CN113259005A - 一种分布式数字预均衡系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可见光通信技术领域，具体公开了一种分布式数字预均衡系统及方法，该系统通过第一串并变换单元将串行输入的比特数据先转化成两并行的部分，然后通过高频带调制单元、低频带调制单元分别进行高频带QAM调制和低频带QAM调制，在调制时，通过分布式预均衡单元以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整，最后通过快速傅里叶逆变换单元、第一并串变换单元进行傅里叶逆变换和串行输出，得到对应的OFDM信号发射至OFDM解调模块进行相应的解调即可，如此通过灵活调整和优化每个频带的带宽和功率(分布式)，使系统可实现数据速率达到最大，并且还消除了LED非线性对VLC系统的影响，极大地改善系统性能。

Description

一种分布式数字预均衡系统与方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种分布式数字预均衡系统及一种分布式数字预均衡方法。
背景技术
近年来，基于白色LED的可见光通信(VLC)技术受到了广泛的关注。但是，由于LED有限的调制带宽，在实际应用中，VLC系统的实现和发展受到了限制。目前为止，提高带限VLC系统容量的技术有很多，包括蓝光滤波、预均衡、使用高阶正交振幅调制(QAM)星座的正交频分复用(OFDM)调制、多输入多输出(MIMO)传输等，虽然蓝光滤波可以扩展LED调制带宽，但是接收到的光信号功率降低，导致信噪比降低，而预均衡既可以扩展LED调制带宽，也不牺牲接收到的光信号功率，能够广泛地应用于带宽有限的VLC系统中。
预均衡一般可以分为模拟预均衡和数字预均衡，模拟预均衡通过模拟硬件电路实现，缺乏灵活性，而数字预均衡通过软件数字信号处理(DSP)实现，可以根据LED不同的频率响应灵活调整。由于OFDM的多载波调制特性，数字预均衡非常适用于基于OFDM调制的VLC系统。但是，数字预均衡技术是以集中的方式对功率进行补偿，这种传统的集中式数字预均衡技术过度放大了高频子载波的功率，使得系统容易受到LED非线性的影响。
如图1所示，对于具备低通频率响应的OFDM VLC系统，接收到的OFDM 信号的频谱如图1(a)所示，即为对系统不做数字预均衡处理，可以看出，各子载波的接收功率随着子载波频率的增加而逐渐减小，导致低频子载波和高频子载波的功率差异显著。因此，低频子载波的接收信噪比远远高于高频子载波的接收信噪比，这直接导致子载波的误码率分布不一致，从而降低平均误码率性能。
为了消除低频和高频的子载波功率差，图1(b)介绍了集中式数字预均衡的基本原理。可以看出，接收到的OFDM信号的频谱变得平坦，因此OFDM信号可以有平坦的信噪比和误码率分布，即更多的功率分配给高频区域内的子载波，从而使所有子载波具有相同的功率。虽然集中式数字预均衡可以补偿高频衰减，但功率重新分配后，低频子载波的接收功率大大降低。
综上所述，集中式数字预均衡过度补偿子载波在高频区域的功率衰减，导致子载波在低频区域的功率损耗显著。此外，由于高频子载波在集中式数字预均衡中分配过高的功率，更容易受到LED非线性的影响。因此，在采用集中式数字预均衡的OFDM VLC系统中，功率越大并不一定带来更高的信噪比和更低的误码率。
发明内容
本发明提供一种分布式数字预均衡系统及方法，解决的技术问题在于：如何使系统可实现的数据速率达到最大，并且消除LED非线性对系统的影响。
为解决以上技术问题，本发明提供一种分布式数字预均衡系统，该系统设有 OFDM调制模块，所述OFDM调制模块设有第一串并变换单元、高频带调制单元、低频带调制单元、分布式预均衡单元；
所述第一串并变换单元用于将串行输入的比特数据转换为两部分并分别输入至所述高频带调制单元和所述低频带调制单元；
所述高频带调制单元用于对输入的一部分比特数据进行高频带QAM调制，输出高频带调制信号；
所述低频带调制单元用于对输入的另一部分比特数据进行低频带QAM调制，输出低频带调制信号；
所述分布式预均衡单元用于以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带调制单元和低频带调制单元的带宽和功率进行自适应均衡调整。
优选的，所述分布式预均衡单元分配给所述高频带调制单元和所述低频带调制单元的带宽分别用BH和BL表示，功率分别用PH和PL表示，带宽分配比用α表示，功率分配比用β表示，且有BL+BH＝B，B表示串行输入的比特数据的信号带宽，
Figure BDA0003059292130000031
优选的，系统可实现数据速率R＝ηLBL+ηHBH＝[αηL+(1-α)ηH]B，ηL、ηH分别表示低频带调制单元和高频带调制单元在单位带宽内可以传输的比特数。
优选的，所述OFDM调制模块还设有快速傅里叶逆变换单元和第一并串变换单元；
所述快速傅里叶逆变换单元用于对经所述分布式预均衡单元调整输出的高频带调制信号和低频带调制信号先进行厄米对称约束，再进行快速傅里叶逆变换；
所述第一并串变换单元用于对经快速傅里叶逆变换的高频带调制信号和低频带调制信号进行串行传输，输出对应的串行调制信号。
优选的，所述OFDM解调模块设有时间同步单元、第二串并变换单元、快速傅里叶变换及频域均衡单元、高频带解调单元、低频带解调单元、第二并串变换单元；
所述时间同步单元用于对输入的串行调制信号进行时间同步；
所述第二串并变换单元用于对时间同步后的串行调制信号转换为两并行调制信号并输入至快速傅里叶变换及频域均衡单元；
所述快速傅里叶变换及频域均衡单元用于对输入的两并行调制信号进行快速傅里叶变换和频域均衡；
所述高频带解调单元用于对经快速傅里叶变换和频域均衡的高频并行调制信号进行高频带QAM解调，得到高频带QAM信号；
所述低频带解调单元用于对经快速傅里叶变换和频域均衡的低频并行调制信号进行低频带QAM解调，得到低频带QAM信号；
所述第二并串变换单元用于对高频带QAM信号和低频带QAM信号进行串行传输，输出对应的比特数据。
对应于上述系统，本发明还提供一种分布式数字预均衡方法，包括步骤：
S1：将串行输入的带宽为B的比特数据转换为两个部分，分别进行高频带 QAM调制和低频带QAM调制，输出对应的高频带调制信号和低频带调制信号；
S2：以最大化系统可实现数据速率为目标对调制时高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整。
进一步地，所述步骤S2具体包括步骤：
S21：得到实测的低通频率响应；
S22：根据该低通频率响应设置带宽分配比α和功率分配比β，
Figure BDA0003059292130000041
Figure BDA0003059292130000042
BL+BH＝B，BH、PH分别表示高频带QAM调制的带宽和功率，BL、 PL分别表示低频带QAM调制的带宽和功率；
S23：计算系统可实现数据速率R＝ηLBL+ηHBH＝[αηL+(1-α)ηH]B，ηL、ηH分别表示低频带QAM调制和高频带QAM调制在单位带宽内可以传输的比特数；
S24：判断系统可实现数据速率R是否最大化，若是则输出对应的高频带调制信号和低频带调制信号，若否则返回步骤S21重新设置α和β。
进一步地，在步骤S2后还包括步骤：
S3：对经步骤S2进行自适应均衡调整后输出的高频带调制信号和低频带调制信号先进行厄米对称约束，再进行快速傅里叶逆变换；
S4：对经快速傅里叶逆变换的高频带调制信号和低频带调制信号进行串行传输，输出对应的串行调制信号。
进一步地，在步骤S4后还包括步骤：
S5：对输入的串行调制信号进行时间同步；
S6：将时间同步后的串行调制信号转换为两并行调制信号；
S7：对两并行调制信号进行快速傅里叶变换和频域均衡；
S8：对经快速傅里叶变换和频域均衡的高频并行调制信号进行高频带QAM 解调，得到高频带QAM信号；对经快速傅里叶变换和频域均衡的低频并行调制信号进行低频带QAM解调，得到低频带QAM信号；
S9：对高频带QAM信号和低频带QAM信号进行串行传输，输出对应的比特数据。
本发明提供的一种分布式数字预均衡系统及方法，将串行输入的比特数据先转化成两并行的部分，然后分别进行高频带QAM调制和低频带QAM调制，在调制时，以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整，如此通过灵活调整和优化每个频带的带宽和功率，使系统可实现数据速率达到最大，并且还消除了LED非线性对系统的影响，极大地改善系统性能。
附图说明
图1是本发明背景技术提供的现有OFDM VLC系统不做数字预均衡(a)和做集中式数字预均衡(b)的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种分布式数字预均衡系统的结构图；
图3是本发明实施例提供的一种分布式数字预均衡系统所输出的OFDM信号的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种分布式数字预均衡方法步骤S2的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
为了使VLC系统可实现数据速率达到最大，并且消除LED非线性对系统的影响，本发明实施例提供了一种分布式数字预均衡系统，如图2的结构图所示，包括OFDM调制模块和OFDM解调模块。
OFDM调制模块设有第一串并变换单元、高频带调制单元、低频带调制单元、分布式预均衡单元、快速傅里叶逆变换单元和第一并串变换单元；
第一串并变换单元用于将串行输入的比特数据转换为两部分(串并变换)并分别输入至高频带调制单元和低频带调制单元；
高频带调制单元用于对输入的一部分比特数据进行高频带QAM调制，输出高频带调制信号；
低频带调制单元用于对输入的另一部分比特数据进行低频带QAM调制，输出低频带调制信号；
分布式预均衡单元用于以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带调制单元和低频带调制单元的带宽和功率进行自适应均衡调整；
快速傅里叶逆变换单元用于对经分布式预均衡单元调整输出的高频带调制信号和低频带调制信号先进行厄米对称(HS)约束，从而产生一个实值输出信号，再进行快速傅里叶逆变换(IFFT)；
第一并串变换单元用于对经快速傅里叶逆变换的高频带调制信号和低频带调制信号进行串行传输(并串变换)，输出对应的串行调制信号。
具体的，分布式预均衡单元分配给高频带调制单元和低频带调制单元的带宽分别用BH和BL表示，功率分别用PH和PL表示，带宽分配比用α表示，功率分配比用β表示，且有BL+BH＝B，B表示串行输入的比特数据的信号带宽，
Figure BDA0003059292130000061
Figure BDA0003059292130000062
系统可实现数据速率R＝ηLBL+ηHBH＝[αηL+(1-α)ηH]B，ηL、ηH分别表示低频带调制单元和高频带调制单元在单位带宽内可以传输的比特数。
与OFDM调制模块相对应地，OFDM解调模块设有时间同步单元、第二串并变换单元、快速傅里叶变换及频域均衡单元、高频带解调单元、低频带解调单元、第二并串变换单元；
时间同步单元用于对输入的串行调制信号进行时间同步；
第二串并变换单元用于对时间同步后的串行调制信号转换为两并行调制信号(串并变换)并输入至快速傅里叶变换及频域均衡单元；
快速傅里叶变换及频域均衡单元用于对输入的两并行调制信号进行快速傅里叶变换和频域均衡；
高频带解调单元用于对经快速傅里叶变换和频域均衡的高频并行调制信号进行高频带QAM解调，得到高频带QAM信号；
低频带解调单元用于对经快速傅里叶变换和频域均衡的低频并行调制信号进行低频带QAM解调，得到低频带QAM信号；
第二并串变换单元用于对高频带QAM信号和低频带QAM信号进行串行传输(串并变换)，输出对应的比特数据。
本例分布式数字预均衡系统其输出信号如图3所示，子载波的功率以分布式方式补偿。利用两个功率加载曲线得到的功率加载系数，可以对低频带和高频带的带宽进行相应的重新分配，并为每个频段分配不同的功率。
本发明实施例提供的一种分布式数字预均衡系统，通过第一串并变换单元将串行输入的比特数据先转化成两并行的部分，然后通过高频带调制单元、低频带调制单元分别进行高频带QAM调制和低频带QAM调制，在调制时，通过分布式预均衡单元以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整，最后通过快速傅里叶逆变换单元、第一并串变换单元进行傅里叶逆变换和串行输出，得到对应的OFDM信号发射至OFDM解调模块进行相应的解调即可，如此通过灵活调整和优化每个频带的带宽和功率(分布式)，使系统可实现数据速率达到最大，并且还消除了LED非线性对VLC系统的影响，极大地改善系统性能。
对应于上述分布式数字预均衡系统，本发明实施例还提供一种分布式数字预均衡方法，包括步骤：
S1：将串行输入的带宽为B的比特数据转换为两个部分，分别进行高频带 QAM调制和低频带QAM调制，输出对应的高频带调制信号和低频带调制信号；
S2：以最大化系统可实现数据速率为目标对调制时高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整；
S3：对经步骤S2进行自适应均衡调整后输出的高频带调制信号和低频带调制信号先进行厄米对称约束，再进行快速傅里叶逆变换；
S4：对经快速傅里叶逆变换的高频带调制信号和低频带调制信号进行串行传输，输出对应的串行调制信号；
S5：对输入的串行调制信号进行时间同步；
S6：将时间同步后的串行调制信号转换为两并行调制信号；
S7：对两并行调制信号进行快速傅里叶变换和频域均衡；
S8：对经快速傅里叶变换和频域均衡的高频并行调制信号进行高频带QAM 解调，得到高频带QAM信号；对经快速傅里叶变换和频域均衡的低频并行调制信号进行低频带QAM解调，得到低频带QAM信号；
S9：对高频带QAM信号和低频带QAM信号进行串行传输，输出对应的比特数据。
如图4所示，步骤S2具体包括步骤：
S21：得到实测的低通频率响应；
S22：根据该低通频率响应设置带宽分配比α和功率分配比β，
Figure BDA0003059292130000081
Figure BDA0003059292130000082
BL+BH＝B，BH、PH分别表示高频带QAM调制的带宽和功率，BL、 PL分别表示低频带QAM调制的带宽和功率；
S23：计算系统可实现数据速率R＝ηLBL+ηHBH＝[αηL+(1-α)ηH]B，ηL、ηH分别表示低频带QAM调制和高频带QAM调制在单位带宽内可以传输的比特数；
S24：判断系统可实现数据速率R是否最大化，若是则输出对应的高频带调制信号和低频带调制信号，若否则返回步骤S21重新设置α和β。
本发明实施例提供的一种分布式数字预均衡方法，先将串行输入的比特数据先转化成两并行的部分，然后分别进行高频带QAM调制和低频带QAM调制，在调制时，接着以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整，最后对得到的调制信号进行傅里叶逆变换和串行输出，得到对应的OFDM信号然后进行相应的解调即可，如此通过灵活调整和优化每个频带的带宽和功率(分布式)，使系统可实现数据速率达到最大，并且还消除了LED非线性对VLC系统的影响，极大地改善系统性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分布式数字预均衡系统，设有OFDM调制模块，其特征在于：所述OFDM调制模块设有第一串并变换单元、高频带调制单元、低频带调制单元、分布式预均衡单元；
所述第一串并变换单元用于将串行输入的比特数据转换为两部分并分别输入至所述高频带调制单元和所述低频带调制单元；
所述高频带调制单元用于对输入的一部分比特数据进行高频带QAM调制，输出高频带调制信号；
所述低频带调制单元用于对输入的另一部分比特数据进行低频带QAM调制，输出低频带调制信号；
所述分布式预均衡单元用于以最大化系统可实现数据速率为目标对高频带调制单元和低频带调制单元的带宽和功率进行自适应均衡调整。
2.根据权利要求1所述的一种分布式数字预均衡系统，其特征在于：所述分布式预均衡单元分配给所述高频带调制单元和所述低频带调制单元的带宽分别用BH和BL表示，功率分别用PH和PL表示，带宽分配比用α表示，功率分配比用β表示，且有BL+BH＝B，B表示串行输入的比特数据的信号带宽，
Figure FDA0003059292120000011
Figure FDA0003059292120000012
3.根据权利要求2所述的一种分布式数字预均衡系统，其特征在于：系统可实现数据速率R＝ηLBL+ηHBH＝[αηL+(1-α)ηH]B，ηL、ηH分别表示低频带调制单元和高频带调制单元在单位带宽内可以传输的比特数。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种分布式数字预均衡系统，其特征在于：所述OFDM调制模块还设有快速傅里叶逆变换单元和第一并串变换单元；
所述快速傅里叶逆变换单元用于对经所述分布式预均衡单元调整输出的高频带调制信号和低频带调制信号先进行厄米对称约束，再进行快速傅里叶逆变换；
所述第一并串变换单元用于对经快速傅里叶逆变换的高频带调制信号和低频带调制信号进行串行传输，输出对应的串行调制信号。
5.根据权利要求4所述的一种分布式数字预均衡系统，还设有OFDM解调模块，其特征在于：所述OFDM解调模块设有时间同步单元、第二串并变换单元、快速傅里叶变换及频域均衡单元、高频带解调单元、低频带解调单元、第二并串变换单元；
所述时间同步单元用于对输入的串行调制信号进行时间同步；
所述第二串并变换单元用于对时间同步后的串行调制信号转换为两并行调制信号并输入至快速傅里叶变换及频域均衡单元；
所述快速傅里叶变换及频域均衡单元用于对输入的两并行调制信号进行快速傅里叶变换和频域均衡；
所述高频带解调单元用于对经快速傅里叶变换和频域均衡的高频并行调制信号进行高频带QAM解调，得到高频带QAM信号；
所述低频带解调单元用于对经快速傅里叶变换和频域均衡的低频并行调制信号进行低频带QAM解调，得到低频带QAM信号；
所述第二并串变换单元用于对高频带QAM信号和低频带QAM信号进行串行传输，输出对应的比特数据。
6.一种分布式数字预均衡方法，其特征在于，包括步骤：
S1：将串行输入的带宽为B的比特数据转换为两个部分，分别进行高频带QAM调制和低频带QAM调制，输出对应的高频带调制信号和低频带调制信号；
S2：以最大化系统可实现数据速率为目标对调制时高频带和低频带的带宽和功率进行自适应均衡调整。
7.根据权利要求6所述的一种分布式数字预均衡方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤：
S21：得到实测的低通频率响应；
S22：根据该低通频率响应设置带宽分配比α和功率分配比β，
Figure FDA0003059292120000031
Figure FDA0003059292120000032
BL+BH＝B，BH、PH分别表示高频带QAM调制的带宽和功率，BL、PL分别表示低频带QAM调制的带宽和功率；
S23：计算系统可实现数据速率R＝ηLBL+ηHBH＝[αηL+(1-α)ηH]B，ηL、ηH分别表示低频带QAM调制和高频带QAM调制在单位带宽内可以传输的比特数；
S24：判断系统可实现数据速率R是否最大化，若是则输出对应的高频带调制信号和低频带调制信号，若否则返回步骤S21重新设置α和β。
8.根据权利要求7所述的一种分布式数字预均衡方法，其特征在于，在步骤S2后还包括步骤：
S3：对经步骤S2进行自适应均衡调整后输出的高频带调制信号和低频带调制信号先进行厄米对称约束，再进行快速傅里叶逆变换；
S4：对经快速傅里叶逆变换的高频带调制信号和低频带调制信号进行串行传输，输出对应的串行调制信号。
9.根据权利要求8所述的一种分布式数字预均衡方法，其特征在于，在步骤S4后还包括步骤：
S5：对输入的串行调制信号进行时间同步；
S6：将时间同步后的串行调制信号转换为两并行调制信号；
S7：对两并行调制信号进行快速傅里叶变换和频域均衡；
S8：对经快速傅里叶变换和频域均衡的高频并行调制信号进行高频带QAM解调，得到高频带QAM信号；对经快速傅里叶变换和频域均衡的低频并行调制信号进行低频带QAM解调，得到低频带QAM信号；
S9：对高频带QAM信号和低频带QAM信号进行串行传输，输出对应的比特数据。
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