CN105530052A - 一种基于mppm和rs码的可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于MPPM和RS码的可见光通信系统，该系统采用RS纠错编码，其同时具有纠正随机错误和突发错误的能力，能够有效地纠正信号在可见光通信信道传输时产生的随机误码，同时通过改进RS纠错译码的结构提高硬件运行速率；采用MPPM编码调制，其具有更高的带宽利用率和更高的光功率利用率，同时通过改进MPPM编码调制的有效提高了可见光通信系统信号传输的抗多径及码间干扰能力。

Description

一种基于MPPM和RS码的可见光通信系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地，涉及一种基于MPPM和RS码的可见光通信系统。

背景技术

可见光通信采用白光LED作为光源，利用灯光的明暗闪烁来传输信息，是一种照明与通信相结合的新型通信技术。与射频通信相比，首先可见光通信带宽使用不受限，不需获得相关管理机构的授权；其次可见光通信不产生电磁辐射同时不受电磁干扰影响；再次可见光通信安全性更高，可以保证信息的安全性；最后无线光通信的设备假设灵活边界，且成本低廉，适合大规模的普及与应用。

现有典型的可见光通信系统包括发送端和接收端，其中发送端主要包括信道编码模块、数字调制模块、驱动电路模块以及可见光电源，接收端主要包括光敏原件、调理电路、数字解调模块以及信道解码模块。在发射端，信号输入到信道编码器以后，按照码元映射规则编码，编码后得到的信号序列由数字调制器进行调制，输出连续的调制波形，经驱动电路后直接驱动可见光光源发光。在接收端，光敏元件将接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，该光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和信道译码器译码，最终恢复出信息。

目前在低速应用场景下，可见光通信系统主要OOK(On-OffKey)或PPM(PositionPlusModulation)调制方案。OOK是可用于可见光通信的最简单的调制方法，，虽有简单易实现等诸多优点，但缺点也很明显，应用时它必须与PWM(Pulse-WidthModulation)调光一起应用，只能用于要求不高的简单的通信系统，且系统码元速率较低，系统功率效率不高。PPM虽然有较好的抑制码间干扰、信道性能较高等优点，但系统不灵活，其带宽需求是随着信源比特的增加以指数的形式迅速增加的，大大增加了对系统的要求，系统变得复杂。两种调制方案均无法在抑制码间干扰、带宽需求和系统功率效率等方面取得平衡。

发明内容

本发明提供一种基于MPPM和RS码的可见光通信系统，该系统实现对信源的RS纠错编码降低误码率，并且改进RS纠错编码算法结构，以及实现对信号的多位置脉冲调制(Multi-PulsePositionModulation，MPPM)，并且改进编码减少码间干扰。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于MPPM和RS码的可见光通信系统，包括用于发射可见光信号的发射模块和用于接收可见光信号且将可见光转换为电信号的接收模块；

所述发射模块包括依次连接的扰码器模块，RS纠错编码模块，MPPM编码模块，LED驱动模块和LED；

所述接收模块包括依次连接的光电接收转换模块，数字时钟恢复/数据提取模块，MPPM译码模块，RS纠错译码模块和解扰码模块。

进一步地，所述扰码器模块将阻止长串1和长串0的出现，让位定时恢复、使信号频谱弥散保持稳定；所述RS纠错编码模块对信道进行编码；所述MPPM编码模块对可见光通信系统信号进行编码调制；所述LED驱动模块驱动LED进行可见光通信并对可见光编码调制信号进行放大。

进一步地，所述光电接收转换模块接收可见光调制信号并将可见光调制信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅处理；所述MPPM译码模块，对处理后的电信号进行译码；所述RS纠错译码模块纠正可见光通信过程中信号的突发错误；所述解扰码模块恢复扰码信号。

进一步地，所述RS纠错编码模块包括相互连接的用于提供时钟的时钟模块，用于控制RS编码信号输入和编码输出的计数/控制器和输出选择器，用于计算RS纠错编码的生成多项式的编码除法器和用于缓存输入信号的缓存器。

进一步地，所述MPPM编码模块包括相互连接的用于信号串并转换的输入缓存器，用于信号编码调制的映射编码模块和用于编码信号并串转换的输出缓存器。

进一步地，所述光电接收转换模块包括相互连接的用于将LED灯光转换为光电流的光电二极管，用于将光电流转为电压且具有放大性能的前置跨阻放大器，用于滤除高频噪声进行的多阶巴特沃斯低通滤波电路和用于电压放大和信号限幅整形的限幅放大电路。

进一步地，所述MPPM译码模块包括用于信号串并转换的输入缓存器；用于信号解码解调模块；用于译码信号并串转换的输出缓存器。

其中，全数字时钟恢复/数据提取模块包括用于耦合发送模块时钟恢复接收模块时钟的相位采集时钟选择(PhasePickingwithClockSelection，PPCS)模块；用于对数据进行采样而实现数据提取的相位采集数据选择(PhasePickingwithDataSelection，PPDS)模块。

进一步地，所述RS纠错译码模块包括相互连接的用于计算伴随多项式的的伴随多项式生成模块，用于解关键方程求错误位置多项式和错误估计多项式的解关键方程模块，用于利用错误位置多项式求错误位置值的钱氏搜索模块；用于利用错误估计多项式求出对应错误值的Forney算法求错误值模块；用于校正错误的校正错误模块；用于输入数据缓存的缓存模块。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用RS纠错编码，其同时具有纠正随机错误和突发错误的能力，能够有效地纠正信号在可见光通信信道传输时产生的随机误码，同时通过改进RS纠错译码的结构提高硬件运行速率；采用MPPM编码调制，其具有更高的带宽利用率和更高的光功率利用率，同时通过改进MPPM编码调制的有效提高了可见光通信系统信号传输的抗多径及码间干扰能力。

附图说明

图1是本发明所述基于MPPM和RS码的可见光通信系统结构框图；

图2是本发明所述RS纠错编码模块结构图；

图3是本发明所述MPPM编码模块结构图；

图4为本发明所述MPPM译码模块结构图；

图5为本发明所述RS纠错译码模块结构图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的基于MPPM和RS码的可见光通信系统10包括发射可见光信号的发射模块11和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收模块12。所述发射模块11发射端，实现对输入信号进行信道编码器以后，按照码元映射规则编码调制，输出连续的调制波形，经驱动电路后直接驱动可见光光源发光传输信号；所述接收模块12实现对光敏元件接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和信道译码器译码，最终恢复出信息。

所述发射模块11包括用于扰码从而避免长串1和长串0的出现以及让位定时恢复的更加准确、使信号频谱弥散而保持稳定的扰码器模块111，用于信道编码提高传输可靠性的RS纠错编码模块112，用于可见光通信系统信号编码调制的MPPM编码模块113，用于放大编码调制信号并驱动LED进行可见光通信的LED驱动模块114，用于发送可见光信号的LED115；所述扰码模块111、RS纠错编码模块112、MPPM编码模块113、LED驱动模块114、LED115依次连接组成可见光通信系统发射模块11。

所述接收模块12包括用于可见光信号的接收以及光信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅等信号处理的光电接收转换模块121，用于接收模块系统时钟的恢复和数据提取的数字时钟恢复/数据提取模块122，用于可见光通信系统接收信号的译码解调的MPPM译码模块123，用于纠正可见光通信过程中信号的突发错误和随机错误的RS纠错译码模块124，用于恢复扰码信号的解扰码模块125；所述光电接收转换模块121、全数字时钟恢复模块122、MPPM译码模块123、RS纠错译码模块124、解扰码模块125依次连接组成可见光通信系统接收模块12。

下面结合附图对一些重要功能模块进行详细的说明：

一、发射模块

发射模块11由扰码模块111、RS纠错编码模块112、MPPM编码模块113、LED驱动模块114和LED115组成。

1.1RS纠错编码模块

RS纠错编码一般方法为将待编码信息多项式升x^n-k位后除生成多项式g(x)，将所得的余式置于升x^n-k位的信息多项式之后，形成RS码，即

c(x)＝x^2tm(x)+x^2tm(x)modg(x)

其中n为总码长，k为信息码码长，2t为监督码长，c(x)为码字多项式，m(x)为信息多项式，g(x)为生成多项式。如图2所示，为本发明的基于MPPM和RS码的可见光通信系统中的RS纠错编码流程图，RS纠错编码模块112由用于控制RS编码信号输入和编码输出的计数/控制模块22和输出选择器24、用于计算RS纠错编码的生成多项式的编码除法器23以及用于提供时钟的时钟模块21组成。信号经过计数/控制模块22，一方面输入到缓存模块25，另一方面进入编码除法模块23进行运算，输出选择模块24先输出k位信息码，再输出n-k位监督码。

1.2MPPM编码模块

本发明的基于MPPM和RS码的可见光通信系统采用MPPM编码调制，与PPM、DPPM等编码调制相比MPPM改善了带宽效率和功率效率，同时本发明的基于MPPM和RS码的可见光通信系统改进MPPM编码减少码间干扰。如图2，MPPM编码模块113包括用于信号串并转换的输入缓存器31，用于信号编码调制的MPPM映射编码模块32，用于编码信号并串转换的输出缓存器33。其中MPPM映射编码的映射关系如表1所示。

表1

3bit信源	MPPM	改进MPPM
			000	11000	0101000
001	10100	0100100
			010	10010	0100010
011	10001	0100001
			100	01100	0010100
101	01010	0010010
			110	01001	0010001
111	00110	0001010

本发明的MPPM映射编码模块113在MPPM的符号前加一个0来保证相邻符号之间有时间间隔；编码映射时，只选用脉冲信号之间有间隔0的组合，去除掉所有的脉冲连续出现的组合。与一般的MPPM编码相比，避免了连续脉冲的出现，降低了码间干扰的概率，提高了系统的可靠性。

二、接收模块

如图3所示，接收模块12由光电接收转换模块121、全数字时钟恢复/数据提取模模块122、MPPM译码模块123、RS纠错译码模块124和解扰码模块125组成。

2.1全数字时钟恢复/数据提取模模块

全数字CDR主要由PPCS及PPDS两部分实现。在已知发射端数据传输速率的情况下，用相同频率但位相不同的多路时钟信号去耦合输入数据的时钟，期间还涉及到滤除高频噪声的问题，最后选取相位最相近的时钟作为恢复出来的时钟。然后用恢复出来的时钟对数据进行采样而实现数据恢复。由FPGA产生四路同频相互相移90°的时钟，在每一路时钟信号的上升沿，对输入信号进行采样(过采样)，在某一个时钟的两个连续上升沿期间，一共有5次采样值(该路时钟在连续两个上升沿一共采两次值，其他三路时钟各采一次值)。对这五个采样值进行异或处理，只有某两个时钟的采样值异或结果为1，最后，选取这两个时钟之后的第三个时钟作为提取出来的时钟。由于用来拟合输入数据时钟的多路移相同频时钟不可能跟数据时钟完全吻合，所以存在固有误差，误差最大为(360/k)°，k为移相时钟的路数。我们可根据精度要求，增加采样时钟数量。时钟恢复之后，用恢复出来的时钟对输入数据进行采样并输出。

2.2MPPM译码模块

如图4所示，MPPM译码模块123包括用于信号串并转换的输入缓存器41，用于检测信号的最大似然检测模块42，用于信号解码的MPPM解调模块43，用于译码信号并串转换的输出缓存器44。在进行MPPM解调的过程中,首先要对光检测器的输出信号进行取样,设时隙宽度为T_s，取样间隔为T_sa，每时隙抽样P次，则y_i＝y(iT_sa)，i＝1,2,...,MP，每个MPPM符号在M个时隙内的观测矢量可表示为：Y＝[y₁,y₂,...,y_MP]。设设所发送的脉冲波形为f(t)，当发送脉冲信号位于第j个时隙时，

y_i＝f_i+n_ii＝(j-1)P+1,…,jP

f_i＝f((i-(j-1)P)T_sa)

y_i＝n_iotheri

其中n_i为白高斯过程的抽样值，所以n_i(i＝1,2,...,MP)为相互独立的高斯随机变量，设它们的均值为0，方差为s²。若信号f(t)是宽度为W的波形，具有下面的形式：

f(jT_sn)≠0j＝1,…,W(W≤P)

f(jT_sn)＝0otherj

若系统精确同步，且无码间干扰,则当脉冲f(t)位于第j个时隙，其中j＝(1,2,...,M)，可得第j个对数似然函数为

$\ln \left({\mathrm{\Λ}}_j\right)=\underset{k=1}{\overset{W}{\Σ}}{y}_{(j-1)P+k}f\left({\mathrm{kT}}_{sn}\right)=\underset{k=1}{\overset{W}{\Σ}}y\left(\right(j-1)P+k)T_{sn}f\left({\mathrm{kT}}_{sa}\right)$

白高斯噪声中，每时隙p次抽样的MPPM符号的最大似然判决为：对j＝(1,2,...,M)计算ln(∧j)，则对信号j(t)位于第j个时隙的估计值为

$\hat{j}=\arg \left(max\right({\mathrm{ln\Λ}}_j\left)\right),j\∈\{1,2,...,M\}$

MPPM译码模块中最大似然检测是对M个可能的时隙计算，取值最大的时隙判决为接收到的符号,进而解调出输入信号。对于本发明的基于MPPM和RS码的可见光通信系统二脉冲的MPPM来说,选择具有最大ln(∧j)的两个时隙判决为接收的符号。

2.3RS纠错译码模块

RS纠错译码过程分为五步，由收到的码组计算伴随式，求解关键方程，求错误多项式系数，利用钱氏算法求得错误位置，由Forney算法求得错误值。如图5所示，RS纠错译码模块124包括用于计算伴随多项式的的伴随多项式生成模块51，用于解关键方程求错误位置多项式和错误估计多项式的解关键方程模块52，用于利用错误位置多项式求错误位置值的钱氏搜索模块53，用于利用错误估计多项式求出对应错误值的Forney算法求错误值模块54，用于校正错误的校正错误模块55，用于输入数据缓存的缓存模块56。本发明的基于MPPM和RS码的可见光通信系统的RS纠错译码模块124采用RS纠错译码模块124和Forney算法求错误值模块54并行运算提高系统运行速度。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，包括用于发射可见光信号的发射模块和用于接收可见光信号且将可见光转换为电信号的接收模块；

所述发射模块包括依次连接的扰码器模块，RS纠错编码模块，MPPM编码模块，LED驱动模块和LED；

所述接收模块包括依次连接的光电接收转换模块，数字时钟恢复/数据提取模块，MPPM译码模块，RS纠错译码模块和解扰码模块。

2.根据权利要求1所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述扰码器模块将阻止长串1和长串0的出现，让位定时恢复、使信号频谱弥散保持稳定；所述RS纠错编码模块对信道进行编码；所述MPPM编码模块对可见光通信系统信号进行编码调制；所述LED驱动模块驱动LED进行可见光通信并对可见光编码调制信号进行放大。

3.根据权利要求2所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述光电接收转换模块接收可见光调制信号并将可见光调制信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅处理；所述MPPM译码模块，对处理后的电信号进行译码；所述RS纠错译码模块纠正可见光通信过程中信号的突发错误；所述解扰码模块恢复扰码信号。

4.根据权利要求1所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述RS纠错编码模块包括相互连接的用于提供时钟的时钟模块，用于控制RS编码信号输入和编码输出的计数/控制器和输出选择器，用于计算RS纠错编码的生成多项式的编码除法器和用于缓存输入信号的缓存器。

5.根据权利要求1所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述MPPM编码模块包括相互连接的用于信号串并转换的输入缓存器，用于信号编码调制的映射编码模块和用于编码信号并串转换的输出缓存器。

6.根据权利要求1所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述光电接收转换模块包括相互连接的用于将LED灯光转换为光电流的光电二极管，用于将光电流转为电压且具有放大性能的前置跨阻放大器，用于滤除高频噪声进行的多阶巴特沃斯低通滤波电路和用于电压放大和信号限幅整形的限幅放大电路。

7.根据权利要求1所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述MPPM译码模块包括用于信号串并转换的输入缓存器；用于信号解码解调模块；用于译码信号并串转换的输出缓存器。

8.根据权利要求1所述的基于MPPM和RS码的可见光通信系统，其特征在于，所述RS纠错译码模块包括相互连接的用于计算伴随多项式的的伴随多项式生成模块，用于解关键方程求错误位置多项式和错误估计多项式的解关键方程模块，用于利用错误位置多项式求错误位置值的钱氏搜索模块；用于利用错误估计多项式求出对应错误值的Forney算法求错误值模块；用于校正错误的校正错误模块；用于输入数据缓存的缓存模块。