CN103581101B - 基于直接调制ofdm系统的类平衡探测方法和实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法和实现装置。本发明方法可通过本发明提供的实现装置实施，其在发射端要对连续的码元分组进行编码，在接收端对编码后的码元组进行类平衡探测。通过这种方法，可以有效地消除基于正交频分复用调制方式的可见光通信系统的拍频噪声和系统中存在的固有的频率噪声，极大地提升系统的性能，增加接收机的灵敏度，改善信号的传输质量，在直接调制直接探测正交频分复用系统中应用前景广阔。

Description

基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法和实现装置

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种改善正交频分复用技术拍频噪声的新型的探测方法和实现系统。

背景技术

白光发光二极管（LED，light emitting diode）现在已经被广泛应用于照明中，并且因其效率高、价格低及寿命长等优点，白光LED预计将逐渐取代现有的照明用光源，如白炽灯、日光灯等，成为下一代照明技术的主流产品。白 光LED还具有调制性能好、响应灵敏度高的优点，利用白光LED的这种特性，可以将信号调制到LED所发出的可见光上进行传输。白光LED可以将照明与数据传输结合起来的特性，促进了一种新型的无线通信技术，即可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术的发展。

在可见光通信系统中，由于LED的调制速率非常高，人眼完全感觉不到其闪烁，可利用室内白光LED照明设备代替无线局域网基站，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，只要在室内灯光照到的地方，就可以实现长时间的高速数据传输；并且室内的信息不会外泄漏到室外，具有安全性高；再者，由于不使用无线电波通信，在对电磁信号敏感的环境中可以自由使用该系统。除上述之外，与传统的射频通信以及红外无线光通信技术相比，可见光通信还具有对人体安全、频率资源丰富等优点。

虽然VLC技术具有很多优点，但其发展也存在着一些限制因素，其中最主要的挑战在于白光LED有限的带宽限制了传输速率和系统性能。为了应对这一问题，国际上的科研团队纷纷提出采用高频谱效率的正交频分复用调制技术（OFDM，orthogonal frequencydivision multiplexing）并在实验中进行验证。但是对于直接调制直接检测的OFDM技术而言，其存在的拍频噪声对系统的影响比较严重，而且系统中存在的固有的频率噪声对系统性能也有一定的恶化。

有研究人员提出交叉调制的OFDM技术来降低拍频噪声的影响，但是其对频率偏移比较敏感，而且不能补偿系统固有的频率噪声。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直接调制的正交频分复用系统的类平衡探测方法，其用于实现OFDM可见光高速通信，解决了现有的OFDM调制技术中存在的问题。

本发明提供一种基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法，其在发射端通过类平衡编码器将OFDM信号分为不同的组，每组有两个连续的码元；在同一组信号内，第二个码元和第一个码元符号相反，其在接收端通过类平衡解码器对编码后的码元组进行类平衡探测，得到光电流；其中：在发射端，其码元组中的第k组的基带OFDM信号和分别表示为：

其中：N是子载波数目，cm是在第m个子载波中的信号，fm是第m个子载波频率；t表示时间；j表示单位虚数；

接收端的第k组码元组中的光电流为：

（11）

其中：

(7)

(6)

(12)

其中表示第k组第2k-1个码元的光电流；表示第k组第2k个码元的光电流； 表示第k组第2k-1个码元的信号强度；表示 第k组第2k-1个码元内的噪声强度；表示 第k组第2k个码元内的噪声强度；m₁表示第m₁个子载波；m₂表示第m₂个子载波。

系数α 表示OFDM基带强度和主载波相关的比例；V ₀和V _a 分别表示LED的偏置电压和反向电压；Re表示 取复数的实部；△f 表示频率偏差；f _m 是第m个子载波频率 ；f ₀表示LED发光频率；t表示时间；j表示单位虚数；c _i 表示第i 个子载波中的信号；表示第k组第2k-1个码元内的发射端噪声；表示第k组第2k个码元内的发射端噪声； 、 是由接收机引起的噪声。

本发明还公开了一种基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法的实现装置，其包括发送端和接收端；

所述发送端中包括类平衡编码器，QAM-OFDM编码调制模块和上变频模块；

所述接收端中包括类平衡解码器，QAM-OFDM解码器，下变频模块，聚焦透镜，滤光片和接收器；其中：

所述类平衡编码器，用于信号的类平衡编码；

所述QAM-OFDM编码调制模块，用于信号的编码调制；

所述上变频模块，用于将基带OFDM信号上载到射频上；

所述类平衡解码器，用于实现类平衡解码；

所述QAM-OFDM解码器，用于将QAM-OFDM解调成二进制数据；

所述接收器，用于将光信号转换为电信号。

本发明利用波分复用WDM技术在每个波段上传递不同波长的信号，并利用本发明中的类平衡探测方法，可进行QBD-OFDM可见光高速通信，其中所述可见光包括红、绿、蓝三个波段。

本发明的有益效果在于：其采用类平衡探测方法进行通信，可有效消除OFDM拍频噪声的干扰，提高接收机的灵敏度。和交叉调制的OFDM信号相比，具有更高的效率和更好的效果，以及更高的灵敏度。本发明适用于可见光通信领域，可用于解决OFDM可见光通信拍频噪声干扰问题，最大限度的提升系统的传输性能。

附图说明

图1为本发明所述的QBD-OFDM编码器框图。

图2为基于本发明的QBD-OFDM的可见光通信系统流程框图。

图3为基于本发明的QBD-OFDM的副载波分配示意图。

图4为基于本发明的QBD-OFDM第一个在6.25-56.25MHz副载波的电谱。

图5是红色光中QBD-OFDM和DDO-OFDM每个副载波对应的误码率曲线。

图6是绿色光中QBD-OFDM和DDO-OFDM每个副载波对应的误码率曲线。

图7是蓝色光中QBD-OFDM和DDO-OFDM每个副载波对应的误码率曲线。

图8分别是DDO-OFDM和QBD-OFDM绿色光中每个副载波对应的128QAM星座图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1

实施例中提供一种基于直接调制的正交频分复用系统的类平衡探测方法；并将类平衡探测方法用于通信，得到基于类平衡探测技术的OFDM (QBD-OFDM，quasi-balanceddetection-OFDM)的编码器以及类平衡探测技术的OFDM (QBD-OFDM，quasi-balanceddetection-OFDM)的解码器；QBD-OFDM的编码器示意图如图1所示；QBD-OFDM主要在电域中实现。

利用类平衡探测方法， 在发射端的类平衡编码器中，经过QAM-OFDM编码调制模块的QAM-OFDM信号被分为不同的组，每组有两个连续的码元。在同一组信号内，第二个码元和第一个码元完全符号相反。码元组中，第一组中的第一个码元为，第二个码元为；第k 组中的第一个码元为第二个码元为。

在这个方案中，第k 组中的基带OFDM信号可以表示为：

其中N是子载波数目，c _m 是在第m 个子载波中的信号，f _m 是第m个子载波频率，j 表示单位虚数；t 表示时间。

通过偏置树调制在LED上的OFDM信号可以表示为：

(3)

其中V ₀和V _a 分别表示为LED的偏置电压和反向电压。系数α 用来表述OFDM基带强度和主载波相关的比例。f ₁是OFDM信号的通过上变频模块后上变换频率。f ₀表示 LED发光频率；t 表示时间。

在通过室内试验传输之后，OFDM信号要考虑频率偏差和相位噪声，可以近似为

其中Δf 是偏差频率，φ(t)表示相位噪声，n ₀(t)是加性白色高斯噪声(AWGN)。

通过接收器即平方律检测器检测之后，第k 组中的光电流可以近似表示为

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中n _r (t)是由接收机引起的噪声。在等式(5)中，第一项是和原始OFDM信号成比例的，第二项是直流电流，第三项是信号对信号拍频噪声(SSBN)，第四项是等式(6)中右边所列出的其他噪声。在等式(6)中，第一项是信号对加性高斯白噪声(AWGN)拍频噪声，第二项是AWGN对AWGN拍频噪声，第四项和AWGN噪声成比例。

第k个框中的第二项光电流可以用等式(10)中相同的方式表示。等式(5)和(10)相减，我们得到第k个框中的光电流为

（11）

其中第一项是信号，第二项是噪声。从等式(11)中，我们发现二阶互调制失真、直流电流、可以完全消除，而且接收机灵敏度可以提高3dB，因此可以提高信噪比。

同时我们测试了这种方法在可见光通信系统中的有效性。其采用的实现基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法的实现装置，包括发送端和接收端。所述发送端中包括类平衡编码器，用于信号的类平衡编码，对应的接收端有类平衡解码器，实现类平衡解码；还包括正交振幅键控-正交频分复用(QAM-OFDM)编码调制模块和上变频模块；对应的接收端有下变频模块，和QAM-OFDM解码器。所述接收端还包括聚焦透镜，滤光片和接收器，对接收可见光处理，提取通信信号；其中：

所述QAM-OFDM编码调制模块，用于信号的编码调制；

所述上变频模块，用于将基带OFDM信号上载到射频上；

所述接收器，用于将光信号转换为电信号；

所述QAM-OFDM解码器，用于将正交振幅键控-正交频分复用QAM-OFDM解调成二进制数据。

实验流程框图如图2所示。其在发射端，将二进制数据流首先经过QAM-OFDM编码调制模块调制成正交幅度相位调制信号，然后进行上述类平衡编码，之后再插入导频信号，进行预均衡，即对每个子载波乘以一个加权指数，随后再进行反傅里叶变换，添加循环前缀之后变成并行数据，再经过上变频模块加载到不同的副载波上传输。在接收可见光时使用滤镜，区分接收红、绿、蓝三个不同波段，然后在不同的副载波上，类似于发射端，解调出原始信号。在该实验中，我们利用红绿蓝LED的三种颜色，把每种颜色LED的频带分成两个带宽相等的副载波，其中副载波的分配示意图如图3所示。

图3为所述QBD-OFDM可见光高速通信系统的实现原理示意图，采用二个副载波，副载波中心频率分别是：31.25MHz，81.25MHz，每个副载波的带宽均为50MHz。

在发送端，通信信号通过QAM-OFDM编码调制模块和上变频模块加载到可见白光上传输；在接收端，通过聚焦，滤光片、接收器以及后端算法处理模块等对接收可见白光的处理，提取出通信信号。

图4为绿光LED时QBD-OFDM在6.25-56.25MHz范围的电谱示意图。

对图3所示的系统进行测试获得的误码率曲线和星座图如图5所示。

其中所测的QBD-OFDM数据都和传统的直接检测光OFDM(DDO-OFDM)数据相对比，以体现QBD-OFDM性能的优越性；其中，采用两个副载波，副载波sub1和副载波sub2。图5是红色光中QBD-OFDM和DDO-OFDM每个副载波对应的误码率曲线；图6是绿色光中QBD-OFDM和DDO-OFDM每个副载波对应的误码率曲线；图7是蓝色光中QBD-OFDM和DDO-OFDM每个副载波对应的误码率曲线；图8 ()()和()()分别是DDO-OFDM和QBD-OFDM绿色光中每个副载波对应的128QAM星座图。结果表明，QBD-OFDM三色LED的每一种波长的误码率性能都低于7%的FEC阈值。

Claims (2)

1.一种基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法，其特征在于：在发射端将OFDM信号分为不同的组，每组有两个连续的码元；在同一组信号内，第二个码元和第一个码元符号相反，在接收端对编码后的码元组进行类平衡探测，得到光电流；其中：发射端的第k组码元组中的基带OFDM信号和分别表示为：

其中： N 是子载波数目， c _m 是在第m个子载波中的信号， f _m 是第m 个子载波频率；t表示时间；j表示单位虚数；

接收端的光电流的计算过程如下：

通过偏置树调制在LED上的OFDM信号表示为：

(3)

其中V ₀和V _a 分别表示为LED的偏置电压和反向电压；系数α 用来表述OFDM基带强度和主载波相关的比例；f ₁是OFDM信号的通过上变频模块后上变换频率；f ₀表示 LED发光频率；t 表示时间；

在通过室内试验传输之后，OFDM信号要考虑频率偏差和相位噪声，近似为

其中Δf 是偏差频率，φ(t)表示相位噪声，表示第k组第2k-1个码元内的发射端噪声；

通过接收器即平方律检测器检测之后，第k组中的光电流近似表示为

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中表示第k组第2k- 1个码元的光电流；表示第k组第2k个码元的光电流； 表示第k组第2k-1个码元的信号强度；表示 第k组第2k-1个码元内的噪声强度；表示 第k组第2k个码元内的噪声强度；m₁表示第m₁个子载波；m₂表示第m₂个子载波； Re表示取复数的实部； c _i 表示在第i 个子载波中的信号； 、 、n _r (t)是由接收机引起的噪声，在等式(5)中，第一项是和原始OFDM信号成比例的，第二项是直流电流，第三项是信号对信号拍频噪声SSBN，第四项是等式(6)中右边所列出的其他噪声；在等式(6)中，第一项是信号对加性高斯白噪声AWGN拍频噪声，第二项是AWGN对AWGN拍频噪声，第四项和AWGN噪声成比例；

第k个框中的第二项光电流用等式(10)中相同的方式表示；等式(5)和(10)相减，我们得到第k个框中的光电流为：

（11）

其中第一项是信号，第二项是噪声； 表示第k组第2k个码元内的发射端噪声。

2.一种基于直接调制OFDM系统的类平衡探测方法的实现装置，其包括发送端和接收端；其特征在于：所述发送端中包括类平衡编码器，QAM-OFDM编码调制模块和上变频模块；

所述接收端中包括类平衡解码器，QAM-OFDM解码器，下变频模块，聚焦透镜，滤光片和接收器；其中：

所述类平衡编码器，用于信号的类平衡编码；

所述QAM-OFDM编码调制模块，用于信号的编码调制；

所述上变频模块，用于将基带OFDM信号上载到射频上；

所述类平衡解码器，用于实现类平衡解码；

所述QAM-OFDM解码器，用于将QAM-OFDM解调成二进制数据；

所述接收器，用于将光信号转换为电信号。