CN115695130B - 带限ofdm可见光通信系统二维双模索引调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，包括：将输入比特序列通过串并转换分为K路，分别对应K个子块；在各个子块中，将输入的比特序列再一次通过串并转换分为两路，从而实现二维双模索引调制；在每个子块完成二维双模索引调制后，进行实数OFDM调制；产生输出光信号。本发明的有益效果是：本发明在两个相邻时隙分别进行OFDM子载波双模索引调制，根据二维双模星座设计，在传输传统双模索引比特的同时，还可以额外传输维度索引比特，因此能够取得比传统双模索引调制更高的频谱效率；并且，本发明对幅度放大系数和相位旋转角度进行联合优化，取得最佳传输误码性能。

Description

带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更确切地说，它涉及带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法。
背景技术
与传统射频通信相比，基于LED或LD的可见光通信具有频谱资源丰富且不受限制、无电磁辐射且抗电磁干扰、天然的物理层安全保密性等独特优势，因此可见光通信被列为实现6G通信的核心技术之一。然而，商用可见光光源特别是可见光LED的可用调制带宽非常有限，且可见光通信系统的频率响应通常表现为低通特性。因此，实际可见光通信系统的传输速率并不高。
提升实际可见光通信系统传输速率的方法有两种，一是扩大调制带宽，二是提高频谱效率。在给定调制带宽情况下，提高频谱效率能够有效提升可见光通信系统的传输速率。正交频分复用(OFDM)作为一种多载波调制技术，能够实现较高的频谱效率，被广泛应用于带限可见光通信系统中。为了提升OFDM可见光通信系统的频谱效率，研究者们提出了OFDM双模索引调制技术，通过对OFDM子载波进行双模索引调制，可以在传输传统星座符号的同时，额外传输双模索引比特。
虽然OFDM双模索引调制技术能够传输额外索引比特，但是双模索引调制仅在一个维度进行，即频率维度，并未能够充分利用和挖掘OFDM调制包含的两个维度，即频率和时间。因此，现有技术存在的问题为对OFDM调制的频率和时间两个维度资源利用不够充分，未能充分挖掘这两个维度的资源来进一步提升OFDM双模索引调制可见光通信系统的频谱效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法。
第一方面，提供了一种带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，由发射端执行，包括：
S1、获取输入比特序列，并将所述输入比特序列通过串并转换分为K路，分别对应K个子块；
S2、在各个子块中，将输入的比特序列再一次通过串并转换分为两路，一路用于二维双模子载波选择，另一路用于二维双模星座映射，从而实现二维双模索引调制；
S3、在每个子块完成二维双模索引调制后，进行实数OFDM调制；
S4、进行数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过直流偏置器添加直流偏置将所产生的双极性实数信号转换为单极性非负实数信号，最后用所得到的单极性非负实数信号直接驱动LED或者LD光源发光产生输出光信号。
作为优选，S3中，所述进行实数OFDM调制，包括：添加厄密共轭对称、快速逆傅里叶变换和并串转换。
第二方面，提供了另一种带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，由接收端执行，包括：
S1、将发射端产生的输出光信号经PD检测转换为模拟电信号；再经过模数转换得到对应的实数OFDM信号；
S2、对所得实数OFDM信号进行解调，得到K个子块所对应的待检测信号；
S3、在每个子块中，对待检测信号进行对数似然比(LLR)检测，得到二维双模子载波索引信号以及对应的二维双模星座符号；通过二维双模索引解码恢复出对应的二维双模索引比特，以及通过二维双模星座解映射，恢复出对应的二维双模星座比特，并通过并串转换，得到每个子块的输出比特序列；
S4、通过并串转换将所有K个子块的输出比特序列进行合并，得到系统最终的输出比特序列。
作为优选，S2中，所述对所得实数OFDM信号进行解调，包括：串并转换、快速傅里叶变换和频域均衡。
第三方面，提供了带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置为发射端，用于执行第一方面任一所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置包括：
获取模块，用于获取输入比特序列，并将所述输入比特序列通过串并转换分为K路，分别对应K个子块；
第一调制模块，用于在各个子块中，将输入的比特序列再一次通过串并转换分为两路，一路用于二维双模子载波选择，另一路用于二维双模星座映射，从而实现二维双模索引调制；
第二调制模块，用于在每个子块完成二维双模索引调制后，进行实数OFDM调制；
驱动模块，用于进行数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过直流偏置器添加直流偏置将所产生的双极性实数信号转换为单极性非负实数信号，最后用所得到的单极性非负实数信号直接驱动LED或者LD光源发光产生输出光信号。
第四方面，提供了另一种带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置为接收端，用于执行第二方面任一所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置包括：
转换模块，用于将发射端产生的输出光信号经PD检测转换为模拟电信号；再经过模数转换得到对应的实数OFDM信号；
解调模块，用于对所得实数OFDM信号进行解调，得到K个子块所对应的待检测信号；
恢复模块，用于在每个子块中，对待检测信号进行对数似然比检测，得到二维双模子载波索引信号以及对应的二维双模星座符号；通过二维双模索引解码恢复出对应的二维双模索引比特，以及通过二维双模星座解映射，恢复出对应的二维双模星座比特，并通过并串转换，得到每个子块的输出比特序列；
合并模块，用于通过并串转换将所有K个子块的输出比特序列进行合并，得到系统最终的输出比特序列。
第五方面，提供了一种通信系统，所述通信系统包括：第一节点和第二节点；所述第一节点为第三方面所述的发射端，所述第二节点为第四方面所述的接收端。
第六方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面或第二方面任一所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法。
第七方面，提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面或第二方面任一所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在两个相邻时隙分别进行OFDM子载波双模索引调制，根据二维双模星座设计，在传输传统双模索引比特的同时，还可以额外传输维度索引比特，因此能够取得比传统双模索引调制更高的频谱效率。
(2)本发明的二维双模星座设计方案对幅度放大系数和相位旋转角度进行联合优化，从而取得最佳传输误码性能。
附图说明
图1为OFDM二维双模索引调制可见光通信系统原理图；
图2为基于幅度相位联合设计的二维双模星座示意图；
图3为发射端的结构示意图；
图4为接收端的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图1所示，本申请提供的通信系统包括：发射端与接收端。其中，发射端可以根据输入比特序列产生输出光信号，接收端用于接收发射端所产生的输出光信号，并根据该输出光信号得到输出比特序列。
发射端所执行的带限mCAP可见光通信系统子带数目调制方法，包括：
S1、获取输入比特序列，并将输入比特序列通过串并转换分为K路，分别对应K个子块；
S2、在各个子块中，将输入的比特序列再一次通过串并转换分为两路，一路用于二维双模子载波选择，另一路用于二维双模星座映射，从而实现二维双模索引调制；
S3、在每个子块完成二维双模索引调制后，进行实数OFDM调制，包括：添加厄密共轭对称、快速逆傅里叶变换和并串转换；
S4、进行数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过直流偏置器添加直流偏置将所产生的双极性实数信号转换为单极性非负实数信号，最后用所得到的单极性非负实数信号直接驱动LED或者LD光源发光产生输出光信号。
此外，接收端所执行的带限mCAP可见光通信系统子带数目调制方法，包括：
S1、将发射端产生的输出光信号经PD检测转换为模拟电信号；再经过模数转换得到对应的实数OFDM信号；
S2、对所得实数OFDM信号进行解调，包括：串并转换、快速傅里叶变换和频域均衡，得到K个子块所对应的待检测信号；
S3、在每个子块中，对待检测信号进行对数似然比检测，得到二维双模子载波索引信号以及对应的二维双模星座符号；通过二维双模索引解码恢复出对应的二维双模索引比特，以及通过二维双模星座解映射，恢复出对应的二维双模星座比特，并通过并串转换，得到每个子块的输出比特序列；
S4、通过并串转换将所有K个子块的输出比特序列进行合并，得到系统最终的输出比特序列。
表1二维双模索引调制映射表(以子块长度2为例)
表1展示了以子块长度2为例的二维双模索引调制映射表。对于长度为2的子块而言，二维双模索引调制将两个子载波在两个时隙进行联合编码。具体来说，每个时隙的两个子载波首先在两个不同的维度中进行选择，且两个时隙选择不同的维度，因此维度索引选择可以传输1个索引比特。在选择某一维度之后，每个时隙再对该时隙的两个子载波进行双模索引调制，每个时隙可以通过双模子载波选择传输1个索引比特。在经过维度选择和双模调制之后，即可以得到每个子块在时隙1和时隙2所对应的传输信号向量。综上所述，二维双模子载波选择可以在两个时隙一共传输3个索引比特，共有如表1所示的8种组合。需要说明的是，本申请不对子块的长度进行限定，子块的长度可以扩展为任意大于等于2的正实数，具体取值可由OFDM系统参数以及系统传输速率所确定。此外，本申请也可以将二维双模索引调制扩展为多维双模索引调制，即可以同时对多个时隙进行联合双模索引调制，从而进一步提升系统频谱效率。此外，本申请不对二维双模索引比特和子块在不同时隙所对应的传输信号向量之间的具体映射关系进行限定，本申请以表1为例进行说明，当然也可以采用表1之外的映射关系，确定二维双模索引比特对应的不同时隙的传输信号向量。
此外，图2以4QAM为例展示了基于幅度相位联合设计的二维双模星座示意图。该二维双模星座图包含两个维度，且每个维度又包含两个星座模式，其中维度1所对应的4QAM星座为内圈由4个正方形组成的星座，而维度2所对应的4QAM星座为外圈由4个圆形组成星座。在维度1所对应的4QAM星座中，对角线两个白色填充的正方形代表维度1星座模式1，即S1，而另外一个对角线上面的两个黑色填充的正方形则代表维度1星座模式2，即S2。在维度2所对应的4QAM星座中，对角线两个白色填充的圆形代表维度2星座模式1，即S'1，而另外一个对角线上面的两个黑色填充的圆形则代表维度2星座模式2，即S'2。由图2可见，在所设计的基于幅度相位联合优化的二维双模星座中，维度2所对应的4QAM星座是由维度1所对应的4QAM星座同时通过幅度放大和相位旋转所得到，因此可以通过联合优化幅度放大系数和相位旋转角度来优化二维双模星座，从而取得最佳传输误码性能。需要说明的是，本申请在进行基于幅度相位联合优化的二维双模星座设计时，可以将4QAM扩展为任意阶QAM星座，幅度放大系数和相位旋转角度的联合优化由具体星座参数所决定。
示例地，假设二维双模索引比特序列为011，根据表1可知时隙1采用维度1星座，而时隙2采用维度2星座。同时，时隙1中对应星座模式1和星座模式2的子载波索引分别为2和1，而时隙2中对应星座模式1和星座模式2的子载波索引分别为1和2。结合图2所示，时隙1和时隙2所对应的子块传输向量分别为[S2i,S1j]和[S'1i,S'2j]。
在接收端，通过时隙1和时隙2联合LLR检测可以估计出二维双模子载波索引信号以及对应的二维双模星座符号，进而解调恢复出所传输的比特数据。
综上所述，本申请在传输传统双模索引比特的同时，还可以额外传输维度索引比特，因此能够取得比传统双模索引调制更高的频谱效率；并且，本申请对幅度放大系数和相位旋转角度进行联合优化，从而取得最佳传输误码性能。

Claims (9)

1.带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，其特征在于，由发射端执行，包括：
S1、获取输入比特序列，并将所述输入比特序列通过串并转换分为K路，分别对应K个子块；
S2、在各个子块中，将输入的比特序列再一次通过串并转换分为两路，一路用于二维双模子载波选择，另一路用于二维双模星座映射，从而实现二维双模索引调制；
S3、在每个子块完成二维双模索引调制后，进行实数OFDM调制；
二维双模索引调制将子块的子载波在两个时隙进行联合编码，包括：
每个时隙的子载波首先在两个不同的维度中进行选择，且两个时隙选择不同的维度，维度索引选择传输1个索引比特；
在选择某一维度之后，每个时隙再对该时隙的子载波进行双模索引调制，每个时隙通过双模子载波选择传输1个索引比特；
在经过维度选择和双模调制之后，得到每个子块在两个时隙所对应的传输信号向量；S4、进行数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过直流偏置器添加直流偏置将所产生的双极性实数信号转换为单极性非负实数信号，最后用所得到的单极性非负实数信号直接驱动LED或者LD光源发光产生输出光信号。
2.根据权利要求1所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，其特征在于，S3中，所述进行实数OFDM调制，包括：添加厄密共轭对称、快速逆傅里叶变换和并串转换。
3.带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，其特征在于，由接收端执行，包括：
S1、将发射端产生的输出光信号经PD检测转换为模拟电信号；再经过模数转换得到对应的实数OFDM信号；
S2、对所得实数OFDM信号进行解调，得到K个子块所对应的待检测信号；
S3、在每个子块中，对待检测信号进行对数似然比检测，得到二维双模子载波索引信号以及对应的二维双模星座符号；通过二维双模索引解码恢复出对应的二维双模索引比特，以及通过二维双模星座解映射，恢复出对应的二维双模星座比特，并通过并串转换，得到每个子块的输出比特序列；
二维双模索引调制将子块的子载波在两个时隙进行联合编码，包括：
每个时隙的子载波首先在两个不同的维度中进行选择，且两个时隙选择不同的维度，维度索引选择传输1个索引比特；
在选择某一维度之后，每个时隙再对该时隙的子载波进行双模索引调制，每个时隙通过双模子载波选择传输1个索引比特；
在经过维度选择和双模调制之后，得到每个子块在两个时隙所对应的传输信号向量；
S4、通过并串转换将所有K个子块的输出比特序列进行合并，得到系统最终的输出比特序列。
4.根据权利要求3所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，其特征在于，S2中，所述对所得实数OFDM信号进行解调，包括：串并转换、快速傅里叶变换和频域均衡。
5.带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置，其特征在于，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置为发射端，用于执行权利要求1或2所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置包括：
获取模块，用于获取输入比特序列，并将所述输入比特序列通过串并转换分为K路，分别对应K个子块；
第一调制模块，用于在各个子块中，将输入的比特序列再一次通过串并转换分为两路，一路用于二维双模子载波选择，另一路用于二维双模星座映射，从而实现二维双模索引调制；
第二调制模块，用于在每个子块完成二维双模索引调制后，进行实数OFDM调制；
驱动模块，用于进行数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过直流偏置器添加直流偏置将所产生的双极性实数信号转换为单极性非负实数信号，最后用所得到的单极性非负实数信号直接驱动LED或者LD光源发光产生输出光信号。
6.带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置，其特征在于，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置为接收端，用于执行权利要求3或4所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法，所述带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制装置包括：
转换模块，用于将发射端产生的输出光信号经PD检测转换为模拟电信号；再经过模数转换得到对应的实数OFDM信号；
解调模块，用于对所得实数OFDM信号进行解调，得到K个子块所对应的待检测信号；
恢复模块，用于在每个子块中，对待检测信号进行对数似然比检测，得到二维双模子载波索引信号以及对应的二维双模星座符号；通过二维双模索引解码恢复出对应的二维双模索引比特，以及通过二维双模星座解映射，恢复出对应的二维双模星座比特，并通过并串转换，得到每个子块的输出比特序列；
合并模块，用于通过并串转换将所有K个子块的输出比特序列进行合并，得到系统最终的输出比特序列。
7.一种通信系统，其特征在于，所述通信系统包括：第一节点和第二节点；
所述第一节点为权利要求5所述的发射端，所述第二节点为权利要求6所述的接收端。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至4任一所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法。
9.一种计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1至4任一所述的带限OFDM可见光通信系统二维双模索引调制方法。
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