實驗，得到的結論是在相同輸入信噪比條件下，改進后的系統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，改進后的系統性能改善了3dB。

關鍵詞：可見光通信; 音頻傳輸系統; PIB-QPSK; 功率分配; 位保護; 幀同步

中圖分類號：TP3 ? ? ? ?文獻標識碼：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射頻通信的一種有前景的補充技術[1-2]，越來越多的學者提出了更多創新技術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域的一個大問題。到目前為止，已經提出了幾種方法來降低VLC系統的誤碼率，例如使用不同的調制方案或編碼信道或改進設備。根據不同的調制方法，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系統的室內多輸入多輸出的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，使用OOK和QPSK調制方法來測試不同調制方法對可見光音頻傳輸系統性能的影響。完成此項目后，我們設法使用某種方法即保護每幀數據中的重要位（高位）來改善VLC音頻傳輸系統的性能。

2 基于QPSK調制的可見光音頻傳輸系統

本文比較了采用OOK調制和QPSK調制方法下的系統誤碼率，系統實物圖如圖1所示。通過測量可知，在相同的音頻輸入情況下，QPSK調制在誤碼率性能上有較大優勢，且誤碼率隨著LED發射功率的增大而減小。QPSK的誤碼率在基本調制方式中是最低的，于是我們對QPSK調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功率分配，觀察系統改進前后輸出信號的增益情況。

3 基于PIB-QPSK調制的可見光音頻傳輸系統

3.1 QPSK的重要比特保護

本系統采用的一幀數據格式中包含8位數據位，即每次傳輸8比特。均勻量化過程中，位數越高其權值越大，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 簡化幀同步結構

本系統將高四位設定為重要比特位，在星座圖上用兩個較大功率的QPSK碼元發送。對于低四位的比特，用兩個較小功率的QPSK碼元發送。由于8bit即4個QPSK碼元在發送時的前兩個碼元的功率大，而后兩個碼元的功率小，可用包絡檢波得到一組周期性的方波。并通過鎖相環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變點保持同步。鎖相環同步法的基本原理，是在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產生的位同步信號的相位，若兩者不一致，則鑒相器產生誤差信號調整位同步信號的相位，直到獲得準確的位同步信號。

具體方法為：將調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，相當于取信號的均值。所以我們對該基帶波形取256個輸入數據計算其均值，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 系統仿真結果

假設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，設每個碼元的幅值為[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所需要的輸入信噪比。設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，改進后的系統還有的噪聲比改進前的系統要少很多。

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所需要的信噪比。設改進后的系統輸出如圖6所示，那么改進前的系統要達到此標準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。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，但要做進一步研究，該方法對音頻傳輸系統的改善效果將會更好。

4 結論

在本文中，我們提出了一種改進的調制方法來改進VLC實時音頻傳輸系統。 給出了該方法，并給出了仿真結果。盡管在改進的系統中仍存在一些失真，但它表明改進VLC音頻系統的方法是成功的。具體而言，表明改進后的音頻傳輸系統不僅提高了音頻傳輸的可靠性，不會因幀頭的錯誤比特導致失去同步從而失去某些數據幀，提高了幀同步的可靠性。此外，該幀同步法沒有額外開銷，提高了系統的有效性。未來的工作將集中在對實時數字音頻或視頻傳輸的進一步研究上。

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.

【通聯編輯：代影】