陸超峰，徐智勇，趙繼勇，汪井源，李建華

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引 言

基于發(fā)光二極管（LED）的可見光通信（VLC）是一種融合了照明和數(shù)據(jù)通信的新型無線通信方式，因其在能效、光譜效率、安全性和可靠性等方面具有突出優(yōu)勢而成為研究熱點(diǎn)。

但是，VLC 存在傳輸距離有限、反向通信鏈路設(shè)計(jì)困難、易受到環(huán)境光的干擾等問題，因此，基于VLC 的室內(nèi)無線通信不會(huì)替代現(xiàn)有無線通信方式，而是在某些特殊場景中作為對無線通信的有益補(bǔ)充。例如，在醫(yī)院這樣的對電磁干擾敏感的地方，VLC 技術(shù)可用于醫(yī)療設(shè)備間的互連；在設(shè)備機(jī)房等復(fù)雜電磁環(huán)境中，傳統(tǒng)的無線通信方式會(huì)受到比較嚴(yán)重的干擾，此時(shí)應(yīng)用可見光通信方式可有效避免復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。

可見光通信技術(shù)概念首次由Nakagawa 團(tuán)隊(duì)提出，而后該團(tuán)隊(duì)又提出了LED 可見光的接入方案[1?2]，自此VLC 成為研究熱點(diǎn)之一。國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)于2011年制定了IEEE 802.15.7 的VLC 標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)正在修訂中，新的標(biāo)準(zhǔn)提出了基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的VLC 物理層協(xié)議[3]。目前，基于該協(xié)議的可見光通信研究主要集中在調(diào)制技術(shù)、OFDM 技術(shù)、LED 均衡技術(shù)、VLC 信道特性、光源布局等方面[4?7]。

構(gòu)建可驗(yàn)證理論研究的硬件平臺(tái)也是可見光通信研究必不可缺的一部分。目前該方向研究取得了一定進(jìn)展，研究人員基于搭建的硬件平臺(tái)對可見光通信理論進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。其中，基于FPGA 的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案開發(fā)難度大、周期長，算法復(fù)雜度高，不能滿足靈活調(diào)整系統(tǒng)功能的需求；而通過軟件定義無線電方案所設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)方案采用的是通用的軟件無線電設(shè)備，在軟件層通過可視化界面操作，降低了開發(fā)難度，且進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整靈活，可進(jìn)行廣泛的推廣。

通用軟件定義無線電設(shè)備（Universal Software Radio Peripheral，USRP）可滿足不同實(shí)驗(yàn)帶寬需求，設(shè)備支持速率每秒高達(dá)數(shù)十至數(shù)百M(fèi)bit。該平臺(tái)是一種具有完善無線通信組件的通信系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，可以通過軟件方案或自定義通信組件實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議或算法，從而構(gòu)建研究所需的通信系統(tǒng)。軟件無線電硬件設(shè)備具有集成的FPGA 板，可實(shí)現(xiàn)高性能的快速原型設(shè)計(jì)和先進(jìn)的數(shù)字信號處理[8]。

文獻(xiàn)[9]基于USRP 搭建了BPSK 調(diào)制方案的VLC 通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在160 cm 距離范圍傳輸比特的誤碼率能達(dá)到9.766 37×10-5，但該調(diào)制方案對頻譜效率不高。文獻(xiàn)[10]基于軟件無線電和LabVIEW 搭建原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在2 m 的距離完成音頻流的傳輸，其平臺(tái)使用非開源軟件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成本較高。

本文基于USRP 搭建一個(gè)可見光通信系統(tǒng)，采用調(diào)制效率較高的OFDM 方式。該系統(tǒng)具有模塊化、靈活化的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸文本和媒體流。本系統(tǒng)的軟件平臺(tái)選用GNU Radio。GNU Radio 平臺(tái)開放了源代碼，不僅可以使用它在圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）上通過連線搭建信號流圖的方式構(gòu)建GRC（GNU Radio Companion）文件，完成信號的處理，搭建軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）平臺(tái)，而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求使用C++和Python 程序進(jìn)行信號處理模塊設(shè)計(jì)[11]。

1 調(diào)制方式

在VLC 系統(tǒng)中，LED 的頻率響應(yīng)模型是重要的組成部分之一，它決定了信號的有效帶寬。常用的LED 呈現(xiàn)低通響應(yīng)特性，高頻分量會(huì)有明顯的衰減，如圖1所示，因此單個(gè)LED 的調(diào)制帶寬僅有幾MHz，限制了系統(tǒng)的傳輸速率。在有限的帶寬條件下，提高通信容量的有效方式是使用高頻譜效率的調(diào)制格式，充分利用LED調(diào)制帶寬。傳統(tǒng)的單載波調(diào)制存在頻帶利用率低、抗干擾性能弱、調(diào)制速率低等缺點(diǎn)，已不再滿足需求。因此，在可見光通信領(lǐng)域廣泛引入了多載波調(diào)制技術(shù)。

1.1 正交頻分復(fù)用技術(shù)

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，其具有頻譜效率高、抗碼間干擾（ISI）等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信中得到了廣泛的運(yùn)用[12]。

現(xiàn)代的OFDM 系統(tǒng)通過數(shù)字信號處理技術(shù)產(chǎn)生相互正交的子載波，結(jié)構(gòu)簡單，硬件便于設(shè)計(jì)且實(shí)現(xiàn)成本低。OFDM 技術(shù)將編碼后的數(shù)據(jù)流分為并行的子數(shù)據(jù)流，并把這些子數(shù)據(jù)流調(diào)制到相互正交的子載波上進(jìn)行傳輸，以此提高通信的容量。

OFDM 的信號模型[13]x(n)可表示為：

式中：N表示逆傅里葉變換點(diǎn)數(shù)；k表示子載波數(shù)；Xk表示經(jīng)過映射后的頻域信號；x（n）表示經(jīng)過逆傅里葉變換后的時(shí)域信號。當(dāng)N趨于無窮時(shí)，根據(jù)中心極限定理，x（n）滿足均值為0、方差為σ2的高斯分布，其概率密度分布函數(shù)為：

1.2 光通信中的正交頻分復(fù)用技術(shù)

與射頻通信不同，在光通信系統(tǒng)中普遍使用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）技術(shù)[14]，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單、成本低，研究應(yīng)用廣泛。由于IM/DD 技術(shù)要求只能傳輸單極性實(shí)數(shù)信號，因此基于IM/DD 技術(shù)研究人員研究設(shè)計(jì)了各種O?OFDM 方案。

在光無線通信中較為常用的OFDM 方案有直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO?OFDM）、非對稱限幅光正交頻分復(fù)用（ACO?OFDM）、脈沖幅度調(diào)制離散多音調(diào)制（PAM?DMT）以及其他形式的O?OFDM[15]。其中，DCO?OFDM 頻帶利用率較高，且易于實(shí)現(xiàn)，因此，廣泛應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中。

DCO?OFDM 系統(tǒng)在傳統(tǒng)的OFDM 技術(shù)基礎(chǔ)上，子載波的數(shù)據(jù)信號需要在進(jìn)行IFFT 之前通過厄米特共軛的方式才能夠產(chǎn)生實(shí)信號，具體表示為：

即：

式中：k表示第k個(gè)子載波；“*”表示復(fù)數(shù)共軛。

通過厄米特共軛變換后的信號是雙極性的實(shí)數(shù)信號，因此需要將此時(shí)的時(shí)域信號通過添加直流偏置的方式變換為正實(shí)數(shù)信號。

直流偏置的大小跟時(shí)域信號的功率有關(guān)，常用的偏置大小根據(jù)時(shí)域信號的功率大小來?。?/p>

式中：λDC表示偏置系數(shù)；x（n）表示時(shí)域OFDM 信號。

式中，當(dāng)X0=XN/2=0 時(shí)，經(jīng)過調(diào)制后的具有厄密特共軛對稱性的頻域信號XDCO（k）在IFFT 后可以得到時(shí)域的實(shí)數(shù)信號xDCO（n），再加上BDC后變成單極性實(shí)數(shù)信號sDCO（n），sDCO（n）經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后變成sDCO（t），可以直接驅(qū)動(dòng)光發(fā)送模塊完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，然后通過可見光信道進(jìn)行傳輸。在接收端，由光接收模塊對光信號進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過與發(fā)送端相反的處理，完成信號的解調(diào)，整個(gè)調(diào)制過程如圖2所示。

圖2 DCO?OFDM 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)搭建

2.1 硬件環(huán)境

在搭建可見光的通信系統(tǒng)中，發(fā)射端采用一臺(tái)N210 和一個(gè)LED 實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)送，接收端通過PD 檢測器接收信號并完成光/電轉(zhuǎn)換，然后再連接另一臺(tái)N210實(shí)現(xiàn)信號的解調(diào)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的硬件為低成本的軟件無線電設(shè)備USRPN210。USRP 是把波形的處理，如調(diào)制、解調(diào)等通過CPU 完成，把數(shù)字信號的處理，如變頻、抽樣、插值等通過FPGA 完成；其由一塊可進(jìn)行高速信號處理的FPGA 母板和一塊或多塊覆蓋頻率范圍不同的子板構(gòu)成。N210 設(shè)備可以工作在DC～6 GHz 范圍內(nèi)，通過千兆以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)到PC 端最高50 MS/s 的傳輸速率。射頻子板作為射頻前端，其作用是完成射頻信號和不同基帶信號間的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中采用的子板是LFTX 和LFRX，該類型子板工作帶寬為DC～30 MHz，采用的光模塊具有100 kHz～25 MHz 的調(diào)制帶寬，且該模塊中集成了Bias 偏置。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中不再需要添加額外的直流偏置，簡化了整個(gè)可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過光發(fā)送/接收模塊與USRP 的結(jié)合，可以構(gòu)建一個(gè)完整的可見光通信系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中采用的UHD 版本為4.1.0，UHD 的功能是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)軟件和USRP 設(shè)備的連接，采用的GNU Radio版本為3.7.13.5，Python 版本為2.7.17。該平臺(tái)具有良好的可移植性，可以為進(jìn)一步的開發(fā)研究提供支持。整個(gè)軟件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖

在GNURadio 調(diào)制流程中，首先建立一個(gè)UDPSource 模塊接收指定IP 地址的數(shù)據(jù)流；然后將數(shù)據(jù)流打包成設(shè)定幀長為96 B 的幀數(shù)據(jù)流，并在每幀數(shù)據(jù)末尾添加4 B 的校驗(yàn)位，此時(shí)每幀數(shù)據(jù)的長度為100 B，同時(shí)為數(shù)據(jù)幀創(chuàng)建一個(gè)幀頭，幀頭的長度是6 B。

然后對完成預(yù)處理的信號直接進(jìn)行OFDM 的調(diào)制。進(jìn)行調(diào)制的過程中，該系統(tǒng)分別對幀頭和數(shù)據(jù)部分進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的幀頭和數(shù)據(jù)合并。在對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行調(diào)制過程中加上兩組用于進(jìn)行同步和均衡的序列1和序列2，其中序列1 以32 點(diǎn)為周期，相位差為180°，如圖5所示。

圖5 同步序列設(shè)計(jì)

調(diào)制設(shè)計(jì)部分參數(shù)如表1所示，序列2 主要用于接收端的信道均衡。

表1 信號的調(diào)制參數(shù)設(shè)計(jì)

為防止調(diào)制后的OFDM 信號由于功率過大而超過了LED 模塊的線性范圍，因此在調(diào)制完成的信號后加上一個(gè)衰減模塊以降低信號的幅度。完成調(diào)制后的OFDM 信號送入U(xiǎn)SRPSink，實(shí)現(xiàn)信號在硬件層面的發(fā)送。在接收端的解調(diào)流程中，首先建立一個(gè)UHD：USRPSource 模塊接收來自N210 的信號，并將接收到的信號通過符號模塊實(shí)現(xiàn)符號的定時(shí)同步，符號的定時(shí)同步依靠本地序列的自相關(guān)運(yùn)算完成，運(yùn)算流程如圖6所示。

圖6 本地自相關(guān)運(yùn)算

此外，通過同步序列1 的自相關(guān)運(yùn)算進(jìn)行頻偏的糾正。定時(shí)的度量函數(shù)為：

式中：P(d)為本地序列和接收信號的相關(guān)運(yùn)算；R(d)用于歸一化處理。

完成同步后的信號分離出幀頭和數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。與數(shù)據(jù)解調(diào)的流程不同，幀頭部分的解調(diào)部分中進(jìn)行了信道的估計(jì)和均衡，信道均衡通過OFDM Channel Estimation 和OFDM Frame Equalizer 完成，并把完成的信道估計(jì)和均衡后的信息作為標(biāo)簽返回到幀頭和數(shù)據(jù)分離的模塊中，對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行均衡，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)部分的解調(diào)。

解調(diào)后的數(shù)據(jù)部分通過UDP 端口，在應(yīng)用層進(jìn)行接收。應(yīng)用層的視頻流編解碼通過FFmpeg 和FFplay 完成，這是一套可以用來記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻、視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開源計(jì)算機(jī)程序。系統(tǒng)通過UDP 端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以方便且較為直觀地進(jìn)行多媒體流的實(shí)時(shí)傳輸演示，整個(gè)流媒體傳輸?shù)倪^程如圖7所示。

圖7 媒體流的傳輸過程

2.3 系統(tǒng)測試與性能分析

在系統(tǒng)測試中，兩個(gè)USRP N210 和LFTX、LFRX 子板作為發(fā)射器和接收器，使用一個(gè)1Gig?E 端口將數(shù)據(jù)從主機(jī)上傳輸?shù)経SRP，該系統(tǒng)選擇的采樣率為2.5 MS/s。測試方式為視頻流媒體傳輸，視頻源為720P 30 幀的MKV 格式視頻流。

具體過程如下：

首先，在發(fā)送端的PC 上，通過FFmpeg 使用UDP 協(xié)議的方式將視頻流從應(yīng)用層下沉到物理層，UDP 流數(shù)據(jù)包由GNU Radio 的“包編碼”功能進(jìn)行編碼，編碼標(biāo)準(zhǔn)采用H.264 格式，編碼后的視頻流通過端口1234 被SourceSink 模塊接收，接收后的數(shù)據(jù)再通過正交頻分復(fù)用的調(diào)制方式進(jìn)行符號編碼，再通過LFTX 子板進(jìn)行上變頻，其中，子板處設(shè)置的載頻為2.5 MHz。經(jīng)過調(diào)制的基帶信號再通過模擬調(diào)制的方式驅(qū)動(dòng)LED 模塊，完成整個(gè)發(fā)送端的調(diào)制過程。調(diào)制完成后的基帶信號如圖8所示。

圖8 發(fā)送端時(shí)域和頻域波形

在接收端，PD 檢測器接收到的信號通過LFRX 子板完成下變頻，接收到的OFDM 時(shí)域和頻域信號如圖9所示，下變頻后的基帶信號的解調(diào)和幀解碼在接收機(jī)主機(jī)的GNU Radio 中完成；然后在應(yīng)用層通過UDP 接收的方式接收媒體流；最后FFplay 通過1234 端口將接收到的視頻進(jìn)行解碼并播放。

圖9 接收端時(shí)域和頻域波形

實(shí)驗(yàn)過程中，視頻樣本經(jīng)過壓縮編碼，從主機(jī)向客戶端進(jìn)行傳輸。視頻傳輸?shù)钠骄俾蕿? 745 Kb/s，如圖10所示。

圖10 視頻傳輸速率

在傳輸過程中，可以在接收端通過FFplay 播放解碼后的視頻流。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，視頻流能流暢地進(jìn)行播放且感受不到延遲，但其中偶爾會(huì)出現(xiàn)像素點(diǎn)的丟失，原因是采用的UDP 協(xié)議效率高，在傳輸過程中如果網(wǎng)絡(luò)有波動(dòng)，就會(huì)存在丟包的現(xiàn)象。截取的視頻播放畫面如圖11所示。

圖11 接收端播放的視頻

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GNU Radio 和USRP 結(jié)合的VLC 通信系統(tǒng)，其中調(diào)制格式和軟件設(shè)計(jì)通過GNU Radio 實(shí)現(xiàn)，然后通過USRPN210 完成基帶信號的調(diào)制。該系統(tǒng)基于LOS 鏈路完成了實(shí)時(shí)視頻的傳輸，平均傳輸速率為1 745 Kb/s，驗(yàn)證了基于通用軟件無線電設(shè)備開發(fā)可見光通信傳輸系統(tǒng)的可行性。同時(shí)，該技術(shù)可推廣應(yīng)用于復(fù)雜電磁環(huán)境中或?qū)﹄姶鸥蓴_敏感的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過對可見光通信原型系統(tǒng)的搭建，為后續(xù)進(jìn)行可見光通信的研究提供了可驗(yàn)證的平臺(tái)。