CN110324266A - 一种自适应传输幅度位数压缩的ofdm可见光收发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法、系统、平台及存储介质。通过对系统误比特率(BER)的计算判断，提出本发明方案以满足在低SNR(信噪比)下实现高阶OFDM可见光通信，同时降低系统的峰均功率比(PAPR)。本发明以限幅法为原理基础，根据信道信号噪声比(SNR)的优劣情况选择不同密度的区间对时域OFDM信号进行幅度的位数压缩，以达到在实际环境低SNR的情况下满足高阶调制通信。并基于传统限幅法改进而来，计算复杂度低，能有效降低系统器件性能需求，满足实时可见光通信的需求，该方法可以显著提高高阶调制系统对低SNR的容忍程度，而且与传统方法相比，在实际系统中降低了对硬件电路的性能要求。

Description

一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM 可见光收发的方法、系统、平台及存储介质。
背景技术
正交频分复用技术(OFDM)是一种通信领域中的多载波调制方式，其将信号 分割为多个子信号，然后用这些分割的子信号分别去调制相互正交的子载波， 从而进行通信，这种通信方式的实现可以减小和消除码间串扰的影响来克服信 道的频率选择性衰落。由于子载波的频谱允许相互重叠而在接收端无失真还原， 因而可以实现更高的频谱利用率。而可见光通信系统(VLC，Visible Light Communication)由于兼备照明与通信功能、保密性好等优点，近年来成为室内 短距离无线传输的热门研究方向。OFDM与可见光通信的融合，是解决目前可见 光实时通信码率瓶颈的重要手段之一，因其相比普通的二元编码而言具有更高 的频带利用率和子载波携带比特数目，从而在有限的LED带宽内实现更高码率的通信。
在带宽有限的场景下，OFDM技术的应用存在许多优点，但不可避免地要面 对OFDM技术可能存在的峰均功率比(PAPR)过大的问题。由于合成的OFDM信号 经由多个独立的子载波信号叠加而成，在某些同相位点上叠加后信号可能产生 非常大的峰值功率，这大大提高了系统内部器件，例如ADC、DAC和功率放大器 等所需的线性范围，增加了系统不必要的资源消耗和可能出现的信道内干扰和 带外辐射。所以，关于尽可能降低PAPR是本应用领域研究的热点问题。
在实时处理的可见光通信中，由于LED发光功率的限制，实际系统的信噪 比(SNR)会相对较低，直接影响了ADC的输出有效位数，进而通过FFT后恶化 了在接收端解调的信号判决情况。
发明内容
针对以上信噪比(SNR)会相对较低，直接影响了ADC的输出有效位数，进 而通过FFT后恶化了在接收端解调的信号判决情况，本发明提供一种自适应传 输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法、系统、平台及存储介质，在降低系 统PAPR的同时，以低计算复杂度实现在较低SNR环境下的低误码高阶调制的可 见光通信，且降低系统对硬件性能的要求。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，所述的方法具体 包括如下步骤：
S1、在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射 后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅 度位数进行压缩；
S2、幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转 换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产 生相应光信号；
S3、经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP 滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
S4、对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后 QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判 断条件。
进一步地，于步骤S1中，设置有纠错限制阀值，若误码率超出前向纠错限 制阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算。
进一步地，于步骤S1中，还涉及幅度位数压缩算法，具体的计算函数为：
其中，ai、τi分别表示对第i个信号点进行修正的幅度、相位和时延。
进一步地，所述的幅度位数压缩算法对原信号以可变步进进行区间识别，可 变步进的值由期望有效位数决定，具体地运算公式如下：
L＝2(原有效位数-期望有效位数) (20)
其中，L为可变步进；
相应地，压缩区间范围[R0,Rmax]，其由DAC和ADC位宽N决定，具体运算 函数如下：
Rmax＝(1-τ)×(2N-1)，R0＝τ×(2N-1) (21)
其中，τ为性能保留余量，取值0～3％。
进一步地，所述的压缩区间范围，具体划分为：
[R0,R1]，[R1,R2]，…，[Rm,Rmax] (22)
其中，m＝2N/L；
相应地，对原信号值在同一个区间的信号进行对应区间映射，则映射值为 对应重组区间的区间中间幅度值，具体为：
其中，j＝0～m；
相应地，若信号经幅度修正后，通过冲击响应为sinc(πnT)的低通滤波器进 行滤波，可消除多余的带外干扰；具体信号修正、滤波后的输出可表示为：
进一步地，于步骤S2中，所述的DAC的输入数字信号格式为无符号型数据。
为实现上述目的，本发明还提供一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见 光收发的系统，所述的系统具体包括：
压缩单元，用于在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进 行QAM映射后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选 择合适的幅度位数进行压缩；
发射单元，用于幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC 进行数模转换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后 调制LED产生相应光信号；
接收单元，用于经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA 放大和LFP滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
输出分析单元，用于对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅 里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分 析，作为自适应判断条件。
进一步地，所述的压缩单元还包括：
判断模块，用于根据误码分析的结果自适应判断，若误码率超出前向纠错 限制阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算；
滤波模块，用于根据信号经幅度修正结果，通过冲击响应为sinc(πnT)的低 通滤波器进行滤波。
为实现上述目的，本发明还提供一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见 光收发的平台，具体包括：
处理器、存储器以及自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制 程序；
其中在所述的处理器执行所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发 平台控制程序，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序 被存储在所述存储器中，所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平 台控制程序，实现所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法步 骤。
为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读取存储介质，所述计算机 可读取存储介质存储有自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程 序，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序，实现所述 的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，
S1、在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射 后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅 度位数进行压缩；
S2、幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转 换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产 生相应光信号；
S3、经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP 滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
S4、对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后 QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判 断条件。
及相应地系统单元和模块：
压缩单元，用于在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进 行QAM映射后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选 择合适的幅度位数进行压缩；
发射单元，用于幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC 进行数模转换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后 调制LED产生相应光信号；
接收单元，用于经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA 放大和LFP滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
输出分析单元，用于对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅 里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分 析，作为自适应判断条件。
所述的压缩单元还包括：
判断模块，用于根据误码分析的结果自适应判断，若误码率超出前向纠错 限制阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算；
滤波模块，用于根据信号经幅度修正结果，通过冲击响应为sinc(πnT)的低 通滤波器进行滤波。
及相应地平台及存储介质；
可以在BER自适应判断系统的信噪比情况，利用高阶QAM的EVM偏差余量 对信号幅度进行合并重组，降低硬件性能需求的同时满足实时可见光通信；传 统的限幅法仅解决PAPR问题，同时带来系统的误码，与传统法相比，本发明在 解决部分PAPR的同时可实现在低SNR信道下的低误码高阶调制实时可见光通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的OFDM可见光通信系统框图；
图2是本发明方案下的幅度位数压缩算法的信号波形示意图；
图3是本发明方案下的幅度位数压缩算法的整体效果示意图；
图4是未使用本发明方案和使用本发明方案下的信号时域、频域图；
图5是未使用本发明方案和使用本发明方案25、30、40dB信噪比下的FFT 计算结果偏移示意图；
图6是未使用本发明方案和使用本发明方案50、60、70dB信噪比下的FFT 计算结果偏移示意图；
图7是26dB信噪比下未使用本发明方案的实际系统16QAM解调星座图；
图8是26dB信噪比下使用本发明方案的实际系统16QAM解调星座图；
图9为本发明一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法架构 流程示意图；
图10为本发明一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的系统架 构示意图；
图11为本发明一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的系统之 模块框架示意图；
图12为本发明一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的平台架 构示意图；
图13为本发明一种实施例中计算机可读取存储介质架构示意图；
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为便于更好的理解本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附 图和具体的实施方式对本发明作进一步说明，本领域技术人员可由本说明书所 揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。
本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项 细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、 前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各 部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方 向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、 “第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征 可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。其次，各个实施例之间的技术方案 可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方 案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在， 也不在本发明要求的保护范围之内。
优选地，本发明一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法应 用在一个或者多个终端或者服务器中。所述终端是一种能够按照事先设定或存 储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处 理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、 可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、数字处理器(Digital Signal Processor，DSP)、嵌入式设备等。
所述终端可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设 备。所述终端可以与客户通过键盘、鼠标、遥控器、触摸板或声控设备等方式 进行人机交互。
本发明为实现一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法、系 统、平台及存储介质。
如图9所示，是本发明实施例提供的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见 光收发的方法的流程图。
在本实施例中，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法， 可以应用于具备显示功能的终端或者固定终端中，所述终端并不限定于个人电 脑、智能手机、平板电脑、安装有摄像头的台式机或一体机等。
所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法也可以应用于由终 端和通过网络与所述终端进行连接的服务器所构成的硬件环境中。网络包括但 不限于：广域网、城域网或局域网。本发明实施例的自适应传输幅度位数压缩 的OFDM可见光收发的方法可以由服务器来执行，也可以由终端来执行，还可以 是由服务器和终端共同执行。
例如，对于需要进行自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的终端， 可以直接在终端上集成本发明的方法所提供的自适应传输幅度位数压缩的OFDM 可见光收发的功能，或者安装用于实现本发明的方法的客户端。再如，本发明 所提供的方法还可以软件开发工具包(Software Development Kit，SDK)的形 式运行在服务器等设备上，以SDK的形式提供自适应传输幅度位数压缩的OFDM 可见光收发的功能的接口，终端或其他设备通过所提供的接口即可实现自适应 传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的功能。
如图9所示，本发明提供了一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收 发的方法，所述方法具体包括如下步骤，根据不同的需求，该流程图中步骤的 顺序可以改变，某些步骤可以省略。
S1、在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射 后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅 度位数进行压缩；
S2、幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转 换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产 生相应光信号；
S3、经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP 滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
S4、对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后 QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判 断条件。
具体地，于步骤S1中，设置有纠错限制阀值，若误码率超出前向纠错限制 阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算。
也就是说，误码分析的自适应判断依据为当误码率超出前向纠错限制，即 BER>3.8×10-3时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算。
较佳地，于步骤S1中，还涉及幅度位数压缩算法，具体的计算函数为：
其中，ai、τi分别表示对第i个信号点进行修正的幅度、相位和时延；
进一步地，所述的幅度位数压缩算法对原信号以可变步进进行区间识别，可 变步进的值由期望有效位数决定，具体地运算公式如下：
L＝2(原有效位数-期望有效位数) (20)
其中，L为可变步进；
相应地，压缩区间范围[R0,Rmax]，其由DAC和ADC位宽N决定，具体运算 函数如下：
Rmax＝(1-τ)×(2N-1)，R0＝τ×(2N-1) (21)
其中，τ为性能保留余量，取值0～3％。
进一步地，所述的压缩区间范围，具体划分为：
[R0,R1]，[R1,R2]，…，[Rm,Rmax] (22)
其中，m＝2N/L；
相应地，对原信号值在同一个区间的信号进行对应区间映射，则映射值为 对应重组区间的区间中间幅度值，具体为：
其中，j＝0～m。
也就是说，在本发明实施例中，本发明方案提供一种自适应传输幅度位数 压缩的OFDM可见光收发装置，通过解调信号的误码率判断可见光传输链路的信 噪比。高信噪比时直接运算，低信噪比时启动算法，根据信噪比的大小对时域 OFDM信号进行不同位数幅度压缩，以提前处理在低信噪比时会被掩盖的有效位 数，让信号以压缩后的低位数在信道中传输，然后在接收端重新将信号的数据 点复原后再进行正常OFDM解调，以达到在信噪比较低的可见光链路中，实现比 直接传输时误码率更低的高阶调制通信。
幅度位数压缩算法的特征在于：算法对原IFFT输出信号s(t)以可变步长进 行区间扫描，具体地，L由期望有效位数决定：
L＝2(原有效位数-期望有效位数) (20)
压缩区间范围[R0,Rmax]由DAC和ADC位宽N决定，
Rmax＝(1-τ)×(2N-1)，R0＝τ×(2N-1) (21)
其中，τ为保留余量，设为0~～3％。
重组的具体区间划分为：
[R0,R1]，[R1,R2]，…，[Rm,Rmax] (22)
其中，m＝2N/L。
对原信号值在同一个区间的信号进行对应区间映射，映射值为对应重组区 间的区间中间幅度值：
其中，j＝0～m。
相应地，若信号经幅度修正后，通过冲击响应为sinc(πnT)的低通滤波器进 行滤波，可消除多余的带外干扰；具体信号修正、滤波后的输出可表示为：
压缩后的信号经过信道传输后，会在接收端FPGA进行逆运算，恢复值为原 所属压缩区间的中间幅度值。
具体地，步骤S1，如图1的串行数据流输入(1)、串并变换(2)、QAM映 射(3)、IFFT(4)、并串变换(5)、循环前缀(6)、幅度位数压缩(7)所示。 在发射端FPGA对高速串行数据流进行M:1串并变换，转换为低速并行数据流， 对并行数据进行QAM映射后作N点的快速傅里叶逆变换，根据误码分析(24) 的结果进行自适应判断(25)，选择合适的幅度位数进行压缩。
一般地，假设OFDM的子载波数目为N，对于单个OFDM符号信号，其xn可 表示为：
xn的信号功率为：
时域信号xn可能出现较高峰均功率比的情况，其幅度分布服从瑞利分布的 概率分布形式，表示为：
对于OFDM信号，其峰均功率比为：
图1中幅度位数压缩(7)算法的具体流程如下。算法对原IFFT输出信号 s(t)以可变步进L进行区间识别，L的值由期望有效位数决定：
L＝2(原有效位数-期望有效位数) (20)
压缩区间范围[R0,Rmax]由DAC和ADC位宽N决定：
Rmax＝(1-τ)×(2N-1)，R0＝τ×(2N-1) (21)
其中τ为保留余量，设为0～3％左右，让信号可整体缩小0～3％，使信号不 受硬件设计中的微小偏差而能够完整落入到AD和DA设定的处理范围，以防止 信号的削顶或削底。压缩的具体区间划分为
[R0,R1]，[R1,R2]，…，[Rm,Rmax] (22)
其中m＝2N/L。
对原信号值在同一个区间的信号进行对应区间映射，映射值为对应重组区 间的区间中间幅度值：
其中，j＝0～m。
重组后的信号经过信道传输后，会在接收端FPGA进行逆运算，恢复值为原 所属区间的中间幅度值。
幅度位数压缩算法的效果如图2和图3所示，算法执行后，原幅度范围 (1/Div)被匹配到新的幅度范围(D/Div)，从而达到压缩幅度的存储比特数， 降低了后续DAC、ADC器件的位数要求。同时解决了系统PAPR的问题。
本算法是预畸变处理的一种，与传统降低OFDM峰均功率比的限幅法作用类 似，都是通过改变信号的实际传输幅度来适应具体的通信环境。本算法和传统 限幅法都可以看成是OFDM信号与矩形函数的乘积，这是一个非线性处理的过程， 所以会造成一定程度的频带泄漏，其带外频谱取决于二者之间频带较大的一个， 也就是由矩形函数决定。本算法对整体的修正通过公式表示为：
其中，ai、τi分别表示对第i个信号点进行修正的幅度、相位和时延。若 信号经幅度修正后，通过冲击响应为sinc(πnT)的低通滤波器进行滤波(图1(8))， 可消除多余的带外干扰。这样，信号修正、滤波后的输出可表示为：
所以，为了尽可能减少带外频谱的影响，算法处理后可接入其他滚降系数 较小的非矩形窗函数低通滤波器，如汉明窗、高斯窗、凯撒窗等。
进一步地，于步骤S2中，所述的DAC的输入数字信号格式为无符号型数据，
也就是说，步骤S1中，DAC输入的数字信号格式为无符号型(unsigned) 数据，步骤S1与步骤S4的处理平台为FPGA/DSP，所处理的数据形式为数字信 号形式。
具体地，于步骤S2中，如图1的插入头部(9)、DAC(10)、LPF(11)、预 加重(12)、Bias-T(13)所示，幅度位数压缩后的OFDM信号加入头部，经由 FPGA输出至DAC进行数模转换，所得模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加 重电路和偏置电路后调制LED产生相应光信号。
于步骤S3中，如图1的TIA(14)、LPF(15)、ADC(16)所示，经空间传 输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP滤波后由ADC进行 模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
于步骤S4中，如图1的移除头部(17)、位数提取(18)、串并变换(19)、 FFT(20)、QAM恢复(21)，对接收的数字信号去除头部，然后进行串并变换后 经过快速傅里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信 号作BER分析，作为自适应判断条件。
对于QAM调制/待解调信号而言，信号序列可以表示为：
从上式看出，sk(t)为两个正交的振幅键控信号之和，式中，AI和AJ是可以 取多个离散值的变量，代表信号在I、Q方向的幅度值，其 中2d为欧氏距离，d表示为：
所以，第k个点单点出错的概率Pb(k)可表示为：
其中，M为QAM调制阶数，
k为星座图的第k点，Eb为信号功率，N0为噪声 功率，在本系统中对应为接收端的FFT输出信噪比。erfc(·)为补误差函数，其 为高斯函数的不定积分，表示为：
进一步，由公式(9)、(10)得系统的统计平均误码率Pb为：
由公式(9)、(11)可知，QAM解调结果出错概率与接收端FFT输出信噪比 的大小呈正相关。
以下为本方案可行性推导，首先，在数字信号处理的相关教材当中可知， FFT输出的信噪比SNR与运算有效位数存在正相关关系，推导关系如下：
当FFT的计算结果X(k)不出现上溢出的条件为：
其中N为FFT点数，如果加法容忍的动态范围为(-1,1)，则满足上式(12) 所需要的条件为：
假设，信号x(n)服从均匀分布，则当x(n)分布区间为(-1/N，1/N)时上式 (13)成立，此时信号的方差为：
则FFT输出的X(k)方差为：
在FFT的计算中，数据有效位数的存在带来了四舍五入的量化误差，该误 差会在FFT的每个阶段进行积累，误差分布服从的均匀分布， 其中b为FFT数据有效位数。故一次实数乘法带来的误差为：
一般而言，FFT中会将1/N的尺度变换平均分配到算法的每一阶段，每阶段 进行1/2的缩放，一共ν＝log2N个阶段，从而达到总体的缩放，以避 免FFT输出的结果溢出。具体而言，一次蝶形运算等价为4次实数乘法，阶段1 中4x(N/2)个量化误差的方差就会减少到原来的阶段2中的4x(N/4)的 方差就会减少到原来的所以FFT的整体量化误差为：
结合式(15)、(17)，得FFT输出的信噪比与有效位数b 的关系为：
此有效位数即为FFT数据位数，也即ADC输出数据的有效位数。在实际工 程中，不考虑谐波失真THD时，ADC转换的有效位数b与ADC输入端信号的幅 度信噪比SNR(信道信噪比，与上述FFT输出信噪比不同)之间存在以下关系：
所以，对于不经处理的系统，当ADC接收信号的信噪比SNRdB＝20dB，对应 b＝3bit，得出SNR|FFT＝-9dB；当SNR＝26dB时，对应b＝4bit，SNR|FFT＝-3dB； 当SNR＝38dB时，b＝6bit，SNR|FFT＝9dB；当SNR＝44dB时，b＝7bit，SNR|FFT＝15dB； 当SNR＝50dB时，b＝8bit，SNR|FFT＝21dB；当SNR＝56dB时，b＝9bit，SNR|FFT＝27dB。 系统不经处理时，在低SNR下是无法实现预想位数进行传输的，因此自适应压 缩位数的算法能提前对SNR进行判断，从而压缩实际所需的传输位数，减少系 统硬件资源。
在实际测量当中，当传输时造成的信噪比锐减，如通过可见光系统，所得 ADC接收端信噪比在20多个dB，经ADC量化和FFT计算后的解调信号信噪比低 于10dB，无法满足误码率需求，所以需要一个尽可能提高ADC接收端等效信噪 比的方法。
本方案实施中，对于满足随机序列的输入(以PRBS7为例)，其经过16QAM 和256-IFFT计算后的OFDM信号有效位数b＝12bit，对应IFFT模块输出信噪比 45dB，其形式为unsigned无符号型。对其进行幅度位数压缩算法后，以16/Div 进行压缩后其位数b＝8bit，对应公式(19)要求环境SNR在26dB以上即可在接 收端恢复为位数＝8bit的数据，对应SNR|FFT有21dB。若不经处理，在环境 SNR＝26dB时系统SNR|FFT只有-9dB，不能满足通信；所以，本系统这相当于压缩 原信号的幅度分布，以低bit位数承载信号，以对抗低SNR。
所以，QAM误码率(BER)作为对信道SNR优劣情况的间接反映，其结果可 作为自适应判断的条件。通过误码率大小判断到信道在SNR＝26dB～60dB范围时， 系统执行本算法方案，使平均误码率可保持在的水平，在判断信道 SNR大于60dB时，直接通信而不进行任何处理。达到从高信噪比到低信噪比的 全覆盖。
所以，本方案效果上相当于通过压缩信号的幅度位数的方式，降低收发端 DAC、ADC所需要的有效位数b，以满足低信噪比下的系统通信。
为验证本方案的位数压缩算法可行性和效果，使用maltlab对比有、无本 算法处理的FFT计算结果，模拟实际接收端对通过低信噪比环境后的处理，并 代入具体参数来描述本方案优点。其中，任意假设输入点数n＝12800的信号为 幅值范围在0～4095的随机码信号，采样频率为100Hz，采样点数为256点，图 4的左半部分代表信号直接通过信噪比为26dB的AWGN信道后进行FFT的时域、 频域图，右半部分代表信号通过区间重组合并算法后通过信噪比为26dB的AWGN 信道再进行FFT的时域、频域图。方案对比如图5、图6所示，在信噪比范围为 26～70dB的情况下，不做处理直接计算的FFT结果(AWGN)带来不同程度、由大到小依SNR差异而不同的结果失真度，而使用了本方案的FFT结果(QUA)保持 恒定且数值相对小的结果失真度。在信噪比为26dB～40dB时，系统不做处理的 结果偏差最为严重，偏移的数值大小足以使后续QAM解调产生错误判决，进而 导致误码急剧上升；在信噪比为40dB～60dB时，尽管直接计算的结果误差在10 以内，但相比本方案结果稍显偏大。通过matlab仿真，结果与预期基本一致， 在26dB-60dB信噪比时本方案优于直接计算，而在60dB以上(图6中SNR＝70dB) 本方案不如直接计算。
而在实际OFDM可见光通信应用中，图7与图8分别代表在SNR＝26dB的 情况下，有、无使用自适应幅度位数压缩的实时可见光通信系统的16QAM解调 星座图数据分布情况。可以看出，当系统判断到当前SNR较低导致BER急速上 升时，自适应系统应用幅度位数算法后可明显改善系统的星座图质量(图8)， 间接说明误码率得到对应改善。
由以上的matlab仿真和应用实例可以看出，本方案以低计算复杂度实现 在26～60dB的SNR环境下的高阶调制的可见光通信，且降低系统对硬件性能的 要求。
为实现上述目的，如图10所示，本发明还提供一种自适应传输幅度位数压 缩的OFDM可见光收发的系统，所述的系统包括：
压缩单元，用于在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进 行QAM映射后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选 择合适的幅度位数进行压缩；
发射单元，用于幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC 进行数模转换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后 调制LED产生相应光信号；
接收单元，用于经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA 放大和LFP滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
输出分析单元，用于对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅 里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分 析，作为自适应判断条件。
如图11所示，所述的压缩单元还包括：
判断模块，用于根据误码分析的结果自适应判断，若误码率超出前向纠错 限制阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算；
滤波模块，用于根据信号经幅度修正结果，通过冲击响应为sinc(πnT)的低 通滤波器进行滤波。
本发明还提出一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的平台，如 图12所示，包括：
处理器、存储器以及自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制 程序；
其中在所述的处理器执行所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发 平台控制程序，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序 被存储在所述存储器中，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台 控制程序，实现所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法步骤， 例如：
S1、在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射 后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅 度位数进行压缩；
S2、幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转 换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产 生相应光信号；
S3、经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP 滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
S4、对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后 QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判 断条件。
步骤具体细节已在上文阐述，此处不再赘述；
本发明实施例中，所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的平 台内置处理器，可以由集成电路组成，例如可以由单个封装的集成电路所组成， 也可以是由多个相同功能或不同功能封装的集成电路所组成，包括一个或者多 个中央处理器(CentralProcessing unit，CPU)、微处理器、数字处理芯片、 图形处理器及各种控制芯片的组合等。处理器利用各种接口和线路连接取各个 部件，通过运行或执行存储在存储器内的程序或者单元，以及调用存储在存储 器内的数据，以执行自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的各种功能和 处理数据；
存储器用于存储程序代码和各种数据，安装在自适应传输幅度位数压缩的 OFDM可见光收发的平台中，并在运行过程中实现高速、自动地完成程序或数据 的存取。
所述存储器包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，随机存储器(RandomAccess Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory， PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory， EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory， OTPROM)、电子擦除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory， CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或 存储数据的计算机可读的任何其他介质。
本发明还提出一种计算机可读取存储介质，如图13所示，所述计算机可读 取存储介质存储有自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序， 所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序，实现所述的自 适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法步骤，例如，
S1、在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射 后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅 度位数进行压缩；
S2、幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转 换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产 生相应光信号；
S3、经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP 滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
S4、对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判 断条件。
步骤具体细节已在上文阐述，此处不再赘述；
在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，流程图中或在此以其他方 式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现 特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本 发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺 序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能， 这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认 为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机 可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理 模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统) 使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计 算机可读取介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指 令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。 计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布 线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置， 以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读取介质甚至可以是可在 其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质 进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电 子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
通过本发明的方法步骤、系统、平台及存储介质，可以在BER自适应判断 系统的信噪比情况，利用高阶QAM的EVM偏差余量对信号幅度进行合并重组， 降低硬件性能需求的同时满足实时可见光通信；传统的限幅法仅解决PAPR问题， 同时带来系统的误码，与传统法相比，本发明在解决部分PAPR的同时可实现在 低SNR信道下的低误码高阶调制实时可见光通信。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。

Claims (10)

1.一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，其特征在于，所述的方法具体包括如下步骤：
S1、在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅度位数进行压缩；
S2、幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产生相应光信号；
S3、经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
S4、对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判断条件。
2.根据权利要求1所述的一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，其特征在于，于步骤S1中，设置有纠错限制阀值，若误码率超出前向纠错限制阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算。
3.根据权利要求1所述的一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，其特征在于，于步骤S1中，还涉及幅度位数压缩算法，具体的计算函数为：
其中，ai、τi分别表示对第i个信号点进行修正的幅度、相位和时延。
4.根据权利要求3所述的一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，其特征在于，所述的幅度位数压缩算法对原信号以可变步进进行区间识别，可变步进的值由期望有效位数决定，具体地运算公式如下：
L＝2(原有效位数-期望有效位数) (20)
其中，L为可变步进；
相应地，压缩区间范围[R0,Rmax]，其由DAC和ADC位宽N决定，具体运算函数如下：
Rmax＝(1-τ)×(2N-1)，R0＝τ×(2N-1) (21)
其中，τ为性能保留余量，取值0～3％。
5.根据权利要求4所述的一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，其特征在于，所述的压缩区间范围，具体划分为：
[R0,R1]，[R1,R2]，…，[Rm,Rmax] (22)
其中，m＝2N/L；
相应地，对原信号值在同一个区间的信号进行对应区间映射，则映射值为对应重组区间的区间中间幅度值，具体为：
其中，j＝0～m；
相应地，若信号经幅度修正后，通过冲击响应为sinc(πnT)的低通滤波器进行滤波，具体信号修正、滤波后的输出可表示为：
6.根据权利要求1所述的一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法，其特征在于，于步骤S2中，所述的DAC的输入数字信号格式为无符号型数据。
7.一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的系统，其特征在于，所述的系统具体包括：
压缩单元，用于在发射端FPGA对串行数据流进行串并变换，对并行数据进行QAM映射后作快速傅里叶逆变换，根据误码分析的情况进行自适应判断，选择合适的幅度位数进行压缩；
发射单元，用于幅度位数压缩后的OFDM信号加头部经由FPGA输出至DAC进行数模转换，模拟信号通过LPF滤除高频噪声，经预加重电路和偏置电路后调制LED产生相应光信号；
接收单元，用于经空间传输的光信号在接收端由PD进行光电转换，经TIA放大和LFP滤波后由ADC进行模数转换，数字信号进入接收端FPGA；
输出分析单元，用于对接收的数字信号去除头部，串并变换后经过快速傅里叶变换，然后QAM解调再转串行输出，同时对输出信号与输入信号作BER分析，作为自适应判断条件。
8.根据权利要求7所述的一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的系统，其特征在于，所述的压缩单元还包括：
判断模块，用于根据误码分析的结果自适应判断，若误码率超出前向纠错限制阀值时，执行幅度区间重组算法，否则直接计算；
滤波模块，用于根据信号经幅度修正结果，通过冲击响应为sinc(πnT)的低通滤波器进行滤波。
9.一种自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的平台，其特征在于，包括：
处理器、存储器以及自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序；
其中在所述的处理器执行所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序被存储在所述存储器中，所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序，实现如权利要求1至6中任一项所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法步骤。
10.一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质存储有自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序，所述自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发平台控制程序，实现如权利要求1至6中任一项所述的自适应传输幅度位数压缩的OFDM可见光收发的方法步骤。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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