CN103384169B - 一种基于led阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机。利用N个独立控制的LED管构成发射阵列。每个LED使用OOK调制方式，可独立支持一个码分多址的码道，通过空间合成的形式将N个LED发射的光强信号进行叠加实现多码道发射。阵列中的N个LED也可分为A、B两组，每组中再分为N₁个小组，每小组N₂个LED作为同一码道控制。N₂个LED产生的光强通过空间合成形成多电平调制，在单一码道上实现高阶PAM调制，再与其他组LED进行多码道间的叠加。本发明在采用阵列LED实现调制时，LED发射电路无需D/A转换器，允许发射机的功率放大器工作在非线性饱和区，降低发射机成本，实现室内可见光通信中码分多址系统及多电平发射。

Description

一种基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机

技术领域

本发明涉及一种室内可见光通信环境下的发射机，尤其涉及一种基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机。

背景技术

可见光通信技术近年来逐渐成为通信领域研究的热点。其拥有独立于射频频谱的宽带频谱资源，无电磁干扰和辐射，绿色安全，易于隔断信号，保密性好等优点。在可见光通信系统设计中，发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)由于其技术条件上的优势，成为可见光通信系统中电光转换器件的首选。

在基于LED的可见光通信下行链路方案中，在发射端通过发光二极管将电信号转变为光信号，光信号通过信道传播后，接收端经过光电转换器将光信号转换为电信号，用于解调电路处理。可见光通信系统一般采用强度调制直接检测的方式，即发射端用光强表示信号幅度，接收端检测光强来收取信号。LED管最简单的调制方式是使用OOK调制，可以降低电路复杂度。而使用PPM、PAM、OFDM等其它调制方式，复杂度增加，对硬件要求增高，但能实现更高的传输速率。

基于扩频原理的码分多址技术被广泛运用于第三代移动通信系统。码分多址扩频系统中信号用伪噪声序列扩频使得信号抗干扰能力强且保密性好，并采用相互正交的Walsh码来划分多码道。在光通信系统中加入码分多址扩频技术可以较为方便地实现多址接入功能，生成多点发射机制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是在较低发射机复杂度下，为室内可见光通信系统提供多址接入能力，设计出适合多点布置、可靠链接的LED发射装置。本发明提供一种基于LED阵列的码分多址扩频信号发射方案，用以实现在较低发射机复杂度和功率放大器线性度要求下，利用光强信号的空间合成实现多码道和多电平，实现码分多址接入系统。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机，利用N个独立控制的LED管构成发射阵列。每个LED可独立作为一个码分码道，以OOK调制形式发送信号。通过空间合成的形式将信号光强进行叠加，可以将N个LED的发射信号叠加实现多码道发射。也可以将N个LED管分为A、B两组，每组中再分为N1个小组，每小组有N2个LED作为同一码道控制实现单码道上的高阶调制多电平发射。A、B两组采用不同扩频调制方案以满足不同传输速率和信道条件下的性能要求。本发明能在较低发射机复杂度的条件下，实现室内可见光通信中码分多址扩频系统多电平、多码道发射，无需D/A变换器，发射机功放可使用饱和放大器，减少了发射机成本。

具体来说，上述方案中发送信号的数据处理包括如下步骤：

(1)对于原始{0,1}数据比特b_i，首先进行PAM调制。

在2-PAM调制下，每个比特映射到一个多电平符号，映射关系为

{0→-1，1→+1}；

在4-PAM调制下，每2个比特映射到一个多电平符号，映射关系为

{00→-3，01→-1，11→+1，10→+3}；

在8-PAM调制下，每3个比特映射到一个多电平符号，映射关系为

$\left\{\begin{array}{cccc}000\→-7,& 001\→-5,& 011\→-3,& 010\→-1,\\ 110\→+1,& 111\→+3,& 101\→+5,& 100\→+7\end{array}\right\};$

在16-PAM调制下，每4个比特映射到一个多电平符号，映射关系为

$\left\{\begin{array}{cccc}0000\→-15,& 0001\→-13,& 0011\→-11,& 0010\→-9,\\ 0110\→-7,& 0111\→-5,& 0101\→-3,& 0100\→-1,\\ 1100\→+1,& 1101\→+3,& 1111\→+5,& 1110\→+7,\\ 1010\→+9,& 1011\→+11,& 1001\→+13& 1000\→+15\end{array}\right\}.$

调制后的符号记为s_i。

(2)调制后的符号根据选定的扩频方案中的扩频比和码道数进行码道划分。首先根据码道数对符号流进行串并转换，转换产生多码道并行符号数据流。再对不同码道的符号用相互正交的Walsh码覆盖进行码道间隔离。不同阶数的正交码通过哈达玛矩阵迭代实现，即定义

H₁＝[1]

且

$H_{2n}(2i:2i+1)=\left[\begin{array}{cc}{H}_n\left(i\right)& H_n\left(i\right)\\ H_n\left(i\right)& {\stackrel{\‾}{H}}_n\left(i\right)\end{array}\right]$

括号中为矩阵的对应行。按此规律迭代即可得到

$\begin{array}{ccc}{H}_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]& H_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right]& ...\end{array}$

哈达玛矩阵中的每一行即为对应阶数的不同序号的正交码，记为SF为扩频比即为正交码的阶数，k为正交码序号。经过正交码信道化处理后的码道信号为

$d_{i*SF+j}=s_i\·W_{SF}^k\left(j\right),j=0,1,\mathrm{...},SF-1$

处理后的码道信号的码片速率为原来的符号速率的SF倍。

(3)信道化处理后的码道信号再利用m序列进行扩频。例如使用11阶的m序列，

其生成多项式为

g(x)＝1+x⁵+x⁶+x⁷+x¹¹

该m序列的周期为2047个码片。在每个周期中唯一的连续10个全0码片后补足一个0，使得周期为2048码片。

对于对一小区内不同的接入点即发射阵列，采用不同的正交码组和不同相位偏移的m序列进行区分。在典型的室内环境下，设置相位偏移的最小单位为64码片。

m序列的码片速率与正交码的码片速率相同。扩频后的码片信号x_i可表示为

x_i＝m_i*d_i

(4)扩频后的信号通过LED阵列转换为光强信号发射。LED光信号采用OOK调制，即对于单个LED只有两种强度的发射状态，无需D/A变换器和线性功率放大器，降低了发射机复杂度。

对于阵列中的LED，可有如下的分组驱动方式：

(5)阵列上的N个LED可分为A、B两组，每组中再分成N₁小组，每小组N₂个LED，即N＝N_1A*N_2A+N_1B*N_2B。每组中N₁根据所需要的码道数进行分配，N₂根据每个码道上的调制阶数、发射强度进行分配。不同组分配不同数量的LED，以满足不同传输速率和信道条件下的性能要求。或阵列只划分为一组，分为N₁小组，即N＝N₁*N₂。

(6)在单一扩频比SF下，N₁≤SF，一般取N₁为2的次幂。不同扩频比调制信号叠加时，N₁不大于最大扩频比SF_MAX。

(7)N₂根据码道上的PAM调制阶数所需的电平数进行设置。例如仅使用2-PAM调制时，只需产生2电平，每个码道最少只需驱动1个LED。码道使用4-PAM调制时，需要产生4电平，至少使用3个LED联合形成该码道驱动，由这3个LED产生的光强信号在空间合成实现4电平的4-PAM调制信号。不同码道间再通过光强信号空间合成形成多码道码分多址扩频信号。N₂个LED中也可设置多个LED受同一调制符号驱动，以增强信号发射强度。因此例如在N＝16的情况下，可以产生16个码道的码分多址扩频信号即N₁＝16，N₂＝1；也可以将LED阵列按N_1A＝5，N_2A＝3,N_1B＝1,N_2B＝1，分成6小组，其中5小组支持4-PAM调制，1小组支持2-PAM,形成6码道码分多址扩频信号。

(8)当码道数为1，可充分利用LED阵列上的LED资源，将N个LED一同驱动以加强信号的强度，即假设在N＝16的情况下，可以令N₁＝1，N₂＝16，16个LED受相同的OOK调制驱动。或在无扩频情况下，利用N个LED产生的光强信号通过空间合成实现高阶PAM调制。如N＝16时可实现16-PAM调制。

有益效果：本发明提供的基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机，与现有技术相比，具有如下优点：

1)各LED管仅采用OOK调制，可使用饱和放大器，降低了发射机复杂度和成本，无需D/A变换器和线性功率放大器。通过LED阵列发射光强信号在空间合成的方法，以低复杂度实现了高阶PAM调制。

2)通过LED阵列发射光强信号在空间合成的方法，以低复杂度实现了码分多址扩频系统多码道的叠加，在可见光通信中较差信道条件下提供了高扩频比低速率的可靠链接。不同扩频调制方式能满足不同传输速率和信道条件下的性能需求。

3)在室内可见光通信环境下，提供多址接入能力，允许多接入点共同覆盖下的正常工作。

附图说明

图1为本发明的数据处理流程图。

图2为100Mcps发射速率、扩频比为16情况下，接收端采用理想信道估计和T/2分数间隔均衡器时，不同码道数和PAM调制阶数分配方案下的性能仿真结果。

图3为100Mcps发射速率、3路使用4-PAM的8倍扩频码道和1路2-PAM的16倍扩频码道下，接收端采用理想信道估计和T/2分数间隔均衡器时的性能仿真结果。

图4为100Mcps发射速率、无扩频情况下使用2-PAM、4-PAM、8-PAM、16-PAM调制方式，接收端采用理想信道估计和T/2分数间隔均衡器时的性能仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

仿真条件说明：

仿真示例1：

阵列大小：N＝16

信道模型：实测的光信道加上零均值加性高斯白噪声

码片发射速率：100Mcps

LED分配和扩频调制方案：

1.1N₁＝16，N₂＝1，共16个扩频比为16的码道，采用2-PAM调制。

1.2N₁＝8，N₂＝2，共8个扩频比为16的码道，采用2-PAM调制，每个码道同时驱动2个LED以增大发射强度。

1.3分为A、B两组，即N＝N_1A*N_2A+N_1B*N_2B。其中N_1A＝4，N_2A＝3，为4个扩频比为16的码道，每个码道用3个LED实现4-PAM调制；N_1B＝4，N_2B＝1，为另4个扩频比为16的码道，采用2-PAM调制。

接收技术：理想信道估计下采用T/2分数间隔MMSE均衡器。

仿真示例	数据等效传输速率/Mbps
		1.1	100
1.2	50
		1.3	75

表1仿真示例1中各方案等效传输速率

图2给出了不同方案下的性能比较结果。其中示例1.2单个码道上使用2个LED带来的6dB功率增益未给出。对比1.1和1.2可以看出，码道数越多，码道间干扰越严重，在数据速率得到提升的同时对信噪比的要求也更高。而1.3中采用了高阶PAM调制，在有限码道数下提高了数据速率，但对信噪比的要求也明显增加。

仿真示例2：

阵列大小：N＝16

信道模型：实测的光信道加上零均值加性高斯白噪声

码片发射速率：100Mcps

LED分配和扩频调制方案：

分为A、B两组，其中N_1A＝3，N_2A＝3，为3个扩频比为8的码道，采用4-PAM；N_1B＝1，N_2B＝7，为1个扩频比为16的码道，均采用2-PAM调制，同时驱动7个LED以增大发射强度。

接收技术：理想信道估计下采用T/2分数间隔MMSE均衡器。

传输码道	数据等效传输速率/Mbps
		总码道	81.25
A组码道	75
		B组码道	6.25

表2仿真示例2中各组等效传输速率

图3给出了该方案下的性能仿真结果。可以看出，总误比特率和A组码道的误比特率接近。但B组码道与A组码道相比，存在3dB的扩频增益，4-PAM和2-PAM之间的性能差异，以及B组码道使用了7个LED增加了强度。因此B组码道在性能上与A组码道相比有21dB左右的增益，使得该码道能够在较恶劣的信道条件下保证一定的工作性能，用于维持系统链接不中断。虽然B组码道数据传输速率低，但对信噪比要求低，适宜用于在光信道受到一定程度遮挡时使用。

仿真示例3：

信道模型：实测的光信道加上零均值加性高斯白噪声

码片发射速率：100Mcps

LED分配和扩频调制方案：

利用阵列在不扩频情况下，通过空间合成方法产生2-PAM、4-PAM、8-PAM和16-PAM调制信号。

接收技术：理想信道估计下采用T/2分数间隔MMSE均衡器。

调制方式	数据等效传输速率/Mbps
		2-PAM	100
4-PAM	200
		8-PAM	300
16-PAM	400

表3仿真示例3中各调制方式下等效传输速率

图4给出了该方案下的性能仿真结果。可以看出，越高阶的PAM调制对信噪比要求越高，速率每提升一倍，基本需要额外7dB的信噪比。因此在信道条件良好、发射功率较强的情况下，可以使用高阶PAM来提供传输速率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机，其特征在于：使用N个独立受控的LED管，组成LED发射阵列；每个LED管采用OOK调制方式，可用于独立发送一个码分多址扩频码道信号，通过光强信号在空间合成形成多码道扩频码分多址调制；将阵列上的N个LED设为一组，分为N₁小组，每小组N₂个LED，即N＝N₁*N₂；或将N个LED管分为A、B两组，每组中再分成N₁小组，每小组由N₂个LED组合，即N＝N_1A*N_2A+N_1B*N_2B；其中，N_1A为A组划分的小组数量，N_2A为在N_1A小组内划分的LED个数，N_1B为B组划分的小组数量，N_2B为在N_1B小组内划分的LED个数；各组内N₁的个数根据需要的码道数进行分配，N₂的个数根据每个码道上的调制阶数和发射强度进行分配；N₂个LED发射的光强信号在空间合成实现单一码道上的高阶PAM调制，N₁小组之间再叠加产生N₁个码道的多码道码分多址扩频信号；当扩频比为1即无扩频情况下，利用LED阵列上的N个LED可以通过空间合成实现更高阶的PAM调制。

2.根据权利要求1所述的基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机，其特征在于：码分多址扩频信号的数据处理包括如下步骤：

(1)对于原始{0,1}数据比特b_i，首先进行PAM调制；调制后的符号记为s_i；

(2)调制后的符号根据选定的扩频方案中的扩频比和码道数进行码道划分；

首先根据码道数对符号流进行串并转换，转换产生多码道并行符号数据流；再对不同码道的符号用相互正交的Walsh码覆盖进行码道间隔离；不同阶数的正交码通过哈达玛矩阵迭代实现，即定义

H₁＝[1]

且

$H_{2n}(2i:2i+1)=\left[\begin{array}{cc}{H}_n\left(i\right)& H_n\left(i\right)\\ H_n\left(i\right)& {\stackrel{\‾}{H}}_n\left(i\right)\end{array}\right]$

其中括号中为矩阵的对应行；按此规律迭代下去即可得到

$\begin{array}{ccc}{H}_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]& H_4=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right]& ...\end{array}$

哈达玛矩阵中的每一行即为对应阶数的不同序号的正交码，记为SF为扩频比即为正交码的阶数，k为正交码序号；经过正交码信道化处理后的码道信号为

$d_{i*SF+j}=s_i\·W_{SF}^k\left(j\right),j=0,1,...,SF-1$

处理后的码道信号的码片速率为原来的符号速率的SF倍；

(3)经过正交码隔离后的码道信号再利用伪噪声序列进行扩频；使用11阶的m序列，其生成多项式为

g(x)＝1+x⁵+x⁶+x⁷+x¹¹

对于对一小区内不同的接入点即发射阵列，采用不同正交码或不同相位偏移的m序列进行区分隔离，以提供多点覆盖能力；

(4)扩频后的信号通过LED阵列转换为光强信号发射；每个LED采用OOK调制，即对于单个LED只有两种强度的发射状态；在多码道情况下，根据各码道对多电平或发射强度的要求给各个码道分配LED管，使得不同码道独立控制驱动不同的LED管。

3.根据权利要求1中所述的基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机，其特征在于：由于单个LED采用复杂度低的OOK调制，多电平和多码道信号叠加的实现通过各LED产生的光强信号在空间叠加完成；具体体现在：

阵列上的N个LED可分为A、B两组，每组内再划分N₁小组，每小组N₂个LED，即N＝N_1A*N_2A+N_1B*N_2B；其中，N_1A为A组划分的小组数量，N_2A为在N_1A小组内划分的LED个数，N_1B为B组划分的小组数量，N_2B为在N_1B小组内划分的LED个数；各组内N₁根据需要的码道数进行分配，N₂根据每个码道上的调制阶数和发射强度进行分配；A、B两组使用不同的分配方案，可同时满足不同传输速率和信道条件下的性能要求；或只设一组，分为N₁小组，即N＝N₁*N₂；

在单一扩频比SF下，N₁≤SF，取N₁为2的n次幂，n＝0,1,2…；多扩频比调制信号叠加时，N₁不大于最大扩频比SF_MAX；

N₂的个数根据码道上的PAM调制阶数所需的电平数进行设置；若码道仅使用2-PAM调制时，只需产生2电平，每个码道最少只需驱动1个LED；若码道使用4-PAM调制时，需要产生4电平，至少使用3个LED联合由该码道驱动，由这3个LED产生的光强信号在空间合成实现4电平的4-PAM调制信号；不同码道间再通过光强信号空间合成形成多码道码分多址扩频信号；或N₂个LED中设置多个LED受同一调制符号驱动，以增强信号发射强度；

当码道数为1，或无扩频情况下，利用LED阵列上的LED资源，将N个LED一同驱动以加强信号的强度，或是通过空间合成实现高阶PAM调制。

4.根据权利要求1中所述的基于LED阵列的码分多址扩频信号空间合成发射机，其特征在于：单个LED只使用OOK调制，无需D/A变换器和线性功率放大器；通过空间合成实现多码道叠加和多电平的高阶PAM调制，允许发射机采用较廉价的饱和放大器。