王勇杰 周文杰 魏濤

【關鍵詞】Park算法;改進算法;可見光通信系統(tǒng)

【中圖分類號】TN929.12;TN914.332【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）09-0034-03

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，高速的Wi-Fi在人們的生活和工作中已經不可或缺，但是Wi-Fi技術存在應用領域被限制、頻譜范圍窄及安全性較差等問題[1]，于是VLC技術應運而生。VLC技術很好地解決了這些問題，滿足了人們對新型通信的需求，它不僅具有通信的功能，還能輔助照明?；诖?，VLC技術高速發(fā)展，成為無線通信領域中炙手可熱的研究內容[2]。

本文對可見光通信系統(tǒng)的同步技術加以研究，分Park算法、Minn算法和S&C算法，以及當下研究中存在的不足，提出了一種新的算法，并將上述算法應用于所建立的系統(tǒng)模型中測試相應的性能后發(fā)現(xiàn)，改進優(yōu)化的算法具有極強的抗干擾能力、良好的實時性及均方差小等優(yōu)點。

1 可見光通信系統(tǒng)的建模

1.1 LED的布局建模

設LED為朗伯（Lambertian）點光源s，用一個三元組表示，即s=（r，n，m），其中r為點光源的位置向量;n為發(fā)光面的法線方向，沿此方向光強最大;m為表示發(fā)光方向性的模式參數(shù)[3]。光源的光強分布：

上式中，Rs（θ，φ）代表光源方向的輻射強度[4]。

1.2 探測器和接收電路建模

在可見光通信中，因為LED的電光效應主要用作發(fā)送光信號的信號源，所以通信的接收端大多采用光電二極管（PD）或雪崩光電二極管（APD）。有一些研究人員注意到發(fā)光二極管可以被光子激發(fā)，這是發(fā)光二極管對光的反應能力，即光致發(fā)光（PL），發(fā)光二極管在吸收光子后發(fā)出光。所以，可利用光到光的轉換測試LED的結構。

由于LED具有電光效應，所以它可以同時作為接收器和發(fā)射機，還可以形成半雙工VLC通信系統(tǒng)。通常，接收探測器采用寬光譜吸收，峰值寬度相當長，而想要提高信噪比，就需要過濾干擾光，大幅度接收信號頻段的光。為了解決這個問題，可以在接收端配合上一個波長范圍大小固定的濾波片，形成一個符合要求的濾波器。LED具有的窄頻接收特性，可以通過天然濾波器的特性彌補，節(jié)省了濾波器的采購成本，簡化了接收機結構，降低了成本。近年來，一些團隊已經開始研究如何利用路燈通過感知光線變化監(jiān)控交通流量。這種路燈中只嵌入了一個很小的電路，不需要其他設備。與監(jiān)控攝像頭相比，每套系統(tǒng)設備可以節(jié)省數(shù)萬元的成本。LED在人們的生活中無處不在，將LED作為探測器，可以利用冗余照明或顯示屏開發(fā)傳感和通信功能，從而減少空間資源占用，降低設備成本。因此，研究LED光通信系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

光電接收電路由電源電路、二階RC高通濾波電路、前端光接收電路及二級放大電路4個部分組成。電源電路的作用是給光電接收電路的芯片提供合適的工作電壓。前端光電接收電路的作用是接收調制后的光波信號，然后轉換為電信號。高通濾波電路的作用是濾除環(huán)境光和電路中的直流分量。二級放大電路的作用是放大有用信號，達到FPGA處理單元解調的要求。

PIN光電探測器用于調制光強信號的接收端，通過PIN探測器轉換放大信號和能級聯(lián)的信號，相關的探測器峰值波長為800 nm，響應帶寬為500 MHz。因為PIN型光電探測器轉換電信號的能力較弱，所以系統(tǒng)分別把OPA847芯片和THS3091芯片當成一級放大電路芯片和二級放大電路芯片。OPA847芯片和THS3091芯片在正常工作情況下的電壓分別為5 V和-5 V，它們的工作電壓由電源電路提供。D1是PIN光電二極管，相應的型號為S597，由電源電路提供偏置電壓為-5 V。PIN二極管生成微弱電流信號通過OPA847芯片放大后轉換變成電壓信號（可識別）。THS3091放大器放大收到的一級信號二級放大，可以滿足后續(xù)電路電壓的要求。電阻R2與R3的比值和OPA847和THS3091的信號放大倍數(shù)息息相關，相位補償功能則由C3電容實現(xiàn)。

1.3 可見光通信系統(tǒng)的信道建模

可見，光通信系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)鏈路類型：視光（LOS）鏈路和散射（DIF）鏈路。在視線鏈接中，LED發(fā)射器發(fā)送的信號在接收器的視野范圍內，必須與PD對應。視光鏈路通過點對點的方式進行直接通信，相應的功率效率非常高。在散射鏈路部分，通過墻壁等相應介質或其他介質反射發(fā)射器產生的相應信號，讓對應的光信號在接收器的視野范圍內。DIF鏈路比LOS鏈路接收到更多的信號，但時延引起的多徑效應也會影響系統(tǒng)性能，這是因為傳輸信號到達每個散射點的時間不同。

在VLC系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的定時同步算法總是存在碼間干擾，它是由正交頻分復用符號的延遲擴展所引起的相鄰信號干擾造成的。為了解決這個問題，可以在相鄰符號之間插入保護間隔。通常，將幀的末尾復制到幀的頭部，稱為循環(huán)前綴（Cycle Prefix，CP），它是一個保護間隔，這個保護間隔的長度大于OFDM符號的延遲擴展。由于CP是重復的信息，所以在對數(shù)據(jù)執(zhí)行Slide Auto-Correlation（SAC）時，頭部和尾部信息是相同的，相關性值必須是峰值。受噪聲和干擾的影響，相關峰不是峰值，導致時序模糊，特別是在信噪比低的情況下。為了改善這一現(xiàn)象，有4種傳統(tǒng)的算法。

2 Park算法

2.1 Park算法的幀結構

傳統(tǒng)的定時同步算法有S&C算法、S&C優(yōu)化算法和Minn算法。前兩種算法都有不足之處，Minn算法雖然可以讓定時偏差的方差較低，也抹去了S&C的峰值平臺，但是無法避免副峰的產生，而且相應的判決的度量太大。因此，對Park算法進行改進，提出了新的定時同步算法，此算法的幀結構如圖1所示。

此算法和Park算法一樣的判決度量一樣，對于OFDM的第N/2個點對稱的結構，它也有相似的判決方案。因為在信號N/4和3N/4點處這兩個沒有對稱，所以在兩點處沒有小的相關峰，抹除了Park算法中干擾的兩個副峰，比Park算法性能更佳。

2.2 Park改進算法定時測度

圖2顯示了在光信道中，當N數(shù)=256、Ng數(shù)=32和SNR數(shù)=20 dB時，改進Park算法的判決量一般情況下的位置為0。從圖2可以看出，改進Park算法獨到的判決量，直接抹除副峰，相比Park算法是很大的進步。循環(huán)前綴導致相應的峰值平臺，偏差大的S&C算法定時模糊。Minn算法峰值較緩，有明顯的副峰。Park算法的定時測量非常尖銳，但子峰仍然較大，對定時干擾嚴重。由此，本文所設計的Park改進算法適用于DCO-OFDM系統(tǒng)。

3 仿真結果

設置室內無線可見光信道，采用DCO-OFDM方案，循環(huán)前綴Ng=32，N數(shù)=256，得到了改進Park算法在不同判決端口下的幀誤檢率。由于檢測率取決于判決容易產生很大的影響，別的算法在判決門限難以抉擇，所以選擇改進Park算法。此外，算法基本都有以下規(guī)律，判決門限越大，漏檢率越高;判決門限越小，幀誤檢率越高。

圖3比較了幀誤檢率在不同自相關的定時同步算法的情況?？梢钥闯?，所有算法隨著X變大，相應減小的是幀誤檢率，而一直有較高的幀誤檢率的是S&C算法，當然它也在緩慢下降。如果在理想的無噪聲信道情況下，將會有一個相似的平臺，相比它峰值相同，判決度量減小。但是受外部因素影響，可能造成錯誤的判決，峰值可能不在相同位置;而Park算法幀誤檢率低，Park算法的性能相應在高信噪比情況下也是不錯的，但是Park算法在低信噪比情況下容易發(fā)生誤差，副峰過高。當然，Park改進算法相比之下略勝一籌，相同條件下，Park算法幀誤檢率最低。

Park改進算法相比基礎的算法，不僅有一部分性能得到提升，而且沒有副峰的干擾，檢測率有所上升。在較低的信噪比下，符號量化單周期互相關算法比另外兩種互相關算法的性能更好。但是，隨著信噪比的增大，符號量化單周期互相關算法基本趨于平緩，而另外兩種互相關算法還在持續(xù)下降，當信噪比達5 dB時，改進的多周期互相關算法性能超過符號量化單周期互相關算法，當信噪比達11 dB時，多周期互相關算法性能也超過符號量化單周期互相關算法，這是符號量化性能下降導致的，即使性能很高，也會有一定的差錯概率?？梢钥闯?，改進后的多周期互相關算法的性能相比原多周期互相關算法提高了6 dB左右。與原多周期互相關算法相比，多周期互相關算法的性能有了明顯的提高。改進的多周期互相關算法不僅性能比原多周期互相關算法高，而且信噪比的要求很低，資源利用率也很高。

對不同算法的定時均方誤差進行比較，因為低通的室內VLC通信系統(tǒng)的多徑效應不太明顯，所以只要保持正確的幀同步，采樣點就能達到最佳?；诨ハ嚓P的算法和改進的Park算法只要不漏檢，無虛檢，定時均方誤差都為0，但是其他基礎算法在相應的低信噪比條件下定時均方誤差就顯得比較大了，尤其是S&C算法，即使在高信噪比下定時均方誤差都特別大。

4 結論

本文提出的傳統(tǒng)算法和改進Park算法采用峰值檢測技術進行檢測。在一般科學檢測中，不能實現(xiàn)絕對峰檢測，只能實現(xiàn)寬范圍或局部峰檢測。傳統(tǒng)算法在同步前采用最小檢測，同步后采用局部檢測。在檢測中不能只做閾值檢測，因為只做閾值檢測可能會把副峰誤認為是正確的定時位置，導致錯誤。相比其他算法，改進的Park算法沒有干擾項，可以采用局部峰值檢測作為檢測方法，大大提高了檢測精度。

在VLC系統(tǒng)中，本文提出的改進Park算法有兩個優(yōu)點：一是對傳輸字符串具有較高的準確性，二是具有處理圖片大量數(shù)據(jù)信息的可行性。通過改進后的算法，彌補了大部分傳統(tǒng)算法的缺陷，它具有更好的實時性、更低的誤碼率及更強的抗干擾能力;但是它還有一些不足之處，例如在實際的通信環(huán)境里，外界干擾元素太多，各種情況難以預知。

參 考 文 獻

[1]劉婷婷.基于OFDM的可見光通信系統(tǒng)最優(yōu)譜效和能效研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2020：21.

[2]梁爽.基于LED探測器的可見光通信系統(tǒng)性能研究[D].合肥：中國科學技術大學，2019：2-4.

[3]蔣明爭.室內可見光通信系統(tǒng)的自動對準技術研究[D].西安：西安理工大學，2020：18.

[4]陳穎.OFDM系統(tǒng)時頻同步算法的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京化工大學，2020：22.

[5]萬飛.可見光OFDM通信系統(tǒng)同步技術研究[D].南京：東南大學，2015：28-30.