有机可见光通信系统及基于Volterra级数的自适应非线性均衡器的制作方法
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种有机可见光通信系统及基于volterra级数的自适应非线性均衡器。
背景技术：
可见光通信(vlc)技术作为一种新型的无线通信方式，利用调制发光二极管(led)的发光强度，使得led可以同时实现照明和通信的功能，并以光电探测器作为接收端。相比于传统的无线射频通信，可见光通信具有极宽的频谱、无需无线电频谱认证、保密性好、绿色环保等优点。同时，有机发光二极管(oled)作为一种新型的照明光源，其具有可弯曲、透明、寿命长和显色指数高等特性，已经广泛应用于护眼照明和屏幕显示等场景。在潜在的有机可见光通信应用场景下，一般采用白光oled作为照明光源，因此基于白光oled进行照明通信一体化是有机vlc技术中的重要研究方向。
作为有机可见光通信系统的重要组成部分，发射端oled的特性很大程度上会影响系统的性能。通信性能的核心指标是信噪比(snr)，而提高信噪比就需要增加有效信号的功率，因而需要增大oled的可用动态范围。而大的动态范围会带来严重的非线性失真，同时oled器件本身带宽有限的特性又会产生一定的记忆效应。这种非线性失真会恶化通信性能，特别是对一些高峰均功率比(papr)的调制方式，例如正交频分复用(ofdm)技术，这种失真会更加严重。对于有机可见光通信系统，已有工作提出了一些技术来提高通信性能，其中在接收端通过数字域均衡是一种常见手段。现有技术只是针对于传输速率的提高，并未考虑这种记忆效应的非线性失真。因此设计一种适用于有机可见光通信系统的自适应非线性抑制均衡器，对于提高有机可见光系统的通信性能是很有意义的。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种有机可见光通信系统及基于volterra级数的自适应非线性均衡器，利用基于volterra级数的自适应非线性均衡器能够在一定程度上抑制有机可见光通信系统的非线性失真，从而可以提升有效的snr，在满足一定误码率(ber)门限的要求下增加传输距离，进而提高有机可见光通信系统的整体性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种有机可见光通信系统，包括：设置在发送端的白光有机发光二极管，设置在接收端且依次连接的光学透镜、光电探测器和基于volterra级数的自适应非线性均衡器；
所述白光有机发光二极管作为光源，所述光学透镜与光电探测器对接收的光信号进行光电信号转换，输出电信号至基于volterra级数的自适应非线性均衡器；
所述基于volterra级数的自适应非线性均衡器用来抑制白光有机发光二极管带有记忆效应的非线性失真，提高电信号的有效snr。
所述白光有机发光二极管最佳直流工作电压为7v；白光有机发光二极管为一个色温4000k的白光暖光源，光谱图包含452nm、477nm、540nm与610nm四个峰值波长。
所述光电探测器为pin-硅光电二极管或雪崩光敏二极管。
所述基于volterra级数的自适应非线性均衡器包含两种简化模型；
其中一种简化模型是一种记忆多项式模型，表示为：
其中，xk(n-q)表示记忆深度为q，非线性阶数为k的相应项，wkq为其对应系数；
另一种简化模型考虑2阶非线性失真，以及相邻输入的非线性失真，表示为：
其中，k为非线性的阶数，q为最大的记忆深度，x(n)是接收端在时刻n的电信号，
记忆多项式模型的记忆深度和非线性阶数的参数依据所用光源和信道的特性来选取，并且通过递归最小二乘算法求解均衡器的各项抽头系数，从而在不同输入电压峰峰值和距离的条件下，根据发送训练符号自适应的抑制白光有机发光二极管带有记忆效应的非线性失真。
使用向量形式表示记忆多项式模型的方程：
其中，wt、xvec(n)分别为均衡器的抽头系数、接收端的电信号的向量形式；
原始输入信号y(n)和估计的原始输入信号
在恢复原始输入信号时，确保误差e(n)最小，即：
采用递归最小二乘算法来求解上式，从而自适应的得到基于volterra级数的自适应非线性均衡器的相应抽头系数。
一种基于volterra级数的自适应非线性均衡器，应用于有机可见光通信系统，其包含两种简化模型；
其中一种简化模型是一种记忆多项式模型，表示为：
其中，xk(n-q)表示记忆深度为q，非线性阶数为k的相应项，wkq为其对应系数；
另一种简化模型考虑2阶非线性失真，以及相邻输入的非线性失真，表示为：
其中，k为非线性的阶数，q为最大的记忆深度，x(n)是接收端在时刻n的电信号，
记忆多项式模型的记忆深度和非线性阶数的参数依据所用光源和信道的特性来选取，并且通过递归最小二乘算法求解均衡器的各项抽头系数，从而在不同输入电压峰峰值和距离的条件下，根据发送训练符号自适应的抑制白光有机发光二极管带有记忆效应的非线性失真。
使用向量形式表示记忆多项式模型的方程：
其中，wt、xvec(n)分别为均衡器的抽头系数、接收端的电信号的向量形式；
原始输入信号y(n)和估计的原始输入信号
在恢复原始输入信号时，确保误差e(n)最小，即：
采用递归最小二乘算法来求解上式，从而自适应的得到基于volterra级数的自适应非线性均衡器的相应抽头系数。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，自适应体现的是可以根据已知训练序列在不同实验环境下都能自动求得均衡器的各项抽头系数，进而利用所述均衡器抑制系统非线性失真；而非线性体现的是所述均衡器的结构是非线性的，同时也利用到了接收信号的非线性项；一方面，利用基于volterra级数的自适应非线性均衡器用于抑制发送端oled的带有记忆效应的非线性失真，可以提高有效snr，增加通信距离；另一方面，还可以使得有机可见光通信系统在不同输入电压峰峰值(vpp)和距离条件下误码率都满足fec门限，抑制系统的非线性失真，进而提高有机可见光通信系统的整体性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种有机可见光通信系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的白光有机发光二极管的电光(p-u)转化曲线图和光谱图；
图3为本发明实施例提供的基于volterra级数的自适应非线性均衡器的示意图；
图4为本发明实施例提供的有机可见光系统接收信号频谱在不同vpp的实验结果图
图5为本发明实施例提供的有机可见光通信系统的基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器在不同记忆深度下的ber随vpp实验结果图；
图6为本发明实施例提供的有机可见光通信系统的基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器在不同记忆深度下的均方误差随迭代次数实验结果图；
图7为本发明实施例提供的有机可见光通信系统对不同均衡器的ber随vpp的实验结果图
图8为本发明实施例提供的有机可见光通信系统对频域均衡器(fde)和基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器在不同距离下的ber实验结果图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都属于本发明的保护范围。
实施例一
本发明实施例提供一种有机可见光通信系统，如图1所示，其主要包括：设置在发送端的白光有机发光二极管(oled)，设置在接收端且依次连接的光学透镜(lens)、光电探测器和基于volterra(沃尔泰拉)级数的自适应非线性均衡器(volterradfe)；所述白光有机发光二极管作为光源，所述光学透镜与光电探测器对接收的光信号进行光电信号转换，输出电信号至基于volterra级数的自适应非线性均衡器；所述基于volterra级数的自适应非线性均衡器用来抑制白光有机发光二极管带有记忆效应的非线性失真，提高电信号的有效snr，，增加通信距离，从而提高有机可见光通信系统的整体性能。
本发明实施例所提供的有机可见光通信系统采用ofdm技术，是为了提高频带利用效率，提高传输速率，其相关参数依据系统特性来选取。
本发明实施例中，所述光电探测器可以为图1所示的雪崩光敏二极管(apd)，也可以为pin-硅光电二极管。
本发明实施例中，所述白光有机发光二极管最佳直流工作电压为7v；白光有机发光二极管为一个色温4000k的白光暖光源，光谱图包含452nm、477nm、540nm与610nm四个峰值波长。如图2所示为白光有机发光二极管的电光(p-u)转化曲线图和光谱图，其中图2a为电光(p-u)转化曲线图，图2b为光谱图。从图2b可见，红光分量较高，相比于传统led所采用的蓝光激发黄色荧光粉产生白光的方式来说，其对人眼更加友好，蓝光伤害较小。
本发明实施例中，为了实现针对白光有机发光二极管进行非线性抑制，提出了基于volterra级数的自适应非线性均衡器。
一般来说volterra级数可以表示为：
对于有机可见光通信系统来说，其中x(n)是接收端在时刻n的电信号，
volterra级数本质上是一种无穷级数。考虑实际系统的实现，需要对其简化，本发明实施例提出的基于volterra级数的自适应非线性均衡器包含两种简化模型；
其中一种简化模型是一种记忆多项式模型，可用n-tde术语表示，具体表示为：
其中，xk(n-q)表示记忆深度为q，非线性阶数为k的相应项，wkq为其对应系数。
另一种简化模型，可用n-tde-sim术语表示，其考虑2阶非线性失真，以及相邻输入的非线性失真，表示为：
其中，k为非线性的阶数，q为最大的记忆深度，wq为对应记忆深度下线性项的系数，wql,wqq为对应记忆深度下非线性项的系数。
上述记忆多项式模型的记忆深度和非线性阶数的参数依据所用光源和信道的特性来选取，并且通过递归最小二乘算法求解均衡器的各项抽头系数，从而在不同输入电压峰峰值和距离的条件下，根据发送训练符号自适应的抑制白光有机发光二极管带有记忆效应的非线性失真。
抽头系数的计算过程如下：
使用向量形式表示第一种的记忆多项式简化模型的方程：
其中，wt、xvec(n)分别为均衡器的抽头系数、接收端的电信号的向量形式；
原始输入信号y(n)和估计的原始输入信号
在恢复原始输入信号时，确保误差e(n)最小，即：
采用递归最小二乘算法来求解上式，从而自适应的得到基于volterra级数的自适应非线性均衡器的相应抽头系数。
如图3所示，为基于volterra级数的自适应非线性均衡器的示意图。图3中设定的记忆深度为2，同时基于volterra级数的自适应非线性均衡器包含线性项和非线性项两部分，线性项对应着图中上半部的抽头，而下半部的非线性部分将接收端电信号x(n)进行一定的非线性展开，图3中整体的实线抽头部分表示的是所提出的第一种简化模型，也即记忆多项式模型，而下半部的非线性项中的虚线部分表示的是考虑相邻时间之间的非线性干扰，加上这部分就是所提出的后一种简化模型。通过对x(n)信号分别进行线性展开和非线性展开，利用上述公式所描述的过程，在训练过程中不断迭代求得均衡器的抽头系数。
另一方面，为了说明本发明提供的有机可见光通信系统的优越性，下面结合相应实验来进行说明。
如图4所示为采用本发明实施例所提供的有机可见光系统接收信号频谱在不同输入电压峰峰值(vpp)的实验结果图。图4中，如上述以7v为oled直流工作电压，并且加载10khz的正弦信号。通过实际光链路，观测接收端信号的频谱信息。在此过程中我们改变的是输入电压峰峰值(vpp)，可见随着vpp的增大，oled的非线性失真情况就越严重。一开始只出现2次谐波到出现8次谐波，同时基波和2次谐波之间的差值也随着vpp的增大而不断减少。由图4可以看出oled的非线性失真很严重，说明了针对此系统进行非线性抑制的必要性。
如图5、6所示，为本发明实施例提供的有机可见光通信系统的基于记忆多项式模型(n-tde)的非线性均衡器在不同记忆深度下的实验结果图，其中非线性阶数k＝2(可称之为基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器)。由图5可见，q＝2、q＝3、q＝4时的曲线基本重叠在一起，也就是说，当记忆深度达到q＝2时，再增加记忆深度不会继续降低ber，而当记忆深度选取为q＝1时会对系统的性能产生极大的恶化。由于记忆深度为q＝4时的性能稍微比记忆深度为q＝2时的好，我们针对此系统可以选取记忆深度为q＝4。另外注意图6所示的均方误差随迭代次数实验结果图，可见虽然记忆深度q＝4所需的收敛时间比q＝1时间要长，但是可以实现更高的收敛精度。同时所需的训练符号比所设定的序列符号要少，这意味着可以进一步增加通信速率和降低计算的复杂度。
如图7所示，为本发明实施例提供的有机可见光通信系统对不同均衡器的ber随vpp的实验结果图。可见基于volterra级数的自适应非线性均衡器相比于传统的频域均衡器(fde)可以实现更低的ber，而对于所述的两种简化volterra级数模型来说，第一种基于记忆多项式的模型(n-tde)可以进一步的提升通信性能，在较大的vpp情况下这种性能增益会更加明显。
如图8所示为本发明实施例提供的有机可见光通信系统对传统的频域均衡器(fde)和基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器在不同距离下的ber实验结果图，由图8可知：非线性失真情况在近距离下会表现的更加严重，而在远距离下snr则会占据主要因素。针对这种非线性失真可以通过所述的基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器来补偿，这种基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器相比于fde均衡所带来的增益在近距离情况下会超过一个数量级。另外传输距离还可以通过增加直流工作电压来扩展，最终在此基于volterra级数记忆多项式模型(n-tde(k＝2))的自适应非线性均衡器的作用下，可以实现了3m的长距离有机可见光通信(ber满足前向纠错fec门限)。
综上所述，利用本发明实施例所提供的基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器。有机可见光通信系统接收端在不同的vpp和不同的距离条件下，其性能相比于传统的频域均衡器都有比较大的性能增益。在近距离的条件下ber可以降低一个数量级，这种基于2阶记忆多项式自适应非线性均衡器可以极大的抑制发端oled产生的非线性失真，提升通信距离，进而提高有机可见光通信系统的整体性能。
实施例二
本发明实施例还提供一种基于volterra级数的自适应非线性均衡器，应用于有机可见光通信系统，其包含两种简化模型；
其中一种简化模型是一种记忆多项式模型，表示为：
其中，xk(n-q)表示记忆深度为q，非线性阶数为k的相应项，wkq为其对应系数；
另一种简化模型考虑2阶非线性失真，以及相邻输入的非线性失真，表示为：
其中，k为非线性的阶数，q为最大的记忆深度，x(n)是接收端在时刻n的电信号，
本发明实施例中，记忆多项式模型的记忆深度和非线性阶数的参数依据所用光源和信道的特性来选取，并且通过递归最小二乘算法求解均衡器的各项抽头系数，从而在不同输入电压峰峰值和距离的条件下，根据发送训练符号自适应的抑制白光有机发光二极管带有记忆效应的非线性失真。
本发明实施例中，使用向量形式表示记忆多项式模型的方程：
其中，wt、xvec(n)分别为均衡器的抽头系数、接收端的电信号的向量形式；
原始输入信号y(n)和估计的原始输入信号
在恢复原始输入信号时，确保误差e(n)最小，即：
采用递归最小二乘算法来求解上式，从而自适应的得到基于volterra级数的自适应非线性均衡器的相应抽头系数。
本发明实施例提供的基于volterra级数的自适应非线性均衡器在之前的实施例中已经进行了详细的介绍，故不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
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