CN111614400B - 一种用于室内vlc系统双间隔脉冲位置调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，所述方法包括：调制过程：先将原始信号映射成调制信号，再通过给调制信号添加两个帧头0110和0111进行同步传输信号，减少数据位的时隙个数；解调过程：接收端通过序列检测的方式正确识别作为同步信号的帧头，当检测到0110和0111串行信号时，还需验证检测到0110和0111是同步帧头还是误码，若验证0110和0111是同步帧头，再将数据位的调制信号解映射成原始信号。本发明在抗干扰性和带宽利用率方面对通信系统均有一定提升，从而改善室内可见光通信系统的通信效率。

Description

一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法

技术领域

本发明涉及可见光通信(Visible Light Communication，VLC)和数字信号调制解调技术领域，尤其涉及一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，在抗干扰性和带宽利用率方面对通信系统均有一定提升，有望改善室内可见光通信系统的通信效率。

背景技术

室内可见光通信(VLC)作为一种无线宽带接入方案，可实现照明和通信双重功能，且具有传输速率高，通信保密性好，以及无需授权许可的频谱资源。然而，作为新兴通信技术，在获得实际应用前还有一些问题亟待解决，例如，整个室内存在着太阳光以及人为制造的光源，这些光噪声对传输信号产生很大影响，需要适合可见光通信的调制解调技术降低其影响。可见光通信的调制解调技术的作用除了使信源信号利于信道传输外，另一作用就是降低信道中光噪声的影响，光强信号是非负信号，加性光噪声会使所有的传输信号的幅值变大，通过适用于室内VLC系统的调制解调技术降低光噪声对传输信号的影响，提高VLC系统的抗干扰性。

适用于室内VLC的调制解调方式中，开关键控调制(On-Off Keying,OOK)是最简单的调制方式，虽带宽利用率高，但抗干扰性最差；脉冲位置调制(Pulse PositionModulation,PPM)与OOK调制同属于二进制调制，抗扰性较高，但以牺牲带宽利用率为代价；色移键控调制(Color Shift Keying,CSK)虽具有较高的带宽利用率，但对RGB型LED的依赖性较强；离散多音调制(Discrete Multi-Tone,DMT)和正交频分复用调制(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)都属于多进制调制，带宽利用率高，抗干扰性强，传输速率高，多用于高速通信，其缺点是结构复杂，实现较困难。室内VLC系统对传输速率要求不高，但对抗干扰性和系统稳定性要求较高。因PPM调制及其衍生调制具有较高的抗干扰性，其调制系统较稳定，比其他调制方式更适用于室内VLC系统。

研究人员在PPM调制的基础上提出了差分脉冲位置调制(Differental PulsePosition Modulation，DPPM)、重叠脉冲位置调制(Overlapping Pulse PositionModulation，OPPM)、脉冲间隔调制(Pulse Interval Modulation，PIM)和多脉冲位置调制(Multi Pulse Position Modulation，MPPM)等调制方式，其中，DPPM、OPPM和PIM调制方式的一帧信息的时隙数并不固定，对同步和解调的影响很大，而MPPM调制的一帧信息的时隙数是固定的，有利于同步和解调，但MPPM调制会降低系统的抗干扰性。

发明内容

本发明提供了一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，本发明在PPM调制基础上，提出双间隔脉冲位置调制(Double Interval Pulse Position Modulation，DIPPM)方法，考虑到便于同步和解调的情况下，在抗干扰性和带宽利用率方面对通信系统均有一定提升，从而改善室内可见光通信系统的通信效率，详见下文描述：

一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，所述方法包括：

一、调制过程：

先将原始信号映射成调制信号，再通过给调制信号添加两个帧头0110和0111进行同步传输信号，减少数据位的时隙个数；

二、解调过程：

接收端通过序列检测的方式正确识别作为同步信号的帧头，当检测到0110和0111串行信号时，若0110和0111是同步帧头时，再将数据位的调制信号解映射成原始信号；

所述序列检测的方式具体为：

in表示序列检测的串行输入信号，S0～S7分别为序列检测的8个状态，out0表示序列检测到0111时会输出信号为1，out1表示序列检测到0110时会输出信号为1，当0110和0111的序列被检测到后，需验证其是否为同步帧头；

所述验证方法具体为：当检测到0110和0111序列后，将之后的四个时隙分别与0001、0010、0100和1000进行与运算，四个结果有且仅有一个高电平时隙时，则0110和0111为同步帧头，否则为误码。

所述给调制信号添加两个帧头0110和0111进行同步传输信号具体为：

在PPM调制的基础上，前2m-1个信息的数据位加帧头0110；后2m-1个信息的数据位加帧头0111。

所述原始信号为000～111，发射端将其调制成0110_0001～0111_1000。

进一步地，所述方法还包括：

当接收端检测到out0输出为1时，且检测到的0111为同步帧头，之后的数据位时隙0001～1000会解调出原始信号100～111；

当接收端检测到out1输出为1时，且检测到的0110为同步帧头，之后的数据位时隙0001～1000会解调出原始信号000～011，从而恢复出原始信息。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明提出的添加帧头的方法可最大限度提高传输信号的抗干扰性；

2、本发明通过给调制信号添加两个帧头来减少数据位的时隙个数，从而提高传输信号的带宽利用率；

3、本发明通过序列检测方式来检测帧头信号，更准确地识别出传输信号，便于数据位解映射出原始信号；

4、本发明通过验证识别的帧头序列是否为同步帧头，避免将误码信息当作数据位信息；

5、本发明提出的DIPPM调制相比于MPPM调制明显提高了系统的抗干扰性，相比于PPM调制明显提高了系统的带宽利用率。

附图说明

图1为DIPPM调制的映射图；

图2为序列检测模块的状态转移图；

图3为同步帧头验证方法图；

图4为DIPPM调制的解映射图；

图5为三种调制方式的误时隙率与信噪比的关系图；

表1为当m＝3时原始数据与一帧传输信息的对应关系表；

表2为三种调制方式m值与数据传输效率的关系表。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：调制过程：

先将原始信号映射成调制信号，再通过给调制信号添加两个帧头(0110和0111)进行同步传输信号，这样可以减少数据位的时隙个数；

102：解调过程：

接收端通过序列检测的方式正确识别作为同步信号的帧头，当检测到0110和0111串行信号时，还需要验证检测到0110和0111是同步帧头还是误码，若验证0110和0111是同步帧头，再将数据位的调制信号解映射成原始信号。

103：PPM调制和MPPM调制均利于进行同步和解调。

将本发明的DIPPM调制与两种调制方式进行调制和解调设计，通过三者的对比分析，来说明DIPPM调制在抗干扰性和带宽利用率方面的性能提升。

实施例2

为了保证在通信时接收端能够准确地识别出一帧的起始位置，PPM调制及其衍生调制给每帧数据位的起始位置加帧头作为同步信号，而添加帧头的原则为：假设一帧信息的数据位中含有相连高电平时隙数最多为x个，则添加帧头的第一个时隙为低电平，之后需要相连的高电平时隙个数为x+1个，接收端检测到所添加的帧头时才能读取一帧信息中数据位信息。

PPM调制的每帧信息的数据位不存在相连高电平时隙，其帧头为011；MPPM调制的每帧信息的数据位存在两个相连高电平时隙，其帧头为0111。PPM调制的每帧信息的数据位只有一个高电平时隙，虽抗干扰性较高，但带宽利用率较低。MPPM调制是通过增加每帧信息数据位的高电平时隙个数来提高带宽利用率，但这样会降低抗干扰性。

本发明实施例通过给每帧信息添加两种帧头的方式来减少数据位的时隙个数，提出了DIPPM调制。DIPPM调制的帧头是在PPM调制的基础上，前2m-1个信息的数据位加帧头0110；后2m-1个信息的数据位加帧头0111，这样就可以使数据位的时隙个数减半。

举例来说明，当原始数据为3比特时，三种调制的一帧信息的映射关系如表1。一帧传输信息中包括起同步作用的帧头信息和代表原始信息的数据位信息。

DIPPM调制的过程如图1所示，原始信号为000～111，发射端会将其调制成0110_0001～0111_1000。

接收端的序列检测需要正确识别作为同步信号的帧头，当检测到0110和0111串行信号时则识别出了帧头，识别帧头模块需要用到序列检测设计，设计的状态转移图如图2所示。图2中，in表示序列检测模块的串行输入信号，S0～S7分别为序列检测的8个状态，out0表示序列检测到0111时会输出信号为1，out1表示序列检测到0110时会输出信号为1，当0110和0111序列被检测出来之后，还需要验证其是否同步帧头。

当检测到0110和0111时，还需要验证其是否同步帧头还是误码。如图3所示，当检测到0110和0111时，将其之后的四个时隙分别与0001、0010、0100和1000进行与运算，四个结果有且仅有一个高电平时隙时，则0110和0111为同步帧头，否则为误码。识别并验证出同步帧头后，需要将帧头后的带有原始数据信息的数据位进行解调。

DIPPM解调的过程如图4所示，当接收端检测到out0输出为1时，且检测到的0111为同步帧头，之后的数据位时隙0001～1000会解调出原始信号100～111；当接收端检测到out1输出为1时，且检测到的0110为同步帧头，之后的数据位时隙0001～1000会解调出原始信号000～011。从而恢复出原始信息。

实施例3

性能分析：

1、抗干扰性分析

当原始信号的时隙个数m分别为3、4、5和6时，三种调制方式的总误时隙率和信噪比的关系如图5所示。由图可知，当信噪比相同时，PPM调制的误时隙率较低，DIPPM调制的误时隙率次之，MPPM调制的误时隙率较高。DIPPM调制的抗干扰性处于PPM调制和MPPM调制之间。同时，分析三种调制的m值对误时隙率的影响，随着m值的增大，三种调制方式的误时隙率都是呈下降趋势的，抗干扰性越强。

2、带宽利用率分析

针对带宽利用率来对PPM、MPPM和DIPPM三种调制进行对比分析。假设可见光通信系统中信息传输速率是稳定的，相同时间内传输的时隙数是固定的，三种调制系统在相同时间内传输相同的时隙数，其总时隙携带原始信息量越多，说明其带宽利用率越大。传输一帧信息时，可将其原始信息的时隙数与传输信息的时隙数的比值称为数据传输效率，记作γ。三种调制的数据传输效率分别为：

由此可见，原始信息的m值对数据传输效率影响很大，需要分析m值对三种调制的信息传输效率的影响，计算出三种调制在不同m值的情况下的数据传输效率，并分析出数据传输效率最大时的m值。

由表2可以看出，PPM调制在m取值为3时，数据传输效率最大，为0.273，之后呈递减趋势；MPPM调制在m取值为5时，数据传输效率最大，为0.385，两侧呈递减趋势；DIPPM调制在m取值为3时，数据传输效率最大，为0.375，之后呈递减趋势。DIPPM调制相比于PPM调制的带宽利用率大大提高，但与MPPM调制有一定差距。

表1为当m＝3时原始数据与一帧传输信息的对应关系

表2为三种调制方式m值与数据传输效率的关系

综上所述，本发明通过给每帧信息添加两种帧头的方式来减少数据位的时隙个数，提出用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，解决了类PPM调制存在难于同步和解调以及在带宽利用率和抗干扰性方面的问题，在充分考虑到便于同步和解调的情况下，将DIPPM调制与PPM调制和MPPM调制进行对比分析，DIPPM调制相比于MPPM调制明显提高了系统的抗干扰性，DIPPM调制相比于PPM调制明显提高了系统的带宽利用率。因此，新提出的DIPPM调制在抗干扰性和带宽利用率方面对系统均有一定提升，有望改善室内可见光通信系统的通信效率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，其特征在于，所述方法包括：

一、调制过程：

先将原始信号映射成调制信号，再通过给调制信号添加两个帧头0110和0111进行同步传输信号，减少数据位的时隙个数；

二、解调过程：

接收端通过序列检测的方式正确识别作为同步信号的帧头，当检测到0110和0111串行信号时，若0110和0111是同步帧头时，再将数据位的调制信号解映射成原始信号；

所述序列检测的方式具体为：

in表示序列检测的串行输入信号，S0～S7分别为序列检测的8个状态，out0表示序列检测到0111时会输出信号为1，out1表示序列检测到0110时会输出信号为1，当0110和0111的序列被检测到后，需验证其是否为同步帧头；

所述验证方法具体为：当检测到0110和0111序列后，将之后的四个时隙分别与0001、0010、0100和1000进行与运算，四个结果有且仅有一个高电平时隙时，则0110和0111为同步帧头，否则为误码。

2.根据权利要求1所述的一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，其特征在于，所述给调制信号添加两个帧头0110和0111进行同步传输信号具体为：

在PPM调制的基础上，前2m-1个信息的数据位加帧头0110；后2m-1个信息的数据位加帧头0111，m为时隙个数。

3.根据权利要求1所述的一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，其特征在于，所述原始信号为000～111，发射端将其调制成0110_0001～0111_1000。

4.根据权利要求1所述的一种用于室内VLC系统双间隔脉冲位置调制解调方法，其特征在于，所述方法还包括：

当接收端检测到out0输出为1时，且检测到的0111为同步帧头，之后的数据位时隙0001～1000会解调出原始信号100～111；

当接收端检测到out1输出为1时，且检测到的0110为同步帧头，之后的数据位时隙0001～1000会解调出原始信号000～011，从而恢复出原始信息。

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