基于软件无线电的可见光通信系统设计与实现

陆超峰，徐智勇，赵继勇，汪井源，李建华

（陆军工程大学，江苏 南京 210007）

0 引 言

基于发光二极管（LED）的可见光通信（VLC）是一种融合了照明和数据通信的新型无线通信方式，因其在能效、光谱效率、安全性和可靠性等方面具有突出优势而成为研究热点。

但是，VLC 存在传输距离有限、反向通信链路设计困难、易受到环境光的干扰等问题，因此，基于VLC 的室内无线通信不会替代现有无线通信方式，而是在某些特殊场景中作为对无线通信的有益补充。例如，在医院这样的对电磁干扰敏感的地方，VLC 技术可用于医疗设备间的互连；在设备机房等复杂电磁环境中，传统的无线通信方式会受到比较严重的干扰，此时应用可见光通信方式可有效避免复杂电磁环境的影响。

可见光通信技术概念首次由Nakagawa 团队提出，而后该团队又提出了LED 可见光的接入方案[1⁃2]，自此VLC 成为研究热点之一。国际电气和电子工程师协会于2011年制定了IEEE 802.15.7 的VLC 标准。此标准正在修订中，新的标准提出了基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的VLC 物理层协议[3]。目前，基于该协议的可见光通信研究主要集中在调制技术、OFDM 技术、LED 均衡技术、VLC 信道特性、光源布局等方面[4⁃7]。

构建可验证理论研究的硬件平台也是可见光通信研究必不可缺的一部分。目前该方向研究取得了一定进展，研究人员基于搭建的硬件平台对可见光通信理论进行了相关验证。其中，基于FPGA 的可见光通信系统设计方案开发难度大、周期长，算法复杂度高，不能满足灵活调整系统功能的需求；而通过软件定义无线电方案所设计的可见光通信系统方案采用的是通用的软件无线电设备，在软件层通过可视化界面操作，降低了开发难度，且进行系统调整灵活，可进行广泛的推广。

通用软件定义无线电设备（Universal Software Radio Peripheral，USRP）可满足不同实验带宽需求，设备支持速率每秒高达数十至数百Mbit。该平台是一种具有完善无线通信组件的通信系统开发平台，可以通过软件方案或自定义通信组件实现所设计的通信协议或算法，从而构建研究所需的通信系统。软件无线电硬件设备具有集成的FPGA 板，可实现高性能的快速原型设计和先进的数字信号处理[8]。

文献[9]基于USRP 搭建了BPSK 调制方案的VLC 通信系统，该系统在160 cm 距离范围传输比特的误码率能达到9.766 37×10-5，但该调制方案对频谱效率不高。文献[10]基于软件无线电和LabVIEW 搭建原型机，实现了在2 m 的距离完成音频流的传输，其平台使用非开源软件，设计实现成本较高。

本文基于USRP 搭建一个可见光通信系统，采用调制效率较高的OFDM 方式。该系统具有模块化、灵活化的特点，能够实时传输文本和媒体流。本系统的软件平台选用GNU Radio。GNU Radio 平台开放了源代码，不仅可以使用它在图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）上通过连线搭建信号流图的方式构建GRC（GNU Radio Companion）文件，完成信号的处理，搭建软件无线电（Software Defined Radio，SDR）平台，而且可以根据设计需求使用C++和Python 程序进行信号处理模块设计[11]。

1 调制方式

在VLC 系统中，LED 的频率响应模型是重要的组成部分之一，它决定了信号的有效带宽。常用的LED 呈现低通响应特性，高频分量会有明显的衰减，如图1所示，因此单个LED 的调制带宽仅有几MHz，限制了系统的传输速率。在有限的带宽条件下，提高通信容量的有效方式是使用高频谱效率的调制格式，充分利用LED调制带宽。传统的单载波调制存在频带利用率低、抗干扰性能弱、调制速率低等缺点，已不再满足需求。因此，在可见光通信领域广泛引入了多载波调制技术。

1.1 正交频分复用技术

正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波传输技术，其具有频谱效率高、抗码间干扰（ISI）等优点，在无线通信中得到了广泛的运用[12]。

现代的OFDM 系统通过数字信号处理技术产生相互正交的子载波，结构简单，硬件便于设计且实现成本低。OFDM 技术将编码后的数据流分为并行的子数据流，并把这些子数据流调制到相互正交的子载波上进行传输，以此提高通信的容量。

OFDM 的信号模型[13]x(n)可表示为：

式中：N表示逆傅里叶变换点数；k表示子载波数；Xk表示经过映射后的频域信号；x（n）表示经过逆傅里叶变换后的时域信号。当N趋于无穷时，根据中心极限定理，x（n）满足均值为0、方差为σ2的高斯分布，其概率密度分布函数为：

1.2 光通信中的正交频分复用技术

与射频通信不同，在光通信系统中普遍使用强度调制/直接检测（IM/DD）技术[14]，该技术实现简单、成本低，研究应用广泛。由于IM/DD 技术要求只能传输单极性实数信号，因此基于IM/DD 技术研究人员研究设计了各种O⁃OFDM 方案。

在光无线通信中较为常用的OFDM 方案有直流偏置光正交频分复用（DCO⁃OFDM）、非对称限幅光正交频分复用（ACO⁃OFDM）、脉冲幅度调制离散多音调制（PAM⁃DMT）以及其他形式的O⁃OFDM[15]。其中，DCO⁃OFDM 频带利用率较高，且易于实现，因此，广泛应用于可见光通信系统中。

DCO⁃OFDM 系统在传统的OFDM 技术基础上，子载波的数据信号需要在进行IFFT 之前通过厄米特共轭的方式才能够产生实信号，具体表示为：

即：

式中：k表示第k个子载波；“*”表示复数共轭。

通过厄米特共轭变换后的信号是双极性的实数信号，因此需要将此时的时域信号通过添加直流偏置的方式变换为正实数信号。

直流偏置的大小跟时域信号的功率有关，常用的偏置大小根据时域信号的功率大小来取：

式中：λDC表示偏置系数；x（n）表示时域OFDM 信号。

式中，当X0=XN/2=0 时，经过调制后的具有厄密特共轭对称性的频域信号XDCO（k）在IFFT 后可以得到时域的实数信号xDCO（n），再加上BDC后变成单极性实数信号sDCO（n），sDCO（n）经过数模转换后变成sDCO（t），可以直接驱动光发送模块完成电信号到光信号的转换，然后通过可见光信道进行传输。在接收端，由光接收模块对光信号进行检测，实现光信号到电信号的转换，然后经过与发送端相反的处理，完成信号的解调，整个调制过程如图2所示。

图2 DCO⁃OFDM 系统框图

2 系统搭建

2.1 硬件环境

在搭建可见光的通信系统中，发射端采用一台N210 和一个LED 实现信号的发送，接收端通过PD 检测器接收信号并完成光/电转换，然后再连接另一台N210实现信号的解调。整个系统的结构如图3所示。

图3 可见光通信系统结构图

本系统采用的硬件为低成本的软件无线电设备USRPN210。USRP 是把波形的处理，如调制、解调等通过CPU 完成，把数字信号的处理，如变频、抽样、插值等通过FPGA 完成；其由一块可进行高速信号处理的FPGA 母板和一块或多块覆盖频率范围不同的子板构成。N210 设备可以工作在DC～6 GHz 范围内，通过千兆以太网可实现到PC 端最高50 MS/s 的传输速率。射频子板作为射频前端，其作用是完成射频信号和不同基带信号间的转换。本系统中采用的子板是LFTX 和LFRX，该类型子板工作带宽为DC～30 MHz，采用的光模块具有100 kHz～25 MHz 的调制带宽，且该模块中集成了Bias 偏置。因此在实际应用过程中不再需要添加额外的直流偏置，简化了整个可见光通信系统的设计。通过光发送/接收模块与USRP 的结合，可以构建一个完整的可见光通信系统。

2.2 软件设计

本实验中采用的UHD 版本为4.1.0，UHD 的功能是实现平台软件和USRP 设备的连接，采用的GNU Radio版本为3.7.13.5，Python 版本为2.7.17。该平台具有良好的可移植性，可以为进一步的开发研究提供支持。整个软件系统框图如图4所示。

图4 软件系统框图

在GNURadio 调制流程中，首先建立一个UDPSource 模块接收指定IP 地址的数据流；然后将数据流打包成设定帧长为96 B 的帧数据流，并在每帧数据末尾添加4 B 的校验位，此时每帧数据的长度为100 B，同时为数据帧创建一个帧头，帧头的长度是6 B。

然后对完成预处理的信号直接进行OFDM 的调制。进行调制的过程中，该系统分别对帧头和数据部分进行调制，并将调制后的帧头和数据合并。在对数据部分进行调制过程中加上两组用于进行同步和均衡的序列1和序列2，其中序列1 以32 点为周期，相位差为180°，如图5所示。

图5 同步序列设计

调制设计部分参数如表1所示，序列2 主要用于接收端的信道均衡。

表1 信号的调制参数设计

为防止调制后的OFDM 信号由于功率过大而超过了LED 模块的线性范围，因此在调制完成的信号后加上一个衰减模块以降低信号的幅度。完成调制后的OFDM 信号送入USRPSink，实现信号在硬件层面的发送。在接收端的解调流程中，首先建立一个UHD：USRPSource 模块接收来自N210 的信号，并将接收到的信号通过符号模块实现符号的定时同步，符号的定时同步依靠本地序列的自相关运算完成，运算流程如图6所示。

图6 本地自相关运算

此外，通过同步序列1 的自相关运算进行频偏的纠正。定时的度量函数为：

式中：P(d)为本地序列和接收信号的相关运算；R(d)用于归一化处理。

完成同步后的信号分离出帧头和数据进行解调。与数据解调的流程不同，帧头部分的解调部分中进行了信道的估计和均衡，信道均衡通过OFDM Channel Estimation 和OFDM Frame Equalizer 完成，并把完成的信道估计和均衡后的信息作为标签返回到帧头和数据分离的模块中，对数据部分进行均衡，然后进行数据部分的解调。

解调后的数据部分通过UDP 端口，在应用层进行接收。应用层的视频流编解码通过FFmpeg 和FFplay 完成，这是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序。系统通过UDP 端口发送和接收数据，可以方便且较为直观地进行多媒体流的实时传输演示，整个流媒体传输的过程如图7所示。

图7 媒体流的传输过程

2.3 系统测试与性能分析

在系统测试中，两个USRP N210 和LFTX、LFRX 子板作为发射器和接收器，使用一个1Gig⁃E 端口将数据从主机上传输到USRP，该系统选择的采样率为2.5 MS/s。测试方式为视频流媒体传输，视频源为720P 30 帧的MKV 格式视频流。

具体过程如下：

首先，在发送端的PC 上，通过FFmpeg 使用UDP 协议的方式将视频流从应用层下沉到物理层，UDP 流数据包由GNU Radio 的“包编码”功能进行编码，编码标准采用H.264 格式，编码后的视频流通过端口1234 被SourceSink 模块接收，接收后的数据再通过正交频分复用的调制方式进行符号编码，再通过LFTX 子板进行上变频，其中，子板处设置的载频为2.5 MHz。经过调制的基带信号再通过模拟调制的方式驱动LED 模块，完成整个发送端的调制过程。调制完成后的基带信号如图8所示。

图8 发送端时域和频域波形

在接收端，PD 检测器接收到的信号通过LFRX 子板完成下变频，接收到的OFDM 时域和频域信号如图9所示，下变频后的基带信号的解调和帧解码在接收机主机的GNU Radio 中完成；然后在应用层通过UDP 接收的方式接收媒体流；最后FFplay 通过1234 端口将接收到的视频进行解码并播放。

图9 接收端时域和频域波形

实验过程中，视频样本经过压缩编码，从主机向客户端进行传输。视频传输的平均速率为1 745 Kb/s，如图10所示。

图10 视频传输速率

在传输过程中，可以在接收端通过FFplay 播放解码后的视频流。通过观察可以发现，视频流能流畅地进行播放且感受不到延迟，但其中偶尔会出现像素点的丢失，原因是采用的UDP 协议效率高，在传输过程中如果网络有波动，就会存在丢包的现象。截取的视频播放画面如图11所示。

图11 接收端播放的视频

3 结 语

本文设计了一个基于GNU Radio 和USRP 结合的VLC 通信系统，其中调制格式和软件设计通过GNU Radio 实现，然后通过USRPN210 完成基带信号的调制。该系统基于LOS 链路完成了实时视频的传输，平均传输速率为1 745 Kb/s，验证了基于通用软件无线电设备开发可见光通信传输系统的可行性。同时，该技术可推广应用于复杂电磁环境中或对电磁干扰敏感的环境中实现数据的无线传输。通过对可见光通信原型系统的搭建，为后续进行可见光通信的研究提供了可验证的平台。