CN110166123A - 一种兼容调光控制的混合可见光调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其支持高速可见光通信，同时能够满足用户对于照明光源亮度调节的需求。其包括以下步骤：S1：对OFDM信号数据进行调制变成频带信号，把所述频带信号构造为满足对称矩阵，然后进行IFFT变换获得对应的时域信号，对得到变换后的矩阵添加循环前缀CP，得到最终的OFDM信号矩阵；S2：获取发光装置的亮度控制序列；S3：对所述OFDM信号矩阵进行预处理；S4：叠加所述亮度控制序列和所述预处理后的OFDM信号矩阵，得到发光装置的驱动信号；S5：所述驱动信号驱动被发送到发光装置；S6：发光装置接收到所述驱动信号驱动后，进行解调操作，完成通信数据发送和发光装置本身的亮度调节两个功能。

Description

一种兼容调光控制的混合可见光调制方法

技术领域

本发明涉及可见光通信调制技术领域，具体为一种兼容调光控制的混合可见光调制方法。

背景技术

可见光通信技术是利用荧光灯、发光二极管等光源发出的肉眼不可见的高速明暗闪烁信号来传输信息的一种通信技术。将因特网的信号收发装置连接在照明装置上，构成的网络系统能够覆盖室内灯光达到的范围。图1为可见光通信系统基本原理图，输入数据经过预处理、编码调制以及数模转换后对LED进行驱动，电信号转换成光信号，传输到达接收端后，经光电探测器(PD)转换成电信号，在经过模数转换、解调解码以及后均衡处理后，恢复数据。

在可见光通信系统中，常见的调制技术包括脉冲调制和正交频分复用(OFDM)。脉冲调制使用脉冲的幅度，位置或宽度来表示不同的传输信息；它易于实现且系统复杂度低，包括脉冲幅度调制(PAM)，脉冲位置调制(PPM)和脉冲宽度调制(PWM)；OFDM是一种多载波调制技术，具有有效的频带利用率，可以有效地对抗多径效应和符号间干扰。

可见光通信是一种重要的无线通信技术，具有保密性好、成本低、传输速率高、没有电磁辐射等诸多优点，已经引起了国内外学术界广泛的研究兴趣，可见光通信未来可以为人口密集区域，如机场、车站等，提供大容量、可靠的通信网络覆盖，且在一些无线电磁设备严苛的场合，如飞机、医院、矿场等，具有特别的应用优势，因而具有广泛的开发前景。但是，因为通信是利用用户的照明装置，所以在进行数据通信的时候，还需要满足用户对于照明光源亮度调节的需求。然而，现有技术中的调制技术如：脉冲调制、正交频分复用，都无法同时满足数据通信和亮度调节两个需求。

发明内容

为了解决同时支持可将数据通信以及照明装置亮度调节的技术问题，本发明提供一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其支持高速可见光通信，同时能够满足用户对于照明光源亮度调节的需求。

本发明的技术方案是这样的：一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1：对OFDM信号数据进行调制变成频带信号，把所述频带信号构造为满足对称矩阵，然后进行IFFT变换获得对应的时域信号，对得到变换后的矩阵添加循环前缀CP，得到最终的OFDM信号矩阵；

S2：获取发光装置的亮度控制序列：

b_n＝[b₀,b₁,......,b_N-1]

式中：b_n的取值为0或者1，分别对应状态关和开，其中n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S3：对所述OFDM信号矩阵进行预处理：

设所述OFDM信号矩阵为：X＝[0,X₁,0,X₃,......,X_N-1]

获得的预处理后的OFDM信号矩阵为

式中：n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S4：叠加所述亮度控制序列b_n和所述预处理后的OFDM信号矩阵得到发光装置的驱动信号

式中：

a_n为调控序列，a_n＝[a₀,a₁,......,a_N-1]由输入信号正负性决定，

s_n为发光装置的工作的线性范围，

n＝0.....N-1，

N：表示OFDM子载波的总数；

S5：所述驱动信号驱动被发送到发光装置；

S6：发光装置接收到所述驱动信号驱动后，进行解调操作，完成通信数据发送和发光装置本身的亮度调节两个功能。

其进一步特征在于：

步骤S2中通过VOOK调制器生成携带信息的所述亮度控制序列；

步骤S2中通过VPPM调制器生成携带信息的所述亮度控制序列；

步骤S4中所述调控序列a_n表达式如下：

式中：n＝0.....N-1,

N：表示OFDM子载波的总数；

步骤S4中所述发光装置的工作的线性范围s_n表达如下：

式中：I_L代表发光装置的最小电流，I_H代表发光装置的最大电流，n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

步骤S6中，所述解调操作包括：通过最大似然估计法检测出OFDM信号，通过阈值检测法检测出亮度控制信号；

所述解调操作中，在接收端通过最大似然估计法对所述驱动信号进行检测，获得所述OFDM信号，包括如下步骤：

S6-1：对所述驱动信号进行变形：

式中：z_n表达式为：

其中：n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S6-2：对所述驱动信号进行FFT变换；

式中：

N：表示OFDM子载波的总数，

n：表示时域中第n个子载波n＝0,……,N-1，

k：表示频域中第k个子载波k＝0,……,N-1；

在接收端，通过阈值检测法对所述驱动信号进行检测，获得所述亮度控制信号，方法如下：

式中：

当所述亮度控制信号为低电平时，系统的能量为E(y²)＝p+σ⁺+I_L ²，

当所述亮度控制信号为高电平时，系统的能量为E(y²)＝I_H ²-p+σ²，

A为检测的阈值：

p表示OFDM信号的能量，

σ²表示噪声的能量；

步骤S1中通过QAM调制使OFDM信号变成频带信号；

步骤S1中构造的所述对称矩阵为Hermitian对称矩阵。

本发明提供的一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，把OFDM信号和亮度控制序列经过变换，变成格式相同的对称矩阵，然后对OFDM信号矩阵进行预处理操作，确保其与亮度控制序列叠加后的信号在线性范围内，最后对OFDM信号矩阵和亮度控制序列进行简单的叠加，得到发光装置的驱动信号；此驱动信号中即包含可见光通信用的驱动信号，也包括发光装置亮度调节用的控制信号，其在支持高速可见光通信的同时，能够满足用户对于照明光源亮度调节的需求；本发明技术方案的计算复杂度低，只需要在发送端对OFDM信号进行预处理就可以实现，具有良好的灵活性，适于实际应用。

附图说明

图1为可见光通信系统基本原理图；

图2为本发明的混合可见光调制方案原理图；

图3为本发明方案的可达频谱效率与单载波调制的可达频谱效率的对比图；

图4为本发明方案中两种具体混合可见光调制方案的信噪比与误码率仿真图。

具体实施方式

为了支持通信和调光控制的双重功能，业界已经开发了各种调光兼容调制方案；IEEE802.15.7中定义了标准调制方案，其中VOOK(可变按键控制，variable on–offkeying)技术和VPPM(可变脉冲位置调制，variable pulse position modulation)技术，都可以在保证可靠的带宽通信链路的同时，满足高质量的照明状态。

VOOK技术由OOK和PWM调光技术组合构成，分为有效和无效部分两个部分，活动部分用于数据传输，非活动部分根据调光填充了1或0；VOOK调制器发送持续的矩形脉冲，通过有强度表示“1”，无脉冲表示“0”；VPPM技术是一种脉冲位置根据被调信号的变化而变化的调制方法，即用不同时间位置的脉波来表达0与1，其改变脉冲的占空比以生成更低频率时变振幅分量，同时经由脉冲位置调制(PPM)同时发送更高速率的数据。

基于现有的标准调制方案，如图1～图4所示，本发明的技术方案是这样制定的：一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于，其包括以下步骤。

S1：对OFDM信号数据进行过QAM调制使OFDM信号变成频带信号，把频带信号构造为满足对称特性的Hermitian对称矩阵，然后进行IFFT变换获得对应的时域信号，对得到变换后的矩阵添加循环前缀CP，得到最终的OFDM信号矩阵；

S2：通过VOOK调制器或者VPPM调制器生成携带信息的亮度控制序列，

b_n＝[b₀,b₁,......,b_N-1]

式中：b_n的取值为0或者1，分别对应状态关和开，其中n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S3:对OFDM信号矩阵进行预处理：

设OFDM信号矩阵为：X＝[0,X₁,0,X₃,...,X_N-1]，其满足Hermitian对称性；

对OFDM信号执行以下预处理操作获得的预处理后的OFDM信号矩阵为

经过以上预处理操作后，获得的与亮度控制信号叠加后得到驱动信号在LED工作的线性范围内；

上式中，n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

当x_n≥0，亮度控制信号为低电平时，或者x_n<0，亮度控制信号为高电平时，预处理后的OFDM信号保留，其他情况下设为0；

S4：由于OFDM信号本身具有反对称性，即：

所以亮度控制信号也具有对称性，即：以保证完整的序列信息；

叠加亮度控制序列b_n和预处理后的OFDM信号矩阵得到LED发光装置的驱动信号

式中：

a_n为调控序列，a_n＝[a₀,a₁,......,a_N-1]由输入信号正负性决定，

调控序列a_n表达式如下：

其中：n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

s_n为发光装置的工作的线性范围，即用来调整发光装置的亮度控制信号的动态范围；

发光装置的工作的线性范围s_n表达如下，可知s_n由b_n决定：

式中：I_L代表发光装置的最小电流，I_H代表发光装置的最大电流，n＝0.....N-1；

n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S5：驱动信号驱动被发送到发光装置；

S6：发光装置接收到驱动信号驱动后，进行解调操作，通过最大似然估计法检测出OFDM信号，通过阈值检测法检测出亮度控制信号；完成通信数据发送和发光装置本身的亮度调节两个功能。

步骤S6中，解调操作包括：在接收端对驱动信号进行检测获得OFDM信号，包括如下步骤：

S6-1：对驱动信号进行变形：

式中：z_n表达式为：

式中：n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；为了简化，接收端通过FFT操作对驱动信号进行信号检测的时候不考虑信道噪声；

S6-2：对驱动信号进行FFT变换；

式中：

N：表示OFDM子载波的总数

n：表示时域中第n个子载波n＝0,……,N-1

k：表示频域中第k个子载波k＝0,……,N-1；

上述式子可以看出，干扰FFT(z_n)对OFDM的检测不产生影响；Z_k产生的噪声只叠加在OFDM信号的偶数子载波上，而OFDM信号只有奇数子载波传输数据信息，所以接收端能正确检测。

在接收端对驱动信号进行检测获得亮度控制信号，方法如下：

式中：

当亮度控制信号为低电平时，系统的能量为E(y²)＝p+σ²+I_L ²，

当亮度控制信号为高电平时，系统的能量为E(y²)＝I_H ²-p+σ²，

A为检测的阈值：

p表示OFDM信号的能量，

σ²表示噪声的能量。

参照说明书附图的图3和图4，当实验环境为：子载波数目：512，QAM调制度：4，OFDM符号数目：10000，IH＝2.5,IL＝0的时候。图3是中可以看出随着调光度的变化，本发明的技术方案的可达频谱速录的变化情况。图4可以看出在调光度的增加，本技术方案中采用VOOK和VPPM两种调制技术的情况下，误码率的比较。

图3给出了在本发明的技术方案中，所提出的系统在不同调光度的情况下，系统的平均可达速率。可以看出，VOOK/VPPM的可达频谱效率都是在0-50％调光度时，线性增加，在50％-100％调光度时，线性减小。在信号噪声为-3dBm，误码率低于10^-3情况下，根据图3中的显示的数据，可以看出本发明的技术方案可以提供很宽泛的调光范围，并且随着调光度的变化其可达频谱速率相对很稳定。相对于单载波调制，本发明的技术方案提高了可达频谱效率；OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。并且与ACO-OFDM技术相比，并不是直接去除负数部分，所以其频谱利用率较高。实验数据表明，本发明的技术方案可以支持更宽的调光范围，并且当调光水平变化时其可实现的光谱效率相对稳定。

从附图的图4可以看出，在调光度一定的情况下，本发明的两种实施例都是随着信噪比的增加，误码率减小；在信噪比一定的情况下，随着调光度的增加，误码率增加。在相同调光度下，VPPM可以获得与VOOK相同的误码率，说明本发明的技术方案具有普遍适用性。从图4中的数据，还可以看出本发明的技术方案中，使用VOOK技术会拥有更高的频谱效率，更加适应各种复杂度的接收器。

Claims (10)

1.一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1：对OFDM信号数据进行调制变成频带信号，把所述频带信号构造为满足对称矩阵，然后进行IFFT变换获得对应的时域信号，对得到变换后的矩阵添加循环前缀CP，得到最终的OFDM信号矩阵；

S2：获取发光装置的亮度控制序列：

b_n＝[b₀,b₁,......,b_N-1]

式中：b_n的取值为0或者1，分别对应状态关和开，其中n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S3:对所述OFDM信号矩阵进行预处理：

设所述OFDM信号矩阵为：X＝[0,X₁,0,X₃,......,X_N-1]

获得的预处理后的OFDM信号矩阵为

式中：n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S4：叠加所述亮度控制序列b_n和所述预处理后的OFDM信号矩阵得到发光装置的驱动信号

式中：

a_n为调控序列，a_n＝[a₀,a₁,......,a_N-1]由输入信号正负性决定，

s_n为发光装置的工作的线性范围，

n＝0.....N-1，

N：表示OFDM子载波的总数；

S5：所述驱动信号驱动被发送到发光装置；

S6：发光装置接收到所述驱动信号驱动后，进行解调操作，完成通信数据发送和发光装置本身的亮度调节两个功能。

2.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S2中通过VOOK调制器生成携带信息的所述亮度控制序列。

3.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S2中通过VPPM调制器生成携带信息的所述亮度控制序列。

4.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S4中所述调控序列a_n表达式如下：

式中：n＝0.....N-1；

N：表示OFDM子载波的总数。

5.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S4中所述发光装置的工作的线性范围s_n表达如下：

式中：I_L代表发光装置的最小电流，I_H代表发光装置的最大电流，n＝0.....N-1，N表示OFDM子载波的总数。

6.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S6中，所述解调操作包括：通过最大似然估计法检测出OFDM信号，通过阈值检测法检测出亮度控制信号。

7.根据权利要求6所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：在接收端通过最大似然估计法对所述驱动信号进行检测，获得所述OFDM信号，包括如下步骤：

S6-1：对所述驱动信号进行变形：

式中：z_n表达式为：

其中：n＝0.....N-1，N：表示OFDM子载波的总数；

S6-2：对所述驱动信号进行FFT变换；

式中：

N：表示OFDM子载波的总数，

n：表示时域中第n个子载波n＝0,……,N-1，

k：表示频域中第k个子载波k＝0,……,N-1。

8.根据权利要求6所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：在接收端，通过阈值检测法对所述驱动信号进行检测，获得所述亮度控制信号，方法如下：

式中：

当所述亮度控制信号为低电平时，系统的能量为E(y²)＝p+σ²+I_L ²，

当所述亮度控制信号为高电平时，系统的能量为E(y²)＝I_H ²-p+σ²，

A为检测的阈值：

p表示OFDM信号的能量，

σ²表示噪声的能量。

9.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S1中通过QAM调制使OFDM信号变成频带信号。

10.根据权利要求1所述一种兼容调光控制的混合可见光调制方法，其特征在于：步骤S1中构造的所述对称矩阵为Hermitian对称矩阵。