CN113395113B - 一种基于色移键控的差分解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于色移键控的差分解调方法，包括记发射端的m路信号按功率P₁，P₂，P₃，……，P_m发出的光信号经过信道衰减后接收端收到的信号功率为P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr；计算除去某一路功率外其他路功率的总和，分别记为P_1r ^’，P_2r ^’，P_3r ^’，……，P_mr ^’；将各路信号功率与其他路功率的总和做差分运算；建立一个m维的坐标系，每个坐标轴对应P₁，P₂，P₃，……，P_m的值，可分为以下n种情况，通过P_11r ^’=0，P_22r ^’=0，P_33r ^’=0，……，P_mmr ^’=0所代表的（m‑1）维图形将m维的功率域等分为n个区域，根据所得功率点P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr所处的区域，映射出对应的符号。这种方法提高了无线光通信系统的抗干扰能力，并保证了高速通信的应用需求。

Description

一种基于色移键控的差分解调方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种基于色移键控的差分解调方法。

背景技术

在可见光通信（Visible Light Communication，简称VLC）发展的过程中，IEEE802.15.7 VLC讨论组提出了一种新的调制方式，称为色移键控（Color Shift Keying，简称CSK），这种调制方式使用的是红绿蓝（RGB）三色LED，通过颜色的改变而不是灯的亮灭变化来传输数据。CSK系统一般以三种颜色为基色，组成三LED或T-LED系统，也有四个LED组成的四LED系统或Q-LED系统，多个LED增加了系统硬件复杂度。

由于LED的发光强度与电流大小为非线性关系，而颜色的改变是通过多色LED功率比的变化来实现的，因此，Murata N，Kozawa Y和Umeda Y在IEEE Photonics Journal，第8卷，第4号，1-13页（2016）的“Digital Color Shift Keying With Multicolor LED Array”中提出了一种利用多个RGB LED对CSK进行数字化色移键控（Digital Color ShiftKeying，简称DCSK）的方法，即使用处于“on”的单色光源的数目来表示要传输的功率大小，从而可以避免LED的非线性问题对系统性能的影响。

CSK调制通过混合多种基色获得其他色彩，有效缩短调制时隙，增加了通信速率。然而随着可见光通信速率的提高，一些问题逐渐暴露出来。比如说，传输介质中的各种干扰因素会造成光能量的衰减，影响通信距离，而且不同波长的光在同一环境下衰减不同，严重的情况下会导致功率点偏差很大，导致解调发生错误。

发明内容

为了提高无线光通信系统的抗干扰能力，并保证高速通信的应用需求，本发明提出了一种基于色移键控的差分解调方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

针对基于传统的CSK通信系统，设计了一种在接收端通过差分计算比较各路功率大小来判别所得功率点所处功率区域，进而解调为对应符号的方案。

一种基于色移键控的差分解调方法，包括如下步骤：

S1，共有m路不同波长的原色，记发射端的m路信号按功率P₁， P₂， P₃，……，P_m发出的光信号经过信道衰减后接收端收到的信号功率为P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr；计算P_2r+P_3r+ P_4r+P_5r +……+P_mr， P_1r+P_3r+ P_4r+ P_5r+……+ P _mr，P_1r+P_2r+ P_4r+ P_5r+……+ P _mr，……，P_1r+P_2r+P_3r+ P_4r+……+ P _(m-1)r，即除去某一路功率外其他路功率的总和，分别记为P_1r ^’，P_2r ^’，P_3r ^’，……，P_mr ^’；

S2，将各路信号功率与其他路功率的总和做差分运算，即P_1r-P_1r ^’， P_2r-P_2r ^’， P_3r-P_3r ^’，……，P_mr-P_mr ^’，分别记为P_11r ^’， P_22r ^’， P_33r ^’，……，P_mmr ^’；

S3，建立一个m维的坐标系，每个坐标轴对应P₁，P₂，P₃，……，P_m的值，可分为以下n种情况，通过P_11r ^’=0，P_22r ^’=0，P_33r ^’=0，……，P_mmr ^’=0所代表的（m-1）维图形将m维的功率域等分为n个区域，根据所得功率点P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr所处的区域，映射出对应的符号。

本发明的优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明公开的方案具有以下优点：

（1）本发明提出的CSK差分解调方法只需要判别功率值点所在区域，直接将数据解调为此区域所对应的符号，在相同的信道中，误码率相近的情况下，相比于传统的使用最大似然判决准则，计算接收到的色度值与星座图中各个星座点之间的欧氏距离，然后将接收到的信号判决为欧氏距离最小的星座点所对应的符号的方法，降低了接收端数据处理的计算复杂度；

（2）本发明对CSK信号进行差分处理，不再需要关注单束光能量的衰减，所关心的是做差分的两束光能量的差值反映出的能量大小，可以有效抑制传输介质引起的干扰；

（3）本发明进行差分运算的另一个优势在于可以将每束光的能量调到很高，使被调制的能量只占总能量的很小一部分，这是由于光电转换和电光转换都有一个固定的响应时间，当信号幅度变化很大时，其造成的延时就越大，差分处理使接收端的响应速度加快，一定程度上提高了通信速率，同时更高的能量意味着光在各种介质中穿透能力增强，进一步增加了传输距离。

附图说明

图1为以RGB为基色的4CSK星座映射图；

图2为差分运算的处理过程示意图；

图3为4CSK功率区域划分示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本发明公开的一种基于色移键控的差分解调方法，适用于不同信道环境下的CSK无线光通信系统。该方案主要包含接收端解调时进行差分处理的步骤。

一种基于色移键控的差分解调方法，包括如下步骤：

S1，共有m路不同波长的原色，记发射端的m路信号按功率P₁，P₂，P₃，……，P_m发出的光信号经过信道衰减后接收端收到的信号功率为P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr；计算P_2r+P_3r+ P_4r+P_5r +……+P_mr， P_1r+P_3r+ P_4r+ P_5r+……+ P _mr，P_1r+P_2r+ P_4r+ P_5r+……+ P _mr，……，P_1r+P_2r+P_3r+ P_4r+……+ P _(m-1)r，即除去某一路功率外其他路功率的总和，分别记为P_1r ^’，P_2r ^’，P_3r ^’，……，P_mr ^’；

S2，将各路信号功率与其他路功率的总和做差分运算，即P_1r-P_1r ^’， P_2r-P_2r ^’， P_3r-P_3r ^’，……，P_mr-P_mr ^’，分别记为P_11r ^’， P_22r ^’， P_33r ^’，……，P_mmr ^’；

S3，建立一个m维的坐标系，每个坐标轴对应P₁，P₂，P₃，……，P_m的值，可分为以下n种情况，通过P_11r ^’=0，P_22r ^’=0，P_33r ^’=0，……，P_mmr ^’=0所代表的（m-1）维图形将m维的功率域等分为n个区域，根据所得功率点P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr所处的区域，映射出对应的符号。

为了更好的解释本发明的差分解调方案，下面以RGB为基色的4CSK调制解调为例，说明该差分解调方法的具体实施步骤。

发射端按照传统的CSK调制方法，将[00]、[01]、[10]和[11]映射为RGB三原色的色度值（0.734，0.265）、（0.011，0.733）和（0.169，0.007）组成的色度三角形中的色度值坐标（0.011，0.733）、（0.305，0.335）、（0.169，0.007）和（0.734，0.265），其星座映射图见图1，再根据如下公式：

x_t=P₁x₁+P₂x₂+P₃x₃

y_t=P₁y₁+P₂y₂+P₃y₃

得出发射功率的具体值，详情见表1，式中，（x_t , y_t ）为星座图内要映射的二进制符号的色度坐标，（x₁, y₁），（x₂, y₂），（x₃, y₃）为所选LED的3个原色对应的色度值坐标，P₁，P₂，P₃为3个原色代表对应二进制符号时的发射功率。

表1 发射功率的具体值

将光信号根据所发送的符号按对应功率比发射出去；

接收端的差分解调过程如下：

1）接收由发射端发出光信号，得到功率值为P_1r，P_2r和P_3r，先计算P_1r ^’=P_2r+P_3r，P_2r ^’=P_1r+P_3r，P_3r ^’=P_1r+P_2r，然后做差分运算得P_11r ^’= P_1r- P_1r ^’，P_22r ^’= P_2r- P_2r ^’，P_33r ^’= P_3r- P_3r ^’，差分模块的处理过程见图2；

2）再根据差分值的大小关系将信号域划分为4个区域，如图3所示，若P_11r ^’<0，P_22r ^’>0，P_33r ^’<0，即P_1r<P_2r+P_3r，P_2r>P_1r+P_3r，P_3r<P_1r+P_2r，则功率点位于的区域为以OBDE为顶点的四面体，解调为“00”；若P_11r ^’<0，P_22r ^’<0，P_33r ^’<0，即P_1r<P_2r+P_3r，P_2r<P_1r+P_3r，P_3r<P_1r+P_2r，则功率点位于的区域为以ODEF为顶点的四面体，解调为“01”；若P_11r ^’<0，P_22r ^’<0，P_33r ^’>0，即P_1r<P_2r+P_3r，P_2r<P_1r+P_3r，P_3r>P_1r+P_2r，则功率点位于的区域为以OCEF为顶点的四面体，解调为“10”；若P_11r ^’>0，P_22r ^’<0，P_33r ^’<0，即P_1r>P_2r+P_3r，P_2r<P_1r+P_3r，P_3r<P_1r+P_2r，则功率点位于的区域为以OADF为顶点的四面体，解调为“11”，完成解调过程。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于色移键控的差分解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，共有m路不同波长的原色，记发射端的m路信号按功率P₁，P₂，P₃，……，P_m发出的光信号经过信道衰减后接收端收到的信号功率为P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr；计算P_2r+P_3r+ P_4r+ P_5r+……+P_mr， P_1r+P_3r+ P_4r+ P_5r+……+ P _mr，P_1r+P_2r+ P_4r+ P_5r+……+ P _mr，……，P_1r+P_2r+ P_3r+P_4r+……+ P _(m-1)r，即除去某一路功率外其他路功率的总和，分别记为P_1r ^’，P_2r ^’，P_3r ^’，……，P_mr ^’；

S2，将各路信号功率与其他路功率的总和做差分运算，即P_1r-P_1r ^’， P_2r-P_2r ^’， P_3r-P_3r ^’，……，P_mr-P_mr ^’，分别记为P_11r ^’， P_22r ^’， P_33r ^’，……，P_mmr ^’；

S3，建立一个m维的坐标系，每个坐标轴对应P₁，P₂，P₃，……，P_m的值，可分为以下n种情况，通过P_11r ^’=0，P_22r ^’=0，P_33r ^’=0，……，P_mmr ^’=0所代表的（m-1）维图形将m维的功率域等分为n个区域，根据所得功率点P_1r，P_2r，P_3r，……，P_mr所处的区域，映射出对应的符号。

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