基于自适应比特加载OFDM的白光LED音频通信系统研究

陈思源，王智鑫，赵嘉琦，黄星星，迟　楠

(复旦大学通信科学与工程系，上海　200433)



基于自适应比特加载OFDM的白光LED音频通信系统研究

陈思源，王智鑫，赵嘉琦，黄星星，迟楠

(复旦大学通信科学与工程系，上海200433)

提出了一种可适用于室内低速的可见光音频通信系统(Visible Light Communication，VLC)。发射端光源为白光LED，使用智能移动终端的音频接口和高灵敏度的光电探测器(PIN)组成接收端，调制方式为自适应比特加载OFDM，自由空间传输距离1.2m,系统的单向总数据率达到22.37kbit/s。系统误码率(Bit Error Rate，BER)低于前向纠错码(Forward Error Correction，FEC)门限3.8×10-3。该VLC系统使用的3.5mm耳机信道是几乎所有智能终端的一种标准接口，和智能终端兼容性高，而VLC作为室内宽带接入的一种方式，已受到越来越多的关注，实验结果表明，可见光音频通信将在智能移动终端领域获得潜在的应用。

自适应比特分配；可见光通信；音频；OFDM

引言

在通信方面，与现在的无线通信相比，可见光具有发射功率高、无需再申请频谱、无电磁敏感以及成本低等优点。VLC结合照明技术与通信技术于一体，是一种新兴的技术， 因此近年来基于白光 LED的可见光通信得到更多的关注。在实际应用方面，室内可见光通信技术是代替现有无线技术实现更高质量的室内无线接入的一种可行性方案[1]。

网络终端，如手机、平板、PC等，作为宽带接入网中重要的一端，自出现以来已得到普遍的应用，而在终端设备的众多的模拟接口中，3.5mm耳机孔是一个标准的，开放的，易于接入的接口，通常作为音频的输入输出，但是作为一种接口和其他配件的结合，可以用作传输数据，充电，及控制等功能的信道。在实际应用中，拉卡拉刷卡器利用应用程序和3.5mm的耳机孔信道，通过射频无线信道交互数据。近年有实验实现了使用智能手机的耳机孔为周边设备供电及进行有效的通信，实验模拟了一个简单的示波器功能，实现在3.5V工作电压下，负载的功率是7.4mW, 双向的通信速率为8.82kbps[2]。

由于音频信号带宽的限制及自由空间信道的特性，高频部分的信号衰落较大。在VLC中使用自适应比特加载OFDM调制方式, 通过对信道的估计，灵活的分配各个子信道的比特数及赋予相应的调制阶数。系统的平均信噪比与各门限值进行比较并反馈，据此发端做相应的调制模式调整，可以提升系统的整个吞吐量[3]。

在本文中介绍了一种用耳机孔作为VLC在终端的信道，使用智能终端的录音程序采集,以音频数据格式保存后做离线处理，使用自适应比特加载OFDM调制方式，利用白光LED作为发射端和高性能的PIN作为接收端。实验中VLC系统在7.35kHz调制带宽，通信距离为1.2m的自由空间传输条件下，可实现单向数据速率达22.37kbit/s，并且BER低于FEC极限3.8×10-3。与不使用自适应比特加载调制方式相比，采用自适应调制方式后，系统的速率可以提高一倍。

1　耳机孔信道

耳机传输的音频信号一般是1250Hz～9600Hz的交流音频信号，因此系统对高频部分衰落表现相当明显。目前的耳机孔的结构普遍采用4芯标准，分为左声道L、右声道R和MIC(麦克风)以及GND(地线)。在用于双向的数据通信中时，耳机孔与周边外设供电及数据通信时可用左右声道做输出，MIC可作为数据的输入通道，这就是音频信道通信的硬件基础[2]。

2　自适应比特加载OFDM调制方式原理

VLC自适应比特加载OFDM系统模型如图1所示，对输入的二进制数据先进行串并转换并做QAM映射，为保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期，对信号做循环前缀(CP)。为了进行信道估计，在符号中加入导频符号，做快速傅里叶逆变换(IFFT)实现对各个信号调制到相互正交的子载波上，最后对信号做并串转换后将串行数据经过白光LED光源发送出去[4，5]。在VLC系统的接收端，光电探测器(PIN)转换白光LED信号为电域。 OFDM的解调时，信号在移除CP做FFT变换之前，先做串并转换。为了对各个子载波分配合适的调制方式，需要先明确不同的信道响应，因此系统利用导频先做信道估计[3，6]。得到每个OFDM符号的SNR的平均值，即有效值。之后利用BER与有效SNR的对应关系，确定每个BER目标所需的SNR阈值。根据估计结果反馈给发射端，以便各载波在选择合适的调制方式，使系统工作在最好的状态，同时接收端接收的信号经过并串变换恢复信号，完成数据的传输[7-9]。

图1　VLC自适应比特加载OFDM系统模型Fig.1　The adaptive bit loading OFDM of VLC system diagram

图2　VLC系统实验装置图Fig.2　The experimental setup of VLC system

3　实验设置

VLC系统的原理如图1所示，实验设置如图2所示。在这个VLC系统中，任意波形发生器(Tektronix AWG520)输出的OFDM已调信号经过电放大器(EA)放大后，所得到的信号经过直流偏置(Bias)交直流耦合后，加载到白光LED上，接收端端采用PIN接收光信号，接收端PIN之前的信号经过自由空间传输，接收到的带有噪声的信号进入四段式耳机的MIC段，由移动终端(Mobile Terminal，MT)采集，实验中移动终端使用了智能手机，用其自带的录音软件以MP3的格式存储下来，至此得到传输的数据。发射信号采用自适应比特加载OFDM调制方式，4QAM-OFDM信号上变频至中心频率24.80kHz，系统的调制带宽为7.35kHz。下载4QAM-OFDM波形数据到AWG中，并由AWG输出到驱动模块，驱动白光LED。接收到的信号首先下变频至基带，然后进行相应4QAM-OFDM编码的解码流程，操作计算机离线恢复发送信号，最后比较输入输出信号的差错率(BER)，并决定SNR的门限值，反馈给发送端。

4　实验结果

如图3所示，(a)为OFDM调制后接收端子载波的SNR分布，在高频部分的衰落明显，(b)为自适应比特加载后子载波分配的比特数，不同比特数对应的星座图如(d),(c)为子载波误码的分布状态。

图3　(a)各载波的SNR分布；(b)各载波的比特分配;(c)各载波的误码率;(d)星座图Fig.3　(a) SNR estimation; (b)Bit allocation;(c) BER per subcarrier；(d) constellation

图4是所测得的使用不同状态下所得到的信号的频谱图，(a)发送端经过OFDM调制后的频谱，(b)经过VLC系统的接收信号的频谱图，(c)自适应比特加载OFDM调制下发射信号的频谱图，相对于(b)图，信号的频谱得到的改善，(d)是使用自适应比特加载OFDM的接收信号的频谱图，其相对于(c)变化程度相对于(a)(b)，有明显的下降。即从图可以看到，采用自适应之后，高频部分的衰减程度上得到改善。

图4　频谱图Fig.4　The spectrum

在使用音频信道的VLC系统实验时，我们把将白光LED和PIN的之间的距离设定在1.2m, 驱动电路的直流大小为75mA，驱动电路的驱动电压为3.2V，子载波数为256个，系统的调制带宽为7.35kHz,测试偏置电压(Bias Voltage)与BER及数率(Bit Rate)之间的关系， 如图5所示，BER随偏置电压的关系，其中当偏置电压从3.0V到3.3V变化时，在满足BER低于FEC的极限3.8×10-3时，系统取得最高速率的偏置电压为3.2V，由图也可以看出自适应比特加载OFDM方式对BER的改善，误码越高时，改善的效果越明显，这是由于在误码严重的高频分配的信息少。

图5　BER及Bit Rate与偏置电压之间的关系Fig.5　BER and Bit Rate at different Bias Voltage

图6　BER及Bit Rate与AWG输出电压之间的关系Fig.6　BER and Bit Rate at different Input Signal Virtual Power Plant

在此基础上，改变AWG的输出信号的峰峰值(Upp)，如图6所示，从60mV到90mV的变化。图中分别是采用OFDM和自适应比特加载OFDM调制方式得到的BER及数率随Upp之间的关系，可以看到在满足BER<3.8×10-3条件下，取得最高速率时的最佳的Upp为70mV。随着峰峰值的增大，信号的波形将出现削顶失真等现象。

最后实验测试了白光LED和接收PIN之间距离的关系，距离变换范围为1.0m～1.6m，步进为0.2m,图7是传输距离和BER及数率之间的关系，由于距离增加后接收机接收到的光功率降低，系统的SNR降低，BER增加。实验中在最佳工作点时，系统带宽为7.35kHz,自适应OFDM调制后平均的比特率为3.043 bit/Hz，因此系统采用白光LED和耳机孔信道通信条件下，可以使系统在距离1.2m条件下的总速率达到22.37kbit/s。自适应比特加载OFDM根据不同的SNR分配不同阶数QAM。

图7　BER及Bit Rate与传输距离之间的关系Fig.7　BER and Bit Rate at different distance

5　结束语

在本文中，我们提出一种可以使用于室内可见光通信的具有统一标准接口的移动终端系统，该信道具有普遍的实用性，及统一的标准。实验中使用商用的白光LED，高灵敏度的PIN，在调制带宽为7.35kHz时，采用自适应比特加载OFDM调制方式，可以使系统总的数据速率带到22.37kbit/s。显然系统的BER性能在经过1.2m自由空间传输后仍然低于前向纠错码的极限3.8×10-3，实验中与OFDM调制相比，采用自适应方式比特加载后，系统的速率和BER均得到很大的改善

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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

国家电网公司科技项目“电力复杂电磁环境下高可靠短距离无线通信关键技术研究”资助

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.013