一种基于削波搬移的超宽调亮可见光传输方法与流程

文档序号:11138133阅读:692来源:国知局
一种基于削波搬移的超宽调亮可见光传输方法与制造工艺

本发明属于可见光通信技术领域,特别涉及一种无线光传输方法。



背景技术:

作为未来移动通信关键技术之一的可见光通信具有绿色、安全、宽可用频段等特点,对于频谱资源紧缺的射频无线通信来说是一个很好的补充。OFDM技术不仅能够有效地增强数据传输速率,增加系统传输容量,而且能有效地抑制多径衰落和干扰,该技术已经广泛应用到现代无线通信中。

在强度调制直接检测光通信系统中,所需传输的信息由光信号的强度表示,这只能是非负单极性实信号,光接收机利用平方律探测器直接检测光信号强弱。已有的几种适用于强度调制、直接检测光通信的OFDM方式被提出,包括:基于直流偏置的OFDM(DC-biased optical OFDM,DCO-OFDM),非对称修剪的OFDM(Asymmetric clipping optical OFDM,ACO-OFDM)。

调光控制技术使得人们可以根据自己对灯光照明强度的要求来调节室内照明情况,实现有效的节能。在传统的DCO-OFDM系统中,调光控制技术可以分为模拟调制和数字调制两种方式,即目前应用较广泛的连续电流调节(Continuous Current Reduction,CCR)和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)。第一种方法简单、稳定,但是由于LED灯线性范围的限制,使得调光深度较低或较高时截断噪声过大,所以这种方法的调光范围很小。目前通常采用的是PWM调制,这种方法可以充分的利用LED灯的线性范围。

由于LED灯线性范围的限制,当DCO-OFDM的直流偏置值过大或过小时,系统的截断噪声非常大,导致在实际应用中传统的系统中通过直流偏置值来调节光强的方法所能达到的范围过小。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种基于削波搬移的超宽调亮可见光传输方法,以解决现有技术中存在的传统的系统中通过直流偏置值来调节光强的方法所能达到的范围过小的问题。

为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:

一种基于削波搬移的超宽调亮可见光传输方法,通过将原本的未加直流偏置的DCO-OFDM时域符号先乘以一个控制因子,然后加一个长度为N的OFDM子帧,承载加过直流偏置后会超过LED线性范围的那部分信息的负值;使得系统达到与直流偏置值无关的稳定状态,从而通过调节直流偏置值和控制因子来调节光强,所能达到的调亮范围由控制因子决定。

本发明的具体步骤如下:

步骤一,首先根据传统方法得到未加直流偏置的DCO-OFDM的时域信号x[n],再对此时的时域信号乘以控制因子α,即xd[n]=α·x[n];然后,加入一个长度为N的OFDM子帧用以承载加上直流偏置会超过LED线性范围的这部分信息的负值;则削波搬移后的xud[n]和x'ud[n]组成一个数据对,其中n=1,2,3,…,N-1;

步骤二,再分别对xud[n]和x'ud[n]这两个子帧添加循环前缀,假设循环前缀的长度为△,则第二子帧相比于第一子帧将延时N+△个时间单位来进行帧复用并最终加上所需要的直流偏置值;这样最终发送的OFDM符号x"ud[n]长度为2(N+△);

步骤三,通过光信道后,经过采样和去循环前缀,接收端得到长度为2N的时域符号;再对后N个序列去除直流偏置DC,定义前N长度为y1[n],后N长度为y'2[n];然后将前者减去后者;即y[n]=y1[n]-y'2[n]。;

步骤四,随后将y[n]进行串并转换并去除直流偏置DC,再进行N点的FFT变换并进行均衡便可获得解调信号。

削波搬移采用的公式为:

其中,[λminmax]表示LED线性范围,DC为直流偏置。

有益效果:与传统的DCO-OFDM系统相比,本发明的方法的性能将达到一个不受直流偏置大小影响的稳定状态,从而可以通过简单的调节直流偏置值和控制因子来调节光强。系统的调亮范围得到极大改善。而与普遍采用的PWM方法相比,本发明的实现更加简单,稳定。具体表现为以下几点:

1、在LED灯线性范围受限的条件下,只需要通过调节控制因子和直流偏置来调节光强,对光强的控制十分简单且系统的性能不受直流偏置大小的影响,达到了一个稳定状态,从而可以使系统的调亮范围得到极大改善并同时保持较高的传输速率。

2、针对节约能源和符合绿色照明的理念,实现了不损失信息传输可靠性前提下的低功率照明调节功能。因此该方案在一些照明度低的场所具有很好的应用前景。

3、本发明的方法所使用的整个系统的复杂度较低,发射机和接收机都十分容易实现。

附图说明

图1是本发明的方法所使用的系统发射端框图;

图2是本发明的方法所使用的系统接收端框图;

图3是LED灯非线性模型图;

图4是削波搬移示意图,其中,LED线性范围为[0,1],DC=0.3;

图5是最终发送的时域波形图,其中,LED线性范围为[0,1],DC=0.3;

图6是最终发送的帧结构图;

图7是在目标BER=2*10-3下本发明与传统DCO-OFDM可达到的频谱效率与调光深度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明所使用的系统的发射端和接收端流程图分别如图1和图2所示。传统的DCO-OFDM受到截断噪声的影响,直接调整直流偏置来调整光强的方法可以达到的调亮范围十分有限。而本发明通过将得到的时域OFDM符号乘以一个控制因子α,再用一个与原OFDM符号xud[n]长度相同的子帧x′ud[n]来承载超过LED灯线性范围的这部分信息的负值。使得整个系统达到与直流偏置量无关的稳定状态,从而可以在一个非常宽的范围内通过简单的调整直流偏置值与控制因子来进行光强的调控。

下面结合附图对本发明的方法进行更详尽的说明。

(1)在发射端,OFDM系统的子载波数为N,所有子载波中只有个子载波传输有效数据。发射端产生的二进制信源序列经过多进制正交幅度调制(M-QAM),形成待发送的频域数据,再将其映射到各个子载波上,并使其满足共轭对称性且第0和第个子载波数据为0。即得到的最终频域数据为X=[X(0),X(1)…,X(N-1)],其满足如下性质:

且其中()*表示取复数共轭。

(2)频域信号经过N点IFFT变换为实数的时域信号如下:

其中n表示OFDM时域符号的位置,j表示虚数符号。

(3)通过预失真技术,将LED灯的非线性特征简化为双边截断的简化数学模型,如图3所示。具体公式如下:

其中G(s)表示简化的LED灯非线性模型,[λminmax]表示LED线性范围。

首先对此时的时域信号乘以控制因子α,即xd[n]=α·x[n]。传统的DCO-OFDM加过直流偏置后会将超过LED灯线性范围的信号直接进行削波,这会使得当直流偏置DC较小或较高时整个系统的截断噪声非常大。而在这里,本发明加入一个长度为N的OFDM子帧用以承载会被削去的这部分信息的负值。则削波搬移后的xud[n]和x'ud[n]组成一个数据对,其中n=1,2,3,…,N-1。具体削波搬移采用的的公式如下:

其中,[λminmax]表示LED线性范围,DC为直流偏置。

削波搬移的过程如图4所示,其中,LED线性范围为[0,1],DC=0.3。再分别对xud[n]和x'ud[n]这两个子帧添加循环前缀。假设循环前缀的长度为△,则第二子帧x'ud[n]相比于第一子帧xud[n]将延时N+△个时间单位发送。最终得到的OFDM符号时域波形以及结构分别如图5和图6所示。可以看出削波搬移后的OFDM符号长度扩展为原来的两倍。

(4)通过光信道后,经过采样和去循环前缀,接收端接收到长度为2N的时域符号。再对后N个序列去除直流偏置DC。在这里,定义前N长度为y1[n],后N长度为y'2[n]。然后用y1[n]减去y'2[n],得到y[n],即:y[n]=y1[n]-y'2[n]。

随后将y[n]进行串并转换并去除直流偏置DC,再进行N点的FFT变换后经过均衡器,便可获得解调信号。

(5)最终发送的OFDM符号的均值为ID,并且这个值只与直流偏置DC还有控制因子α有关。定义调光深度η=(IDmin)/(λmaxmin)。通过调整直流偏置还有控制因子α的值,可以达到调节光强的目的。但系统的性能完全不会受到直流偏置DC大小的影响,调光范围得到极大改善。实现了不损失信息传输可靠性前提下的低功率照明调节功能。因此该方案在一些照明度低的场所具有很好的应用前景。

虽然本发明在发射端对信号乘以了控制因子α,但接收端并不需要知道这个值,这是因为这个系数可以认为是等效信道状态信息的一部分,所以接收端的信道估计器可以估计出这个等效信道状态信息以便后端的均衡。

图7展示了本发明在LED灯线性范围受限的情况下可达到的频谱效率与调光深度的曲线。仿真环境设置为:NLOS信道,子载波数N=128,E[x2[n]]=1,噪声功率为-10dbm,LED线性范围为[0,1]。目标误比特率为2·10-3。图中比较了DCO-OFDM与本发明可达到的频谱效率与调亮深度的曲线图。仿真时,所提出的系统在接收端进行了一次似然滤波,即若(y1[n]+y'2[n])∈[λminmax],则y'2[n]被判定为0。为比较的公平,DCO-OFDM在时域时乘以了一个自适应系数来减小非线性失真。从图中可以看出传统的DCO-OFDM的调光范围较小,当调亮深度较高或较低时便无法继续工作。而本发明所使用的系统的性能十分稳定,可以达到非常大的调亮范围,并且当调亮深度η>80%,或η<20%时,本发明所使用的系统可以达到的频谱效率可以超过DCO-OFDM。甚至在极端情况下,如η=2%时,系统仍可以达到0.75bit/s/Hz的频谱效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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