CN101710890B - 脉冲和ofdm双重数据调制方法 - Google Patents

Abstract

单芯片白光LED的光谱由蓝光激发黄色或者红绿色等萤光粉形成，整个光谱形状呈比较独立的两个峰值，其中蓝光的响应速度远高于暖色光。本专利对蓝光进行脉冲调制传输数据的同时也用作暖色光OFDM调制的载波，由此实现双路高速数据传输。蓝光脉冲同时作为OFDM符号同步、直流偏置估计和信道估计的参考。

Description

脉冲和OFDM双重数据调制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及的是利用照明LED实现短距通信时的一种脉冲和OFDM的双重数据调制和解调的装置及方法。

背景技术

基于照明LED的可见光通信是一种新兴的短距无线通信方式，有望取代或者补充当前的短距RF无线通信技术，以提高通信速率、降低成本和环境的电磁辐射。目前，已经初步证实了不同环境下使用照明用LED通信的可行性，其中包括在室内和智能交通中的应用。

通信的重要技术方面之一是对通信数据信号的调制。针对不同通信体制和应用需求，广义地讲，采用的调制方式有各种脉冲调制(PM)、QAM(正交幅度调制)调制、OFDM(正交频分复用)调制以及CDMA(码分多址)等。有效的调制方式对通信***的数据传输速率、容量和质量有很大的影响。

脉冲调制是一种比较简的调制方式，在有线的基带通信***中常用，其中一种就是OOK(开关键控)调制。OFDM调制是一种有效消除信道多径延迟影响的多载波调制方式，其应用有越来越广泛的趋势，已经成功应用在xDSL(数字用户线)宽带接入***和无线局域网标准IEEE802.11a中，并有可能应用在未来的多种无线通信***。

可见光的波段在400nm到700nm之间，用作照明的大功率白光LED将是未来实现可见光通信的主体。常规的白光LED有两类：单芯片和多芯片，这是两种不同的实现技术。单芯片技术采用一个单色波段的LED激励黄色或者红色和绿色混合的荧光粉发出混合色的光，常用的激励光源是蓝光LED(或者紫外LED)。因此，单芯片白光LED的光谱特性截然分为冷色的蓝光和红黄色的暖色光两部分。在图1中示出了一个典型的单芯片白光LED的光谱曲线，作为激励光源的蓝光光谱大约在420nm-460nm范围，荧光粉发光的暖色光光谱大约在500nm-750nm范围。多芯片的白光LED由三基色光的LED构成。目前，由于照明时的功率需求，大多数白光LED采用单芯片的结构，而多芯片结构的白光LED多用于功率要求不太高但色彩质量要求较高的场合，如显示屏等。

上述模式的单芯片LED，蓝光属于半导体性质，是直接电驱动，所以响应比较快，有很高的带宽。而荧光粉属于二次响应，速度较慢，带宽较窄。因此，当用LED进行通信时，存在一个不同光谱的光在响应速度上的差异。

目前对可见光通信的研究，采用的调制方式有OOK方式、PWM方式、CDMA方式(如Tim C.W.Schenk，“Optical Wireless CDMA Employing Solid StateLighting LEDs”)、OFDM方式(如Hany Elgala，“Indoor Broadcasting via White LEDsand OFDM”)等。鉴于可见光照明LED发射光的非相干性和单极性，通常认为OOK方式可能是实现比较简单又能够达到一定速率的较实用的调制方式，而OFDM则是比较复杂但能够在非相干波上实现多载波高速传输的调制形式。

如果只用一个光接收机接收全光谱频段的光，那么通信***的带宽决定于慢响应的暖色光。目前大多数的研究，针对就是这一种情况，***能够实现的带宽大概在10MHz左右。另外也有研究单独针对蓝色光部分的快速响应特性，如在Hoa Le Minh的论文“100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using aPostequalized White LED”和S.C.J.Lee的论文“Discrete Multitone for NovelApplication Areas of Optical Communications”中，采用了蓝色滤光片滤除掉了慢速暖色光，从而在简单的OOK调制下或者在OFDM调制下达到了很高的数据传输速率。但是，这种方法显然无法用到蓝色光之外的大部分光的能量，而这部分光在采用OFDM调制时，也能够达到大约同样量级的数据传输速率。

如果在光发射机端，能够单独控制不同光谱的光，那么在接收机端用滤光片就能够分出不同光谱的信号，从而实现多路通信。对多芯片白光LED，如R、G、B三色LED封装在一起的白光LED，如果能够单独控制，就是一种可能实现3路并行通信的方法。但是对于通常的单芯片白光LED，只能够对激励光(通常是蓝光)进行控制，通过激励光的强度大小获取相应的暖色光强度(这种比例由LED的内部特定的配色组成决定)，两者实际上是密切相关的，无法独立使用。

针对上述问题，本专利提出了一种实现蓝光脉冲调制的同时实现暖色光OFDM调制的“PM-OFDM”双路高速传输数据方法。

发明内容

本发明的初始目的是充分利用白光LED的光谱特性和响应特性，实现一种基于白光LED的高速数据调制和解调。

本发明的基本思路是：以蓝光为LED激励源时，在激励脉冲序列的时间维度上进行一种脉冲调制，在其幅度上进行匹配于暖色光OFDM波形的调制，由此实现两路数据信息在不同光谱上的并行传输。

在光发射机端，发送数据流被分为两路：D_PM(n)和D_OFDM(n)。

数据流D_PM(n)经过常规的编码、交织、扰码等基带通信***常用的预处理措施后，对时钟频率为Φ_P的脉冲序列进行OOK脉冲调制，形成携带数据信息的等幅调制脉冲序列P_PM(n)，假定有脉冲代表数据“1”、无脉冲代表数据“0”，脉冲的幅度为1。这个脉冲序列作为信号同时送到两个地方，一个是激励补偿单元，一个是控制LED电流通断的开关电路。激励补偿单元的作用是判断当前调制脉冲P_PM(n)之后的调制脉冲P_PM(n-1)是否为零。如果为零，则在当前的脉冲幅度1上增加一个Δ后输出，否则维持原幅度1输出。这个新脉冲序列具有同样的频率Φ_P，但不再是等幅脉冲，记为P_ΔPM(n)。P_ΔPM(n)被送到调制器M_OOK-OFDM的第一个输入端口。送到LED通断控制的调制脉冲P_PM(n)，延迟T_d后，当P_PM(n)＝1时，打开LED，当P_PM(n)＝0时，关闭LED。打开LED即允许LED发送光信号，关闭LED即不允许LED发送光信号。而所允许发送的光信号的大小决定于施加在LED上的偏置电压V_LED。

数据流D_OFDM(n)经过常规的编码、交织、QAM调制、导频***、映射、IFFT变换等OFDM通信***常用的处理措施后，形成取样频率为Φ_OFDM的时域离散OFDM实信号。时钟频率Φ_P与Φ_OFDM为整数倍关系。将样点频率为Φ_OFDM的离散OFDM信号按照频率Φ_P进行插值运算，得到一个取样频率为Φ_P的离散OFDM信号S_OFDM(n)。将这个离散信号进行一个预偏置V_b转换为单极性信号，送到调制器M_OOK-OFDM的第二个输入端口。调制器的输出信号就是幅度被OFDM信号调制且补偿过的频率为Φ_P的脉冲序列S_ΔOFDM(n)。这个脉冲序列然后被送到一个DAC转换器，转换为模拟信号并被功率放大后成为LED的正向偏置电压(工作电压)V_LED。

白光LED受两个信号的同步作用：一个是施加在其上的工作电压，其大小反映了信号S_ΔOFDM(n)大小，决定LED导通时的电流；一个是控制LED电流通断的脉冲调制信号P_PM(n)。共同作用的结果是LED输出的光信号，在蓝光波段由于其快速响应特性，输出的光信号反映了脉冲调制信号P_PM(n)，在时间轴上隐含发送的OOK调制数据信息和时钟信息，幅度轴上隐含发送的OFDM数据调制信息；在暖光波段由于荧光粉较大的响应时常数脉冲信息被平滑掉，因而仅隐含了OFDM波形数据信息。

在光接收机端，有两个光接收通道：一个是蓝光接收通道，一个是暖光接收通道。

蓝光接收通道首先经过蓝光滤光片，滤除掉蓝光之外的光能量。进入接收机的蓝光进行光电转换、放大、滤波等处理后，信号被送往两个数据处理通道：脉冲处理通道和OFDM处理通道。脉冲处理通道直接对输入的脉冲信号进行处理，得到脉冲的同步信息、直流偏置电平并解调出调制的数据。OFDM处理通道首先将脉冲信号进行包络检波，得到脉冲信号幅度的轮廓信息。这个信息在发射机端实际上就是OFDM信号，对这个信号再进行ADC变换，得到离散的OFDM信号，记为S_B-OFDM(k)，然后去掉直流偏置转换为双极性信号送到一个合并器MRC。

暖光接收通道首先经过暖光滤光片，滤除掉暖光之外的光能量。然后，对进入接收机的暖光进行光电转换、放大、滤波等处理后，在同步信号的同步下对信号进行ADC变换，得到离散的OFDM信号，记为S_W-OFDM(k)，然后去掉直流偏置转换为双极性信号也送到合并器MRC。合并器MRC选择一定的加权算法，比如比值合并算法将两路OFDM信号同步地合并为一路OFDM信号，然后去掉循环前缀，进行FFT变换、去映射、QAM解调、去交织、解码，得到OFDM调制数据。

上述方法，可以看作是基于OOK脉冲载波的OFDM调制(当用PWM调制时，可以称为基于PWM脉冲载波的OFDM调制)。针对单芯片的白光LED，双重调制的结果是能够实现两路光发送通道：蓝光脉冲光通道和暖光连续波通道，而所用的LED仍旧只需要一个(或一组，但控制端口只需要一个)。在接收机端利用两个光接收通道，能够得到三路数据信息：一路独立的脉冲调制数据，两路关联的OFDM调制数据。这种方法除了增加数据传输速率外，同时获得了频率(蓝光、暖色光)分集增益。这种收发机可以灵活配置，根据信道状况和传输质量要求，将三个通道传输同样的数据或者只选用某一个通道都是容易实现的。

附图说明

图1：典型的单芯片白光LED光谱图。

图2：可见光通信场景示意。

图3：LED实现可见光通信的收发机组成。

图4：OOK和PWM调制的脉冲信号。

图5：采用OFDM调制的可见光通信***。

图6：以脉冲为载波的OFDM调制过程和输出波形。

图7：OOK-OFDM双重调制过程和对应的输出波形。

图8：采用双重调制的可见光通信***的收发机组成。

图9：接收的OOK调制信号的检测门限。

图10：OOK脉冲调制通道的同步信号之一种，采用了双脉冲巴克码。

图11：三通道的OOK-OFDM双重调制光收发机***实现框图。

图12：OOK-OFDM双重调制及其激励补偿的实现。

图13：脉冲激励补偿示意图。

图14：双光学通道接收前端。

具体实施方式

利用照明LED实现通信的场景一般如图2所示，单个的或者成阵列、成簇的LED(2-1)以各种形式实现需要的照明，同时成为光发射机。最通常的是安装在室内的房顶上，做成台灯放置在桌子上，或者安装在汽车、飞机的座位上方等。而光接收机(2-2)通常位于照明LED的下方。不同于RF无线传播，照明光一般存在一定的方向性(2-3)，特别是采用LED时，光照的范围比较容易控制。这种方向性在一定程度上对实现多址/多路通信有利。

可见光通信***的收发机一般构成如图3所示。发射机由控制器(3-1)、调制器(3-2)、驱动器(3-3)和发光二极管(3-4)构成，接收机由简单的透镜(3-5)、滤光片(3-6)构成的光学***、光电转换器(3-7)、信号检测电路(3-8)、信号解调电路(3-9)、信号处理器(3-10)构成。除了电-光、光-电转换部分取代RF无线通信的射频单元外，其总的通信组成与RF通信相同。

可见光通信的调制方式需要适合于非相干的单极性信号，常用的是开关键控(OOK)调制、脉冲宽度(PWM)调制等。在图4中示出了二进制的OOK和PWM调制方式。在时钟脉冲(4-0)的触发下，数据序列(4-1)按照OOK调制转换为信号(4-2)的脉冲形式，同样的数据序列按照PWM调制转换为(4-3)的脉冲形式。

可见光OFDM调制通过将频带划分成多个并行的正交子频带，不但具有常规无线通信***采用OFDM时所具有的优点，同时间接实现了非相干光信号无法实现的正交调制，如QPSK。在图5中所示出了OFDM调制的主要组成及数据操作流向。

发送端的原始数据流首先经过信道编码器(5-1)进行必要的纠错编码，然后经过交织器(5-2)对编码数据流进行交织，以提高对突发干扰的纠错能力。交织后的数据被调制器(5-3)转换成对应QPSK星座图的一组调制数据，然后按照子频带的数量转换成并行的对称复共轭数据并与导频信号(5-4b)一起由(5-4a)映射到规定的子频带上。并行的相当于频域的数据输入到傅里叶反变换器IFFT(5-5)转换成时域的一个实离散信号。按照***设计时所针对的光信道的延时大小，CP***模块(5-6)在此信号的尾部提取部分信号样点作为循环前缀(CP)***到信号的前部，形成一个完整的离散OFDM符号。离散OFDM符号经过数模转换器DAC(5-7)转换为连续的OFDM时域信号波形，施加直流偏置转换为单极性信号后再经过功率驱动器(5-8)驱动LED，最终将电信号转换为光强度信号发送到可见光信道(5-9)中。

在OFDM可见光接收机端，通过光信道(5-9)的光信号被光检测器(5-10)检测并转换为电信号，经过必要的放大和滤波(5-11)，连续的信号经过ADC转换器(5-12)在OFDM符号同步信号(5-13)的触发下，转换为离散的信号。这个信号与发射机端时域的离散OFDM信号对应，经过(5-14)移除循环前缀CP并去掉直流偏置，送到快速傅里叶变换器FFT(5-15)变换回频域的对应各个子载波的一组信号，经(5-16)去映射后，解调器(5-17)分解QPSK转换为串行的比特流。然后再经去交织(5-18)、纠错解码(5-19)，输出接收的实际数据流。

上述调制方式都是单一的基带调制，只能够传输一路数据。本发明提出的方法是同时利用脉冲和OFDM调制，实现双路数据传输。原理如下：

对于可见光通信，采用基带直接运行的OFDM***传输的时域信号就是OFDM波形的光形式。而由于可见光的非相干性质，难以进行基于光波的载波调制，但是基于副载波(相对于光波)或者脉冲波的调制仍旧是可行的。在图6中示出了一种用脉冲波调制OFDM信号的实现过程。信号S(ofdm)假设是寄载了数据信息的OFDM信号波形(6-1)，S(p)是脉冲载波(6-2)，两个信号经过调制器(6-3)后，输出的波形S(p-ofdm)就是调制后的OFDM波形(6-4)。这个过程相当于一种幅度调制，输出脉冲信号的幅度包络完全记载了原始OFDM信号的波形信息。当然，这里的S(p)同样可以构造成正规的正弦波形式。

这种常规效果的调制方法，在脉冲载波中并不包含数据信息，输出波形(7-4)隐含的信息是一维的，它能够带来的只是传输***频谱的改变和性能的改善。在可见光LED通信***中，它的实际输出效果不同于RF***。在蓝光波段，看到的将是如图6中所示S(p-ofdm)那样的脉冲波形(6-4)，而在暖色光波段，看到的则是图6中S(led)那样的连续波形(6-5)。由于暖色光是由蓝光激励的，存在一个确定的响应关系和延迟(T_d)，因此当蓝光的脉冲激励频率比较高时，暖色光相当于将激励输入脉冲整流。

如此，当采用2个光波段的接收机时，在蓝光波段，能够同时获得脉冲载波的时间同步信息和OFDM调制的数据信息，而在暖色光波段能够获得具有更大能量的OFDM调制数据信息。双重的信息来源合并后相当于获取频率分集增益，使光接收机性能提高。而蓝光的独立接收获取的脉冲时间信息可以用来辅助暖色光的OFDM符号同步解调，这是一种有效的改善时间同步的措施。

当蓝光的时间响应很快时，另外一种增进数据传输能力的方法是，采用双重调制，即利用载波脉冲幅度信息寄载OFDM调制数据的同时，利用蓝光脉冲载波的时间信息记载另外一路数据。

在图7中示出了这种调制的过程。作为脉冲载波的信号S(ook)是确定时钟频率下连续脉冲波的OOK调制。图7中假设了一路数据(7-4)，其对应的OOK调制输出波形是(7-3)。这个等幅的脉冲信号被送往调制器(7-5)作为调制载波。同时，另外一路数据流采用OFDM调制形成了OFDM波形(7-1)，也送到调制器(7-5)。调制器的输出相当于脉冲信号的幅度和间隔被双重调制。

在这个调制过程中，对OOK调制的数据首先进行扰码，使0、1比特出现概率相近，尽量避免出现连续的0比特位。这样0出现的影响减小，平均相当于调制脉冲的频率与脉冲时钟相比减少了一半。为保持输出光信号的平均强度，可以采用提高蓝光激励脉冲的平均幅度来补偿。

由于暖色光的输出由蓝光的输出激励，为减少蓝色光脉冲不均匀激励影响暖色光输出的OFDM波形，另外采取一种逐脉冲补偿措施，补偿OOK调制的蓝光激励脉冲因出现比特0而缺位时暖色光的减弱，即在蓝光脉冲缺失时不使暖色光的激励强度受影响。

假设进入OOK调制的数据流和对应的脉冲串是：

D(0)、D(1)、...、D(n-1)、D(n)、D(n+1)、D(n+2)、D(n+3)...

P(0)、P(1)、...、P(n-1)、P(n)、P(n+1)、P(n+2)、P(n+3)...

其中数据D(n)＝0或者1，脉冲P(n)＝0或者1(脉冲宽度固定时，指在幅度上为0或者1；幅度固定时，指宽度为T0或者T1(T0≠0，T1≠0，T0≠T1)。假定脉冲的频率在确定的时钟下不变)。在没有激励补偿时，OOK调制过程中：P(n)＝D(n)。

逐脉冲补偿的办法是在蓝光脉冲调制的OOK信号中，当发现存在D(n+k)＝0时(k＝0，1，...，K，使P(n-i)＝1+Δi，(i＝1，2，...，I；Δi≥0)。Δi的取值决定于LED中暖色荧光粉的响应特性和蓝光激励脉冲的能量，可以通过实验确定。在脉冲幅度上进行补偿相当于预先的PAM(脉冲幅度调制)，而在脉冲的宽度上进行补偿相当于预先的PWM(脉冲宽度)调制。在图7中的信号S(ook-ofdm)就是逐脉冲幅度补偿(7-8)后的调制脉冲输出(7-6)。其中幅度超出OFDM调制波形(虚线示出)的脉冲幅度就是补偿的幅度，如图中标示出来的Δv1和Δv2。(7-6)就是蓝光的输出信号。在这样的信号激励下，产生的暖色光输出信号如图7中的S(led-ofdm)所示(7-7)，它应该与输入的信号波形(7-1)相同，其中的Vb是直流偏置。

可以用图8表示光收发机的构成。光发射机的控制器(8-1)将数据进行编码、交织、扰码等预处理后分成两路分别送到OOK调制器(8-2)和OFDM调制器(8-3)，形成的信号送到驱动器(8-4)驱动LED(8-5)发出调制的光信号。在接收机端有两个接收通道，一个是蓝光接收通道，一个是暖色光接收通道。在蓝光接收通道，包含了两路调制数据的信息：OOK脉冲调制通道和OFDM调制通道。当光信号经过光学透镜(8-6)后，暖色光被滤光片(8-7)滤除，仅仅蓝色光被光电转换器(8-8)转换为电信号。其后在接收机(8-12)中分为两路。一路是脉冲信号的处理，滤波、检测、OOK解调等通常的通信脉冲信号处理，能够获得脉冲的同步信息和一路接收数据。另一路先对输入脉冲进行包络检波，然后进行OFDM信号的解调等处理，获得另一路数据，这一路数据和暖色光通道获得的数据是一个来源，因此可以进行联合检测。

在暖色光接收通道，当光信号经过光学透镜(8-9)后，蓝光被滤光片(8-10)滤除，仅仅暖色光被光电转换器(8-11)转换为电信号。其后，信号将在(8-12)中按照OFDM接收机的处理流程进行处理。蓝光接收通道获取的同步信息可以用来辅助此处OFDM符号的同步检测，数据的估计也可以和蓝光通道联合进行，减少误码率。

两路含有同样数据信息的OFDM信号的联合检测的一种方法是在各路信号同步ADC转换后的离散信号进行加权合并，然后再进行OFDM的其余操作。假设蓝光通道ADC的输出S_b(n)，暖色光通道ADC的输出是S_w(n)，其中n是一个OFDM符号的离散采样点，那么联合输出为：

S_∑(n)＝K_b(n)×S_b(n)+K_w(n)×S_w(n)    n＝0，2，...，N-1

其中，K_b(n)、K_w(n)分别为蓝光通道和暖光通道的加权系数，N为一个OFDM符号的样点数。加权系数的确定依据各信道的信噪比，采用最大比值合并是一种有效的方法。

获得S_∑(n)后，按照OFDM的解调程序进行，去除CP循环前缀，送到FFT进行时域-频域变换得到数据端信号。

本发明实现所述的OOK脉冲载波OFDM调制的总体构成如图11所示。

光发射机端，被发送的数据流在(11-0)中分配为两路分别送到脉冲调制通道(11-1)和OFDM调制通道(11-2)。两个通道分别对所发送的数据进行调制，然后一起送到驱动器(11-3)驱动LED发出光信号到空间光信道(11-4)。在光接收机端有两个光接收通道，一个是蓝光接收通道(11-5)，另一个是暖光接收通道(11-6)。蓝光接收通道主要完成对OOK脉冲调制信号的检测和解调，暖光接收通道主要完成对来自于蓝光和暖光的OFDM调制信号的联合检测和解调。三个数据通道一起完成输入信号的同步、信道估计和均衡(11-7)等处理。最后，两个接收通道的数据流在(11-8)合并成一个数据流输出。

OFDM调制发送通道：信道编码(11-2-1)采用速率为R＝2/3的卷积码，交织器的深度选为1024，数据在频域的调制(11-2-3)采用16-QAM，每4个比特构成一个数据符号，每60个数据符号补零和导频***后形成64数据点(对应的子载波的数目为64个)，经(11-2-4)共轭扩展映射到IFFT(11-2-5)的128个频域样点上。IFFT变换后，输出128个时域样点，再由(11-2-6)***8个样点长度的CP(循环前缀)后构成一个离散的OFDM符号，然后经过OOK调制、DAC变换(11-2-7)到驱动器(11-3)激励LED发光。OFDM调制的总带宽设为8MHz，子带宽度为125KHz，信息符号的长度为8us，CP的长度为0.5us，长度足够适应任何环境下的多径延迟，总的OFDM符号长度为8.5us，取样速率Φ_OFDM为16MHz。数据速率可以达到18.8Mbps。

蓝光发送通道：脉冲载波的频率为48MHz，这也是***的时钟频率Φ_P，是OFDM取样频率的3倍，脉冲占空比取为50％。考虑到除了信道衰落影响传输数据的误码率外，还要受到OFDM调制的影响，选用信道编码(11-1-1)速率较低的R＝1/2卷积码，交织器(11-1-2)的交织深度取为1024，扰码(11-1-3)选用伪随机序列。数据调制(11-1-4)采用OOK方式，比特“1”时脉冲“开”，比特“0”时脉冲“关”。不扩频时，数据速率能够达到近48Mbps，采用4倍扩频因子时(即用4位脉冲编码代表一位数据“1”或者“0”)，数据速率能够达到12Mbps。如果采用PWM调制，如图4中由数据序列(4-1)调制后的脉冲序列(4-3)，也可以达到同样的速率，不过后续的处理方式稍有不同。

蓝光接收通道接收的脉冲信号经过放大后整形(11-5-2)成矩形脉冲，一路送到(11-5-3)进行OOK解调、(11-5-4)去扰码/去交织、(11-5-5)解码等处理得到接收数据；另外一路送到包络检波器(11-6-3)，检出其上调制的OFDM符号波形并去掉直流偏置。然后在(11-7)确定的同步信号下进行ADC(11-6-4)转换输出离散的OFDM样点。这个信号序列与来自于暖光通道的经过同步ADC(116-5)变换后的OFDM符号进行比值合并得到具有分集增益的和值序列，随后进行与OFDM发射***对称的其它逆变换：循环前缀移除(11-6-8)、和发射通道IFFT点数相同的FFT(11-6-9)变换、反映射(11-6-10)、QAM解调(116-11)、去交织(11-6-12)、解码(11-6-13)。最后输出的数据与蓝光通道输出的数据在(11-8)中合并，形成最终的全部接收数据。

发射机前端的双重调制实现方案之一是采用OOK调制后的等幅脉冲控制LED的通断，而LED的驱动电流的大小受补偿后的OFDM波形控制。在图12中示出了这种方案。(12-1)是OOK调制后的脉冲信号序列，已经包含了数据信息。它分成两路：一路送往激励补偿运算单元(12-6)计算每一个激励脉冲应该具有的幅度；另外一路经延迟单元(12-11)延迟一个时间T_d后经门极驱动电路(12-12)输出驱动信号控制MOSFET开关管Q1的通断。延迟的时间T_d保证OOK序列与OFDM通道输出的驱动信号中隐含的OOK序列同步。Q1具有良好的开关性能，能够快速打开/关断LED电流通道。连接在Q1和地之间的电阻R2是LED的限流和取样电阻，电流取样信号反馈到LED的驱动功率放大器(12-10)上，实现闭环电流调整。在OFDM调制通道，经过IFFT变换到时域的离散信号(12-3)被施加一个直流偏置V_b(12-2)转换为单极性信号后按照***提供的时钟频率Φ_P(12-5)经(12-4)插值后输出，插值后输出的样点频率与脉冲调制的时钟频率相同，插值的算法可以采用简单的线性插值方法。幅度补偿单元的功能是根据输入数据流中0的位置对前面的脉冲幅度进行调整，然后去调制(12-7)插值后的OFDM符号样点。调制后的输出经过DAC(12-9)转换到驱动电路(12-10)控制LED发光的强度。

图13示意了插值和补偿的过程，图中3个坐标轴的时间尺度相同，下图(X1)中(13-1)示出了与时钟同步的时间序列顺序，(13-2)是对(13-3)数据序列进行OOK调制后的脉冲序列。上图(X2)示出了插值后的OFDM符号的取样值，类似(13-6)的实心样点是原始OFDM符号样点，类似(13-5)的空心样点即是插值后的样点。图中假定了时间序列是从右为0点开始的。中间图(X0)是幅度补偿后的输出，即图12中功能块(12-6)的输出。图中的3条虚线表示了补偿的3种幅度。最下边一条虚线高度是1，是没有补偿的样点的值，中间一条虚线高度是补偿了一个单位后的样点值，最上边一条虚线高度是补偿了2个单位后的样点值。补偿的幅度取值也可以是连续的。图中在第2号取样点上补偿了1个单位，是因为其后的第3号取样点是数据“0”，将缺失对LED的激励；第7号取样点上的补偿取2个单位是因为其后紧跟着的第8、9号取样点上出现连续的2个数据“0”因而缺失2次对LED的激励。补偿的算法并不局限于这种简单的规定，可以根据LED的实际输出效果确定。

光收发机的前端采用图8所示的结构。光发射机的LED(8-5)采用单芯片的普通白光高功率LED，其发射光谱与图1类似。对应这样的光谱，光接收机前端有两个光学通道。两个光学通道的透镜(8-6、8-9)可以具有相同的光谱特性和几何结构，能够将光能量汇聚在光电转换器上。但是，两组滤光片(8-7、8-10)的光谱特性必须能够分离不同波长的光信号，并具有一定的滤除环境干扰光的作用，这样就要求滤光片的透过率与LED的发光光谱尽量匹配。蓝光滤光片可以设计为在420nm-460nm范围内的透过率超过70％，而在其它光频段内的平均透过率小于20％。暖色光滤光片设计为在520nm-650nm范围内的透过率超过70％，而在其它光频段内的平均透过率小于20％。这样的设计比较容易实现，且能够滤除其余光频段的背景干扰，如在460nm-520nm之间的可见光和650nm以上的红外光干扰。

在图14中示出了光接收机的接收部分构成。两个通道的光电转换器(14-1、14-2)可以采用常用的PIN光电二极管或者硅光电二极管。它们的响应速度都很高，远远超出LED的响应速度，能够满足带宽要求。但是，它们的光谱响应特性有很多种类型，应尽量选择光谱的响应峰值和LED发光光谱峰值相匹配的类型。这类光电二极管的光谱响应峰值一般在550nm，光谱响应范围在350nm-800nm之间，可以根据所处通道选择不同的光电二极管。光电转换器后接互阻放大器(TIA，14-3、14-4)，将光电流信号转换为电压信号，电压信号再经放大(14-5，14-6)后，送到后续的处理电路。两级放大器的带宽要足够适应光信号的带宽，这里可以取≥200MHz。

蓝光通道由于接收的是脉冲信号，受干扰的影响较小，也相对容易恢复同步信息。图9是正常接收的数据信号，由于OFDM调制了幅度、光信道衰落，以及背景光的干扰关系，存在一些脉冲幅度低于检测门限(V_t)的取样点，这种情形可以通过增强信道编码纠错能力降低误码率。为了确定OOK信号的帧边界以及辅助OFDM符号同步，在蓝光发射通道由(12-8)周期地***一个同步头，结构如图10所示。这里由全幅度和半幅度的连续2个脉冲组合成1位信息。可以定义“高-低”脉冲组合代表“1”，“低-高”脉冲组合代表“0”，由此再构造成一个巴克码。图10中所示的就是一个“1110010”的7位巴克码。根据时钟频率及信道的稳定性，在发送的数据序列中周期地***这样的脉冲串。以全幅度和半幅度构造同步序列的目的是在这个信号中容易获取接收信号的中间电平，以此可以确定OFDM信号的直流偏置，同时也容易对信道进行估计，提供均衡信息以及补偿LED的非线性。

至此，实现一个“OOK-OFDM”调制的光收发机的基本实现步骤和主要设计参数已经叙述完毕。

上面所述虽然是针对白光LED的通信***，但是这种双重调制的方法，包括双通道的OFDM信号合并、三个通道的辅助同步、OFDM调制补偿方法等，并不会仅仅局限于这种应用。比如，在超宽带通信***或者光纤通信***中，经过适当参数调整，也可以应用。

Claims (6)

1.一种脉冲和OFDM双重调制/解调的方法，其特征在于：在发射机端，发送的数据流分为两路，一路数据进行脉冲调制形成一个调制脉冲序列，另一路数据进行OFDM调制形成一个时域OFDM样点序列，OFDM样点序列按照调制脉冲序列的时钟频率同步插值后，再对调制脉冲序列的幅度进行调制形成双重调制的脉冲序列，发送到信道中去；在接收机端，接收的信号送到两个信号处理通道，一个是脉冲处理通道，直接对接收信号进行检测、脉冲调制的解调，获得一路接收数据和时钟信号，另一个是OFDM处理通道，先对接收信号进行包络检波，恢复时域OFDM符号信息，然后进行OFDM信号解调处理，获得另一路接收数据。

2.根据权利要求1所述的脉冲和OFDM双重调制/解调的方法，其中的脉冲调制是OOK调制或者PWM调制，其时钟频率为所述OFDM调制取样频率的整数倍。

3.一种在基于LED的可见光通信***中实现脉冲和OFDM双重调制/解调的方法，其特征在于：在光发射机端，发送的数据流分为两路，一路数据进行脉冲调制形成一个调制脉冲序列去控制LED电流的通断，另一路数据进行OFDM调制形成一个时域OFDM样点序列，OFDM样点序列按照调制脉冲序列的时钟频率插值并进行直流偏置转换为单极性信号后，再对幅度补偿后的调制脉冲序列的幅度进行调制形成双重调制的脉冲序列去控制LED的工作电流；在接收机端由不同透过光谱且与光发射机发射的光谱相匹配的滤光片分为两个光接收通道，一个是高速光接收通道，一个是低速光接收通道；高速光接收通道接收到脉冲光信号，经过光电转换、放大滤波后，送到两个信号处理通道，一个是脉冲处理通道，直接对接收信号进行检测、脉冲调制的解调，获得一路接收数据和时钟同步信息，另一个是OFDM处理通道，先对接收信号进行包络检波，恢复OFDM信号波形，ADC转换后去掉直流偏置送到一个合并器；低速光接收通道，接收连续的光信号，经过光电转换、放大滤波、ADC转换后去掉直流偏置送到同一个合并器；合并器将输入的两路信号合并后进行OFDM信号解调得到接收数据。

4.根据权利要求3所述的在基于LED的可见光通信***中实现脉冲和OFDM双重调制/解调的方法，其中的幅度补偿是指对调制脉冲序列中出现0之前的一个或多个脉冲的幅度提升，补偿的目标是使最终的发射输出保持调制的OFDM波形信息。

5.根据权利要求3所述的在基于LED的可见光通信***中实现脉冲和OFDM双重调制/解调的方法，其中对LED的控制实现双重调制信号的光输出，调制脉冲序列以开关形式控制LED电流通道的通断，双重调制的脉冲序列经过DAC转换、功率放大后控制LED的电流；两者的控制时序与调制同步。

6.根据权利要求3所述的在基于LED的可见光通信***中实现脉冲和OFDM双重调制/解调的方法，其中的合并器，将输入的信号进行加权合并，权值的大小正比于输入信号的信噪比。 

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