CN113193913A - 一种基于mppm及自适应偏置的可见光通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法，可见光通信系统包括通过VLC光信道连接的发射端和接收端；发射端包括依次连接的数据分配器、MPPM调制器、融合自适应偏置技术调制器、数据加载器、数模转换器及LED，同时数据分配器还通过MPPM调制器与数据加载器连接；接收端包括依次连接的光电转换器、模数转换器、MPPM解调器、融合自适应偏置技术解调器及数据结合器，同时模数转换器还经过MPPM解调器与数据结合器连接。通过在自适应偏置技术调制器中将ACO‑OFDM信号叠加倒置的PAM‑DMT信号并且引入自适应偏置，能够降低接收端信号解调的复杂度，还能够利用信号不对称性完整地传输信息；同时在融合自适应偏置技术降低了系统的复杂度，增加了频谱利用率。

Description

一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法，属于无线光通信技术领域。
背景技术
随着LED的使用，使用IM/DD(强度调制直接检测)的VLC(可见光通信)是一种前景很好的室内照明和高速数据传输的两用技术。LED有限的调制带宽限制了可见光通信的传输速率，解决方法是采用频谱效率高、调制效果好的OFDM(正交频分复用)技术。OFDM技术以其频谱效率高、灵活多址、抗多径干扰能力强、实现复杂度低等优点，在VLC系统中得到了广泛应用；并且，以ACO-OFDM(非对称限幅光正交频分复用)为基础，产生了新的高谱效的混合调制技术：将ACO-OFDM和PAM-DMT(脉冲幅度调制-离散多音频)结合起来的HACO-OFDM(混合非对称限幅光正交频分复用)，但这种技术的缺点在于发射端为了确保信号的非负性，会对信号进行裁剪，进而产生裁剪噪声，接收端对信号进行解调的时候需要去噪过程，增加了系统的复杂度。
进一步，想要同时实现照明和通信两种功能，VLC使用的调制技术必须是调光兼容的。调光技术最直接的实现方法是模拟调光，通过直接控制输入到LED的电流强度来调整亮度水平，但这种调光方式容易导致色度偏移。常用的另一种方式是数字调制，可以更精准地控制调光，而且能够减少色度偏移；并且数字调光技术通过简单地调节占空比，就能实现多级的照明亮度调节。
对于OFDM技术与调光技术的结合，现有技术中提出了使用MPPM(多脉冲位置调制)进行调光控制，并且能够通过MPPM传输部分信息来提高数据传输速率。专利CN108366031A公开了一种结合MPPM调光控制的反极性多脉冲位置调制光OFDM系统，将MPPM和RPO-OFDM技术进行结合，利用MPPM模式携带的额外比特在带宽不变的前提下提升了数据传输速率；但该专利的中针对ACO-OFDM、DCO-OFDM一些传统的可见光通信技术设计，导致其频谱利用率偏低，而且该专利在接收端对MPPM信号的解调过程比较复杂，不适合实际中应用推广。
专利CN112511238A中公开了一种基于IM/DD的自适应偏置分层光OFDM方法，利用将信号分为多层，并且引入自适应偏置的方式传输信息，虽然增加了系统的频谱利用率以及降低了系统复杂度，但是该发明中并未涉及调光控制并且同时利用调光控制技术传输信息，并且将信号分为多层，随着层数的增加发射端的设备复杂度也会增加，在实际应用推广中欠缺优势。
因此，在保证数据高速率传输的条件下，如何通过调光控制和OFDM技术的结合实现更高的频谱利用率，并降低解调过程的复杂度，是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有的可见光通信调制技术中，难以在保证数据高速率传输的条件下，实现调光控制同时提高频谱利用率，并降低解调过程的复杂度的问题，本发明提出了一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法。
根据本发明的一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法，采用多脉冲位置调制(MPPM)进行调光控制，同时利用MPPM符号传输部分信息，另一部分信息通过融合自适应偏置技术调制进行传输，不仅带来高效的频谱利用率，还明显降低了系统的复杂度，并且在接收端对MPPM符号解调采用直接检测，使得MPPM符号解调过程简易化，因此本发明提出的可见光通信系统及方法不仅做到兼容调光控制，还明显增加了数据传输速率，提高了频谱利用率，降低了系统复杂度。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统，其特征在于：所述可见光通信系统包括发射端和接收端，发射端与接收端通过VLC光信道连接；
发射端包括：数据分配器、MPPM调制器、融合自适应偏置技术调制器、数据加载器、数模转换器及LED；其中，数据分配器、融合自适应偏置技术调制器、数据加载器、数模转换器及LED依次连接，同时数据分配器还通过MPPM调制器与数据加载器连接；
接收端包括：光电转换器、模数转换器、MPPM解调器、融合自适应偏置技术解调器及数据结合器；其中，光电转换器、模数转换器、融合自适应偏置技术解调器及数据结合器依次连接，同时模数转换器还经过MPPM解调器与数据结合器连接。
根据本发明的系统，在发射端，数据分配器对原始数据D进行计算并划分为数据D1和数据D2；数据D1由MPPM调制器进行调制，得到信号sMPPM；数据D2由融合自适应偏置技术调制器进行调制，融合自适应偏置技术调制器将数据D2中通过调制奇数子载波传输的部分形成ACO-OFDM信号，将数据D2中通过调制偶数子载波虚部传输的部分形成PAM-DMT信号，将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号叠加，并引入自适应偏置，确保信号的非负性，输出信号SAB。
根据本发明的系统，在发射端，数据加载器将数据D2调制后的信号SAB加载到由数据D1调制后的信号sMPPM的“ON”和“OFF”两个时隙中，得到混合信号sH，并实现MPPM调光控制。
根据本发明的系统，在接收端，融合自适应偏置技术解调器还包括PAM解调器和QAM解调器；发射端的混合信号sH经数模转换器转换并传输到接收端，由模数转换器转换成混合信号s'H，融合自适应偏置技术解调器对混合信号s'H进行解调的过程如下：
混合信号s'H经过傅里叶变换，得到PAM信号和QAM信号，同时输出PAM信号和QAM信号，PAM信号经过PAM解调器，得到解调后的PAM-DMT信号，QAM信号经过QAM解调器，得到解调后的ACO-OFDM信号；将解调后的PAM-DMT信号S1和解调后ACO-OFDM信号S2叠加得到解调信号S'AB。
本发明提供一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信方法，根据本发明的方法能够应用于本发明的基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统的发射端，具体而言，根据本发明的可见光通信方法在发射端的信号调制步骤如下：
步骤一：在发射端，原始数据D被传输至数据分配器，并由数据分配器计算之后分为数据D1和数据D2两部分，数据D1被传输至MPPM调制器进行调制，得到信号sMPPM；数据D2被传输至融合自适应偏置技术调制器进行调制，得到信号SAB；
步骤二，数据加载器将数据D2调制后的信号SAB加载到由数据D1调制后的信号sMPPM的“ON”和“OFF”两个时隙中，得到混合信号sH，完成MPPM调光控制；
步骤三，混合信号sH被传输至数模转换器，并通过数模转换器转换为驱动LED发光的模拟信号；
步骤四，模拟信号驱动LED发光，并转换为光信号，光信号经过VLC光信道传输至接收端。
根据本发明的上述方法，融合自适应偏置技术调制器对数据D2进行调制的步骤为：融合自适应偏置技术调制器将数据D2中通过调制奇数子载波传输的部分形成ACO-OFDM信号，并将数据D2中通过调制偶数子载波虚部传输的部分形成PAM-DMT信号，将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号叠加，并引入自适应偏置，确保信号的非负性，输出信号SAB。
根据本发明的上述方法，可选地，完成MPPM调光控制的步骤二还包括：
当信号sMPPM为“ON”时隙时，即sMPPM＝1时，混合信号sH由IH与倒置的信号sAB叠加得到；
当信号sMPPM为“OFF”时隙时，即sMPPM＝0时，混合信号sH由IL与信号sAB叠加得到；
sH的表达式为：
Figure BDA0003040279400000041
式中，IH和IL分别为LED线性范围内的额定最大电流和最小电流。
本发明还提供了一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信方法，所述方法能够应用于根据本发明的可见光通信系统的接收端，具体而言，所述方法在接收端的信号解调步骤如下：
步骤一：接收端的光电转换器接收到经过VLC光信道传输的光信号，并由光电转换器转换为电信号，电信号被传输至模数转换器，并由模数转换器转换为接收端的混合信号s'H；
步骤二，混合信号s'H被传输至MPPM解调器，解调出信号S'MPPM，同时混合信号s'H被传输至融合自适应偏置技术的解调器，解调出信号S'AB；
步骤六，数据结合器将解调出的信号S'MPPM和信号S'AB结合，恢复出原始数据D′。
根据本发明的上述方法，在接收端，MPPM解调器从混合信号s'H中解调出信号S'MPPM的步骤如下：
当信号sMPPM为“OFF”时隙时，即sMPPM＝0时，混合信号s'H的能量为
Figure BDA0003040279400000043
当信号sMPPM为“ON”时隙时，即sMPPM＝1时，混合信号s'H的能量为
Figure BDA0003040279400000044
式中，P为融合自适应偏置技术调制器调制的信号sAB的能量，σ2为VLC光信道中的噪声的能量，IH和IL分别为LED线性范围内的额定最大电流和最小电流；
信号S'MPPM根据决策阈值W判断得到：当
Figure BDA0003040279400000045
大于等于决策阈值W时，S'MPPM＝1；当
Figure BDA0003040279400000046
小于等于决策阈值W时，S'MPPM＝0；
其中，决策阈值
Figure BDA0003040279400000042
信号S'MPPM解调的表达式为：
Figure BDA0003040279400000051
根据本发明的可见光通信方法，在接收端，混合信号s'H经过融合自适应偏置技术解调器解调得到解调信号S'AB的步骤如下：
混合信号s'H经过傅里叶变换，得到PAM信号和QAM信号，同时输出PAM信号和QAM信号，PAM信号经过PAM解调器，得到解调后的PAM-DMT信号S1，QAM信号所述QAM解调器，得到解调后的ACO-OFDM信号S2；将解调后的PAM-DMT信号S1和解调后ACO-OFDM信号S2叠加得到解调信号S'AB。
根据本发明的可见光通信系统及方法，可选地，一帧原始数据D含有a个MPPM调制器的MPPM信号和b个融合自适应偏置技术调制器的调制信号，由MPPM调制器调制的数据D1的长度为a×BMPPM，其中
Figure BDA0003040279400000052
是每一个MPPM信号所携带的比特数，n为MPPM信号的时隙数，w为MPPM信号的光脉冲数，
Figure BDA0003040279400000053
代表小于或等于x的最大整数。由融合自适应偏置技术调制器调制的数据D2长度为b×BAB，其中BAB是每一个融合自适应偏置技术调制器调制的信号所携带的比特数；通过调节w来调节MPPM信号的占空比，达到需要的不同照明亮度。
可选地，MPPM调制器将原始数据D1进行编码映射，对于时隙数为n，光脉冲数为w的MPPM信号，存在着
Figure BDA0003040279400000054
种模式，将L个二进制信号调制为MPPM信号，需要满足
Figure BDA0003040279400000055
数据D1选择相应的n,w,L，生成调制信号sMPPM；融合自适应偏置技术调制器对原始数据D2进行调制，得到信号sAB，信号sMPPM与信号sAB长度是一致的，即：a×n×p＝b×N，其中，p为每个时隙的采样点数，N为融合自适应偏置技术调制的子载波数量。
根据本发明的可见光通信系统及方法，可选地，在融合自适应偏置技术调制器中，对于奇数子载波，数据D2根据厄米特对称进行映射，形成ACO-OFDM信号，其频域形式表示为：
Figure BDA0003040279400000056
式中：N是子载波的数量，Qi代表正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)信号；对于偶数子载波，数据D2根据厄米特对称进行映射，形成PAM-DMT信号，频域形式表示为：
Figure BDA0003040279400000061
式中：N是子载波数量，Pi代表脉冲幅度调制(Pulse amplitude modulation，PAM)信号；X和Y经过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，得到时域信号xn和时域信号yn，时域信号xn代表未削幅的ACO-ODFM时域信号，时域信号yn代表未削幅的PAM-DMT时域信号。
根据本发明的可见光通信系统及方法，时域信号xn和时域信号yn具有以下特性：
Figure BDA0003040279400000062
Figure BDA0003040279400000063
将未削幅的ACO-OFDM时域信号xn与倒置的未削幅的PAM-DMT时域信号yn叠加，引入自适应偏置bn，得到融合自适应偏置技术调制器调制的信号SAB：
sAB＝xn-yn+bn,n＝0,1,…,N-1
根据本发明的可见光通信系统及方法，为保证融合自适应偏置技术调制器产生的噪声不对信号解调产生影响并满足信号的非负性，bn满足以下条件：
bn≥-(xn-yn),n＝0,1,…,N-1
Figure BDA0003040279400000064
本发明有益效果是：
本发明提出的基于MPPM调光控制及融合自适应偏置的可见光通信方法，同时利用MPPM技术和融合自适应偏置技术调制传输信息，通过增加MPPM符号传输部分数据以及融合自适应偏置技术调制传输部分数据，能够显著提高数据传输速率，并且融合自适应偏置技术调制器对数据的调制采用ACO-OFDM和PAM-DMT两种技术联合调制，能够提高频谱利用率，同时采用自适应偏置技术，由于引入自适应偏置所产生的噪声不对信号解调产生干扰，能够降低接收端对信号进行解调的复杂度。
与传统的HACO-OFDM技术相比，根据本发明的可见光通信方法中通过采用自适应偏置技术，并且对融合自适应偏置技术调制器进行设计，将数据分别调制成ACO-OFDM信号和PAM-DMT信号，将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号叠加，并采用自适应偏置确保信号的非负性，得到输出信号sAB。
根据本发明的方案在融合自适应偏置技术调制器的调制过程中无需对信号进行裁剪，直接采用自适应偏置来确保信号的非负性，并且接收端不会生成裁剪噪声，这样在信号解调过程中无需重构裁剪噪声并且省去了对裁剪噪声进行去噪的过程，接收端不用对信号进行去噪，使得接收端对信号解调的复杂度进一步降低。
进一步，由于发射端给ACO-OFDM信号与PAM-DMT信号的能量不同，本发明的融合自适应偏置技术调制器将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号进行叠加之后的信号是不对称的，从而在接收端解调信号的时候可以获得完整的信号，不会有信息的损失；并且，将ACO-OFDM信号叠加倒置的PAM-DMT信号并且引入自适应偏置，不仅可以降低系统复杂度，还可以利用信号不对称性完整地传输信息；同时在融合自适应偏置技术调制的同时，通过调光控制技术也调制传输部分信息，增加了频谱利用率。
此外，融合自适应偏置技术调制器将数据分别调制成ACO-OFDM信号和PAM-DMT信号，并将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号叠加，从而包含信号sAB的混合信号sH传输至接收端进行解调时，信号sAB中的ACO-OFDM信号和PAM-DMT信号可以独立解调出，信号的解调不受影响；并且接收端MPPM解调器对于信号的解调采用决策阈值直接判断得到MPPM信号的方法，也简化了MPPM信号的解调过程，能够使得接收端对信号解调的复杂度降低。
本发明的技术方案只需设置融合自适应偏置技术调制器和解调器，并通过在融合自适应偏置技术调制器和解调器中进行上述设计，即可完成数据传输并同时完成调光控制，方法实施简单，并且能够在数据高速率传输的情况下，同时做到调光控制、提高频谱利用率并且能降低系统复杂度，非常便于实际应用及推广。
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是根据本发明实施例的可见光通信系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的可见光通信方法的简易流程图。
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实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法。
结合图1和图2所示，根据本发明的可见光通信系统及方法的具体技术方案如下：
一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统，包括：发射端和接收端，发射端与接收端通过VLC光信道连接；其中：
发射端包括：数据分配器、MPPM调制器、融合自适应偏置技术调制器、数据加载器、数模转换器及LED；其中，数据分配器、融合自适应偏置技术调制器、数据加载器、数模转换器及LED依次连接，同时数据分配器还通过MPPM调制器与数据加载器连接；
接收端包括：光电转换器、模数转换器、MPPM解调器、融合自适应偏置技术解调器及数据结合器；其中，光电转换器、模数转换器、融合自适应偏置技术解调器及数据结合器依次连接，同时模数转换器还经过MPPM解调器与数据结合器连接。
根据本实施例的系统，在发射端，数据分配器对原始数据D进行计算并划分为数据D1和数据D2；数据D1由MPPM调制器进行调制，得到信号sMPPM；数据D2由融合自适应偏置技术调制器进行调制：融合自适应偏置技术调制器将数据D2中通过调制奇数子载波传输的部分形成ACO-OFDM信号，将数据D2中通过调制偶数子载波虚部传输的部分形成PAM-DMT信号，将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号叠加，并引入自适应偏置，确保信号的非负性，输出信号SAB。
根据本实施例的系统，在发射端，数据加载器将数据D2调制后的信号SAB加载到由数据D1调制后的信号sMPPM的“ON”和“OFF”两个时隙中，得到混合信号sH，并实现MPPM调光控制。
根据本实施例的系统，在接收端，融合自适应偏置技术解调器还包括PAM解调器和QAM解调器；发射端的混合信号sH经数模转换器转换并传输到接收端，由模数转换器转换成混合信号s'H，融合自适应偏置技术解调器对混合信号s'H进行解调的过程如下：
混合信号s'H经过傅里叶变换，得到PAM信号和QAM信号，同时输出PAM信号和QAM信号，PAM信号经过PAM解调器，得到解调后的PAM-DMT信号S1，QAM信号经过QAM解调器，得到解调后的ACO-OFDM信号S2；将解调后的PAM-DMT信号S1和解调后ACO-OFDM信号S2叠加得到解调信号S'AB。
本发明还提供一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信方法，根据本发明的方法能够应用于本发明的基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统的发射端，具体而言，根据本发明的可见光通信方法在发射端的信号调制步骤如下：
步骤一：在发射端，原始数据D被传输至数据分配器，并由数据分配器计算之后分为数据D1和数据D2两部分，数据D1被传输至MPPM调制器进行调制，得到信号sMPPM；数据D2被传输至融合自适应偏置技术调制器进行调制，得到信号SAB；
步骤二，数据加载器将数据D2调制后的信号SAB加载到由数据D1调制后的信号sMPPM的“ON”和“OFF”两个时隙中，得到混合信号sH，完成MPPM调光控制；
步骤三，混合信号sH被传输至数模转换器，并通过数模转换器转换为驱动LED发光的模拟信号；
步骤四，模拟信号驱动LED发光，并转换为光信号，光信号经过VLC光信道传输至接收端。
根据本实施例的可见光通信方法，在发射端，融合自适应偏置技术调制器对数据D2进行调制的步骤为：融合自适应偏置技术调制器将数据D2中通过调制奇数子载波传输的部分形成ACO-OFDM信号，并将数据D2中通过调制偶数子载波虚部传输的部分形成PAM-DMT信号，将ACO-OFDM信号和倒置的PAM-DMT信号叠加，并引入自适应偏置，确保信号的非负性，输出信号SAB。
根据本实施例的可见光通信方法，在发射端完成MPPM调光控制的步骤二还包括：
当信号sMPPM为“ON”时隙时，即sMPPM＝1时，混合信号sH由IH与倒置的信号sAB叠加得到；
当信号sMPPM为“OFF”时隙时，即sMPPM＝0时，混合信号sH由IL与信号sAB叠加得到；
sH的表达式为：
Figure BDA0003040279400000091
式中，IH和IL分别为LED线性范围内的额定最大电流和最小电流。
本实施例还提供一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信方法，所述方法能够应用于根据本发明的可见光通信系统的接收端，具体而言，所述方法在接收端的信号解调步骤如下：
步骤一：接收端的光电转换器接收到经过VLC光信道传输的光信号，并由光电转换器转换为电信号，电信号被传输至模数转换器，并由模数转换器转换为接收端的混合信号s'H；
步骤二，混合信号s'H被传输至MPPM解调器，解调出信号S'MPPM，同时混合信号s'H被传输至融合自适应偏置技术的解调器，解调出信号S'AB；
步骤六，数据结合器将解调出的信号S'MPPM和信号S'AB结合，恢复出原始数据D′。
根据本实施例的可见光通信方法，在接收端，MPPM解调器从混合信号s'H中解调出信号S'MPPM的步骤如下：
当信号sMPPM为“OFF”时隙时，即sMPPM＝0时，混合信号s'H的能量为
Figure BDA0003040279400000101
当信号sMPPM为“ON”时隙时，即sMPPM＝1时，混合信号s'H的能量为
Figure BDA0003040279400000102
式中，P为融合自适应偏置技术调制器调制的信号sAB的能量，σ2为VLC光信道中的噪声的能量，IH和IL分别为LED线性范围内的额定最大电流和最小电流；
信号S'MPPM根据决策阈值W判断得到：当
Figure BDA0003040279400000103
大于等于决策阈值W时，S'MPPM＝1；当
Figure BDA0003040279400000104
小于等于决策阈值W时，S'MPPM＝0；
其中，决策阈值
Figure BDA0003040279400000105
信号S'MPPM解调的表达式为：
Figure BDA0003040279400000106
根据本实施例的可见光通信方法，在接收端，混合信号s'H经过融合自适应偏置技术解调器解调得到解调信号S'AB的步骤如下：
混合信号s'H经过傅里叶变换，得到PAM信号和QAM信号，同时输出PAM信号和QAM信号，经过并串转换，PAM信号经过PAM解调器，得到解调后的PAM-DMT信号S1，QAM信号经过QAM解调器，得到解调后的ACO-OFDM信号S2；将解调后的PAM-DMT信号S1和解调后ACO-OFDM信号S2叠加得到解调信号S'AB。
根据本实施例的可见光通信系统及方法，一帧原始数据D含有a个MPPM调制器的MPPM信号和b个融合自适应偏置技术调制器的调制信号，由MPPM调制器调制的数据D1的长度为a×BMPPM，其中
Figure BDA0003040279400000111
是每一个MPPM信号所携带的比特数，n为MPPM信号的时隙数，w为MPPM信号的光脉冲数，
Figure BDA0003040279400000112
代表小于或等于x的最大整数。由融合自适应偏置技术调制器调制的数据D2长度为b×BAB，其中BAB是每一个融合自适应偏置技术调制器调制的信号所携带的比特数；通过调节w来调节MPPM信号的占空比，达到需要的不同照明亮度。
MPPM调制器将原始数据D1进行编码映射，对于时隙数为n，光脉冲数为w的MPPM信号，存在着
Figure BDA0003040279400000113
种模式，将L个二进制信号调制为MPPM信号，需要满足
Figure BDA0003040279400000114
数据D1选择相应的n,w,L，生成调制信号sMPPM；融合自适应偏置技术调制器对原始数据D2进行调制，得到信号sAB，信号sMPPM与信号sAB长度是一致的，即：a×n×p＝b×N，其中，p为每个时隙的采样点数，N为融合自适应偏置技术调制的子载波数量。
根据本实施例的可见光通信系统及方法，在融合自适应偏置技术调制器中，对于奇数子载波，数据D2根据厄米特对称进行映射，形成ACO-OFDM信号，其频域形式表示为：
Figure BDA0003040279400000115
式中：N是子载波的数量，Qi代表正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)信号；对于偶数子载波，数据D2根据厄米特对称进行映射，形成PAM-DMT信号，频域形式表示为：
Figure BDA0003040279400000116
式中：N是子载波数量，Pi代表脉冲幅度调制(Pulse amplitude modulation，PAM)信号；X和Y经过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，得到时域信号xn和时域信号yn，时域信号xn代表未削幅的ACO-ODFM时域信号，时域信号yn代表未削幅的PAM-DMT时域信号。
根据本实施例的可见光通信系统及方法，时域信号xn和时域信号yn具有以下特性：
Figure BDA0003040279400000117
Figure BDA0003040279400000121
将未削幅的ACO-OFDM时域信号xn与倒置的未削幅的PAM-DMT时域信号yn叠加，引入自适应偏置bn，得到融合自适应偏置技术调制器调制的信号SAB：
sAB＝xn-yn+bn,n＝0,1,…,N-1
根据本实施例的可见光通信系统及方法，为保证融合自适应偏置技术调制器产生的噪声不对信号解调产生影响并满足信号的非负性，bn满足以下条件：
bn≥-(xn-yn),n＝0,1,…,N-1
Figure BDA0003040279400000122
下面为根据本发明的可见光通信系统及方法，采用自适应偏置产生的噪声不对信号解调产生影响的证明过程：
Figure BDA0003040279400000123
式中：Bk为bn的傅里叶变换。当k为偶数时，e-jπk＝1，当k为奇数时，e-jπk＝-1，故可以得到下式：
Figure BDA0003040279400000124
式中，
Figure BDA0003040279400000125
从上式可以看出，自适应偏置bn产生的噪声对奇数子载波没有造成影响，即对ACO-OFDM信号解调没有影响，会对偶数子载波的实部有影响，但是PAM-DMT信号仅仅对偶数子载波的虚部进行调制，所以对PAM-DMT信号解调也是没有造成影响。因此，自适应偏置bn产生的噪声，对接收端信号检测和解调都是没有造成影响。
本发明的基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统及方法，其技术方案只需设置融合自适应偏置技术调制器和解调器，并通过在自适应偏置技术调制器中将ACO-OFDM信号叠加倒置的PAM-DMT信号并且引入自适应偏置，不仅能够降低系统复杂度，还可以利用信号不对称性完整地传输信息；同时在融合自适应偏置技术调制的同时，通过调光控制技术也调制传输部分信息，增加了频谱利用率。本发明的可见光通信系统及方法实施简单，并且能够在数据高速率传输的情况下，同时做到调光控制、提高频谱利用率并且能降低系统复杂度，非常便于实际应用及推广。
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 (10)

1.一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信系统，其特征在于：所述可见光通信系统包括发射端和接收端，所述发射端与所述接收端通过VLC光信道连接；
发射端包括：数据分配器、MPPM调制器、融合自适应偏置技术调制器、数据加载器、数模转换器及LED；其中，所述数据分配器、所述融合自适应偏置技术调制器、所述数据加载器、所述数模转换器及所述LED依次连接；同时，所述数据分配器还通过所述MPPM调制器与所述数据加载器连接；
接收端包括：光电转换器、模数转换器、MPPM解调器、融合自适应偏置技术解调器及数据结合器；其中，所述光电转换器、所述模数转换器、所述融合自适应偏置技术解调器及所述数据结合器依次连接；同时，所述模数转换器还通过所述MPPM解调器与所述数据结合器连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述发射端，所述数据分配器对原始数据D进行计算并划分为数据D1和数据D2；
所述数据D1由所述MPPM调制器进行调制，得到信号sMPPM；所述数据D2由所述融合自适应偏置技术调制器进行调制：所述融合自适应偏置技术调制器将所述数据D2中通过调制奇数子载波传输的部分形成ACO-OFDM信号，将所述数据D2中通过调制偶数子载波虚部传输的部分形成PAM-DMT信号，将所述ACO-OFDM信号和倒置的所述PAM-DMT信号叠加，并引入自适应偏置，确保信号的非负性，输出信号SAB。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述发射端，所述数据加载器将所述数据D2调制后的所述信号SAB加载到由所述数据D1调制后的所述信号sMPPM的“ON”和“OFF”两个时隙中，得到混合信号sH，并实现MPPM调光控制。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述接收端，所述融合自适应偏置技术解调器还包括PAM解调器和QAM解调器；所述发射端的混合信号sH经数模转换器转换并传输到接收端，由所述模数转换器转换成混合信号s'H，所述融合自适应偏置技术解调器对所述混合信号s′H进行解调的过程如下：
所述混合信号s′H经过傅里叶变换，得到PAM信号和QAM信号，同时输出所述PAM信号和所述QAM信号，所述PAM信号经过所述PAM解调器，得到解调后的PAM-DMT信号S1，所述QAM信号经过所述QAM解调器，得到解调后的ACO-OFDM信号S2；并将解调后的所述PAM-DMT信号S1和解调后的所述ACO-OFDM信号S2叠加得到解调信号S'AB。
5.一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信方法，所述方法应用于根据权利要求1-4所述的系统的发射端，其特征在于，所述方法的步骤为：
步骤一：原始数据D被传输至数据分配器，并由数据分配器计算之后分为数据D1和数据D2，所述数据D1被传输至MPPM调制器进行调制，得到信号sMPPM；所述数据D2被传输至融合自适应偏置技术调制器进行调制，得到信号SAB；
步骤二，数据加载器将所述数据D2调制后的所述信号SAB加载到由所述数据D1调制后的所述信号sMPPM的“ON”和“OFF”两个时隙中，得到混合信号sH，完成MPPM调光控制；
步骤三，所述混合信号sH被传输至数模转换器，并通过数模转换器转换为驱动LED发光的模拟信号；
步骤四，所述模拟信号驱动所述LED发光，并转换为光信号，所述光信号通过VLC光信道传输至接收端。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述融合自适应偏置技术调制器对所述数据D2进行调制的步骤为：
所述融合自适应偏置技术调制器将所述数据D2中通过调制奇数子载波传输的部分形成ACO-OFDM信号，并将所述数据D2中通过调制偶数子载波虚部传输的部分形成PAM-DMT信号，将所述ACO-OFDM信号和倒置的所述PAM-DMT信号叠加，并引入自适应偏置，确保信号的非负性，输出信号SAB。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤二还包括：
当信号sMPPM为“ON”时隙时，即sMPPM＝1时，所述混合信号sH由IH与倒置的所述信号sAB叠加得到；
当信号sMPPM为“OFF”时隙时，即sMPPM＝0时，所述混合信号sH由IL与所述信号sAB叠加得到；
sH的表达式为：
Figure FDA0003040279390000031
式中，IH和IL分别为所述LED线性范围内的额定最大电流和最小电流。
8.一种基于MPPM及自适应偏置的可见光通信方法，所述方法应用于根据权利要求1-4所述的可见光通信系统的接收端，其特征在于，所述方法的步骤为：
步骤一：所述接收端的光电转换器接收到经过VLC光信道传输的光信号，所述光信号由所述光电转换器转换为电信号，所述电信号被传输至模数转换器，并由所述模数转换器转换为接收端的混合信号s'H；
步骤二，所述混合信号s'H被传输至MPPM解调器，解调出信号S'MPPM，同时所述混合信号s'H被传输至融合自适应偏置技术的解调器，解调出信号S'AB；
步骤六，数据结合器将解调出的所述信号S'MPPM和所述信号S'AB结合，恢复出原始数据D′。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述MPPM解调器从所述混合信号s'H中解调出所述信号S'MPPM的步骤如下：
当信号sMPPM为“OFF”时隙时，即sMPPM＝0时，所述混合信号s'H的能量为
Figure FDA0003040279390000032
当信号sMPPM为“ON”时隙时，即sMPPM＝1时，所述混合信号s'H的能量为
Figure FDA0003040279390000033
式中，P为融合自适应偏置技术调制器调制的信号sAB的能量，σ2为VLC光信道中的噪声的能量，IH和IL分别为LED线性范围内的额定最大电流和最小电流；
所述信号S'MPPM根据决策阈值W判断得到：当
Figure FDA0003040279390000034
大于等于决策阈值W时，S'MPPM＝1；当
Figure FDA0003040279390000035
小于等于决策阈值W时，S'MPPM＝0；
其中，决策阈值
Figure FDA0003040279390000036
信号S'MPPM解调的表达式为：
Figure FDA0003040279390000037
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合信号s'H由所述融合自适应偏置技术解调器解调得到所述解调信号S'AB的步骤如下：
所述混合信号s′H经过傅里叶变换，得到PAM信号和QAM信号，同时输出PAM信号和QAM信号，所述PAM信号经过PAM解调器，得到解调后的PAM-DMT信号S1，所述QAM信号经过QAM解调器，得到解调后的ACO-OFDM信号S2；将解调后的所述PAM-DMT信号S1和解调后的所述ACO-OFDM信号S2叠加得到所述解调信号S'AB。
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