CN109004979B - 一种室内可见光单极性ofdm通信系统的实现方法 - Google Patents

一种室内可见光单极性ofdm通信系统的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，发送端利用Alamouti编码对ACO‑OFDM偶数子载波进行频域预编码，在偶数子载波上采用比特加载产生不同周期的反对称信号，对负信号进行零限幅；将正信号传输至由空气组成的信道中；通过接收端分别恢复出奇数子载波和偶数子载波上携带的信号。本发明解决了现有技术中存在的SMP‑OFDM系统功率利用率低、复用增益低的问题。

Description

一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法
技术领域
本发明属于室内可见光通信技术领域，具体涉及一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication)是指利用400-700nm可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。可见光通信可以提供接近400THz的可用带宽，具有不易受电磁干扰、安全保密和不会危害人眼安全及光信号不能穿透墙壁等优点，可以满足用户对通信链路安全、稳定、快速及环保等方面的要求，以现有基于LED的基础照明设施作为无线接入点，可为室内无线通信网络提供另一种高速灵活的接入方式。可见光通信可与WiFi、蜂窝网络等通信技术交互融合，为未来物联网、智慧城市(家庭)、航空、航海、地铁、高铁、室内导航和井下作业等领域带来新的创新应用和价值体验。
由于强度调制/直接检测光信道对信号正实性的要求，目前室内可见光正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统主要是通过加直流偏置或非对称限幅的方法来实现驱动LED信号的单极性，如直流偏置光OFDM(DC-biasedOptical OFDM，DCO-OFDM)和非对称限幅光OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM，ACO-OFDM)。LED有限的动态范围使DCO-OFDM容易产生限幅失真，且直流偏置并不携带任何有效信息，接收端在解码之前要去掉直流偏置，低的功率利用率造成了有效接收信噪比的下降。ACO-OFDM仅在奇数子载波上传输信号，不仅频谱效率较低，且仅有一半的发送功率在接收端被用来解码，另一半泄漏到偶数子载波上的发送功率在接收端被当做非线性限幅噪声直接丢掉，在接收端解码时偶数子载波上携带的有用信号未被有效利用，系统误码率性能很难进一步提高。为了解决该问题，研究者提出了空间复用OFDM(Spatial MultiplexingOFDM，SMP-OFDM)传输方案，即SMP-DCO-OFDM和SMP-ACO-OFDM。这两种方案在不增加系统带宽及发送功率的条件下有效提高了频谱效率，但SMP-DCO-OFDM同样需要加直流偏置，功率利用率低的问题仍然存在，SMP-ACO-OFDM也同样没有充分利用偶数子载波上泄漏的有用功率。另外，室内信道矩元素不包含频率分量和相位分量的特点使空间子信道间产生很大的相关性，大大降低了SMP-OFDM系统的复用增益，使系统误码率性能受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，解决了现有技术中存在的SMP-OFDM系统功率利用率低、复用增益低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，发送端利用Alamouti编码对ACO-OFDM偶数子载波进行频域预编码，在偶数子载波上采用比特加载产生不同周期的反对称信号，对负信号进行零限幅；将正信号传输至由空气组成的信道中；通过接收端分别恢复出奇数子载波和偶数子载波上携带的信号。
本发明的特点还在于：
具体包括以下步骤：
步骤a，搭建室内可见光通信平台，建立室内可见光信道；采集数据；对数据进行信源编码，产生二进制数据流；
步骤b，将步骤a得到的二进制数据流分成两部分，分别对两部分数据流依次进行串/并转换、正交振幅调制，得到两个并行的复信号向量；
步骤c，对步骤b得到的两个并行复信号向量分别依次进行共轭对称映射、频域正交预编码、比特加载，形成两组子载波组；对两组子载波组分别进行IFFT变换，得到两组不同周期的时域反对称信号；
步骤d，将步骤c得到的两组不同周期的反对称信号中小于零的信号限幅为零，得到两组限幅后的时域信号；将两组限幅后的时域信号各自进行叠加，得到两组时域信号向量；
步骤e，用步骤d得到的两组信号分别驱动发送端对应的LED光源发光；将信号发送到室内可见光信道；
步骤f，接收端将接收到的光信号变为电信号向量；进行FFT变换，将电信号向量变为频域信号向量；
步骤g，对步骤f得到的频域信号向量进行频域正交预编码解码，得到两个并行的接收信号向量；取出每个接收信号向量中奇数子载波上的有效信号，再根据奇数子载波上的有效信号估计出偶数子载波上的有效信号，得到四组时域信号向量；对四组时域信号向量分别进行IFFT变换，得到两组反对称信号χ1、χ2和两组对称信号v1、v2；通过反对称信号χ1和χ2的极性判断对称信号v1和v2的极性得到反对称信号θ1和θ2；将χ1和θ1、χ2和θ2两组信号按照比例(1-α)和α进行叠加；叠加后的信号后的信号进并/串转换，得到两组时域信号。
步骤h，对步骤g得到的两组两组时域信号分别依次进行FFT变换、共轭对称解映射、正交振幅解调，得到恢复出来的二进制数据流。
步骤a中，室内可见光通信平台包括发送端、传输系统和接收端；
发送端包括依次连接的网络摄像头、视频编码器、移位寄存器a、QAM调制器、DSP模块a、OFDM调制模块a、驱动电路、LED光源；DSP模块a可实现频域正交预编码和比特加载；
传输系统为由空气组成的信道；
接收端包括依次连接的光电探测器、OFDM解调器a、DSP模块b、OFDM调制模块b、DSP模块c、移位寄存器b、OFDM解调器b、QAM解调器。
QAM调制器与视频编码器的RJ45网口连接。
LED光源为HL2000商用白光LED光源。
光电探测器为PDA10A-EC。
还包括误码率测试仪，误码率测试仪与QAM解调器连接。
误码率测试仪为AV5232。
本发明的有益效果是：
(1)不需加直流偏置，功率利用率高。在偶数子载波上采用比特加载产生不同周期的反对称信号，对负信号进行零限幅，仅传输正信号，不仅不会丢失有用信息，在奇数子载波上也不会产生限幅噪声。
(2)系统误码率性能不受信道相关性影响，接收端的实现复杂度低。利用Alamouti编码对ACO-OFDM偶数子载波进行频域预编码，通过一个接收端就可以分别恢复出奇数子载波和偶数子载波上携带的信号，利用发送端频域相邻子载波信号之间的正交性在解码时去掉信道的相关性，能够解决目前室内可见光信道高相关性下系统性能受限的问题。
(3)有效提高接收端的信噪比。充分利用泄漏到偶数子载波上的有用信号功率，在不增加发送功率和实现复杂度的前提下通过信号处理提高接收端的信噪比，实现系统传输可靠性的进一步提高。
附图说明
图1是本发明室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法流程图；
图2是本发明室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法室内可见光平台发送端的结构框图；
图3是本发明室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法室内可见光平台接收端的结构框图；
图4是本发明室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法室内可见光平台结构示意图。
图中，1.网络摄像头，2.视频编码器，3.移位寄存器a，4.QAM调制器，5.DSP模块a，6.OFDM调制模块a，7.驱动电路，8.LED光源，9.光电探测器，10.OFDM解调器a，11.DSP模块b，12.OFDM调制模块b，13.DSP模块c，14.移位寄存器b，15.OFDM解调器b，16.QAM解调器，17.误码率测试仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，发送端利用Alamouti编码对ACO-OFDM偶数子载波进行频域预编码，在偶数子载波上采用比特加载产生不同周期的反对称信号，对负信号进行零限幅；将正信号传输至由空气组成的信道中；通过接收端分别恢复出奇数子载波和偶数子载波上携带的信号。
如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤a，搭建室内可见光通信平台，建立室内可见光信道；室内可见光通信平台包括发送端、传输系统和接收端(如图4所示)；
如图2所示，发送端包括依次连接的网络摄像头1、视频编码器2、移位寄存器a3、QAM调制器4、DSP模块a5、OFDM调制模块a6、驱动电路7、LED光源8；其中，QAM调制器3与视频编码器2的RJ45网口连接；DSP模块a5可实现频域正交预编码和比特加载；
传输系统为由空气组成的信道；
如图3所示，接收端包括依次连接的光电探测器9、OFDM解调器a10、DSP模块b11、OFDM调制模块b12、DSP模块c13、移位寄存器b14、OFDM解调器b15、QAM解调器16、误码率测试仪17；
通过网络摄像头1采集数据；通过视频编码器2对数据进行信源编码，产生二进制数据流，如101001101011000100010……。
步骤b，将步骤a得到的二进制数据流分成两部分，分别对数据流依次进行串/并转换、正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，得到两个并行的复信号向量XD＝[X1,X2,L,Xk]，YD＝[Y1,Y2,L,Yk]，其中k＝1,2,L,N/4-1，N为逆傅里叶变换(InverseFourier transform，IFFT)的长度。其中，二进制数据流分成两部分、串/并转换通过移位寄存器a3实现；正交振幅调制通过QAM调制器4实现。
步骤c，通过DSP模块a5实现对步骤b得到的两个并行复信号向量分别依次进行共轭对称映射、频域正交预编码、比特加载，形成两组子载波组；
共轭对称映射得到两个长度为N的共轭对称向量：
Figure BDA0001736215910000061
Figure BDA0001736215910000062
频域正交预编码，得到两个新的频域向量：
Figure BDA0001736215910000071
Figure BDA0001736215910000072
比特加载形成两组长度为N的子载波组G1,G2,L Gw，其中w＝0,1,2,L,log2(N/2)；
对两组子载波组分别进行IFFT变换，得到两组且每组包含log2(N/2)个不同周期的时域反对称信号g1,g2,L,gw。
步骤d，通过驱动电路7将步骤c得到的两组不同周期的反对称信号g1,g2,L,gw中小于零的信号限幅为零，得到两组限幅后的时域信号；将两组限幅后的时域信号各自进行叠加，得到两组长度为N的时域信号向量。
步骤e，用步骤d得到的两组信号分别驱动发送端对应的LED光源8光源发光；从而将信号发送到传输系统中由空气组成的室内可见光信道中；其中，LED光源8采用HL2000商用白光LED光源。
步骤f，接收端通过光电探测器9将接收到的光信号变为电信号向量y＝[y0,y1,y2L,yN-1]；通过OFDM解调器a10对电信号向量进行FFT变换，将电信号向量变为频域信号向量Y＝[Y0,Y1,Y2,L,YN-1]；其中，光电探测器9采用PDA10A-EC。
步骤g，通过DSP模块b11对步骤f得到的频域信号向量Y＝[Y0,Y1,Y2,L,YN-1]进行频域正交预编码解码，得到两个并行的接收信号向量X′＝[X′0,X′1,X′2,L,X′N-1]和Y′＝[Y′0,Y′1,Y′2,L,Y′N-1]；通过OFDM调制模块b12取出每个接收信号向量中奇数子载波上的有效信号C1＝[0,X′1,0,X′3,L,X′N-1]和C2＝[0,Y′1,0,Y′3,L,Y′N-1]，再根据奇数子载波上的有效信号C1和C2分别估计出偶数子载波上的有效信号C3＝[X′0,0,X′2+(Y′1)*,0,X′4+(Y′3)*,0,L,0,X′N-2+(Y′N-3)*]和C4＝[Y′0,0,Y′2-(X′1)*,0,Y′4-(X′3)*,0,K,0,Y′N-2-(X′N-3)*]；通过DSP模块c13对奇数子载波C1、C2和偶数子载波C3、C4分别进行IFFT变换，得到四组长度为N的时域信号向量χ1和χ2，v1和v2；χ1和v1为一组反对称信号和对称信号，χ2和v2为另一组反对称信号和对称信号，通过反对称信号χ1和χ2的极性判断对称信号v1和v2的极性得到反对称信号θ1和θ2；将χ1和θ1、χ2和θ2两组信号按照比例(1-α)和α进行叠加，叠加后的信号通过移位寄存器b14进行并/串转换，得到两组时域信号y1和y2。
步骤h，对步骤g得到的两组时域信号y1和y2分别依次进行FFT变换、共轭对称解映射、正交振幅解调，得到恢复出来的二进制数据流。计算系统误码率。其中，FFT变换、共轭对称解映射通过OFDM解调器b15实现；QAM解调通过QAM解调器16实现；计算系统误码率由误码率测试仪17实现，误码率测试仪17为AV5232。
本发明室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法的优点为：
(1)不需加直流偏置，功率利用率高。在偶数子载波上采用比特加载产生不同周期的反对称信号，对负信号进行零限幅，仅传输正信号，不仅不会丢失有用信息，在奇数子载波上也不会产生限幅噪声。
(2)系统误码率性能不受信道相关性影响，接收端的实现复杂度低。利用Alamouti编码对ACO-OFDM偶数子载波进行频域预编码，通过一个接收端就可以分别恢复出奇数子载波和偶数子载波上携带的信号，利用发送端频域相邻子载波信号之间的正交性在解码时去掉信道的相关性，能够解决目前室内可见光信道高相关性下系统性能受限的问题。
(3)有效提高接收端的信噪比。充分利用泄漏到偶数子载波上的有用信号功率，在不增加发送功率和实现复杂度的前提下通过信号处理提高接收端的信噪比，实现系统传输可靠性的进一步提高。

Claims (7)

1.一种室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，发送端利用Alamouti编码对ACO-OFDM偶数子载波进行频域预编码，在偶数子载波上采用比特加载产生不同周期的反对称信号，对负信号进行零限幅；将正信号传输至由空气组成的信道中；通过接收端分别恢复出奇数子载波和偶数子载波上携带的信号；
具体包括以下步骤：
步骤a，搭建室内可见光通信平台，建立室内可见光信道；采集数据；对数据进行信源编码，产生二进制数据流；
步骤b，将步骤a得到的二进制数据流分成两部分，分别对两部分数据流依次进行串/并转换、正交振幅调制，得到两个并行的复信号向量；
步骤c，对步骤b得到的两个并行复信号向量分别依次进行共轭对称映射、频域正交预编码、比特加载，形成两组子载波组；对两组子载波组分别进行IFFT变换，得到两组不同周期的时域反对称信号；
步骤d，将步骤c得到的两组不同周期的反对称信号中小于零的信号限幅为零，得到两组限幅后的时域信号；将两组限幅后的时域信号各自进行叠加，得到两组时域信号向量；
步骤e，用步骤d得到的两组信号分别驱动发送端对应的LED光源发光；将信号发送到室内可见光信道；
步骤f，接收端将接收到的光信号变为电信号向量；进行FFT变换，将电信号向量变为频域信号向量；
步骤g，对步骤f得到的频域信号向量进行频域正交预编码解码，得到两个并行的接收信号向量；取出每个接收信号向量中奇数子载波上的有效信号，再根据奇数子载波上的有效信号估计出偶数子载波上的有效信号，得到四组时域信号向量；对四组时域信号向量分别进行IFFT变换，得到两组反对称信号χ1、χ2和两组对称信号v1、v2；通过反对称信号χ1和χ2的极性判断对称信号v1和v2的极性得到反对称信号θ1和θ2；将χ1和θ1、χ2和θ2两组信号按照比例(1-α)和α进行叠加，叠加后的信号进行并/串转换，得到两组时域信号；
步骤h，对步骤g得到的两组两组时域信号分别依次进行FFT变换、共轭对称解映射、正交振幅解调，得到恢复出来的二进制数据流。
2.如权利要求1所述的室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，步骤a中，所述室内可见光通信平台包括发送端、传输系统和接收端；
所述发送端包括依次连接的网络摄像头(1)、视频编码器(2)、移位寄存器a(3)、QAM调制器(4)、DSP模块a(5)、OFDM调制模块a(6)、驱动电路(7)、LED光源(8)；DSP模块a(5)可实现频域正交预编码和比特加载；
所述传输系统为由空气组成的信道；
所述接收端包括依次连接的光电探测器(9)、OFDM解调器a(10)、DSP模块b(11)、OFDM调制模块b(12)、DSP模块c(13)、移位寄存器b(14)、OFDM解调器b(15)、QAM解调器(16)。
3.如权利要求2所述的室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，所述QAM调制器(3)与视频编码器(2)的RJ45网口连接。
4.如权利要求2所述的室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，所述LED光源(8)为HL2000商用白光LED光源。
5.如权利要求2所述的室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，所述光电探测器(9)为PDA10A-EC。
6.如权利要求2所述的室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，还包括误码率测试仪(17)，误码率测试仪(17)与QAM解调器(16)连接。
7.如权利要求6所述的室内可见光单极性OFDM通信系统的实现方法，其特征在于，所述误码率测试仪(17)为AV5232。
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