一种基于零自相关码对的可见光通信同步算法的制作方法

本发明涉及可见光通信技术领域，主要涉及通用零自相关码对以及基于此的新型同步和频偏估计方案。

背景技术：

可见光通信（visible light communication, VLC）是一种无需使用光纤的光通信技术，结合了无线通信和光通信技术的优点，提供无线、高速和可靠的宽带接入。VLC技术具有大量潜在的可利用带宽，不产生电磁辐射，不易受外部电磁干扰影响，可广泛应用于对电磁干扰敏感、甚至无电磁干扰的特殊场合。VLC可以利用其室内的照明光源作为基站，结合电力线通信，为用户提供便捷的室内无线通信服务。VLC系统主要使用正交频分复用技术调制信号。

正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）是一种广泛应用于高速率传输通信系统中的多载波调制技术。OFDM系统具有高频谱利用率以及抗频率选择性衰落的特性而被运用于VLC中。但是OFDM系统对符号定时和载波频偏很敏感，这两个缺点会使系统的性能降低，也会使得后续信道估计算法的效率降低。因此对于VLC-OFDM系统来说，研究符号定时和载波频偏估计算法十分重要。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提高VLC-OFDM系统的定时成功率和减小频偏估计误差，提高系统的通信效率，改善通信系统的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种通用零自相关码对的新型定时同步与频偏估计方案，包括以下步骤：S1、在数据发送端将设定参数映射成零自相关码对，将得到的码对按照设定的结构组合成同步符号，选择截断算法或者u律压扩算法降低同步符号的峰均功率比，发射机发射压缩后的同步符号数据；S2、对接收得到的原始数据使用新型定时度量方法计算，与动态阈值比较，得到定时时刻并计算小数频偏值；S3、对接收数据进行小数频偏补偿，对补偿后的数据使用整数频偏估计算法计算，得到整数频偏值。

上述技术方案具有如下优点：本发明对传统基于零自相关码的同步算法进行改进，提出零自相关码对，对原有的定时处理算法进行修改，根据提出的计算方法得到定时点和频偏估计值。本发明具有在低信噪比瑞利信道下的高定时成功率和低频偏估计误差的优点，提高系统的通信效率，改善通信系统的性能。

附图说明

图1是通用零自相关码对的映射图；

图2是通用零自相关码对的特性图；

图3是本发明提出的同步头结构；

图4是本发明提出的计算过程框图；

图5是本发明提出的定时度量和小数频偏估计计算过程框图；

图6是本发明提出的整数频偏估计计算过程框图；

图7是传统方法与本发明的定时度量在高斯信道下的对比仿真图；

图8是传统方法与本发明的频偏估计误差在高斯信道下的对比仿真图；

图9是本发明在瑞利信道下的定时成功率与传统方法的对比仿真图；

图10是本发明在瑞利信道下的定时误差与传统方法的对比仿真图；

图11是本发明在瑞利信道下的频偏估计误差与传统方法的详细对比仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明作进一步详细描述。

本发明提出了一种基于零自相关码对的可见光通信系统定时同步与频偏估计算法，具体流程如图1所示，包括以下S1、S2、S3这3个步骤：

S1、利用图1所示的映射关系和图2的自相关特性，产生基础数据，根据图3的结构产生同步符号，再加上循环前缀，得到OFDM系统的同步符号，经历峰均功率比降低算法后，发射机发射同步符号数据。

零自相关码对：通过QAM映射后的序列进行傅立叶逆变换得到第一部分序列，根据，对序列进行傅立叶逆变换得到第二部分序列，也乘一个因子，这两部分序列和是一组零自相关码对。其中取决于的映射方式，如果是QPSK映射产生，则，如果是QAM映射产生，则 ，其中是QAM的点数。

S2、如图4前一部分所示，同步符号经历信道，到达接收机，计算定时度量确定定时时刻和小数频偏。详细如图5所示，处理过程包括：阈值计算、度量结果计算、比较判断度量结果，根据比较结果计算定时时刻以及小数频偏估计值。定时度量计算式子是

其中 是IFFT点数，是接收数据。

表示动态阈值，其中表示比例系数。因此，正确的定时点为

其中是取时刻的函数，上式表示取绝对值最大的定时度量的时间点。定时点位置的度量的角度即是所需的小数频偏估计值，

本发明的小数频偏估计范围是。

S3、如图6所示对接收数据进行小数频偏补偿，对补偿后的数据使用整数频偏估计算法计算，得到整数频偏值。小数频偏估计之后是整数频偏估计，设接收数据补偿小数频偏估计后的序列为。则可以通过下面的式子计算整数频偏：

其中表示对 取的余。整数频偏的估计范围是所以总的频偏可以被表示为

图7中显示了在高斯信道下，wang方法、零自相关码法和本发明的定时成功率的对比。可以看出本发明和零自相关码法基本上都是成功的，wang算法在低信噪比的情况下成功率是不足的。因此在低信噪比的高斯信道中，本发明的效果是足够好的。

图8中显示了在高斯信道下，wang方法、零自相关码法和本发明的频偏估计误差的对比，可以看出本发明的效果最好，wang方法在低信噪比的情况下误差太大，本发明在低信噪比的情况下比wang方法好很多，约为wang方法的误差的1/3，是零自相关码法误差的1/2，当信噪比提高时三种算法基本没有差别。可见，本发明在低信噪比的高斯信道下对频偏估计的能力最好的。

图9中显示在瑞利信道下，wang方法、零自相关码法和本发明的定时成功率的对比。可以看出本发明基本上都是成功的，wang方法在低信噪比的情况下成功率是不足的。几种算法都是随着信噪比的增加成功率提高，可以看出本发明在低信噪比的情况下的优势明显。可以看出，随着信噪比的进一步降低，本发明的成功率仍是足够高，而另三种算法的成功率就会降低。

图10中显示在瑞利信道下，wang方法、零自相关码法和本发明的定时误差的对比。可wang方法在低信噪比的情况下定时误差约为36点，零自相关码法定时误差约为8，而本发明误差约为4点，是wang方法误差的1/9，零自相关码法误差的1/2。几种算法都是随着信噪比的增加误差减小，可以看出本发明在低信噪比的情况下的优势明显。

图11中显示了在瑞利信道下，wang方法、零自相关码法和本发明的频偏估计误差的对比，可以看出本发明的效果最好，零自相关码法的估计误差约为wang方法的误差的8/9，而本发明的误差极低，约为wang方法误差的1/10到3/10，因此本发明可以有效抗击瑞利衰落。

由以上实施例可以看出，本发明能用来有效地提高VLC-OFDM系统中的定时同步和频偏估计性能，特别是在低信噪比瑞利衰落的情况下，性能下降不会很多，而另两种算法在信噪比很低的情况下失误率会增加。并且本发明数据可操作性高，提高系统的通信效率，改善通信系统的性能。