CN109286431A - 一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光载无线通信和光信号传输技术领域，具体为一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法。本发明方法基于由两个LED灯作为发射端，一个PIN光电探测器作为接收端的系统。本发明方法具体如下：利用两个发射端发射两路低阶脉冲幅度调制信号，两路信号在光域叠加产生高阶的脉冲幅度调制信号。并且，在发射端产生的低阶脉冲幅度信号各电平不等概率，在接收端产生的高阶脉冲幅度信号各电平概率相等。本发明实现接收端的等概率电平，各电平可以唯一解调，不需要STBC编码，从而节约带宽，提高资源利用率；而且信号整体峰均功率比变小，更好地抵抗系统中的非线性，提高了传输性能。

Description

一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法
技术领域
本发明属于光载无线通信和光信号传输技术领域，具体为一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法。
背景技术
随着无线数据需求的快速增长和射频资源的饱和，可见光通信已成为传统射频通信补充方案的有力候选者，特别是在室内短距离通信中具有非常广泛的运用前景。传统的可见光通信被设计为单输入单输出(Single Input Single Output,SISO)的点对点通信，在发射端使用白光LED作为光源传输数据，在接收端使用光电二极管(PD)或图像传感器作为光探测器将光信号转换为电信号。并使用简单的强度调制-直接检测(IM/DD)技术进行信号的调制和探测。
近年来，为了实现更高的传输速率，多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput,MIMO)技术被研究运用于可见光通信中。在MIMO可见光通信系统中，发射端使用多个光源传输信号，接收端使用接收机阵列进行接收。然而光学MIMO信道并不是像射频MIMO信道那样是去相关的。因此接收机阵列必须足够大才能确保信道矩阵是满秩的。但在实际运用中，室内可见光通信场景的面积往往有限，多接收机阵列会占用较大的面积。而只需要一个接收机的多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)技术比MIMO所需的占地面积少得多，因此更适用于室内可见光通信。多用户多输入单输出(Multi-user MISO,MU-MISO)广播技术已被广泛研究运用于在传统的射频通信，而可见光通信中的MU-MISO研究仍比较有限。其主要原因包括以下两点：(1)射频基带信号是复数值，而可见光系统中只能传输实值且非负的时域信号；(2)射频通信中的主要功率限制是平均电功率，而可见光系统中主要是平均光功率限制。因此，射频通信系统中关于MU-MISO的大多数理论和方法研究不能直接适用于可见光通信系统。可见光通信中的MISO技术仍有很大的研究空间。
此外，在可见光通信系统中，LED光源，功率放大器等一系列关键器件都存在非线性效应，系统的非线性失真会损伤信号质量，降低系统性能。其中，LED调制曲线的非线性特性是可见光系统非线性的主要来源。当LED的驱动电压或信号输入幅度过高或过低时，系统都会进入非线性工作区，产生信号的非线性失真。在以往的研究中，可见光信号主要调制在LED工作的线性区以减轻非线性失真带来的信号损伤。此时，LED的发光效率较低，照明亮度一般也不能满足实际运用场景的照明需求。此外，对于高阶调制信号，由于信号电平数增多，信号的峰均功率比(PAPR)较高，从而更容易受到系统非线性的影响，降低系统性能。因此，在MISO系统中我们可以利用多个LED灯同时传输信号的优势，在每个灯上调制低阶信号，通过光信号叠加生成高阶信号以抵抗发射端LED的非线性失真。同时，多个LED灯同时发光也可提升照明亮度，满足实际照明需求。
传统的PAM4(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅度调制)2×1MISO系统框图如图1(a)所示，通过直接叠加两个标准PAM4信号产生的PAM7信号具有不相等的概率。这可以被视为概率整形，它有利于传输。但是，从接收器到发射器的映射并不是唯一的。为了解码符号以获得原始比特信息，需要浪费一半带宽资源的STBC编码方法。因此，传统的2×1PAM4MISO系统将花费半个带宽。此外，低电平符号的出现概率增加，高电平符号的出现概率降低，并且信号的相应PAPR增加。另一方面，诸如接收器处的功率放大器之类的装置也具有非线性特性。对于PAPR较大的信号，它们很容易受到器件非线性的影响，从而导致信号失真。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种传输性能好、稳定的基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法。本发明方法在接收器端产生的PAM7信号在每个级别上具有相等的概率；本发明能够提高传输速率，抵抗系统的非线性，节省带宽、同时满足照明需求。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明提供一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法，采用包括两个LED灯作为发射端，一个PIN光电检测器作为接收端的两发一收信号系统，预编码控制发射端脉冲幅度调制信号的电平和概率，使得接收端接收到的各电平概率相等，再在接收端进行唯一解码，得到原始信息；具体步骤如下：
(1)随机生成6N个原始比特，并将原始比特分成2N个组，然后进行脉冲幅度调制以生成PAM8符号；再经过恒定组分分布匹配器(Constant Composition DistributionMatching,CCDM)转换成2N*(8/7)个PAM7符号，此处产生两个发射端Tx1和Tx2的对应符号，此处两个发射端分别有一个电平的概率为0，也即实际上只有3个幅度，称为PAM3信号，此时各电平概率不相同，具体为：Tx1中00编码概率为3/7，01编码概率为0，10和11编码概率为2/7；Tx2中00和01编码概率为2/7，10编码概率为0，11编码概率为3/7；
(2)经过信道传输，发射端信号在光域叠加，在接收端产生PAM7信号，且各电平概率相等，为1/7；
(3)再根据各电平及编码一一解调，还原原始比特流。
由上述本发明提供的技术方案，本发明通过合理的预编码方法，设计唯一的编码映射方案，在接收端实现唯一解码，具有以下有益效果：
1)峰均功率比(PAPR)小。无论是发射端还是接收端信号的PAPR都比传统PAM4叠加方案要小，更利于传输。
2)抗非线性。本发明利用多个LED灯同时传输信号的优势，在每个灯上调制低阶信号，通过光信号叠加生成高阶信号以抵抗发射端LED的非线性失真。并且，本发明预编码方案让信号PAPR更小，降低了器件产生的非线性影响。
3)互信息(MI)大。图2是不同编码方式的仿真互信息随信噪比的变化曲线。从图中曲线可以看到随着信噪比增加，本发明的不等概率编码方案让信号具有更大的互信息，趋于2.8，而传统PAM4 STBC方案的互信息趋于2。
4)唯一解码，节省带宽。对比传统PAM4 STBC方案，本发明提出的预编码方式可以唯一解码，不用浪费一半带宽，从而节省了频谱资源。
5)多灯发光提升照明亮度，满足照明需求。
6)可应用的环境丰富。可以用于空气中传输，对于非线性更强的水下通信也同样适用。
本发明适用于高速可见光通信和光传输信号调制与解调领域，可产生稳定的信号，同时提高现有PAM4 STBC信号传输速度和质量。
附图说明
图1是不同编码方式的原理图；(a)PAM4+PAM4，(b)PAM3+PAM3。
图2是不同编码方式的仿真互信息随信噪比的变化曲线图。
图3是不同编码方式的仿真误码率随信噪比的变化曲线。
图4是不等概率编码方法(PAM4+PAM4)在不同信噪比下仿真的星座图和概率密度；(a)-(d)：星座图，(e)-(h)：概率密度曲线的直方图。
图5是本发明等概率编码方法(PAM3+PAM3)在不同信噪比下仿真的星座图和概率密度；(a)-(d)：星座图，(e)-(h)：概率密度曲线的直方图。
图6是本发明的实验流程框图。
图7是传统PAM4 STBC方法和本发明的等概率预编码方法的实验误码率曲线图。
具体实施方式
下面将根据本发明提出的基于脉冲幅度调制两发一收系统的预编码方法，完整地描述具体实施过程及结果。
实施例1
实施例中，一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的预编码方法，采用一种基于脉冲幅度调制两发一收系统，系统主要由两个LED灯作为发射端，一个PIN光电检测器作为接收端；预编码控制发射端脉冲幅度调制信号的电平和概率；两个发射端的低阶信号经过传输之后，在光域叠加，产生高阶信号，最后被接收端检测，并进行离线数字信号处理，完成信号解调。其中：预编码发射端信号采用脉冲幅度调制，满足式(1)-(2)；发射端符号各电平出现的概率和为1，如式(3)所示：
Am＝(2m-1-M)d,m＝1,2,…,M,0≤t≤T, (2)
式中，t为时间，s(t)是t时刻的信号表达式，g(t)是t时刻的脉冲响应，fc为中心频率，M＝2k，k是每符号调制的比特数，也即符号的阶数；Am代表与之对应的M种可能的幅度，是离散值；2d是相邻符号的幅度间隔；P(s(t))为信号各电平出现的概率；
接收端信号的表达式如式(4)-(5)：
式中，和代表两个发射端的信号，和分别代表两个发射端的信号幅度。
最后，编码的控制条件需要满足式(6)-(7)：
其中P(s(t))是符号各电平的概率，如式(6)所示，接收端信号各电平概率和为1。和代表接收端信号的任意两个电平的概率，它们需要满足式(7)，接收端信号的各电平概率相等。
本发明的原理图如图1(b)所示。首先，随机生成6N个原始比特。一个PAM8符号需要3个比特，因此原始比特被分成2N个组。然后进行脉冲幅度调制以生成PAM8符号。再经过恒定组分分布匹配器(Constant Composition Distribution Matching,CCDM)[1]转换成2N*(8/7)个PAM7符号。此处产生两个发射端Tx1和Tx2的对应符号。可以看到此处与图1(a)中的传统PAM4不同，此处的两个发射端分别有一个电平的概率为0，也即实际上只有3个幅度，我们称为PAM3信号。此时个电平概率也不相同，具体为：Tx1中00编码概率为3/7，01编码概率为0，10和11编码概率为2/7；Tx2中00和01编码概率为2/7，10编码概率为0，11编码概率为3/7。
接着，经过信道传输，发射端信号在光域叠加，在接收端产生PAM7信号，且各电平概率相等，为1/7。最后再根据各电平及编码一一解调，还原原始比特流。
下面，通过仿真和实验比较传统PAM4 STBC方案和本发明提出的等概率预编码方案，说明这种两发一收MISO系统的信号生成和预编码方案及其可行性。
我们用MATLAB软件来做仿真，首先，原始比特流生成并调制成PAM信号，调制阶数为2，符号数为10000，采样率为4，然后调制信号通过实验测得的商用LED传递函数的模型，传递函数具体在文献[2]中所述。通过仿真，可以对系统性能进行数值评估。仿真结果如图2-5所示。图2是两种编码方式的互信息曲线。从图中曲线可以看到随着信噪比增加，本发明的不等概率编码方案让信号具有更大的互信息，趋于2.8，而传统PAM4 STBC方案的互信息趋于2。图3是不同编码方式的仿真误码率随信噪比的变化曲线。从图中依然可以看出，本发明基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法的优越性，拥有更低的误码率，更好的传输性能。图4、5分别仿真了传统PAM4+PAM4方案和本发明的等概率预编码PAM3+PAM3方案在不同信噪比下星座图和概率密度曲线图。从图中得出，SNR降低，系统性能变差。而本发明的等概率预编码方案拥有更高的稳定性，比传统方法拥有更好的性能。
传输实验的系统流程框图如图6所示。首先用MATLAB平台产生原始比特流，再实现发射端PAM3信号的预编码，经过PS-Manchester编码，4倍上采样，最终信号送入任意波形发生器(AWG,TektronixAWG7122)中生成电信号。然后从AWG输出的两路PAM信号分别通过硬件预均衡板补偿信道的高频衰减，并且均衡后的信号由功率放大器放大(EA，25dB增益)。放大后的电信号和直流偏置电压通过交直流耦合器耦合加载到LED灯的光芯片上驱动LED发光，产生光信号。
经过2.1m的水下和自由空间传输，两路光信号叠加生成PAM7信号，并汇聚再接收器端。在接收端，光电二极管(PIN，Hamamatsu 10784)用于检测接收到的光信号，将光信号转换为电信号。接着，经过EA功率放大器放大。放大后的信号用数字存储示波器(OSC，Agilent DSO54855A)采样，以便进行后续的离线数据处理。
在离线处理中，依次进行信号同步，功率归一化，下采样和差分解码以获得标准化的PAM7信号。然后，PAM7信号通过基于S-MCMMA的自适应后均衡器，以消除符号间干扰。最后，根据编码映射规则，解调PAM7信号以获得原始比特序列并计算系统误码率。
实验结果如图7所示。图7显示了传统PAM4 STBC方法和本发明的等概率预编码方法的实验误码率曲线图。可以看到误码率在满足前向纠错码硬判决门限，即BER≤3.8×10-3时，本发明的等概率预编码方法传输的数据比特率更大。
结果表明，本发明提出的基于脉冲幅度调制两发一收系统的预编码方案是可行的。相对于传统的PAM4 STBC方案来说，本发明生成的信号更节省带宽，质量更好，传输速率更高，抵抗非线性性能更好。
参考文献
[1]Schulte P,G.Constant Composition DistributionMatching.IEEE Transactions on Information Theory,2015,62(1):430-434.
[2]Jiaqi Zhao,Chaoyi Qin,Mengjie Zhang and Nan Chi,“Investigation onperformance of special-shaped 8-quadrature amplitude modulationconstellations applied in visible light communication,”Photonics Research,2016,4(6):249-256.

Claims (1)

1.一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法，其特征在于，采用包括两个LED灯作为发射端，一个PIN光电检测器作为接收端的两发一收信号系统，预编码控制发射端脉冲幅度调制信号的电平和概率，使得接收端接收到的各电平概率相等，再在接收端进行唯一解码，得到原始信息；具体步骤如下：
(1)随机生成6N个原始比特，并将原始比特分成2N个组，然后进行脉冲幅度调制以生成PAM8符号；再经过恒定组分分布匹配器CCDM转换成2N*(8/7)个PAM7符号，此处产生两个发射端Tx1和Tx2的对应符号，此处两个发射端分别有一个电平的概率为0，也即实际上只有3个幅度，称为PAM3信号，此时各电平概率不相同，具体为：Tx1中00编码概率为3/7，01编码概率为0，10和11编码概率为2/7；Tx2中00和01编码概率为2/7，10编码概率为0，11编码概率为3/7；
(2)经过信道传输，发射端信号在光域叠加，在接收端产生PAM7信号，且各电平概率相等，为1/7；
(3)再根据各电平及编码一一解调，还原原始比特流。
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