CN110247703A - 一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，通过信道估计得到每一个子载波所在频率的信噪比(SNR)，进而得到信噪比曲线，根据所述信噪比曲线进行比特功率分配，为每个子载波分配调制阶数，即符号映射的阶数，并根据信噪比曲线设计频域均衡器，其中频域均衡器的分段数由信噪比曲线的倾斜程度决定，每个子载波的信噪比值在均衡前后的变化不超过6dB。与现有技术相比，本发明在高频段不再消耗较多功率，可大大提升光通信系统的速率以及系统整体性能。

Description

一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及可见光通信系统，特别涉及一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法。
背景技术
如今，人们对高速无线通信速率的需求日益增加，而射频无线通信的频谱资源已经难以提供更高的无线通信速率。因此，可见光通信技术已受到更高的关注。基于LED的可见光通信技术具有速率高，容量大，低能耗等优势，在实际的可见光通信系统中，经常采用正交频分复用(OFDM)调制技术及频域均衡(FDE)技术方法，以进一步扩大通信速率。然而，传统的频域均衡技术将信道响应曲线变为完全平坦的曲线，在高频段消耗了较多功率，使得系统整体性能提高受限。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，实验证明该方法优于传统频域均衡方法，能够进一步提高可见光通信系统的速率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，通过信道估计得到每一个子载波所在频率的信噪比(SNR)，进而得到信噪比曲线，根据所述信噪比曲线进行比特功率分配，为每个子载波分配调制阶数，即符号映射的阶数，并根据信噪比曲线设计频域均衡器，其中频域均衡器的分段数由信噪比曲线的倾斜程度决定。
本发明中，分段的概念是相对于传统的全频域均衡提出的。全频域均衡为了增大系统的带宽，将信噪比曲线变为平坦形式，但是这种方法的功率效率较低，因此本发明提出了分段均衡的方法，将信噪比曲线变为在几段区间上分别是平坦的，实验结果表明，这种方法是更优的。
分段点和每段的数值具体由测得的原始信噪比曲线决定，决定准则为：
1.每个子载波的信噪比值在均衡前后的变化不超过6dB。
2.所述频域均衡器的分段数为k，分段点的位置分别为c1，c2，…，ck，每段内的信号总功率在均衡前后保持不变，则均衡后第i个分段的信道增益值为
其中，Ai是第i个分段内的子载波数集合，|Ai|是集合Ai中的元素数，hj为第j个子载波的信道响应系数。
所述高速可见光通信系统包括：
发送端：输入的信息比特序列根据调制策略被映射为相应符号，然后通过频域均衡器实现频域均衡，将均衡后的符号由串行转换成并行的形式，进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到并行的时域信号，将子载波上每个时域信号添加循环前缀后转换成串行信号，加载到任意波信号发生器上，添加直流偏置，通过LED发出；
接收端：采集光电二极管接收到的信号，进行离线处理；先将采集到的信号进行同步处理，以便后续解调解码，将同步后的信号去掉循环前缀部分，并转换成并行形式，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到OFDM符号，采用单抽头的频域滤波器将解调的OFDM符号的幅度和相位进行均衡，再转换为串行数据形式，将串行数据解映射，得到输出的比特信息流。
所述调制策略为QAM调制，进行原始信道估计的频域均衡器的响应为常数，且进行信道估计时，发送端不需要频域均衡器，OFDM符号的映射方式为BPSK调制。
所述发送端将子载波上每个时域信号添加循环前缀是将子载波上每个时域信号的后面部分信号复制添加到整个信号前面。
与现有技术相比，本发明频域均衡的分段数由信噪比曲线的倾斜程度决定，因此在高频段不再消耗较多功率，可大大提升光通信系统的速率以及系统整体性能。
附图说明
图1是本发明高速可见光通信系统结构示意图。
图2是本发明实施例中的信噪比曲线示意图，其中(a)为原始信噪比曲线，(b)为分段均衡下的信噪比曲线。
图3是本发明实施例中三种不同情况下的通信速率对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明高速可见光通信系统的工作过程为：
发送端：输入的信息比特序列根据调制策略(PSK或QAM)被映射为相应符号，然后通过频域均衡器。其中，进行原始信道估计的频域均衡器的响应为常数。将均衡后的符号由串行转换成并行的形式，输入到IFFT模块中，得到并行的时域信号。将子载波上每个时域信号的后面部分信号复制添加到整个信号前面，即添加循环前缀。将添加循环前缀后的信号转换成串行信号，加载到任意波信号发生器上，添加直流偏置，通过LED发出。
接收端：用示波器采集光电二极管接收到的信号，进行离线处理。将采集到的信号进行同步处理，以便后续解调解码。将同步后的信号去掉循环前缀部分，并转换成并行形式，通过FFT模块，得到OFDM符号。采用单抽头的频域滤波器将解调的OFDM符号的幅度和相位进行均衡，再转换为串行数据形式。将串行数据解映射，得到输出的比特信息流。
在实际测量系统最大传输速率时，分为两部分进行：信道估计和速率测量。
进行信道估计时，发送端不需要频域均衡器，OFDM符号的映射方式为BPSK调制。通过信道估计得到信道状态信息，即每一个子载波所在频率的信噪比(SNR)。
进行测量速率时，首先需要根据信道估计得到的SNR曲线进行比特功率分配，为每个子载波分配调制阶数，即符号映射的阶数。同时，还要根据信噪比曲线设计频域均衡器，尽可能提高系统的传输速率。将通过系统得到的输出信号与输入信号比较，计算出响应速率和误码率，进而得出此时系统的最高传输速率。
为满足最高传输速率的要求，本发明分段频域均衡器的设计方法如下：
设系统子载波数为N，由信道估计获得的每个子载波的信噪比为
[s1，s2，…，si，…，sN]T∈RN×1
si为每个子载波的信噪比，i＝1，2，…N，N为向量空间维数(也就是子载波数)，R表示实数。
因而，信道响应系数为
h＝[h1，h2，…，hi，…，hN]T∈Rn×1
其中，hi为每个子载波的信道响应系数
期望经过频域均衡后获得的信道响应为
w＝h⊙e
其中w＝[w1，w2，…，wN]T，e＝[e1，e2，…，eN]T为前均衡器的频域响应，⊙表示两个向量的Hardmard积。从而有
由于前均衡器的功能与每个子载波的信号强度相关，实际系统中将其与功率分配相关联。频域均衡后，每个子载波的OFDM符号表示为
其中，pi为第i个子载波上分配的功率，为所有子载波的平均功率值。
频域均衡器的分段数由信噪比曲线的倾斜程度决定。通过一系列的实验验证，为了在可用带宽和频谱效率之间找到合适的平衡点，每个子载波的信噪比值在均衡前后不应有超过6dB的变化。假设采用k段频域均衡器，分段点的位置分别为c1，c2，…，ck。每段内的信号总功率在均衡前后保持不变，因此均衡后第i分段的信道增益值为
其中，Ai是第i个分段内的子载波数集合，|Ai|是集合Ai中的元素数。从而频域均衡后获得的信道响应w和均衡器的频率响应函数e可由此计算出。
在本发明的一个具体实施例中，搭建了点对点高速可见光通信系统，由Matlab生成的离散数据点通过任意波信号发生器转换成连续信号输出。直流稳压电源为DCO-OFDM信号提供直流偏置，Bias-Tee将直流和交流信号耦合，驱动LED灯。实验系统中采用白光LED灯进行实验，LED发出的光通过两个透镜聚焦在光电探测器上。在接收端，光信号经由光电探测器转换为电信号，经过隔直和放大输入示波器。由示波器采集的信号通过离线数据处理恢复比特序列，并与原始比特流对比计算误码率。本系统中，发射端与接收端距离为50厘米，通信使用带宽为160MHz。实验中测得的信噪比曲线如图2所示，其中(a)为原始信噪比曲线，(b)为采用分段均衡技术下的信噪比曲线。
基于上述点对点高速可见光通信系统的误码率-传输速率曲线如图3所示，对比不用分段频域均衡器、使用传统的全频域均衡器以及本发明分段频域均衡器三种情况下的系统传输速率。在误码率限为3.8×10-3情况下，三种情况的传输速率分别为720Mbps,810Mbps,以及860Mbps。可以看出，分段频域均衡技术可将系统通信速率提升19.4％，同时，本发明分段频域均衡技优于传统的全频域均衡技术。

Claims (6)

1.一种高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，其特征在于，通过信道估计得到每一个子载波所在频率的信噪比(SNR)，进而得到信噪比曲线，根据所述信噪比曲线进行比特功率分配，为每个子载波分配调制阶数，即符号映射的阶数，并根据信噪比曲线设计频域均衡器，其中频域均衡器的分段数由信噪比曲线的倾斜程度决定。
2.根据权利要求1所述高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，其特征在于，所述每个子载波的信噪比值在均衡前后的变化不超过6dB。
3.根据权利要求1所述高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，其特征在于，所述高速可见光通信系统包括：
发送端：输入的信息比特序列根据调制策略被映射为相应符号，然后通过频域均衡器实现频域均衡，将均衡后的符号由串行转换成并行的形式，进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到并行的时域信号，将子载波上每个时域信号添加循环前缀后转换成串行信号，加载到任意波信号发生器上，添加直流偏置，通过LED发出；
接收端：采集光电二极管接收到的信号，进行离线处理；先将采集到的信号进行同步处理，以便后续解调解码，将同步后的信号去掉循环前缀部分，并转换成并行形式，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到OFDM符号，采用单抽头的频域滤波器将解调的OFDM符号的幅度和相位进行均衡，再转换为串行数据形式，将串行数据解映射，得到输出的比特信息流。
4.根据权利要求3所述高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，其特征在于，所述调制策略为QAM调制，进行原始信道估计的频域均衡器的响应为常数，且进行信道估计时，发送端不需要频域均衡器，OFDM符号的映射方式为BPSK调制。
5.根据权利要求3所述高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，其特征在于，所述发送端将子载波上每个时域信号添加循环前缀是将子载波上每个时域信号的后面部分信号复制添加到整个信号前面。
6.根据权利要求1所述高速可见光通信系统中的分段频域前均衡方法，其特征在于，所述频域均衡器的分段数为k，分段点的位置分别为c1，c2，…，ck，每段内的信号总功率在均衡前后保持不变，则均衡后第i个分段的信道增益值为
其中，Ai是第i个分段内的子载波数集合，|Ai|是集合Ai中的元素数，hj为第j个子载波的信道响应系数。
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