基于实傅里叶域哈特莱变换的颜色键控OFDM通信系统的制作方法

本发明涉及光通信设备领域，更具体地，涉及一种基于实傅里叶域哈特莱变换的颜色键控ofdm通信系统。

背景技术：

近年来，移动通信技术和业务的迅猛发展对传统的基于射频(radiofrequency，rf)频段的无线通信系统带来了很大挑战。可见光作为电磁波谱的一部分，因其所具有的巨大带宽而被提出用于无线通信。可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)系统能够提供超过数百thz不受限的可用频带；同时，vlc系统不会与rf信号间相互干扰，可与现有无线系统良好共存，且适用于rf信号受限的应用场合，如飞机客舱、医院等；此外，vlc系统还具有高可靠性、低能耗、部署成本低等优势。

在vlc系统中，颜色键控(colorshiftkeying，csk)调制将二进制信息调制为红、绿、蓝(rgb)三色光强度，利用rgb三色发光二极管(lightemittingdiode，led)同时传输，且保持三色光强度总和为常数以满足人眼安全及光照无闪烁等要求。

另一方面，正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)作为一种多载波传输技术，已被应用于光通信系统中。两种最主要的光ofdm(opticalofdm，o-ofdm)系统分别是直流偏置o-ofdm(dc-biasedopticalofdm，dco-ofdm)及非对称限幅o-ofdm(asymmetrically-clippedopticalofdm，aco-ofdm)。这两种系统中输入符号均需要满足厄米特共轭对称(hermitiansymmetry)，以确保ofdm时域信号的实数性。两者的区别在于，dco-ofdm需要添加直流偏置和限幅以确保时域信号的非负性；而aco-ofdm只在奇数序号的子载波上加载符号，而将偶数序号子载波置零，变换后直接对负数部分限幅从而确保ofdm时域信号的非负性。

在vlc中，csk调制已与ofdm传输技术相结合以提高频谱利用率。在传统的基于快速傅里叶变换(fastfouriertransform,fft)的csk-ofdm系统中，为满足vlc信道传输的实数性要求，并行输入ofdm调制器的csk已调制符号必须符合厄米特共轭对称，由此造成了一半频谱资源的浪费。

技术实现要素：

本发明提供一种提高频谱利用率的基于实傅里叶域哈特莱变换的颜色键控ofdm通信系统。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于实傅里叶域哈特莱变换的颜色键控ofdm通信系统，包括发射端和接收端，发射端和接收端通过vlc光信道连接，所述发射端包括顺次连接的csk调制器、dht-ofdm调制器、加偏置和限幅模块、添加cp模块、数模转换模块和led；所述接收端包括顺次连接的光电接收器、模数转换模块、去除cp模块、dht-ofdm解调和均衡模块以及csk解调器；led的光信号通过vlc光信道传递到光电接收器上。

进一步地，csk调制器的输入信号是二进制比特序列，该二进制比特序列经csk调制器调制为rgb三色强度值pr，pg和pb，得到的强度值将作为r、g、b三色信道各自的输入符号送入dht-ofdm调制器。

进一步地，光电二极管接收信号表示为：

其中，代表光电接收器的响应度，xtx,r(t)，xtx,g(t)和xtx,b(t)分别表示r，g，b信道的发射信号，yrx,r(t)，yrx,g(t)和yrx,b(t)分别表示各信道的接收信号，nr(t)，ng(t)和nb(t)分别表示各信道的噪声分量，*代表线性卷积运算。

进一步地，接收的信号经过去除cp模块，dht-ofdm解调和均衡模块后，得到的强度估计值和输入csk解调器进行最小距离判决，判决在信号空间，即强度值构成的空间进行，判决规则可表示为：

其中sl＝[pr,pg,pb]是构成m-csk星座图中的某一符号，0≤l≤m-1，m为m-csk星座图中星座点的总数，l代表判决遍历所有m个星座点，为待判决符号，代表所有m-csk符号的集合，代表判决后的输出符号，由及比特映射规则可最终输出二进制信息。

优选地，所述光电接收器是光电二极管。

优选地，在接收端中所述光电接收器与模数转换模块通过awgn信道连接。

进一步地，通过在awgn信道及vlc信道进行有效频谱效率ese测试来对系统进行性能测试，ese表示为：

其中，pfer为误帧率，mf为每帧有效的比特数，t为每帧的持续时间，b＝n·fs为系统总带宽，me为每个子载波的有效比特数。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明系统利用csk已调制符号的实数性，提出了基于实傅里叶域离散哈特莱变换的csk-ofdm系统，即dht-csk-ofdm系统，以实现“实数csk符号-实数ofdm符号”变换且无需添加厄米特共轭对称，相较于传统的基于快速傅里叶变换的csk-ofdm系统，频谱利用率提高了一倍，使得频谱资源得到了更为有效的使用，在错误率性能方面，dht-csk-ofdm与对等的csk-ofdm系统具有相同的误比特率性能，从而确保在获得频谱利用率倍增的同时不需要额外提升信噪比要求。

附图说明

图1为dht-csk-ofdm系统框图；

图2为awgn信道中dht-csk-ofdm与csk-ofdm的ber性能对比；

图3为awgn信道中dht-csk-ofdm与csk-ofdm的ese性能对比；

图4为vlc色散信道中dht-csk-ofdm与csk-ofdm的ber性能对比；

图5为vlc色散信道中dht-csk-ofdm与csk-ofdm的ese性能对比。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于实傅里叶域哈特莱变换的颜色键控ofdm通信系统，包括发射端和接收端，发射端和接收端通过vlc光信道连接，所述发射端包括顺次连接的csk调制器、dht-ofdm调制器、加偏置和限幅模块、添加cp模块、数模转换模块和led；所述接收端包括顺次连接的光电接收器、模数转换模块、去除cp模块、dht-ofdm解调和均衡模块和csk解调器；led的光信号通过vlc光信道传递到光电接收器上。

在发射端，输入的二进制比特序列首先由csk调制器调制为rgb三色强度值pr，pg和pb。所得到的强度值将作为r、g、b三色信道各自的输入符号送入dht-ofdm调制器。

dht-ofdm调制器采用dht取代传统ofdm中的fft以实现多载波复用。根据dht的定义，频域符号x(k)与时域信号x(n)遵从如下变换关系：

其中cas(·)＝cos(·)+sin(·)。dht逆变换(inversedht,idht)与dht变换具有同样的形式，因此在应用中可在收、发两端使用同样的硬件设备。

以红色光信道为例，设csk调制器的输出符号周期为ts(csk)，则连续的红色强度值可表示为其中l＝1,2,...,l，输入符号即强度值的总数为l。假设在每一个dht-ofdm调制器中共有n个子载波，则对于采用aco-ofdm体制的dht-csk-ofdm系统，l＝n/2个连续强度值被输入到所有奇数序号子载波上；而对于采用dco-ofdm体制的dht-csk-ofdm系统，l＝n-1个连续强度值被输入到除0序号子载波(对应直流频率)以外的共n-1个子载波上。相较传统的基于fft的ofdm调制器，dht-ofdm不再要求输入符号满足厄米特共轭对称，因此可支持两倍的传输信息量。对ofdm时域信号进行偏置，限幅，添加循环前缀(cyclicprefix，cp)，d/a变换等操作后，得到的输出信号用以驱动led发光。光信号在经过信道传输后，在接收端经光电二极管(photodiode，pd)再次转化为电信号。接收信号可表示为：

其中代表pd的响应度，xtx,r(t)，xtx,g(t)和xtx,b(t)分别表示r，g，b信道的发射信号，yrx,r(t)，yrx,g(t)和yrx,b(t)分别表示各信道的接收信号。而nr(t)，ng(t)和nb(t)分别表示各信道的噪声分量，设其为独立同分布的加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，awgn)噪声变量，*代表线性卷积运算。

经过去cp，dht变换以及频域均衡(frequencyequalization，feq)后，得到的强度估计值和共同输入csk解调器进行最小距离判决，判决在信号空间，即强度值构成的空间进行，判决规则可表示为：

其中sl＝[pr,pg,pb](0≤l≤m-1)构成m-csk星座图中的某个符号，为待判决符号，代表所有m-csk符号的集合，代表判决后的输出符号。由及比特映射规则可最终输出二进制信息。

如图2-5所示，为考察验证dht-csk-ofdm系统的性能，我们分别在awgn信道及vlc色散信道进行了误比特率ber以及有效频谱效率(effectivespectralefficiency，ese)的仿真实验。其中ese定义为：

其中，pfer为误帧率，mf为每帧有效的比特数，t为每帧的持续时间，b＝n·fs为系统总带宽，me为每个子载波的有效比特数。

仿真中，我们对(t·fs)进行了归一化，帧的大小设为1个ofdm符号/帧，每个dht-ofdm模块使用子载波总数n＝1024，且在dco-ofdm体制中偏置电流大小设置为13db。

通过性能仿真，本发明所提出的dht-csk-ofdm系统与传统的基于fft的csk-ofdm系统相比具有相似的ber性能，从而在不需要增加信噪比的情况下即可实现两倍于传统系统的频谱利用率。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。