CN107231193B - 基于特殊星座点和反向归零编码的可见光通信调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种基于特殊星座点调制和反向归零编码的可见光通信调光方法。该调光方法主要由特殊星座点调制和反向归零编码以及脉冲成型三部分组成；特殊星座点调制格式为circular(7,1)调制，反向归零编码采用高电平取代传统归零码的低电平，即使当占空比较小时，也能保持LED处于点亮的状态，有效提升照明效率的同时避免了人眼所能感知的闪烁。同时，归零码会引起频谱展宽，不利于带宽有限的可见光通信的实现，因此采用脉冲成型进行滤波，以达到压缩频谱的目的。与传统调光方案相比，本发明具有更高的照明功效和更宽的调光范围，同时能保持较高的传输速率。

Description

基于特殊星座点和反向归零编码的可见光通信调光方法

技术领域

本发明属于可见光通信调光技术领域，具体涉及基于特殊星座点调制和反向归零编码的可见光通信调光方法。

背景技术

更小的尺寸，更长的使用寿命以及更低的功率消耗使得LED在照明领域脱颖而出，正在逐步取代白炽灯和荧光灯。与此同时，LED更大的调制带宽促进了一类新兴的无线通信方式，可见光通信的兴起。兼具照明与通信功能的可见光通信成为未来室内无线接入网的有力竞争者。

IEEE 802.15.7是第一个针对可见光通信的国际标准，其中调光控制被重点提出讨论。在该标准中，可见光调光方案基于OOK（on-off keying，开关键控）调制和VPPM（variable pulse position modulation，可变脉冲位置调制）。基于OOK调制的调光方案具有容易实现的优点，但缺点是LED的亮度很难保持稳定，调光等级受到所输入数据中0比特和1比特的比例影响。VPPM通过调节脉冲的占空比，能保持相对稳定的亮度，但缺陷是其数据传输速率会受到调光级别的影响。另外，这两种调制方式的频谱利用率都比较低，很难支持高速可见光通信的要求。因此更加复杂和高级的调光方案正在不断被提出，整体可以分为两大类：基于调制的调光方案和基于编码的调光方案。

一种基于调制的调光方案为将两种调制方式混合，一种用来通信，另一种用来调光。例如，将OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分多路复用）信号与PWM （Pulse-Width Modulation，脉宽调制）信号叠加，OFDM信号用作通信功能，PWM信号用作调光功能。这类方案的缺陷在于PWM的速率必须是OFDM子载波最高速率的两倍以上。另一种方案是从概率编码的角度考虑的，通过改变不同电平或者不同星座点的概率实现特定的调光目标，显然概率编码提升了这种方案的系统复杂度。

编码技术在调光控制中的应用十分广泛，包括曼彻斯特编码，低密度奇偶校验码，涡轮码等。但这些编码具有一个共同的缺点，当占空比小于50%时，信号长时间处于零电平，没法点亮LED，从而浪费了很多能量，同时还会产生较为明显的闪烁现象，影响照明舒适度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光通信调光方案，在提升照明效率的同时，能保持较高的通信速率，并实现较宽的调光范围以满足不同场合的应用需求。

本发明提供的可见光通信调光方法，其流程如图1所示，包含发射端和接收端两部分；发射端对信号进行预调制编码：首先，原始数据映射到circular （7,1）的星座点上，实现特殊星座点调制；然后，对调制后的信号进行同相和正交分量的分离，并分别进行反向归零编码；完成后两路信号再合并为复信号，通过根升余弦滤波器进行基带脉冲成型；接收端对信号进行解码解调：首先，采用一个与发射端一样的根升余弦滤波器对接收信号进行匹配滤波，然后，在最佳采样时刻进行下采样，下采样后的信号是一个偏移的复信号，分别对同相和正交分量纠正偏移量反向归零解码；再将两路信号合并为复信号，根据映射规则实现circular（7,1）解调，恢复出原始数据。

本发明中，特殊星座点调制是基于circular（7,1）的，circular（7,1）的一个星座点位于复平面的零点，另外七个星座点相位均匀地分布在零点外的圆环上。参见图2所示。

本发明中，编码采用反向归零编码，即首先将待编码的数据分成相同的两路，其中一路减去另一路信号的最大值，生成反向单极性码，然后插零进行归零编码，最后该信号与直流偏置信号耦合，向上偏移。

本发明中，反向归零编码是一种线性编码，通过纠正接收信号的线性偏移量，就能实现解码。

本发明中，反向归零编码，其信号频谱展宽，通过根升余弦脉冲进行脉冲成型，从而可以压缩频谱。

相较于传统的可见光通信调光方案，本发明的不同之处在于：

（1）采用联合调制编码实现调光，而不是单一的基于调制的调光方案或基于编码的调光方案；

（2）本发明中的调制方式为circular（7,1），如图2所示，这是一种新型的特殊星座点调制，首次应用于可见光通信调光方案中；

（3）本发明中的编码技术为反向归零编码，同传统归零码的区别在于，反向归零码采用高电平取代传统归零码中的低电平，使LED处于常亮状态。

本发明具有以下的优越性：

（1）Circular（7,1）特殊星座点调制为高阶调制，相比传统的基于OOK和VPPM的调光方案，具有更高的频谱效率；

（2）Circular（7,1）特殊星座点调制，相比传统的8-QAM调制（8-quadratureamplitude modulation，正交幅度调制），具有更低的峰均功率比，抗非线性能力强；在7%FEC误码门限3.8x10^-3下，比传统的8-QAM的动态范围更大，能够提供更大的调光范围；

（3）Circular（7,1）特殊星座点调制，相比传统的8-QAM调制，具有更大的最小欧式距离，抗噪声和码间干扰能力强，能够提供更优的误码性能；

（4）反向归零码，随着占空比的减小，高电平的比例更高，持续时间更长。因此，能够在占空比较小时仍然保持LED常亮状态，减少闪烁，照明更稳定；

（5）反向归零码，随着占空比的减小，所消耗的大部分功率成功点亮LED。因此，能够在占空比较小时，大幅提升可见光通信系统的照明效率，较少功率浪费；

（6）脉冲成型和匹配滤波能有效减小信号所占带宽，并对信噪比实现最优化。

本发明适用于高速可见光通信领域，提供了一种高效的调光方案，在保证通信速率的同时，实现更稳定的照明以及更大的调光范围。

附图说明

图1 本发明提出的基于特殊星座点调制和反向单极性归零编码的可见光高效照明调光方法的流程框图。

图 2 是本发明所采用的circular（7,1）特殊星座点调制的星座图。

图 3 是本发明所采用的反向归零码的波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式的各个步骤进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明提出的可见光通信调光方案如图1所示，包括发射端的调制和编码以及接收端解码和解调两大模块。

发射端调制编码过程如图1（a）所示，包含以下步骤：

1、原始数据首先被送入circular（7,1）特殊星座点调制模块，根据图2所示的映射规则，每三个二进制数据被映射到对应的星座点上。

2、调制后的信号是一个复信号，分别将复信号的实部和虚部取出，实现同相分量和正交分量的分离，此时两路信号均为实信号。

3、同相和正交分量分别进入到反向归零编码模块进行编码，对于同相分量，编码前波形如图3(a)所示：

（a）首先同相分量被分为两路一样的信号，其中一路用来查找最大值，另一路减去所找到的最大值，实现双极性码向单极性码的转变，所得信号波形如图3(b)所示，与传统单极性码相反的是，0是该单极性码的最高电平，其余信号均为复信号，因此这一步骤得到的是反向单极性信号；

（b）然后，对反向单极性信号进行插零，形成反向单极性归零码，波形如图3(c)所示；

（c）最后，该信号与直流偏置信号耦合，整体向高电平偏移，其波形如图3(d)所示，直流偏置电压为1.8V,LED的开体电压为1.7V，在图中用红线标出，当信号电压高于LED开体电压时，LED被点亮。

对于正交分量，其编码步骤与同相分量一致，不再赘述。

4、同相和正交分量分别完成编码后再将其合并为复数信号，送入根升余弦滤波器进行基带脉冲成型。

接收端的解码解调过程如图1(b)所示，包含以下步骤：

1、首先，接收信号经过一个与发射端相同的根升余弦滤波器进行匹配滤波已得到最佳的信噪比。

2、然后在最佳采样时刻进行下采样，得到所需要解码和解调的复信号。

3、分别将复信号的实部和虚部取出，实现同相分量和正交分量的分离。

4、同相和正交分量分别进入到反向归零解码模块进行解码，对于同相分量：

（a）首先同相信号被分为两路完全一样的信号，其中一路用来估计信号偏移量，由于circular（7,1）的星座图的重心在零点，因此信号偏移量即为接收信号的重心相对于零点的偏移量；

（b）另一路信号减去偏移量，实现反向归零解码。

对于正交分量，解码过程和同相分量一样，不再赘述。

5、解码后的同相和正交分量再次合并为复信号。

6、复信号送入circular（7,1）特殊星座点解调模块，根据图2所示的映射规则，实现circular（7,1）特殊星座点解调，将复平面上的星座点解映射到二进制数据，完成数据恢复。

本实施方式中各步骤的划分，是为了描述清楚，实现时可合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本发明的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于特殊星座点调制和反向归零编码的可见光通信调光方法，其特征在于，采用circular（7,1）特殊星座点调制和反向单极性归零编码方案；包含发射端和接收端两部分：

发射端对信号进行预调制编码：

首先，原始数据映射到circular （7,1）的星座点上，实现特殊星座点调制；

然后，对调制后的信号进行同相和正交分量的分离，并分别进行反向归零编码；

完成后两路信号再合并为复信号，通过根升余弦滤波器进行基带脉冲成型；

接收端对信号进行解码解调：

首先，采用一个与发射端一样的根升余弦滤波器对接收信号进行匹配滤波；

然后，在最佳采样时刻进行下采样，下采样后的信号是一个偏移的复信号，分别对同相和正交分量纠正偏移量进行反向归零解码；

再将两路信号合并为复信号，根据映射规则实现circular（7,1）解调，恢复出原始数据；

所述circular（7,1）特殊星座点调制是基于circular（7,1）的，circular（7,1）的一个星座点位于复平面的零点，另外七个星座点相位均匀地分布在零点外的圆环上。

2.根据权利要求1所述的可见光通信调光方法，其特征在于，所述反向归零编码，即首先将待编码的数据分成相同的两路，其中一路减去另一路信号的最大值，生成反向单极性码，然后插零进行归零编码，最后该信号与直流偏置信号耦合，向上偏移。

3.根据权利要求2所述的可见光通信调光方法，其特征在于，所述反向归零编码的流程为：

对于同相分量：

（a）首先将同相分量分为两路一样的信号，其中一路用来查找最大值，另一路减去所找到的最大值，实现双极性码向单极性码的转变，与传统单极性码相反的是，0是该单极性码的最高电平，其余信号均为复信号，这一步骤得到的是反向单极性信号；

（b）然后，对反向单极性信号进行插零，形成反向单极性归零码；

（c）最后，该信号与直流偏置信号耦合，整体向高电平偏移，当信号电压高于LED开体电压时，LED被点亮；

对于正交分量，其编码步骤与同相分量一致。

4.根据权利要求2所述的可见光通信调光方法，其特征在于，所述反向归零解码的流程为：对于同相分量：

（a）首先同相信号被分为两路完全一样的信号，其中一路用来估计信号偏移量，由于circular（7,1）的星座图的重心在零点，因此信号偏移量即为接收信号的重心相对于零点的偏移量；

（b）另一路信号减去偏移量，实现反向归零解码；

对于正交分量，解码过程和同相分量一样。

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