CN110212981A

CN110212981A - 一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法

Info

Publication number: CN110212981A
Application number: CN201910460031.8A
Authority: CN
Inventors: 李正权; 周颖; 李宝龙; 薛晓妹; 吴琼; 刘洋; 武贵路
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: ICTEHI TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD.; ICTEHI TECHNOLOGY DEVELOPMENT JIANGSU CO.,LTD.; Zhongke Jinbao safety technology Wuxi Co.,Ltd.; Jiangnan University
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2019-09-06
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: CN110212981B

Abstract

本发明提供一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其有效的提高了系统的频谱利用率，且具有良好的灵活性、低复杂度。其包括步骤：S1:对输入信号进行QAM调制，生成对称的ACO‑OFDM信号矩阵；S2：对输入信号进行PAM调制，生成对称的PAM‑DMT信号矩阵；S3：将ACO‑OFDM信号矩阵、PAM‑DMT信号矩阵分别依次进行N点的IFFT变换、添加循环前缀、将数据进行并串转换、削减去信号的负数端后，将两组数据相加构成HACO‑OFDM信号；S4：对OOK数据进行对称操作，形成对称的OOK信号；S5：对HACO‑OFDM信号减去时间选择性偏置，然后加上对称的OOK信号，最终形成发送信号；S6：将发送信号传送至信道，在接收机端对接收到的信号进行解调操作，将各路信号恢复出来。

Description

一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法

技术领域

本发明涉及无线光通信领域，具体为一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法。

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，电信号转换成光信号，通过安装在LED装置上的发送模块对LED进行驱动，利用可见光传输到接收端；传输到达接收端后，经光电探测器(PD)转换成电信号，在经过解调系统进行模数转换、解调解码以及后均衡处理后，恢复数据。

传统的解调技术有直流偏置光OFDM方案(DCO-OFDM)，非对称限幅光OFDM方案(ACO-OFDM)，其中ACO-OFDM技术中传输信号正负部分相对应，传输的时候将传输信号的负数部分直接删去进行传输，因为其仅利用了一半子载波，导致在频谱效率方面效率不高。DCO-OFDM技术是将信号直接加一个DC偏置，将信号变为全正数，因直流偏置不携带信息，所以致使光功率方面效率也不高。为了提高频谱利用率，有技术人员在ACO-OFDM系统中添加了一列新的数据PAM-DMT，提出了新的HACO-OFDM，这个方案不需要DC偏置，相对提高了频谱利用率，然而仍未满足实际用户的需求。

发明内容

为了解决现有的光通信调制技术中传码率过低、频谱利用率不高的问题，本发明提供一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其有效的提高了系统的频谱利用率，且具有良好的灵活性、低复杂度。

本发明的技术方案是这样的：一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其包括以下步骤：

S1:对输入信号进行QAM调制，将映射后的数据进行串并转换，添加共轭数据，再根据数据特征要求构成对称矩阵，生成ACO-OFDM信号矩阵X；

S2：对输入信号进行PAM调制，将映射后的数据进行串并转换，添加共轭数据，再根据数据特征要求构成对称矩阵，生成PAM-DMT信号矩阵Y；

S3：将所述ACO-OFDM信号矩阵X、所述PAM-DMT信号矩阵Y分别依次进行N点的IFFT变换、添加循环前缀、将数据进行并串转换、削减去信号的负数端后，将两组数据相加构成HACO-OFDM信号t_n；

其特征在于，其还包括以下步骤：

S4：对OOK数据进行对称操作，形成对称的OOK信号q_n；

S5：对所述HACO-OFDM信号t_n减去时间选择性偏置S_n，然后加上N_A个所述对称的OOK信号q_n，最终形成发送信号p_n；

S6：将所述发送信号p_n传送至信道，在接收机端对接收到的信号进行解调操作，将各路信号恢复出来。

其进一步特征在于：

步骤S6包括以下详细步骤：

S6-1：在接收机端对接收到的信号加入高斯白噪声，形成接收信号r(n)：

r(n)＝p(n)+w_n

式中：

w_n为高斯白噪声的时域表示；

S6-2：对所述接收信号r(n)进行模数转换、去掉循环前缀后，解调出OOK信号R_OOK(n)；

S6-3：对接收到的所述发送信号r(n)进行N点的FFT计算，获得解调后的频域信号R(n)；

S6-4：提取所述解调后的频域信号R(n)的奇数子载波上的数据进行N点的FFT计算，检测出ACO-OFDM的传输信息检；

S6-5：对所述ACO-OFDM的传输信息依次进行重新映射、Hermitian对称、IFFT变换操作，还原出ACO-OFDM信号产生的噪声；

S6-6：将所述解调后的频域信号R(n)的偶数子载波虚部上的所述ACO-OFDM信号产生的噪声消除，检测出PAM-DMT的传输信息；

步骤S4中，所述对称的OOK信号q_n满足以下对称要求：

q_n＝q_N/2-n＝q_n+N/2＝q_N-n

式中：q₀＝q_N/4＝q_N/2＝q_3N/4；

步骤S5中，在OOK信号为高电平时，对所述HACO-OFDM信号减去所述时间选择性偏置S_n；

步骤S5中，所述时间选择性偏置S_n满足如下条件：

S_n＝S_n+N/2＝max{t_n,t_n+N/2},n＝0,N/4，

s_n＝s_N/2-n＝s_n+N/2＝s_N-n

＝max{t_n，t_N/2-n，t_n+N/2，t_N-n},n＝1,2,...,N/4-1；

所述发送信号p_n表达公式为：

p_n＝t_n-S_n+q_n,n＝0,1,...,N-1；

步骤S6-2中，解调出所述OOK信号R_OOK(n)的方法如下：

对所述接收信号r(n)按照如下公式进行叠加：

设置阈值E：

则：

I_H为高电平，I_L为低电平；

步骤S1和步骤S2中，所述ACO-OFDM信号矩阵X、所述PAM-DMT信号矩阵Y为对称矩阵，符合Hermitian对称性；

步骤S1中，所述ACO-OFDM信号矩阵X的表达式如下：

式中：

X_k＝a_k+ib_k，

N为OFDM子载波的总数；

步骤S2中，所述PAM-DMT信号矩阵Y表达式如下：

式中：

Y_k＝id_k，

N为OFDM子载波的总数。

本发明提供的一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，充分地利用了传输信号的在傅里叶变换下的数据特征，在不干扰原有的HACO-OFDM的基础上，加入了一列OOK信号，且一个OFDM信号传输中伴随有多个OOK信号的传输，大大提高了整个传输系统的传码率，在提高了传码率的同时也未增加原有的HACO-OFDM的检测难度，所以，本发明的技术方案具有高光谱效率和低复杂度。

本发明的技术方案中，通过OOK来控制HACO-OFDM的削减操作，将数据约束在线性范围之内；本技术方案中，采取了时间选择性偏置，且偏置选择时利用了HACO-OFDM的数据特性，在OOK为高电平时，采用了一组数据中的最大值，这样就能保证本组数据都在负数，在后续添加OOK的高电平时时将不会超出线性范围；相对于传统直接添加直流偏置，本发明的技术方案中功率效率更高。

附图说明

图1为可见光通信系统的基本模型结构示意图；

图2为本发明的可见光通信系统调制原理示意图；

图3为HACO-OFDM与OOK相混合的通信方式中，设置不同的OOK数目、不同的QAM调制度时，误码率曲线图；

图4为HACO-OFDM与OOK相混合的通信方式中，设置不同的OOK数目、不同的PAM调制度时，误码率曲线图。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其包括以下步骤。

S1:对输入信号进行QAM调制，将映射后的数据进行串并转换，添加共轭数据，再根据数据特征要求构成Hermitian对称矩阵，生成ACO-OFDM信号矩阵X；

所述ACO-OFDM信号矩阵X的表达式如下：

式中：

X_k＝a_k+ib_k，

N为OFDM子载波的总数。

所述PAM-DMT信号矩阵Y表达式如下：

式中：

Y_k＝id_k，

N为OFDM子载波的总数；

PAM-DMT的信号与传统的不同，为了不干扰ACO-OFDM信号，PAM-DMT将部分虚部置为0。

将ACO-OFDM信号矩阵X、PAM-DMT信号矩阵Y进行N点的IFFT变换，如下：

ACO-OFDM信号矩阵X、PAM-DMT信号矩阵Y都是符合Hermitian对称的对称矩阵，因为Hermitian对称数据特征，经过IFFT后计算后，信号转变为实数，并具有一定的对称性，x(n)和y(n)的对称性如下所示，由对称性公式的特征可知，削减掉正数或负数时不会对传输信息造成任何的缺失：

x(n)＝-x(n+N/2),n＝0,1,2,...,N/2-1

对x(n)和y(n)添加循环前缀，以消除码间干扰，后将数据进行并串转换,并削减去信号的负数端，两组数据相加构成HACO-OFDM信号t_n，t_n的表达式如下所示：

S4：对OOK数据进行对称操作，形成对称的OOK信号q_n，以满足不在奇数子载波上产生噪声；

OOK信号q_n表达式如下所示：

进行对等操作后的所述对称的OOK信号q_n满足以下对称要求：

q_n＝q_N/2-n＝q_n+N/2＝q_N-n

式中：q₀＝q_N/4＝q_N/2＝q_3N/4；

将OOK信号进行对称操作之后，可以从推导公式可知，OOK产生的噪声在偶数子载波的实部上，不会对处于奇数子载波的ACO信号和处于偶数子载波的实部上的PAM信号产生噪声影响，而且在接收端可以直接利用数据的幅值进行解调，解调十分简易。

S5：在OOK信号为高电平时，对所述HACO-OFDM信号t_n减去时间选择性偏置S_n，然后加上N_A个所述对称的OOK信号q_n，最终形成发送信号p_n；

由于HACO-OFDM信号t_n在后续计算中需要添加OOK信号，在OOK为高电平时，添加了OOK信号的HACO-OFDM信号t_n将会超出线性范围；因而，在OOK信号的高电平时，添加一列时间选择性偏置S_n,使HACO-OFDM信号在OOK为高电平时为负数，这样在后续添加了高电平之后将不会超出线性范围；

由于HACO-OFDM信号t_n中的ACO信号和PAM信号均取的正数相加，因而可知HACO-OFDM信号t_n都是大于等于0的数据；

当n＝0，N/4时，t_n,t_n+N/2都是大于等于0，因而S_n取值为：

S_n＝S_n+N/2＝max{t_n,t_n+N/2},n＝0,N/4；

当n＝1,2,…,N/4-1时，S_n的表达公式为：

S_n＝S_N/2-n＝S_n+N/2＝S_N-n＝max{t_n,t_N/2-n,t_n+N/2,t_N-n},n＝1,2,......,N/4-1

当OOK信号为低电平时，虽然t_n≥0，但OOK信号中的低电平添加到HACO-OFDM信号t_n时不会超出线性范围，此时的时间选择性偏置S_n＝0,n＝0,1,......N-1；

即：当n＝0，N/4时，S_n的值取发送信号的第n和第n+N/2中的最大值；当n＝1，2，…，N/4-1时，将S_n的第n、N/2-n、N/2+n、N-n的值，选取为发送信号的n、N/2-n、N/2+n、和N-n中的最大值；这样设置时间选择性偏置S_n，在确保了对称关系的基础上，与传统的直接添加固定的偏置的方式相比，拥有更高的功率效率；

在OOK信号为高电平时，对所述HACO-OFDM信号t_n减去时间选择性偏置S_n，然后加上N_A个所述对称的OOK信号q_n，最终形成发送信号p_n：

p_n＝t_n-S_n+q_n,n＝0,1,...,N-1

发送信号p_n都在线性范围内。

S6：将所述发送信号p_n传送至信道，在接收机端对接收到的信号进行解调操作，将各路信号恢复出来；步骤S6包括以下详细步骤：

r(n)＝p(n)+w_n

式中：

w_n为高斯白噪声的时域表示；

S6-2：对所述接收信号r(n)进行模数转换、去掉循环前缀后，解调出OOK信号R_OOK(n)，方法如下：

对所述接收信号r(n)按照如下公式进行叠加：

设置阈值E：

则：

I_H为高电平，I_L为低电平；

即，OOK信号分离完毕；

所述发送信号r(n)中的OKK信号q_n和时间选择性偏置S_n经过FFT计算后，表示为：

可见在满足对称要求后的OOK信号q_n和时间选择性偏置S_n信号在经过FFT计算后噪声落在偶数子载波的实部上，未对奇数子载波上的ACO-OFDM信号和处于偶数子载波虚部上的PAM信号产生干扰。

S6-4：提取所述解调后的频域信号R(n)的奇数子载波上的数据进行N点的FFT计算，检测出ACO-OFDM的传输信息；

S6-6：将所述解调后的频域信号R(n)的偶数子载波虚部上的所述ACO-OFDM信号产生的噪声消除，检测出PAM-DMT的传输信息。

当对于OOK的比特数分别设置为：NA＝1和NA＝10，且分别采用不同星座调制尺度的时候，进行试验。对比图3和图4中的数据，可以发现，本发明中的混合系统在对信号进行调制的时候，分别使用QAM和PAM的两种方案的情况下，误码率曲线性能几乎没有改变；可知本发明中的混合系统在极性信号传输的时候，提高了传码率的同时对HACO的QAM和PAM的误码率没有什么影响。

本发明在将传码率提高了较多的情况下，没有提高设备的复杂程度；仅在发射机端添加了OOK控制模块，无需添加更多的其他的模块，接收机端添加了阈值判断模块，系统结构简洁，具有良好的灵活性。本发明添加的OOK序列在满足一定的对称要求之后，可以完好的与HACO-OFDM信号同时传输，在接收端对OOK信号的检测很简单，利用传输后信号的幅度大小即可以完好的将OOK信号检测出来。

Claims

1.一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其包括以下步骤：

S1:对输入信号进行QAM调制，将映射后的数据进行串并转换，添加共轭数据，再数据特征要求构成对称矩阵，生成ACO-OFDM信号矩阵X；

S2：对输入信号进行PAM调制，将映射后的数据进行串并转换，添加共轭数据，再数据特征要求构成对称矩阵，生成PAM-DMT信号矩阵Y；

其特征在于，其还包括以下步骤：

S4：对OOK数据进行对称操作，形成对称的OOK信号q_n；

2.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S6包括以下详细步骤：

r(n)＝p(n)+w_n

式中：

w_n为高斯白噪声的时域表示；

3.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S4中，所述对称的OOK信号q_n满足以下对称要求：

q_n＝q_N/2-n＝q_n+N/2＝q_N-n

式中：q₀＝q_N/4＝q_N/2＝q_3N/4。

4.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S5中，在OOK信号为高电平时，对所述HACO-OFDM信号减去所述时间选择性偏置S_n。

5.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S5中，所述时间选择性偏置S_n满足如下条件：

S_n＝S_n+N/2＝max{t_n,t_n+N/2},n＝0,N/4，

s_n＝s_N/2-n＝s_n+N/2＝s_N-n

＝max{t_n，t_N/2-n，t_n+N/2，t_N-n},n＝1,2,...,N/4-1。

6.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：所述发送信号p_n表达公式为：

p_n＝t_n-S_n+q_n,n＝0,1,...,N-1。

7.根据权利要求2所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S6-2中，解调出所述OOK信号R_OOK(n)的方法如下：

对所述接收信号r(n)按照如下公式进行叠加：

设置阈值E：

则：

I_H为高电平，I_L为低电平。

8.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S1和步骤S2中，所述ACO-OFDM信号矩阵X、所述PAM-DMT信号矩阵Y为对称矩阵，符合Hermitian对称性。

9.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S1中，所述ACO-OFDM信号矩阵X的表达式如下：

式中：

X_k＝a_k+ib_k，

N为OFDM子载波的总数。

10.根据权利要求1所述一种混合单载波和多载波调制的可见光通信传输方法，其特征在于：步骤S2中，所述PAM-DMT信号矩阵Y表达式如下：

式中：

Y_k＝id_k，

N为OFDM子载波的总数。