CN102761508B - 用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法 - Google Patents

Abstract

用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法，涉及一种多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法。它是针对室内照明要求、保证数据传输过程中不造成光源闪烁，同时兼顾光源明暗控制功能而设计的一种用来提升可见光通信系统数据传输速率的调制方法。调制方法：将可见光通信系统的M进制的系统数据采用MRZOPAM的方法调制为归零型幅度形式脉冲；所述调制方法是通过改变M进制的系统数据的格雷码所对应的归零脉冲的幅度实现的；解调方法：将调制后的归零幅度脉冲根据解调公式获得解调制后的数据。本发明适用于可见光通信系统中。

Description

用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法

技术领域

本发明涉及一种多进制归零幅度光脉冲幅度调制和解调方法。

背景技术

近几年来，由于LED的广泛使用，使得基于LED的可见光通信技术吸引了广泛研究关注。可见光通信的特点是对人体无害，提供安全的通信环境，不需要频段申请，不会对航空设备或者医疗设备造成影响。

目前，可见光通信的研究热点之一是如何提高可见光通信系统的通信速率，解决途径主要是对调制方式的研究与改进。考虑到可见光这种特殊的传输介质以及需要兼顾照明的系统特点，所以在研究调制方式的时候，需要考虑以下几点，一是尽可能提高数据传输速率；二是在通信过程中保证照明，不会因为通信造成光源闪烁影响照明；三是支持用户调节光强，即可以实现明暗控制。以上三个要求对可见光通信系统中的调制方式研究提出了具体要求。

解决系统带宽有限、提高带宽利用率的一个有效方法是采用多进制调制方式。脉冲幅度调制(PAM，Pulse Amplitude Modulation)是一种典型的多进制调制方式，广泛的应用于数字通信系统中。PAM通过使用不同的幅度来表示原始数据来实现信息的传输，传统的多进制PAM技术包含M＝2^b个不同的幅度，每个幅度之间具有相等的间隔d，如果将传统的PAM技术直接应用于可见光通信系统中，可以解决带宽受限的问题，但是，如前文所述，也会存在一些问题：一是由于幅度变化由原始数据决定，所以容易产生光源闪烁问题，其次，PAM技术不具备明暗控制功能。另一方面，可见光通信系统中所使用的LED是非线性器件，当电压超过一定的阈值时，LED开始发光，电流急剧上升，如果电压继续上升，LED会迅速过热而烧坏，这就必须控制LED在一个很窄的电压范围内才能长久可靠的工作。而传统PAM在满足阈值的前提下，幅度变化会很大，所以LED的安全可靠使用也限制了PAM在可见光通信系统中的使用。基于以上考虑，不能将传统PAM技术直接应用于可见光通信系统中。

发明内容

本发明是为了提升可见光通信系统数据传输速率，并兼顾用户对缓解光源闪烁和明暗控制功能的要求，从而提供一种用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法。

用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法，调制方法：将可见光通信系统的M进制的系统数据先转换成格雷码，再采用MRZOPAM的方法将系统数据调制为幅度脉冲；

所述MRZOPAM的方法将系统数据调制为幅度脉冲的具体过程为：

幅度脉冲调制是通过改变M进制的系统数据所对应的格雷码各码元所对应的归零光脉冲的幅度A_i实现的；

所述幅度A_i是根据公式：

A_i=a_BS+[G_i+1]×a_slot

获得的；其中：G_i为系统数据所对应的格雷码，a_BS为MRZOPAM调制波形中的基本幅度，a_slot为相邻两个格雷码元的调制脉冲波形幅度之间的幅度分辨间隔；M为大于2的正整数；

解调方法：将调制后的幅度脉冲采用最大释然概率判断准则，根据公式：

${\mathrm{dec}}_{\mathrm{ML}}\left[A_x\right]=\underset{a\∈A}{\arg \min }{\left|\right|A_x-a\left|\right|}^2$

获得解调后的格雷码G_i，再根据G_i与原始码元之间的对应关系得到原始数据；其中A_x为解调接收到的光脉冲幅度，所述a为判断区域，是根据公式：

$a_i=\left\{\begin{array}{cc}(-\∞,A_i+\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}})& i=1\\ [A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}},A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}})& 2\≤i\≤M-1\\ [A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}},+\∞)& i=M\end{array}\right.$

获得的。

幅度A_i对应的高电平持续时间为t_i，所述t_i是根据公式：

$t_i=\frac{[a_{\mathrm{BS}}+M\×a_{\mathrm{slot}}]}{a_{\mathrm{BS}}+(G_i+1)a_{\mathrm{slot}}}\×t_0$

获得的，式中t₀为最大幅度[a_BS+M×a_slot]所对应的持续时间。

系统数据所对应的调制信号波形表达式为s_i(t)，所述s_i(t)是根据公式：

$s_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{BS}}+(G_i+1)a_{\mathrm{slot}}& 0\&le;t<t_i\\ 0& t_i\&le;t<T\end{array}\right.$

获得的，式中T为波形持续时间。

M进制的系统数据所对应的格雷码的相邻码元的调制脉冲幅度之间的幅度分辨间隔a_slot与波形基本幅度a_BS的关系，满足下式：

a_slot<a_BS。

MRZOPAM调制波形的基本幅度a_BS的取值为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{BS}}\&GreaterEqual;A_{\mathrm{threshold}}\\ a_{\mathrm{BS}}=A_{\mathrm{illu}\min \mathrm{ation}}\end{array}\right.$

式中，A_threshold为可见光通信系统的的接收端能正确接收到发射光信号而对发射端幅度所要求的阈值，A_illumination表示室内照明所需要的光照幅度折合成发射端的幅度值。上式含义就是在满足系统对幅度阈值要求的前提下，波形基本幅度a_BS由室内照明要求所决定。

相邻格雷码元的调制脉冲幅度之间的幅度分辨间隔a_slot的取值为：

a_slot>2|A.I.E.|

式中，A.I.E.为调制相邻两个码元的幅度间隔误差。

有益效果：本发明是一种MRZOPAM调制方法，本发明根据发送波形幅度的不同来区别不同的信息，提高了带宽利用率，并具备闪烁缓解与明暗控制功能。

附图说明

图1是本发明的调制方法的波形示意图；图2是本发明的可见光通信系统的结构示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法，调制方法：将可见光通信系统的M进制的系统数据先转换成格雷码，再采用MRZOPAM的方法将系统数据调制为幅度脉冲；

所述MRZOPAM的方法将系统数据调制为幅度脉冲的具体过程为：

幅度脉冲调制是通过改变M进制的系统数据所对应的格雷码各码元所对应的归零光脉冲的幅度A_i实现的；

所述幅度A_i是根据公式：

A_i=a_BS+[G_i+1]×a_slot

获得的；其中：G_i为系统数据所对应的格雷码，a_BS为MRZOPAM调制波形中的基本幅度，a_slot为相邻两个格雷码元的调制脉冲波形幅度之间的幅度分辨间隔；M为大于2的正整数；

原理：MRZOPAM调制（M-ray Return-to-Zero Optical Pulse Amplitude Modulation，M进制归零光脉冲幅度调制）是一种针对多进制可见光通信系统的非等幅脉冲幅度调制方式，属于脉冲幅度调制范畴。通过将原始数据经过格雷映射后再编码到发送波形幅度上的方式来传输信息。发送符号的幅度是可变的，由符号中所携带的信息所决定。为了保证数据传输过程中不会造成光源闪烁，相邻数据所对应的幅度差别很小。然后根据幅度的不同，精确的构建码元传输的波形。

MRZOPAM调制是将多进制数调制幅度可变的归零脉冲，在MRZOPAM调制中，M进制中系统数据所对应的调制信号幅度A_i为：

A_i=a_BS+[G_i+1]×a_slot，  （1）

其中：，G_i为系统数据所对应的格雷码码元，；a_BS为MRZOPAM调制波形中的基本幅度，a_slot为相邻两个格雷码元的调制脉冲波形幅度之间的幅度分辨间隔；M为大于2的正整数；

MRZOPAM调制中，幅度分辨间隔a_slot与波形基本幅度a_BS的关系，满足下式：

a_slot<a_BS。    （2）

接收端解调时可以由式（1）求出m_i，即：将调制后的光脉冲采用最大释然概率判断准则，根据公式：

${\mathrm{dec}}_{\mathrm{ML}}\left[A_x\right]=\underset{a\&Element;A}{\arg \min }{\left|\right|A_x-a\left|\right|}^2---\left(3\right)$

获得解调后的格雷码G_i，再根据G_i与原始码元之间的对应关系得到原始数据；其中A_x为解调接收到的光脉冲幅度，所述a为判断区域，是根据公式：

$a_i=\left\{\begin{array}{cc}(-\&infin;,A_i+\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}})& i=1\\ [A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}},A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}})& 2\&le;i\&le;M-1\\ [A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}},+\&infin;)& i=M\end{array}\right.---\left(4\right)$

获得的。

幅度A_i所对应的高电平持续时间t_i，满足下式

$t_i=\frac{[a_{\mathrm{BS}}+M\&times;a_{\mathrm{slot}}]}{a_{\mathrm{BS}}+(G_i+1)a_{\mathrm{slot}}}\&times;t_0,---\left(5\right)$

式中t₀为最大幅度[a_BS+M×a_slot]所对应的持续时间。

根据式（1），可以得出MRZOPAM调制信号波形如图1所示。MRZOPAM波形的幅度由两个部分组成，分别为基本幅度部分和信息幅度部分。基本幅度部分是MRZOPAM调制波形的固定部分，幅度值为a_BS，其持续时间为t_i由公式（5）所决定。信息幅度部分是MRZOPAM调制波形的幅度变化部分，由G_i+1个幅度分辨间隔a_slot组成。

由图1，MRZOPAM调制信号表达式为：

$s_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{BS}}+(G_i+1)a_{\mathrm{slot}}& 0\&le;t<t_i\\ 0& t_i\&le;t<T\end{array}\right.---\left(6\right)$

由于每个波形在结束时均需要恢复到零电平，因此该调制方式属于归零码范畴。

在式（1）-（6）中，涉及a_BS，a_slot，t_i以及T的取值。下面详细分析这几个参数的取值原则。

a_BS的选择方法：

由式（1）得出，min{A_i}＝A(-1)=a_BS，是本调制方式中波形最小幅度，根据可见光通信系统的特点，a_BS对应发射端所发射波形的幅度，a_BS的最小值为可见光通信系统的的接收端能正确接收到发射光信号而对发射端幅度所要求的阈值A_threshold，由两个因素决定：一是系统对发射波形幅度（能量）的最低要求，二是接收端电路灵敏度对发射端光信号幅度（能量）的最低要求；即满足：

a_BS≥A_threshold    （7）

在满足最低要求式（7）的前提下，MRZOPAM调制方式通过调节a_BS的幅度来实现对光强的控制，所以此时a_BS由用户决定。假设室内照明所需要的光照幅度折合成发射端的幅度值，表示成A_illumination，那么a_BS在满足（7）的基础上，由下式决定:

a_BS=A_illumination    （8）

a_slot的选择方法：

由式（6）知：a_slot是MRZOPAM调制中区分各码元波形幅度的幅度分辨间隔，其取值将确定MRZOPAM调制在数据传输过程中的光源闪烁程度。

MRZOPAM通过改变发射符号的幅度方式来传输信息，所以在接收端测量波形幅度的准确度是正确恢复出原码的关键。从图2可以分析出，MRZOPAM调制波形的幅度测量误差主要来自于MRZOPAM调制数据的产生、AD转换、电光转换、光电转换、信号调理、DA转换以及解调端对MRZOPAM解调部分。把这些误差进行归类，采用数字调制和数字解调，可以将幅度间隔误差A.I.E.（Amplitude Interval Error）表示为：

A.I.E.=±1count±jitter error±Amplitude base error±systematic error    （9）

其中：

±1count表示量化误差，这是由于a_slot与调制电路所用量化电压不是完整等比例关系导致的“四舍五入”量化误差；主要涉及两个方面，一是MRZOPAM调制时计算DA输出数据时的量化误差，为发射端调制电路幅度发生器的±1计数误差；二是接收端AD的量化误差，这是由于接收端接受波形与解调电路所用量化电压不是完整等比例关系导致的“四舍五入”量化误差；

±jitter error表示系统在发射一个固定幅度脉冲时，在没有外界噪声干扰情况下，由于电路的抖动造成的接收端幅度与原始幅度的差别。包括发射端电路的抖动误差（DA的抖动误差与驱动电路的抖动误差）和接收端电路的抖动误差（调理电路的抖动误差与AD的抖动误差）；

±Amplitude base error表示DA和AD参考电压误差所影响到的幅度发射与接收误差，由于现有集成电路技术水平，参考电压源的稳定度可达0.02%或者更小，噪声幅度可在1mV的峰峰值以下，所以此项可以忽略；

±systematic error表示由于电路技术原因导致的输出与接收幅度值与实际幅度值之间的固定系统误差，系统误差与量化误差和抖动误差相比，可以忽略。

根据公式（9），系统随机误差采用了最不利情况下绝对值合成法，A.I.E.可以表示成：

A.I.E.=±[1count+jitter error]    （10）

由式（10）可得a_slot的选择关系式为：

a_slot>2|A.I.E.|    （11）

t₀的选择方法

根据MRZOPAM调制波形，t₀是本调制中的最小脉冲持续时间，所对应的传输速率为R_b，由奈奎斯特带宽知道，若每秒传输R_b个二进制码元，需要的最小带宽是B=R_b/2Hz，由于实际滤波器的限制，系统带宽一般是奈奎斯特最小带宽的1.1~1.4倍。当带宽B确定后，t₀的取值应满足：

$t_0\&GreaterEqual;\frac{1}{1.1B}---\left(12\right)$

T的选择方法

T是MRZOPAM调制波形的持续时间，假设低电平持续时间为t_L，则T可以表示为：

t_i+t_L=T    （13）

根据式（5），t_i最大值满足：

$t_{i\max }=\frac{[a_{\mathrm{BS}}+(M+1)a_{\mathrm{slot}}]}{a_{\mathrm{BS}}+a_{\mathrm{slot}}}\&times;t_0---\left(14\right)$

同时，根据（11），t_L需要满足：

$t_L\&GreaterEqual;\frac{1}{1.1B}---\left(15\right)$

结合（13）-（15），可以得到T的取值条件为：

$T\&GreaterEqual;\frac{1}{0.55B}+\frac{[a_{\mathrm{BS}}+(M+1)a_{\mathrm{slot}}]}{a_{\mathrm{BS}}+a_{\mathrm{slot}}}\&times;t_0---\left(16\right)$

其中a_BS，a_slot，t₀分别由式（8），（11），（12）所决定。

Claims (3)

1.用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法，其特征是：

调制方法：将可见光通信系统的M进制的系统数据先转换成格雷码，再采用MRZOPAM(M进制归零光脉冲幅度调制)的方法将系统数据调制为幅度脉冲；

所述MRZOPAM的方法将系统数据调制为幅度脉冲的具体过程为：

幅度脉冲调制是通过改变M进制的系统数据所对应的格雷码各码元所对应的归零光脉冲的幅度A_i实现的；

所述幅度A_i是根据公式：

A_i＝a_BS+[G_i+1]×a_slot

获得的；其中：G_i为系统数据所对应的格雷码，a_BS为MRZOPAM调制波形中的基本幅度，a_slot为相邻两个格雷码元的调制脉冲波形幅度之间的幅度分辨间隔；M为大于2的正整数；

解调方法：将调制后的幅度脉冲采用最大释然概率判断准则，根据公式：

${\mathrm{dec}}_{\mathrm{ML}}\left[A_x\right]=\underset{a\&Element;A}{\arg \min }{\left|\right|A_x-a\left|\right|}^2$

获得解调后的格雷码G_i，再根据G_i与原始码元之间的对应关系得到原始数据；其中A_x为解调接收到的光脉冲幅度，所述a为判断区域，是根据公式：

$a_i=\left\{\begin{array}{cc}(-\&infin;,A_i+\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}})& i=1\\ [A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}},A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}})& 2\&le;i\&le;M-1\\ [A_i-\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{slot}},+\&infin;)& i=M\end{array}\right.$

获得的；

M进制的系统数据所对应的格雷码的相邻码元的调制脉冲幅度之间的幅度分辨间隔a_slot与波形基本幅度a_BS的关系，满足下式：

a_slot<a_BS；

MRZOPAM调制波形的基本幅度a_BS的取值为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{BS}}\&GreaterEqual;A_{\mathrm{threshold}}\\ a_{\mathrm{BS}}=A_{\mathrm{illu}\min \mathrm{ation}}\end{array}\right.$

式中，A_threshold为可见光通信系统接收端能正确接收到发射光信号而对发射端幅度所要求的阈值，A_illumination表示室内照明所需要的光照幅度折合成发射端的幅度值；

相邻格雷码元的调制脉冲幅度之间的幅度分辨间隔a_slot的取值为：

a_slot>2|A.I.E.|

式中，A.I.E.为调制相邻两个码元的幅度间隔误差。

2.根据权利要求1所述的用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法，其特征在于归零光脉冲的幅度A_i对应的高电平持续时间为t_i，所述t_i是根据公式：

$t_i=\frac{[a_{\mathrm{BS}}+M\&times;a_{\mathrm{slot}}]}{a_{\mathrm{BS}}+(G_i+1)a_{\mathrm{slot}}}\&times;t_0,$

获得的，式中t₀为最大幅度[a_BS+M×a_slot]所对应的持续时间。

3.根据权利要求1所述的用于可见光通信系统中的多进制归零光脉冲幅度调制和解调方法，其特征在于系统数据所对应的调制信号波形表达式为s_i(t)，所述s_i(t)是根据公式：

$s_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{BS}}+(G_i+1)a_{\mathrm{slot}}& 0\&le;t<t_i\\ 0& t_i\&le;t<T\end{array}\right.$

获得的，式中T为波形持续时间。