CN111371497B

CN111371497B - 一种有记忆的量化误差预均衡补偿系统和方法

Info

Publication number: CN111371497B
Application number: CN202010205972.XA
Authority: CN
Inventors: 迟楠; 牛文清
Original assignee: Zhuhai Fudan Innovation Research Institute
Current assignee: Zhuhai Fudan Innovation Research Institute
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111371497A

Abstract

本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种有记忆的量化误差预均衡补偿系统和方法。本发明系统包括依次连接QAM映射模块、加权LUT预失真模块、上采样模块、I/Q分离模块、成型滤波模块、Delta‑sigma调制模块；本发明将Delta‑sigma调制器用于CAP系统中，通过提高采样率，使量化噪声扩散，降低带内量化噪声；通过噪声整形，使带内噪声转移到带外，对由发射端DAC精度不足引起的量化误差进行补偿；通过加权LUT对Delta‑sigma调制的量化过程进行优化，通过引入记忆性，提升在非线性条件下量化误差预均衡补偿的性能；经过加权LUT预失真和Delta‑sigma调制，得到DSM‑CAP信号经过低通滤波器滤除带外量化噪声，系统复杂度较低。

Description

一种有记忆的量化误差预均衡补偿系统和方法

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种应用于可见光通信中的CAP信号量化误差预均衡补偿系统和方法。

背景技术

可见光通信(VLC)是一种利用LED的快速响应特性实现高速数据传输的新型绿色信息技术。该技术利用LED作为光源，在不影响正常照明的前提下，可使照明设备具有“无线路由器”、“通信基站”、“网络接入点”等功能，且具有无电磁辐射、安全性好、可用带宽高等优点。可见光通信作为一种照明和光通信结合的新型通信模式将推动下一代照明和接入网的融合发展和技术进步，已成为国内外竞争的焦点和制高点。无论在国家战略层面，还是其潜在的广泛应用领域和巨大的市场规模上，可见光通信的发展都具有重大意义。

无载波幅度相位调制(CAP)作为一种高频谱效率幅度调制，已经被实验证明是一种非常适用于可见光通信系统的调制方式。尤其高阶CAP可以大幅提升频谱效率。然而，由于经过上变频成型滤波器实数化，CAP信号幅度在时域的取值是连续的，而不是少数的固定的离散值。而发射端的模数转换器(DAC)存在量化精度限制，这意味着在发射端产生的CAP信号存在量化误差，从而带来误码率的增加，这对于可见光通信系统中信号的高质量传输是不利的。

通过过采样和Delta-sigma调制(DSM)噪声整形，可以将带内的量化噪声转移到带外，并在接收端通过低通滤波器将带外的量化噪声滤除，同时实现解调。而可见光通信系统本身由于存在带宽限制，其频谱呈现低通特性。本发明提出可以通过delta-sigma调制对CAP信号量化；同时，可见光通信系统存在非线性，量化电平的取值实际上应考虑信号的符号模式(pattern)，因此引入加权查找表(LUT)进行预均衡补偿，以实现最终降低量化噪声的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可降低量化噪声的有记忆的量化误差预均衡补偿系统方法，应用于可见光CAP通信系统中，可以将时域幅度连续的CAP信号量化为少数电平信号，降低对发射端信号发生器精度的要求。

本发明提出的降低CAP系统量化噪声的有记忆的量化误差预均衡补偿系统，其结构如图1所示，由QAM映射模块、加权LUT预失真模块、上采样模块、I/Q分离模块、成型滤波模块、Delta-sigma调制模块依次连接组成；其中：

所述QAM映射模块，对原始数字逻辑信号进行2^N阶QAM编码，得到复数信号；

所述加权LUT预失真模块，根据连续相邻符号的模式，通过建立的查找表对信号进行预失真；

所述上采样模块，对信号进行上采样操作，得到频域上复制的信号；

所述I/Q分离模块，对复数信号进行I/Q分离，分别得到其实部信号作为同向I路，虚部信号作为正交Q路；

所述成型滤波模块，用于对频域上实现复制的信号进行成型滤波，I路与Q路分别使用一对满足希尔伯特变换对特性的成型滤波器滤波，滤波后的正交信号相减得到预失真的CAP信号；

所述Delta-sigma调制模块，通过Delta-sigma调制将CAP信号量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的信号。

本发明中，所述QAM映射模块，其对原始二进制比特信号进行2N阶QAM映射，同传统CAP调制系统中信号的一般处理过程，这里不做过多阐述。

本发明中，所述加权LUT模块，可以分为两个部分：查找表生成和路由加权LUT；

首先，符号序列X(k-N:k:k+N)包含从CAP数据中提取的特定模式(pattern)，模式的长度为2N+1。每个模式都有一个特定的地址，即输出索引i；使用滑动窗口选择2N+1符号；相应地，Y(k-N:k:k+N)是具有相同索引i的可与发送数据比较的接收信号；中间符号的振幅校正定义为e(k)：

e(k)＝Y(k)-X(k)

e(k)被放置在相应的地址i中。当滑动窗口向前移动时，校正每个模式的中间符号的幅度，并将幅度误差存储在相应的地址中；在计算所有符号时，得到每个符号的幅度误差平均值E(k)，并最终存储；

其次，可以通过在发送器侧找到生成的加权LUT来预失真所发送的数据x(k)；对于一定的N，根据加权LUT索引i，信号可以相应地预失真为x'(k)：

x'(k)＝x(k)-E(k)×w，

其中，w是该系统中使用的权重。

本发明中，所述上采样模块，其对信号进行上采样操作过程，同传统CAP调制系统中信号的一般处理过程，我们不做过多阐述，经过这一步操作，原始的基带信号会在频谱上进行复制，得到频域上复制的信号。

本发明中，所述I/Q分离模块，用于对QAM映射模块得到的复数信号进行I/Q分离，分别得到其实部信号作为同向I路，虚部信号作为正交Q路；I/Q调制的主要优点是：既方便两路信号的整合处理，也利于将两路信号实部、虚部分开为独立部分处理，增加了系统的灵活性。

本发明中，所述成型滤波模块，用于对频域上实现复制的信号进行成型滤波；其中，I路与Q路分别使用一对满足希尔伯特变换对特性的成型滤波器滤波，滤波后的两路信号是一组正交信号，因此相减得到预失真的CAP信号。

本发明中，所述Delta-sigma调制模块，用于对CAP信号进行量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的信号；其中，Delta-sigma调制模块为由一个积分器、一个ADC和一个DAC组成的闭环反馈系统。其等效模型如图2所示；输出Y可以表示为：

Y(z)＝STF(z)X(z)+NTF(z)Q(z)

其中，STF(z)为信号传递函数，NTF(z)为噪声传递函数；设

其中b_i为增益系数，则：

以一阶Delta-sigma调制器为例，

相应的STF和NTF分别为：

可以看到，STF为一个单位延迟，对信号没有放大作用；NTF是高通传递函数，量化噪声低频部分被衰减，高频部分被抬升，起到了噪声整形的效果；由于信号经过上采样，带内的量化噪声可以被转移到带外，得到噪声整形后的DSM-CAP信号；并且由于可见光通信系统信道显示出低通特性，在接收时带外的量化噪声可以被滤除。

基于上述系统进行有记忆的量化误差预均衡补偿方法，具体步骤为：

步骤101：对原始数字逻辑信号进行2^N阶QAM编码，得到复数信号；

步骤102：根据连续相邻符号的模式，建立的查找表(LUT)，对步骤101得到的信号进行加权LUT预失真；

步骤103：对步骤102产生的信号进行上采样操作；

步骤104：对复数信号进行I/Q分离；

步骤105：对步骤104得到的信号进行成型滤波；

步骤106：通过Delta-sigma调制模块，对CAP信号进行量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的DSM-CAP信号。

由上述本发明提供的调制系统和调制方法可以看出，本发明通过有记忆的量化误差预均衡补偿方法，具有以下优越性：

(1)首次将Delta-sigma调制器用于无载波幅度相位调制(CAP)系统中，通过提高采样率，使量化噪声扩散，从而降低带内量化噪声；通过噪声整形，使带内噪声转移到带外，可以对由发射端DAC精度不足引起的量化误差进行补偿；

(2)通过加权LUT对Delta-sigma调制的量化过程进行优化，通过引入记忆性，考虑信号符号模式(pattern)的影响，提升在非线性条件下量化误差预均衡补偿的性能；

(3)经过加权LUT预失真和Delta-sigma调制后，得到DSM-CAP信号经过低通滤波器即可滤除带外量化噪声，而可见光通信系统本身呈现低通特性，系统复杂度较低。

本发明适用于短距离、高速可见光通信领域，尤其适合时域信号幅度取值连续的CAP系统，提供了发射端DAC精度不足情况下实现高阶传输的解决方案。

附图说明

图1本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿系统图示。

图2本发明使用的Delta-sigma调制器的模型图。

图3本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法得到的DSM-CAP信号与传统CAP信号频谱对比图。

图4本发明在可见光通信仿真信道中的应用示意图。

图5本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法在CAP64系统中经过Delta-sigma调制前后以及接收时域信号对比。

图6本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法在CAP64系统中误码性能随信噪比变化研究。

图7本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法在CAP64系统中误码性能随带宽变化研究。

图中标号：101为QAM映射模块，102为加权LUT预失真模块，103为上采样模块，104为I/Q分离模块，105为成型滤波器模块，106为Delta-sigma调制模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明提供的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，通过Delta-sigma调制降低量化误差，通过加权LUT优化Delta-sigma调制量化过程，该方法应用于可见光CAP通信系统中，可以在低发射DAC精度情况下实现高阶传输。

本发明提出的降低CAP系统量化噪声的有记忆的量化误差预均衡补偿系统示意图如图1所示，由QAM映射模块、加权LUT预失真模块、上采样模块、I/Q分离模块、成型滤波器模块、Delta-sigma调制模块构成。

基于上述系统的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，其具体步骤为：

这是传统CAP调制系统中信号的一般处理过程，我们不做过多阐述，本发明中，仿真实例系统设计的调制阶数为：64QAM。

步骤102：根据连续相邻符号的模式，通过建立的查找表，对步骤101得到信号进行加权LUT预失真；

加权LUT可以分为两个步骤：查找表生成和路由加权LUT；

首先，设符号序列X(k-N:k:k+N)包含从CAP数据中提取的特定模式，模式的长度为2N+1。每个模式都有一个特定的地址，即输出索引i；使用滑动窗口选择2N+1符号；相应地，Y(k-N:k:k+N)是具有相同索引i的可与发送数据比较的接收信号；中间符号的振幅校正定义为e(k)：

e(k)＝Y(k)-X(k)，

其次，可以通过在发送器侧找到生成的加权LUT来预失真所发送的数据x(k)；对于一定的N，根据加权LUT索引i，信号可以相应地预失真为x'(k)。

x'(k)＝x(k)-E(k)×w，

其中，w是该系统中使用的权重。本发明中，仿真实例使用的N等于3，w等于0.6。

步骤103：对步骤102产生的信号进行上采样操作；

上采样的过程是传统CAP调制系统中信号的一般处理过程，我们不做过多阐述，经过这一步操作，原始的基带信号会在频谱上进行复制，得到频域上复制的信号。

步骤104：对复数信号进行I/Q分离；

得到的复数信号进行实部与虚部I/Q分离，分别得到其实部信号作为同向I路，虚部信号作为正交Q路；I/Q调制的主要优点是：既方便两路信号的整合处理，也利于将两路信号实部、虚部分开为独立部分处理，增加了系统的灵活性。

步骤105：对步骤104得到的信号进行成型滤波；

其中，I路与Q路分别使用一对满足希尔伯特变换对特性的成型滤波器滤波，滤波后的两路信号是一组正交信号，因此相减得到预失真的CAP信号。

具体而言，上采样后的成型滤波满足如下关系式：

f₁(t)＝g(t)*cos(2πfct)，

f₂(t)＝g(t)*sin(2πfct)，

其中，a(t)与b(t)分别代表同向I路与正交Q路的信号；g(t)是基带平方根升余弦奈奎斯特滤波器；f₁(t)与f₂(t)分别代表I路同向成型滤波器时域响应与Q路正交成型滤波器时域响应，f₁(t)与f₂(t)构成一个希尔伯特变换对；经过滤波之后的两路信号是正交关系，所以通过一个相减操作，可以实现CAP信号s(t)的生成。

步骤106：通过Delta-sigma调制器，对CAP信号进行量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的DSM-CAP信号；

其中，N位量化器的量化阶：

q＝1/2^N；

量化的有限精度导致的量化噪声可以表示为：

噪声谱密度：

可见，量化噪声的谱密度与量化阶数和过采样率有关，当量化阶数增大时，量化阶减小，量化精度提高，噪声谱密度降低；当采样倍数提高时，由于量化噪声分布变广，噪声谱密度降低。本发明中，所述Delta-sigma调制仿真实例的量化阶数取4(即16量化电平)，步骤103中上采样倍数取8。

其中，Delta-sigma调制器为由一个积分器、一个ADC和一个DAC组成的闭环反馈系统。其等效模型如图2所示；输出Y可以表示为：

Y(z)＝STF(z)X(z)+NTF(z)Q(z)

其中STF(z)为信号传递函数，NTF(z)为噪声传递函数；设

其中b_i为增益系数，则：

本发明中，仿真实例以一阶Delta-sigma调制器为例，

相应的STF和NTF分别为：

经过步骤106得到的DSM-CAP信号与传统CAP信号频谱对比图如图2所示，可以看出，经过Delta-sigma调制后，信号的高频部分翘起，量化噪声通过噪声整形被转移到带外。

至此，对于CAP系统记忆的量化误差预均衡补偿过程结束。

下面进一步介绍本发明提出的记忆的量化误差预均衡补偿方法在可见光CAP仿真信道中的验证步骤与验证结果。可见光通信仿真信道的原理框架图如图4所示，具体步骤如下：

首先，我们使用拟合的AM响应曲线仿真可见光信道的非线性。本实例中AM响应曲线表达式为：y＝(1.259x-0.6373x²)/0.6218；其次，使用指数函数仿真可见光信道的高频衰落效应H；最后，引入信噪比为SNR的加性高斯白噪声(AWGN)。在接收端，经过一个低通滤波器，将带外噪声滤除，然后送入信号恢复解调处理。

图5CAP64信号经过Delta-sigma调制前后以及接收时域信号对比。红色为CAP64信号，蓝色为Delta-sigma调制后信号，绿色为接收信号。可以看到，经过Delta-sigma调制后，电平数取值连续的CAP信号被量化。经过可见光仿真信道传输后和低通滤波后，接收信号与原CAP信号基本相符。

图6是本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法在CAP64系统中误码性能随信噪比变化研究曲线图。编号61和62分别表示仅经过4bit量化Delta-sigma调制误码性能曲线与经过加权LUT预失真和4bit量化Delta-sigma调制的误码性能随信噪比变化的曲线；编号63和64分别表示直接4bit量化CAP64的误码性能随信噪比变化的曲线和经过加权LUT预失真的4bit量化CAP64误码性能随信噪比变化的曲线。从图中可以看出，随着信噪比提高，各曲线误码率呈现降低趋势；对比编号61和63，比起直接量化经过Delta-sigma调制量化误码率明显降低；对比编号61和62，比起仅使用Delta-sigma调制，经过加权LUT优化后误码率可以进一步降低；对比编号61、62和64，本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法性能最好，在低信噪比情况下尤其明显。

图7是本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法在CAP64系统中误码性能随带宽变化研究。需要注意的是，这里的带宽仅作为仿真系统中参考的相对值，因此不具有实际单位。编号71和72分别表示仅经过4bit量化Delta-sigma调制误码性能曲线与经过加权LUT预失真和4bit量化Delta-sigma调制的误码性能随带宽变化的曲线；编号73和74分别表示直接4bit量化CAP64的误码性能随信噪比变化的曲线和经过加权LUT预失真的4bit量化CAP64误码性能随带宽变化的曲线。从图中可以看出，随着带宽提高，由于可见光仿真信道的高频衰落效应，各曲线误码率升高。对比编号71和73，比起直接量化经过Delta-sigma调制量化误码率明显降低；对比编号71和72，比起仅使用Delta-sigma调制，经过加权LUT优化后误码率可以进一步降低；对比编号71、72、74，本发明提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法的误码率最低，性能最好。

更直观地，图7右侧给出了带宽等于50时对应的星座图。A、B分别为经过4bit量化Delta-sigma调制的信号和直接4bit量化的CAP信号；C、D分别为经过加权LUT预失真和4bit量化Delta-sigma调制的信号和经过加权LUT预失真的4bit量化CAP信号。可以看出，总体上经过Delta-sigma调制后星座点更加清晰；经过加权LUT预失真后信号的非线性失真可以得到补偿。

综上所述，通过多个维度仿真分析对比，本实施方式说明了相较于对CAP直接量化，所提出的有记忆的量化误差预均衡补偿方法在可见光CAP通信系统中可以有效降低量化误差，在低精度发射端DAC的条件下，可以实现高阶传输。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种有记忆的量化误差预均衡补偿系统，可应用于可见光CAP通信系统中，其特征在于，由QAM映射模块、加权LUT预失真模块、上采样模块、I/Q分离模块、成型滤波模块、Delta-sigma调制模块依次连接组成；其中：

所述I/Q分离模块，对复数信号进行I/Q分离，分别得到实部信号作为同向I路，虚部信号作为正交Q路；

所述成型滤波模块，用于对频域上实现复制的信号进行成型滤波，I路与Q路分别使用一对满足希尔伯特变换对特性的成型滤波器滤波，滤波后的正交信号相减得到CAP信号；

所述Delta-sigma调制模块，通过Delta-sigma调制将CAP信号量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的DSM-CAP信号；

所述加权LUT预失真模块包括两个部分：查找表生成和路由加权LUT；

首先，符号序列包含从CAP数据中提取的特定模式，模式的长度为2N+1；每个模式都有一个特定的地址，即输出索引i；使用滑动窗口选择2N+1符号；相应地，是具有相同索引i的可与发送数据比较的接收信号；中间符号的振幅校正定义为：

e(k)＝Y(k)-X(k)

e(k)被放置在相应的地址i中；当滑动窗口向前移动时，校正每个模式的中间符号的幅度，并将幅度误差存储在相应的地址中；在计算所有符号时，得到每个符号的幅度误差平均值E(k)，并最终存储；

其次，通过在发送器侧找到生成的加权LUT来预失真所发送的数据x(k)；对于一定的N，根据加权LUT索引i，信号相应地预失真为x'(k)：

x'(k)＝x(k)-E(k)×w

其中，w是该系统中使用的权重。

2.根据权利要求1所述的有记忆的量化误差预均衡补偿系统，其特征在于，上采样后的成型滤波满足如下关系式：

f₁(t)＝g(t)*cos(2πf_ct)，

f₂(t)＝g(t)*sin(2πf_ct)，

其中，a(t)与b(t)分别代表同向I路与正交Q路的信号；g(t)是基带平方根升余弦奈奎斯特滤波器；f₁(t)与f₂(t)分别代表I路同向成型滤波器时域响应与Q路正交成型滤波器时域响应，f₁(t)与f₂(t)构成一个希尔伯特变换对；经过滤波之后的两路信号是正交关系，所以通过一个相减操作，实现CAP信号s(t)的生成。

3.根据权利要求1所述的有记忆的量化误差预均衡补偿系统，其特征在于，所述Delta-sigma调制模块，用于对CAP信号进行量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的信号；其中，Delta-sigma调制器为由一个积分器、一个ADC和一个DAC组成的闭环反馈系统；输出Y表示为：

Y(z)＝STF(z)X(z)+NTF(z)Q(z)，

其中，STF(z)为信号传递函数，NTF(z)为噪声传递函数；设

其中b_i为增益系数，则：

由于信号经过上采样，通过噪声传递函数带内的量化噪声被转移到带外，得到量化误差预均衡后的DSM-CAP信号。

4.一种基于权利要求1所述系统的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤102：根据连续相邻符号的模式，建立的查找表LUT，对步骤101得到的信号进行加权LUT预失真；

步骤103：对步骤102产生的信号进行上采样操作；

步骤104：对复数信号进行I/Q分离；

步骤105：对步骤104得到的信号进行成型滤波；

步骤106：通过Delta-sigma调制器，对CAP信号进行量化，并对量化噪声进行噪声整形，得到量化误差预均衡后的DSM-CAP信号。

5.根据权利要求4所述的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，其特征在于，步骤102中所述的加权LUT预失真，其中加权LUT分为两个步骤：查找表生成和路由加权LUT；

首先，设符号序列X(k-N:k:k+N)包含从CAP数据中提取的特定模式，模式的长度为2N+1；每个模式都有一个特定的地址，即输出索引i，使用滑动窗口选择2N+1符号；相应地，Y(k-N:k:k+N)是具有相同索引i的可与发送数据比较的接收信号；中间符号的振幅校正定义为e(k)：

e(k)＝Y(k)-X(k)

x'(k)＝x(k)-E(k)×w

其中，w是该系统中使用的权重。

6.根据权利要求4所述的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，其特征在于，步骤105中所述对信号进行成型滤波，是对I路与Q路分别使用一对满足希尔伯特变换对特性的成型滤波器滤波，滤波后的两路信号是一组正交信号，因此相减得到预失真的CAP信号。

7.根据权利要求6所述的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，其特征在于，上采样后的成型滤波满足如下关系式：

f₁(t)＝g(t)*cos(2πf_ct)，

f₂(t)＝g(t)*sin(2πf_ct)，

8.根据权利要求4所述的有记忆的量化误差预均衡补偿方法，其特征在于，步骤106中所述通过Delta-sigma调制器对CAP信号进行量化，其中，Delta-sigma调制器为由一个积分器、一个ADC和一个DAC组成的闭环反馈系统；输出Y表示为：

Y(z)＝STF(z)X(z)+NTF(z)Q(z)

其中，STF(z)为信号传递函数，NTF(z)为噪声传递函数；设

其中b_i为增益系数，则：

由于信号经过上采样，通过噪声传递函数带内的量化噪声被转移到带外，得到量化噪声均衡后的DSM-CAP信号。