刘珊 陶绍君 杨坤
摘要：该文提出了一种创新方法来改进基于QPSK调制的可见光音频传输系统，我们将改进后的系统命名为基于PIB-QPSK调制的可见光音频传输系统。即对QPSK调制的信号进行功率的不平等分配来保护重要比特位。该方法不仅保护了传输信号的重要比特位还简化了帧同步设计模块。通过仿真实验，得到的结论是在相同输入信噪比条件下，改进后的系统的输出信号波形受噪声干扰少。在相同输出信号增益条件下，改进后的系统性能改善了3dB。
关键词：可见光通信; 音频传输系统; PIB-QPSK; 功率分配; 位保护; 帧同步
中图分类号：TP3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）13-0252-02
1 引言
可见光通信（Visible Light Communication， 简称VLC）正在成为第五代及以后无线通信中传统射频通信的一种有前景的补充技术[1-2]，越来越多的学者提出了更多创新技术来改善可见光通信的性能。然而，误码率一直是可见光通信领域的一个大问题。到目前为止，已经提出了几种方法来降低VLC系统的误码率，例如使用不同的调制方案或编码信道或改进设备。根据不同的调制方法，将MSK的误码率性能与GMSK进行比较，得出MSK具有更好的性能。而基于VLC系统的室内多输入多输出的BER已进行了分析。
然而，很少有人提出为物理层星座中的重要比特提供增强的保护来减小误码率。我们小组最近做了一个基于可见光的实时音频传输系统，使用OOK和QPSK调制方法来测试不同调制方法对可见光音频传输系统性能的影响。完成此项目后，我们设法使用某种方法即保护每帧数据中的重要位（高位）来改善VLC音频传输系统的性能。
2 基于QPSK调制的可见光音频传输系统
本文比较了采用OOK调制和QPSK调制方法下的系统误码率，系统实物图如图1所示。通过测量可知，在相同的音频输入情况下，QPSK调制在误码率性能上有较大优势，且误码率随着LED发射功率的增大而减小。QPSK的误码率在基本调制方式中是最低的，于是我们对QPSK调制信号的功率进行不等分配，即改变每帧的不同比特位的幅度以实现功率分配，观察系统改进前后输出信号的增益情况。
3 基于PIB-QPSK调制的可见光音频传输系统
3.1 QPSK的重要比特保护
本系统采用的一帧数据格式中包含8位数据位，即每次传输8比特。均匀量化过程中，位数越高其权值越大，所以高位出错会引入更多的误差。因此若能在星座图上增大高位码元与圆点的距离即增大功率，能降低高位误码率、提高音频传输可靠性。原始QPSK星座图如图2所示，取两组QPSK码元分别增大和减小功率，改进后的星座图如图3所示。
3.2 简化帧同步结构
本系统将高四位设定为重要比特位，在星座图上用两个较大功率的QPSK码元发送。对于低四位的比特，用两个较小功率的QPSK码元发送。由于8bit即4个QPSK码元在发送时的前两个码元的功率大，而后两个码元的功率小，可用包络检波得到一组周期性的方波。并通过锁相环同步法将接收信号和这组方波相比较，使这组方波和接收码元波形的转变点保持同步。锁相环同步法的基本原理，是在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者不一致，则鉴相器产生误差信号调整位同步信号的相位，直到获得准确的位同步信号。
具体方法为：将调制信号采样后进行整流和低通滤波，得到其帧同步基带信号。包络检波输出基带波形后，还需要对其进行符号判决及定时输出。其中判决门限取基带波形的直流分量，相当于取信号的均值。所以我们对该基带波形取256个输入数据计算其均值，获得判决门限。然后基于该判决门限对基带信号进行判决，得到一个方波。最后将这组方波作为帧同步信息码组。
3.3 系统仿真结果
假设信道中的噪声是高斯白噪声，输入音频信号为频率为10kHz的正弦波，采样率为250kHz。在总功率相同条件下，首先用MATLAB仿真改进前的VLC音频传输系统，设每个码元的幅值为[5]。然后，在总功率不变的情况下，改变高4位和低四位比特的功率，如取高两位码元的幅值为2[2]，低两位码元的幅值为[2]。我们对改进前后的系统进行两个方面的比较。第一个方面是在输入信噪比相同情况下，比较输出信号受噪声干扰的变化情况。第二个方面是在输出信号相同情况下，比较改进前后的系统所需要的输入信噪比。设改进前后的输入信噪比均为10dB，即保证输入信噪比相同，观察系统改进前后的输出信号图，如图4和5所示。由图可知，改进后的系统还有的噪声比改进前的系统要少很多。
在输出信号受噪声干扰极为相近的情况下，比较改进前后的系统所需要的信噪比。设改进后的系统输出如图6所示，那幺改进前的系统要达到此标准所需要的输入信噪比为13dB，即改善了3dB。由此可见，我们提出的方法改善了该VLC音频传输系统。我们举的例子仅仅是为了说明该方法可以改善VLC音频传输系统，但要做进一步研究，该方法对音频传输系统的改善效果将会更好。
4 结论
在本文中，我们提出了一种改进的调制方法来改进VLC实时音频传输系统。 给出了该方法，并给出了仿真结果。尽管在改进的系统中仍存在一些失真，但它表明改进VLC音频系统的方法是成功的。具体而言，表明改进后的音频传输系统不仅提高了音频传输的可靠性，不会因帧头的错误比特导致失去同步从而失去某些数据帧，提高了帧同步的可靠性。此外，该帧同步法没有额外开销，提高了系统的有效性。未来的工作将集中在对实时数字音频或视频传输的进一步研究上。
参考文献：
[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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