一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法及系统与流程

本发明涉及一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法及系统，具体涉及正交频分复用(OFDM)、离散哈特莱变换(DHT)和空间调制的一种适用于可见光通信的调制方法，属于可见光通信技术领域。

背景技术：

近年来可见光通信(VLC)受到广泛关注。可见光拥有丰富的频谱资源，可以很好地解决无线频谱拥塞问题；可见光系统可以同时实现照明和通信功能；与射频通信相比，可见光通信可以免受敏感电子器件带来的干扰；可见光通信使用光的强度来传递信息，具有很好的保密性；而且对人体影响小，绿色安全。

可见光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)的传输方式,只能传输单极性实数值信号，而传统的OFDM信号是双极性复数信号，为了使OFDM技术用于可见光通信以实现高速通信，ACO-OFDM、DCO-OFDM、Flip-OFDM、U-OFDM等改进的OFDM调制方式被提出。

ACO-OFDM利用Hermitian矩阵性质并且只使用奇数载波传输数据，直接削去双极性的OFDM信号的负值部分而得到单极性的OFDM信号；DCO-OFDM通过Hermitian矩阵得到双极性实数值信号，然后加入直流偏置(DC bias)得到单极性实数值信号；Flip-OFDM和U-OFDM也使用Hermitian矩阵来解决信号的复数问题，Flip-OFDM分两次分别传输正数值和翻转的负数值；U-OFDM通过增加0/1编码位来表示信号的正负。以上几种调制方式IFFT输入端Hermitian矩阵的使用，虽然解决了信号的复数问题，但一半的载波传输冗余信息，使频谱利用率降低一半，传输速率也较低。

技术实现要素：

针对以上调制技术采用Hermitian矩阵带来的频效和传输速率较低的问题，本发明提出了一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法，基于哈特莱变换的OFDM和空间调制相结合的调制方法解决了双极性复数信号无法直接用于可见光通信传输的问题,提高了可见光通信系统的频率利用率，减少了可见光通信系统的复杂度。

本发明还提供了上述基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法的实现系统；

本发明采用离散哈特莱变换替换OFDM中的离散傅里叶变换，在保证IDHT输入信号为实数的前提下，得到实数的输出信号，此时的输出信号仍然是双极性的，然后引入空间调制思想，将正值实数信号加在一个灯上，将负值实数信号的相反值加在另一个灯上，使用哈特莱变换和空间调制相结合，不使用Hermitian矩阵，也不用加入直流偏置，解决了复数双极性信号无法直接用于可见光信号传输的问题。

术语解释

MPAM调制，是指多电平幅度调制；

IDHT变换，是指离散哈特莱逆变换；

本发明的技术方案为：

一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法,采用2N个发射端和2N个接收端传输N路数据，具体步骤包括：

(1)发射端发射的信号比特流u经过MPAM调制后得到双极性实数信号xH；

(2)双极性实数信号xH经过IDHT变换后得到实数值信号xT；

(3)并串转换：将得到的实数值信号xT转换成串行数据xk；

(4)将串行数据xk分为N路数据x1,x2,...xN；

(5)对N路数据x1；x2；...xN分别进行判决，判决方法为：xi≥0时，xi<0时，1≤i≤N，得到单极性实数值信号

(6)将单极性实数值信号分别加载到2N个LED上，每路的两个LED在同一时刻始终分别有一个亮，一个灭；

(7)经过2N*2NMIMO信道H后，PD1,PD2,…PD2N分别得到接收值y1,y2,y3,y4,...y2N-1,y2N，信道矩阵H如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，0≤ψr≤Ψc时，ψr>Ψc时，hr,t＝0；1≤r≤2N，1≤t≤2N，m称为朗伯辐射序数，其值与光源半功率强度角有关，具体关系为Φ1/2为半功率角；dr,t代表接收端r和发射端t之间的距离；Ar为接收探测面积；φt为发射角；ψr为接收角；Ψc为FOV，即为视场角度；Ts(ψr)为光滤波器增益；

(8)对接收值y1,y2,y3,y4,...y2N-1,y2N进行解调，采用Zero-forcing或者最大先验概率检测得到解调信号

(9)串并转换，将串行数据转换成并行数据，作为哈特莱变换的OFDM的输入数据

(10)经过DHT变换为

(11)对DHT输出信号进行MPAM解调得到比特流。

根据本发明优选的，使用Zero-forcing得到解调信号具体步骤包括：

a、

式(Ⅱ)中，y为接收矩阵，H^-1与经过信道衰减和噪声干扰后得到的接收矩阵y相乘后得到

b、通过比较每行元素即的大小，分别得到最大元素位置m1,m2,...mN：当时，mo＝2N-1；当时，mo＝2N；1≤o≤2N；

c、通过m1,m2,...mN得到每路解调信号当mo＝2N-1时，当mo＝2N时，

d、每路解调信号拼接成一路解调信号

根据本发明优选的，采用基于最大先验概率办法检测得到解调信号具体步骤包括：

e、将信道矩阵H写作为H＝[h1h2...h2N]，接收信号y写作为根据最大先验概率，得到式(Ⅲ)：

f、根据贝叶斯公式将式(Ⅲ)转化为式(Ⅳ)：

得到m1,m2,...mN，则有：当mo＝2N-1时，当mo＝2N时，1≤o≤2N；

g、由每路解调信号拼接成一路解调信号

一种实现上述基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法的系统，包括MPAM Mod.模块、OFDM-IFHT模块、P/S模块、1-N Sep.模块、N个+/-Sep.模块、2N个LED灯、2N个PD、Est.模块、N-1Com.模块、S/P模块、OFDM-FHT模块、MPAM Dem.模块，所述MPAM Mod.模块、所述OFDM-IFHT模块、所述P/S模块、所述1-N Sep.模块依次连接，所述1-N Sep.模块分别连接N个所述+/-Sep.模块，每个所述+/-Sep.模块均连接两个所述LED灯，每个所述LED灯均分别连接2个所述PD，2N个所述PD通过所述Est.模块连接所述N-1Com.模块，所述N-1Com.模块、所述S/P模块、所述OFDM-FHT模块、所述MPAM Dem.模块依次连接；

所述MPAM Mod.模块用于实现多电平幅度调制，M为调制的尺寸；所述OFDM-IFHT模块用于实现基于快速离散哈特莱逆变换的正交频分复用调制；所述P/S模块用于实现并串转换，并行数据转换为串行数据；所述1-N Sep.模块用于实现将1路信号分成N路信号；所述+/-Sep.模块用于实现将双极性单路信号分成正、负两路单极性信号；LED是指发射端灯；所述PD是指接收端光探测器；所述Est.模块用于实现解调，使用Zero-forcing或者最大先验概率解调办法；所述N-1Com.模块用于实现将N路信号合并为1路信号；所述S/P模块用于实现串并转换，将串行数据转换为并行数据；所述OFDM-FHT模块用于实现基于快速离散哈特莱变换的正交频分复用调解调；所述MPAM Dem.模块用于实现多电平幅度解调。

本发明的有益效果为：

1、本发明首次提出将哈特莱变换与空间调制相结合的办法运用于可见光通信调制，解决了双极性数信号无法直接用于可见光信号传输的问题。

2、本发明OFDM中离散哈特莱变换取代了Hermitian矩阵作用，相对于使用Hermitian矩阵的可见光通信调制方法频效提高至少一倍。

3、本发明不用加入直流偏置，引入空间调制的思想，通过灯的位置来传递信息，与DCO-OFDM相比提高了能效，避免了直流偏置带来的能量浪费。

4、本发明用MPAM和离散哈特莱变换代替了MQAM和OFDM中的离散傅里叶变换,避免了虚数运算，减少了运算量和，降低了系统复杂度。

5、OFDM技术的使用，基于最大先验概率的解调办法的采用，使本系统有较好的抗干扰性能，误码率较低。

附图说明

图1为基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法2N*2N MIMO信道的系统框图；

图2为基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法2*2MIMO信道的系统框图；

图3为基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法4*4MIMO信道的系统框图；

图4为实施例5中使用Zero-forcing检测来解调信号得到的4*4MIMO(M＝2)信道的误码率曲线；

图5为实施例5中使用最大先验概率检测来解调信号得到的4*4MIMO(M＝2)信道的误码率曲线；

图6为实施例5中使用Zero-forcing检测来解调信号得到的4*4MIMO(M＝4)信道的误码率曲线；

图7为实施例5中使用最大先验概率检测来解调信号得到的4*4MIMO(M＝4)信道的误码率曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法,采用2N个发射端和2N个接收端传输N路数据，具体步骤包括：

(1)发射端发射的信号比特流u经过MPAM调制后得到双极性实数信号xH；

(2)双极性实数信号xH经过IDHT变换后得到实数值信号xT；

(3)并串转换：将得到的实数值信号xT转换成串行数据xk；

(4)将串行数据xk分为N路数据，包括x1,x2,...xN；

(5)对N路数据x1,x2,...xN分别进行判决，判决方法为：xi≥0时，xi<0时，1≤i≤N，得到单极性实数值信号

(6)将单极性实数值信号分别加载到2N个LED上，每路的两个LED在同一时刻始终分别有一个亮，一个灭；

(7)经过2N*2N MIMO信道H后，PD1,PD2,…PD2N分别得到接收值y1,y2,y3,y4,...y2N-1,y2N，信道矩阵H如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，0≤ψr≤Ψc时，ψr>Ψc时，hr,t＝0；1≤r≤2N，1≤t≤2N，m称为朗伯辐射序数，其值与光源半功率强度角有关，具体关系为Φ1/2为半功率角；dr,t代表接收端r和发射端t之间的距离；Ar为接收探测面积；φt为发射角；ψr为接收角；Ψc为FOV，即为视场角度；Ts(ψr)为光滤波器增益；

(8)对接收值y1,y2,y3,y4,...y2N-1,y2N进行解调，采用Zero-forcing或者最大先验概率检测得到解调信号

(9)串并转换，将串行数据转换成并行数据，作为哈特莱变换的OFDM的输入数据

(10)经过DHT变换为

(11)对DHT输出信号进行MPAM解调得到比特流。

使用Zero-forcing得到解调信号具体步骤包括：

a、

式(Ⅱ)中，y为接收矩阵，H^-1与经过信道衰减和噪声干扰后得到的接收矩阵y相乘后得到

b、通过比较每行元素即的大小，分别得到最大元素位置m1,m2,...mN：当时，mo＝2N-1；当时，mo＝2N；1≤o≤2N；

c、通过m1,m2,...mN得到每路解调信号当mo＝2N-1时，当mo＝2N时，

d、每路解调信号得到解调信号

采用基于最大先验概率办法检测得到解调信号具体步骤包括：

e、将信道矩阵H写作为H＝[h1h2...h2N]，接收信号y写作为根据最大先验概率，得到式(Ⅲ)：

f、根据贝叶斯公式将式(Ⅲ)转化为式(Ⅳ)：

得到m1,m2,...mN，则有：当mo＝2N-1时，当mo＝2N时，1≤o≤2N；

g、由每路解调信号得到解调信号

实施例2

一种实现实施例1所述的基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法的系统，包括MPAM Mod.模块、OFDM-IFHT模块、P/S模块、1-N Sep.模块、N个+/-Sep.模块、2N个LED灯、2N个PD、Est.模块、N-1Com.模块、S/P模块、OFDM-FHT模块、MPAM Dem.模块，所述MPAM Mod.模块、所述OFDM-IFHT模块、所述P/S模块、所述1-N Sep.模块依次连接，所述1-N Sep.模块分别连接N个所述+/-Sep.模块，每个所述+/-Sep.模块均连接两个所述LED灯，每个所述LED灯均分别连接2个所述PD，2N个所述PD通过所述Est.模块连接所述N-1Com.模块，所述N-1Com.模块、所述S/P模块、所述OFDM-FHT模块、所述MPAM Dem.模块依次连接；如图1所示。

所述MPAM Mod.模块用于实现多电平幅度调制，M为调制的尺寸；所述OFDM-IFHT模块用于实现基于快速离散哈特莱逆变换的正交频分复用调制；所述P/S模块用于实现并串转换，并行数据转换为串行数据；所述1-N Sep.模块用于实现将1路信号分成N路信号；所述+/-Sep.模块用于实现将双极性单路信号分成正、负两路单极性信号；LED是指发射端灯；所述PD是指接收端光探测器；所述Est.模块用于实现解调，使用Zero-forcing或者最大先验概率解调办法；所述N-1Com.模块用于实现将N路信号合并为1路信号；所述S/P模块用于实现串并转换，将串行数据转换为并行数据；所述OFDM-FHT模块用于实现基于快速离散哈特莱变换的正交频分复用调解调；所述MPAM Dem.模块用于实现多电平幅度解调。

实施例3

一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法,采用2个发射端和2个接收端传输1路数据，具体步骤包括：

(1)发射端发射的信号比特流u经过MPAM调制后得到双极性实数信号xH；

(2)双极性实数信号xH经过IDHT变换后得到实数值信号xT；IDHT变换的公式为:

在此基础上，系统可以利用DHT的快速算法即快速哈特莱逆变换(IFHT)和快速哈特莱变换(FHT)分别代替IFFT和FFT实现OFDM的调制和解调。

(3)并串转换：将步骤(2)得到的实数值信号xT转换成串行数据xk；

(4)将串行数据xk分为2路数据，包括x1,x2；

(5)对数据进行判决，原理如下:

得到x⁺、x^-均为单极性实数值信号；

(6)将x⁺、x^-分别加载到LED1和LED2上，两个灯在同一时刻始终有一个亮，一个灭；

(7)经过2*2MIMO信道H后，PD1,PD2分别得到接收值y1,y2,，信道矩阵H如式(Ⅰ)所示：

(8)对接收值y1,y2进行解调，采用Zero-forcing或者最大先验概率检测得到解调信号

(9)串并转换，将串行数据转换成并行数据，作为哈特莱变换的OFDM的输入数据

(10)经过DHT变换为DHT变换的公式为：

(11)对DHT输出信号进行MPAM解调得到比特流。

使用Zero-forcing得到解调信号具体步骤包括：

a、

式(Ⅱ)中，y为接收矩阵，H^-1与经过信道衰减和噪声干扰后得到的接收矩阵y相乘后得到

b、通过比较元素即的大小，得到最大元素位置m：当时，m＝1；当时，m＝2；

c、通过m得到解调信号当m＝1时，当m＝2时，

采用基于最大先验概率办法检测得到解调信号具体步骤包括：

d、将信道矩阵H写作为H＝[h1h2]，接收信号y写作为根据最大先验概率，得到式(Ⅲ)：

e、根据贝叶斯公式将式(Ⅲ)转化为式(Ⅳ)：

得到和m，则有：当m＝1时，当m＝2时，

实施例4

一种实现实施例3所述的基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法的系统，包括MPAM Mod.模块、OFDM-IFHT模块、P/S模块、1-N Sep.模块、1个+/-Sep.模块、2个LED灯、2个PD、Est.模块、N-1Com.模块、S/P模块、OFDM-FHT模块、MPAM Dem.模块，所述MPAM Mod.模块、所述OFDM-IFHT模块、所述P/S模块、所述1-N Sep.模块依次连接，所述1-N Sep.模块连接所述+/-Sep.模块，所述+/-Sep.模块均连接2个所述LED灯，每个所述LED灯均分别连接2个所述PD，2个所述PD通过所述Est.模块连接所述N-1Com.模块，所述N-1Com.模块、所述S/P模块、所述OFDM-FHT模块、所述MPAM Dem.模块依次连接；如图2所示。

所述MPAM Mod.模块用于实现多电平幅度调制，M为调制的尺寸；所述OFDM-IFHT模块用于实现基于快速离散哈特莱逆变换的正交频分复用调制；所述P/S模块用于实现并串转换，并行数据转换为串行数据；所述1-N Sep.模块用于实现将1路信号分成N路信号；所述+/-Sep.模块用于实现将双极性单路信号分成正、负两路单极性信号；LED是指发射端灯；所述PD是指接收端光探测器；所述Est.模块用于实现解调，使用Zero-forcing或者最大先验概率解调办法；所述N-1Com.模块用于实现将N路信号合并为1路信号；所述S/P模块用于实现串并转换，将串行数据转换为并行数据；所述OFDM-FHT模块用于实现基于快速离散哈特莱变换的正交频分复用调解调；所述MPAM Dem.模块用于实现多电平幅度解调。

实施例5

一种基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法,采用4个发射端和4个接收端传输2路数据，具体步骤包括：

(1)发射端发射的信号比特流u经过MPAM调制后得到双极性实数信号xH；

(2)双极性实数信号xH经过IDHT变换后得到实数值信号xT；

(3)并串转换：将得到的实数值信号xT转换成串行数据xk；

(4)将串行数据xk分为2路数据x1,x2；

(5)对两路数据分别进行判决，原理如下:

得到单极性实数值信号

(6)将单极性实数值信号分别加载到4个LED上，四个灯在同一时刻始终有两个亮，两个个灭；前两个灯和后两个灯在同一时刻分别始终有一个亮，一个灭；

(7)经过4*4MIMO信道H后，PD1，PD2,PD3，PD4分别得到接收值y1,y2,y3,y4，信道矩阵H如式(Ⅰ)所示：

(8)对接收值y1,y2,y3,y4进行解调，采用Zero-forcing或者最大先验概率检测得到解调信号

(9)串并转换，将串行数据转换成并行数据，作为哈特莱变换的OFDM的输入数据

(10)经过DHT变换为

(11)对DHT输出信号进行MPAM解调得到比特流。

使用Zero-forcing得到解调信号使用4*4MIMO信道的误码率曲线，如图4所示，在实际仿真中，我们对LED和PD均使用方阵排布；MPAM中我们选用M＝2，即为BPSK；

使用Zero-forcing得到解调信号使用4*4MIMO信道的误码率曲线，如图6所示，在实际仿真中，我们对LED和PD均使用方阵排布；MPAM中我们选用M＝4，即为4PAM；

具体步骤包括：

a、

式(Ⅱ)中，y为接收矩阵，H^-1与经过信道衰减和噪声干扰后得到的接收矩阵y相乘后得到

b、通过比较每行元素和的大小分别得到最大元素位置m,n，

c、通过m,n得到解调信号

d、由每路解调信号得到

采用基于最大先验概率办法检测得到解调信号使用4*4MIMO信道的误码率曲线，如图5所示，在实际仿真中，我们对LED和PD均使用方阵排布；其中MPAM中我们选用M＝2，即为BPSK；

使用4*4MIMO信道的误码率曲线，如图7所示，在实际仿真中，我们对LED和PD均使用方阵排布；其中MPAM中我们选用M＝4，即为4PAM；

具体步骤包括：

e、将信道矩阵H写作为H＝[h1h2h3h4]]，接收信号y写作为根据最大先验概率，得到式(Ⅲ)：

f、根据贝叶斯公式将式(Ⅲ)转化为式(Ⅳ)：

得到m,n，则有

g、由每路解调信号得到

实施例6

一种实现实施例5所述的基于哈特莱变换的可见光通信空间调制方法的系统，包括MPAM Mod.模块、OFDM-IFHT模块、P/S模块、1-N Sep.模块、2个+/-Sep.模块、4个LED灯、4个PD、Est.模块、N-1Com.模块、S/P模块、OFDM-FHT模块、MPAM Dem.模块，所述MPAM Mod.模块、所述OFDM-IFHT模块、所述P/S模块、所述1-N Sep.模块依次连接，所述1-N Sep.模块连接所述+/-Sep.模块，每个所述+/-Sep.模块均连接4个所述LED灯，每个所述LED灯均分别连接2个所述PD，2个所述PD通过所述Est.模块连接所述N-1Com.模块，所述N-1Com.模块、所述S/P模块、所述OFDM-FHT模块、所述MPAM Dem.模块依次连接；如图3所示。

所述MPAM Mod.模块用于实现多电平幅度调制，M为调制的尺寸；所述OFDM-IFHT模块用于实现基于快速离散哈特莱逆变换的正交频分复用调制；所述P/S模块用于实现并串转换，并行数据转换为串行数据；所述1-N Sep.模块用于实现将1路信号分成N路信号；所述+/-Sep.模块用于实现将双极性单路信号分成正、负两路单极性信号；LED是指发射端灯；所述PD是指接收端光探测器；所述Est.模块用于实现解调，使用Zero-forcing或者最大先验概率解调办法；所述N-1Com.模块用于实现将N路信号合并为1路信号；所述S/P模块用于实现串并转换，将串行数据转换为并行数据；所述OFDM-FHT模块用于实现基于快速离散哈特莱变换的正交频分复用调解调；所述MPAM Dem.模块用于实现多电平幅度解调。