CN106788725B - 一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法 - Google Patents

一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，本发明首次提出将多脉冲位置组合与色移键控调制相结合的办法运用于可见光通信调制，并解决了色移键控调制在三色灯未全部发射功率时的位置组合识别。本发明中的人工伪噪声(Pseudo‑Noise)起到了三色灯的时隙脉冲位置组合标识作用，对在一个符号周期内，让光颜色更趋于白色光。本发明引入的多色灯脉冲时隙位置组合，可通过多色灯不同脉冲时隙位置组合来传递信息，与传统的色移键控与脉冲位置调制相比，频效至少提高了一倍。本发明中人为伪噪声的使用，是基于最大似然估计算法判决，采用双阈值判决，使系统有较好的抗干扰性能。

Description

一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法
技术领域
本发明涉及一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，具体涉及伪噪声(Pseudo-Noise，简称PN)、多脉冲位置调制(MPPM)组合和色移键控(CSK)调制的一种适用于可见光通信的调制方法，属于可见光通信技术领域。
背景技术
随着对无线数据通信需求的快速增长，处于10G以下可获得的无线频谱越来越紧缺。可见光占据400THz到800THz的频段，因其拥有丰富的频谱资源，可以很好地解决无线频谱短缺的问题，而受到广泛的关注。与传统射频通信相比，可见光通信是通过光的强度来进行数据通信，能够以较低的成本同时实现照明与通信两大功能，适用于各种场景，并且私密性好，免受电磁干扰，无需频率许可，绿色环保；具有高带宽高复用度的特点，可通过控制灯光照射的范围，提高空间利用率。
因为可见光通信采用的是强度调制/直接检测(IM/DD)的方式，所以可以根据不同强度的光强组合来传输信息，而色移键控就是利用RGB三色灯作为信号发射源，利用三色灯发射不同强度的光组合来传输信息，在IEEE 802.15.7中对将可见光频段划分为7种颜色带，并做了相应的编码，可选取其中3个颜色带的中心波长作为三色灯的中心波长，其中可以有效地在1931 CIE XY颜色色度空间坐标图上构成完整三角形的只有9种组合，在IEEE805.15.7标准中定义了三种色移键控星座图，4CSK，8CSK，16CSK。
在IEEE 802.15.7色移键控调制中4CSK符号可携带2个比特，8CSK可携带3个比特，16CSK可携带4比特。由于颜色键移调制的独特性，即对三色灯功率的控制不同，采用RGB三色灯发射信号时,有三种情况，分别是一个灯发射、两个灯发射或者三个灯发射，当色移键控与脉冲位置调制相结合时，所携带的额外比特数是脉冲调制本身所具有的比特数，这种简单的组合并不不能完全发挥三色灯在结合脉冲位置调制时的优势。
发明内容
针对以上简单颜色键移调制与脉冲位置调制相结合的缺陷问题，本发明提出了一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法；
本发明的关键是在三色灯中人为的加入伪噪声，来识别脉冲位置组合信息，这样就解决了色移键控与脉冲位置组合的多样化问题，极大地提高了在原始符号周期内所携带的比特数，其中多样化的位置组合同样也可以对照明强度进行调配。
本发明采用伪噪声来对多脉冲位置组合进行标识，在一个符号周期内，色移键控在为三色灯分配功率时，并不是在每个符号周期内都发射功率，伪噪声正是在三色灯只有一个或者两个灯发射功率时，才被人为的加入到另外两个或者一个未发射功率的灯上，该伪噪声只是被用来标识多脉冲位置组合情况，并不影响总功率和色移键控所发射的功率组合。
术语解释
1、MPPM调制，是多脉冲位置调制；
2、4CSK，是2比特4个符号的色移键控调制；
3、8CSK，是3比特8个符号的色移键控调制；
4、16CSk，是4比特16个符号的色移键控调制；
5、PN，是伪噪声；
本发明的技术方案为：
一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，采用三色灯作为发射端和三个带有滤光片的光电检测器作为接收端来传输数据，具体调制发射步骤包括：
(1)对发射信号X(t)进行编码：所述发射信号X(t)包括色移键控的比特数及三色灯中多脉冲位置组合调制的比特数，通过所述色移键控调制的比特数在1931 CIE色度空间上的坐标和三色灯各自的颜色带在1931 CIE色度空间上的坐标，来确定三色灯的发射功率强度，具体步骤包括：
A、获取所述色移键控调制的比特数在1931 CIE色度空间上的坐标(xp,yp)，获取三色灯各自的颜色带在1931 CIE色度空间上的坐标(xi,yi)，(xj,yj)和(xk,yk)；
B、通过式(Ⅰ)确定三色灯的发射功率强度Pit,Pjt,Pkt：
例如，以4CSK为例，选取IEEE 802.15.7中第二组颜色带组合(110，001，000)，则三色灯在1931 CIE色度空间坐标分别为(0.734 0.265)，(0.011 0.733)，(0.169 0.007)，表1是4CSK、8CSK和16CSK各符号映射的(xp,yp)，4CSK中，数据[0 0]对应(0.011 0.733)，[0 1]对应(0.305 0.335)，[1 0]对应(0.169 0.007)，[11]对应(0.734 0.265)。
表1
根据(xp,yp)色度空间坐标值，通过式(Ⅰ)来确定三色灯的发射强度。当数据输入为[0 0]时，三色灯强度为(0.0000 1.0000 0.0000)；数据为[0 1]时，三色灯强度为(0.33390.3331 0.3330)；数据为[1 0]时，三色灯强度为(0.0000 0.0000 1.0000)；数据为[1 1]时，三色灯发射强度为(1.0000 0.0000 0.0000)。
C、符号周期Ts分为m个时隙Tp，每种色灯均从m个时隙中选择n个时隙，发送一个符号周期内色移键控的强度，红色灯则有种选择，绿色灯则有种选择，蓝色灯则有种选择，三色灯在一个符号周期内则有种组合，即传输额外个比特数；
D、将人为的伪噪声PN加入到未发射光信号的灯上，确定时隙脉冲组合：对所有可能的时隙脉冲组合进行编码，得到的每一个编码对应一组比特数；根据比特数求取相应的X(t)，X(t)为3行、m列的矩阵，3行代表三色灯，m列代表m个时隙，矩阵中各个矩阵位置的数值通过以下方法确定：某种灯对应的未选择的(m-n)个时隙的矩阵位置的数值为0，对应的选择的n个时隙的矩阵位置数值为发射光信号的强度，该值通过步骤B确定，所述发射光信号的强度的值为0时，该值替换为伪噪声PN；
在4CSK中，当数据输入为[0 0]时，三色灯强度为(PN 1.0000 PN)；数据为[0 1]时，三色灯强度为(0.3339 0.3331 0.3330)；数据为[1 0]时，三色灯强度为(PNPN1.0000)；数据为[1 1]时，三色灯发射强度为(1.0000 PN PN)。
结合色移键控和MPPM编码后，从4个时隙中选择一个时隙来发射脉冲，则发射信号的符号转为矩阵X(t)的过程如表2，采用4CSK+4PPM的X(t)变换：
表2
对应x(t1)、x(t2)为：
符号01001011转换为X(t1)，符号10000110转换为X(t2)，其他符号转为相应的X(t)。
例如，在4CSK中，当数据输入为[0 0]时，三色灯强度为(PN 1.0000 PN)；数据为[01]时，三色灯强度为(0.3339 0.3331 0.3330)；数据为[1 0]时，三色灯强度为(PNPN1.0000)；数据为[1 1]时，三色灯发射强度为(1.0000PNPN)。
(2)发射端发出发射信号X(t)；
(3)经过离散自由光信道，通过三色灯各自的滤光片，由光电检测器检测接收到的三色灯的发射功率，得到Y(t)；
(4)对于步骤(3)求取的Y(t)的每个元素值进行最大似然估计算法判决：设有阈值a和阈值b，a＝0.005，b＝0.01，当Y(t)的元素值小于等于a时，则判为噪声；当Y(t)的元素值大于a且小于等于b时，则该元素值判决为伪噪声PN，该元素所在列为伪噪声PN标识位，标出该灯所用的时隙脉冲位置组合；当Y(t)的元素值大于b时，则该元素值为该灯所发射的功率；当Y(t)的所有元素值判断完毕后，即得到发射信号X(t)的估计值
(5)由估计值提取出估计值中三行非0元素是三色灯的发射强度的估计值，即：估计值中非0元素所在的列即对应m个时隙脉冲位置；
(6)根据得到色移健控的比特数在1931CIE色度空间的坐标估计值
(7)根据步骤(1)的逆过程，经过多脉冲位置解码、色移键控解码，得到输出数据。
根据本发明优选的，所述步骤(3)，通过式(Ⅱ)求取Y(t)：
式(Ⅱ)中，信道H(t)是一个三乘三的矩阵，hij(t)是第j个发射机与第i个接收机之间的信道增益；理想情况下，接受端的滤光片可以保证只有相应的颜色可以通过，也就是其中hrg(t)，hrb(t)，hgr(t)，hgb(t)，hbr(t)和hbg(t)信道增益可被理想化为0。
N是指独立分布噪声。
根据本发明优选的，所述信道H(t)的元素值H的求取公式如式(Ⅲ)所示：
式(Ⅲ)中，l为朗伯系数，α为光入射角，β为光辐射角，Adt为光电检测器的面积，dtr为发射机与接收机之间的距离，T(α)为光滤波器的增益，G(α)为聚光器增益，c为反射率，Φc为接收器的视场角
根据本发明优选的，所述步骤(6)，通过式(Ⅳ)求取色移健控的比特数在1931 CIE色度空间的坐标估计值
本发明的有益效果为：
1、本发明首次提出将多脉冲位置组合与色移键控调制相结合的办法运用于可见光通信调制，并解决了色移键控调制在三色灯未全部发射功率时的位置组合识别。
2、本发明中的人工伪噪声(Pseudo-Noise)起到了三色灯的时隙脉冲位置组合标识作用，对在一个符号周期内，让光颜色更趋于白色光。
3、本发明引入的多色灯脉冲时隙位置组合，可通过多色灯不同脉冲时隙位置组合来传递信息，与传统的色移键控与脉冲位置调制相比，频效至少提高了一倍。
4、本发明中人为伪噪声的使用，是基于最大似然估计算法判决，采用双阈值判决，使系统有较好的抗干扰性能。
附图说明
图1为每个灯从4个时隙中选择一个脉冲来发送一个符号周期内色移键控的强度示意图；
图2为每个灯从4个时隙中选择两个时隙来发送一个符号周期内色移键控的强度示意图；
图3为上述基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法的示意图；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例
一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，如图3所示，采用三色灯作为发射端和三个带有滤光片的光电检测器作为接收端来传输数据，具体调制发射步骤包括：
(1)对发射信号X(t)进行编码：所述发射信号X(t)包括色移键控的比特数及三色灯中多脉冲位置组合调制的比特数，通过所述色移键控调制的比特数在1931CIE色度空间上的坐标和三色灯各自的颜色带在1931CIE色度空间上的坐标，来确定三色灯的发射功率强度，具体步骤包括：
A、获取所述色移键控调制的比特数在1931 CIE色度空间上的坐标(xp,yp)，获取三色灯各自的颜色带在1931 CIE色度空间上的坐标(xi,yi)，(xj,yj)和(xk,yk)；
B、通过式(Ⅰ)确定三色灯的发射功率强度Pit,Pjt,Pkt：
例如，以4CSK为例，选取IEEE 802.15.7中第二组颜色带组合(110，001，000)，则三色灯在1931 CIE色度空间坐标分别为(0.734 0.265)，(0.011 0.733)，(0.169 0.007)，表1是4CSK、8CSK和16CSK各符号映射的(xp,yp)，4CSK中，数据[0 0]对应(0.011 0.733)，[0 1]对应(0.305 0.335)，[1 0]对应(0.169 0.007)，[11]对应(0.734 0.265)。
表1
根据(xp,yp)色度空间坐标值，通过式(Ⅰ)来确定三色灯的发射强度。当数据输入为[0 0]时，三色灯强度为(0.0000 1.0000 0.0000)；数据为[0 1]时，三色灯强度为(0.33390.3331 0.3330)；数据为[1 0]时，三色灯强度为(0.0000 0.0000 1.0000)；数据为[1 1]时，三色灯发射强度为(1.0000 0.0000 0.0000)。
C、符号周期Ts分为m个时隙Tp，每种色灯均从m个时隙中选择n个时隙，发送一个符号周期内色移键控的强度，红色灯则有种选择，绿色灯则有种选择，蓝色灯则有种选择，三色灯在一个符号周期内则有种选择，即传输额外个比特数；
例如，采用4PPM，将符号周期Ts分为m个时隙Tp，m＝4，当每个灯从4个时隙中选择一个脉冲来发送一个符号周期内色移键控的强度时如图1，对于红色灯则有种选择，对绿色灯则有种选择，对蓝色灯则有种选择，当三色灯在一个符号周期内则有种选择，即可传输额外个比特数。当每个灯从4个时隙中选择两个时隙来发送一个符号周期内色移键控的强度时如图2，对于红色灯则有种选择，对绿色灯则有种选择，对蓝色灯则有种选择，当三色灯在一个符号周期内则有种组合，即可传输额外个比特数。
D、将人为的伪噪声PN加入到未发射光信号的灯上，确定时隙脉冲组合：对所有可能的时隙脉冲组合进行编码，得到的每一个编码对应一组比特数；根据比特数求取相应的X(t)，X(t)为3行、m列的矩阵，3行代表三色灯，m列代表m个时隙，矩阵中各个矩阵位置的数值通过以下方法确定：某种灯对应的未选择的(m-n)个时隙的矩阵位置的数值为0，对应的选择的n个时隙的矩阵位置数值为发射光信号的强度，该值通过步骤B确定，所述发射光信号的强度的值为0时，该值替换为伪噪声PN；
在4CSK中，当数据输入为[0 0]时，三色灯强度为(PN 1.0000 PN)；数据为[0 1]时，三色灯强度为(0.3339 0.3331 0.3330)；数据为[1 0]时，三色灯强度为(PNPN1.0000)；数据为[1 1]时，三色灯发射强度为(1.0000 PN PN)。
结合色移键控和MPPM编码后，从4个时隙中选择一个时隙来发射脉冲，则发射信号的符号转为矩阵X(t)的过程如表2，采用4CSK+4PPM的X(t)变换：
表2
对应x(t1)、x(t2)为：
符号01001011转换为X(t1)，符号10000110转换为X(t2)，其他符号转为相应的X(t)。
例如，在4CSK中，当数据输入为[0 0]时，三色灯强度为(PN 1.0000 PN)；数据为[01]时，三色灯强度为(0.3339 0.3331 0.3330)；数据为[1 0]时，三色灯强度为(PNPN1.0000)；数据为[1 1]时，三色灯发射强度为(1.0000PNPN)。
(2)发射端发出发射信号X(t)；
(3)经过离散自由光信道，通过三色灯各自的滤光片，由光电检测器检测接收到的三色灯的发射功率，得到Y(t)；通过式(Ⅱ)求取Y(t)：
式(Ⅱ)中，信道H(t)是一个三乘三的矩阵，hij(t)是第j个发射机与第i个接收机之间的信道增益；理想情况下，接受端的滤光片可以保证只有相应的颜色可以通过，也就是其中hrg(t)，hrb(t)，hgr(t)，hgb(t)，hbr(t)和hbg(t)信道增益可被理想化为0。
N是指独立分布噪声。
所述信道H(t)的元素值H的求取公式如式(Ⅲ)所示：
式(Ⅲ)中，l为朗伯系数，α为光入射角，β为光辐射角，Adt为光电检测器的面积，dtr为发射机与接收机之间的距离，T(α)为光滤波器的增益，G(α)为聚光器增益，c为反射率，Φc为接收器的视场角
(4)对于步骤(3)求取的Y(t)的每个元素值进行最大似然估计算法判决：设有阈值a和阈值b，a＝0.005，b＝0.01，当Y(t)的元素值小于等于a时，则判为噪声；当Y(t)的元素值大于a且小于等于b时，则该元素值判决为伪噪声PN，该元素所在列为伪噪声PN标识位，标出该灯所用的时隙脉冲位置组合；当Y(t)的元素值大于b时，则该元素值为该灯所发射的功率；当Y(t)的所有元素值判断完毕后，即得到发射信号X(t)的估计值
(5)由估计值提取出估计值中三行非0元素是三色灯的发射强度的估计值，即：估计值中非0元素所在的列即对应m个时隙脉冲位置；
(6)根据得到色移健控的比特数在1931 CIE色度空间的坐标估计值通过式(Ⅳ)求取色移健控的比特数在1931 CIE色度空间的坐标估计值
(7)根据步骤(1)的逆过程，经过多脉冲位置解码、色移键控解码，得到输出数据。

Claims (4)

1.一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，采用三色灯作为发射端和三个带有滤光片的光电检测器作为接收端来传输数据，其特征在于，具体调制发射步骤包括：
(1)对发射信号X(t)进行编码：所述发射信号X(t)包括色移键控的比特数及三色灯中多脉冲位置调制组合的比特数，通过所述色移键控的比特数在1931CIE色度空间上的坐标和三色灯各自的颜色带在1931CIE色度空间上的坐标，来确定三色灯的发射功率强度，具体步骤包括：
A、获取所述色移键控的比特数在1931CIE色度空间上的坐标(xp,yp)，获取三色灯各自的颜色带在1931CIE色度空间上的坐标(xi,yi)，(xj,yj)和(xk,yk)；
B、通过式(Ⅰ)确定三色灯的发射功率强度Pit,Pjt,Pkt：
C、符号周期Ts分为m个时隙Tp，每种色灯均从m个时隙中选择n个时隙，发送一个符号周期内色移键控的强度，红色灯则有种选择，绿色灯则有种选择，蓝色灯则有种选择，三色灯在一个符号周期内则有种选择，即传输额外个比特数；
D、将人为的伪噪声PN加入到未发射光信号的灯上，确定时隙脉冲组合：对所有可能的时隙脉冲组合进行编码，得到的每一个编码对应一组比特数；根据比特数求取相应的X(t)，X(t)为3行、m列的矩阵，3行代表三色灯，m列代表m个时隙，矩阵中各个矩阵位置的数值通过以下方法确定：某种灯对应的未选择的m-n个时隙的矩阵位置的数值为0，对应的选择的n个时隙的矩阵位置数值为发射光信号的强度，该值通过步骤B确定，所述发射光信号的强度的值为0时，该值替换为伪噪声PN；
(2)发射端发出发射信号X(t)；
(3)经过离散自由光信道，通过三色灯各自的滤光片，由光电检测器检测接收到的三色灯的发射功率，得到Y(t)；
(4)对于步骤(3)求取的Y(t)的每个元素值进行最大似然估计算法判决：设有阈值a和阈值b，a＝0.005，b＝0.01，当Y(t)的元素值小于等于a时，则判为噪声；当Y(t)的元素值大于a且小于等于b时，则该元素值判决为伪噪声PN，该元素所在列为伪噪声PN标识位，标出该灯所用的时隙脉冲位置组合；当Y(t)的元素值大于b时，则该元素值为该灯所发射的功率；当Y(t)的所有元素值判断完毕后，即得到发射信号X(t)的估计值
(5)由估计值提取出估计值中三行非0元素是三色灯的发射强度的估计值，即：估计值中非0元素所在的列即对应n个时隙脉冲位置；
(6)根据得到色移健控的比特数在1931CIE色度空间的坐标估计值
(7)根据步骤(1)的逆过程，经过多脉冲位置解码、色移键控解码，得到输出数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，其特征在于，所述步骤(3)，通过式(Ⅱ)求取Y(t)：
式(Ⅱ)中，信道H(t)是一个三乘三的矩阵，hij(t)是第j个发射机与第i个接收机之间的信道增益；
N是指独立分布噪声。
3.根据权利要求2所述的一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，其特征在于，所述信道H(t)的元素值H的求取公式如式(Ⅲ)所示：
式(Ⅲ)中，l为朗伯系数，α为光入射角，β为光辐射角，Adt为光电检测器的面积，dtr为发射机与接收机之间的距离，T(α)为光滤波器的增益，G(α)为聚光器增益，c为折射率，Φc为接收器的视场角；
4.根据权利要求1所述的一种基于多脉冲位置的可见光通信色移键控调制方法，其特征在于，所述步骤(6)，通过式(Ⅳ)求取色移健控的比特数在1931CIE色度空间的坐标估计值
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