CN108337047A - 一种基于可见光通信***的时域混合调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，这里的时域混合调制是指适当地设计一个时分复用帧，来调整不同调制格式在帧中的时隙占空比。我们借鉴时域混合调制在光纤通信中的应用，在可见光通信中提出时域混合调制的思想。本发明中的时域混合调制采用的是很常见开关键控调制和脉冲位置调制，解决了VLC中采用技术复杂、成本又极高的调制复用设备的问题，简化了调制设备的复杂度且保证了较好的通信性能。在实际应用中，尤其是VLC作为辅助通信***的情况下具有重要意义。

Description

一种基于可见光通信***的时域混合调制方法
技术领域
本发明涉及一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，具体涉及时域混合调制方法(TDHM,Time Division Hybrid Modulation)，TDHM在室内可见光通信***中的应用，属于可见光通信技术领域。
背景技术
LED灯具有寿命长、节能环保的特点，是下一代的主要照明光源。而用其进行通信的可见光通信也受到越来越多人的关注。可见光通信由于其绿色环保、无需频谱认证、传输速率高等优点引起了全球范围的研究热潮。
实际上，可见光通信作为射频通信的有效补充方案正在蓬勃发展。目前，可见光通信***VLC常用的调制方式强度调制-直接检测是将调制电信号直接加载到光的强度上。而光强的特性决定了待传输的电信号也必须是＂正的实数＂。也就是说，在可见光***中信号脉冲成形选择问题上，脉冲调制则具有得天独厚的优势。而可见光通信中采用载波调制要求载波频率高于带宽，这样会损失最下面的频率，而且由于可见光通信中采用强度调制-直接检测，需要的调制信号必须为正实数信号，所以采用载波调制很容易损失信息。相对载波调制来说，基带调制满足可见光通信中调制信号为正实数信号的要求且不会损失信息，因此在早期对可见光通信***的研究中多使用开关键控调制(OOK)以及脉冲位置调制(PPM)等脉冲调制方案。
在可见光通信中，OOK是报道最多的IM/DD调制技术。这是由于它是调制技术中很简单易懂的一种方案，位1就简单用一个光脉冲来表示，它可以占据整个比特周期，也可以是比特周期的一部分；位0就用没有光脉冲的比特周期表示。虽然OOK调制方案简单易操作，对带宽需求低，频带利用率高，抗干扰能力较强，但是功率利用率和***传输速率较低。而PPM因其显著的较好的功率效率，对于可见光通信来说是一个最有吸引力的选择。PPM是正交调制技术并且是脉冲调制家族的一个成员，是一种把信息比特映射到脉冲位置上的调制形式。在现代的使用术语中，一个L时隙的PPM信号，有且只有一个时隙位包含一个脉冲。而输入的信息比特决定了L时隙的哪一位被应用。当L>2时,任一L-PPM，即L个时隙的调制所需要的光功率都要比OOK少,而且当L任意大时,理论上L-PPM所需要的功率会任意小。且由于OOK占用很小的频带，PPM占用很大的频带，所以PPM相对OOK来说接收灵敏度较高。就定位和通信两方面而言，低速率即可满足定位要求，而通信中则要求较高的灵敏度。VLC定位于室内辅助通信***，在已有的照明***上加装简单的调制设备，即可实现室内无线数据传输，具有低成本、简单、节能等特点，而技术复杂、成本又极高的调制复用设备显然不适合这种定位。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于可见光通信***的时域混合调制方案，是一种能够提供灵活的数据速率的调制技术，解决了VLC中采用技术复杂、成本又极高的调制复用设备的问题，简化了调制设备的复杂度且保证了较好的通信性能。在实际应用中，尤其是VLC作为辅助通信***的情况下具有重要意义。
技术方案：一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，具体包含如下步骤：
步骤1，产生一串随机的原始比特流；
步骤2，将原始比特流经过串并变换变成M+K进制比特流；
步骤3，再将每一组M+K进制比特流中的K进制比特流经过L-PPM编码；
步骤4，分别将经过L-PPM编码映射的结果和M进制比特流通过发射滤波器，在相应的时隙上产生信号脉冲后整合形成一个TDM帧发送，计算信噪比和误码率，一个TDM帧是由N个时隙构成，N为大于2的自然数；
步骤5，改变步骤2、3和4中的M和K的取值，重复步骤1-4，比较***使用不同的时域混合调制接收端所得到的信噪比及其误码率。
进一步地，在步骤2中，原始比特流经串并变换所得的M+K进制比特流中M和K的数值可设定。
进一步地，在步骤3中，经串并变换所得的每一组的M+K进制比特流中的K进制比特流经过L-PPM编码，将K进制比特流映射成为L-PPM时隙序列。
进一步地，L-PPM时隙序列的时隙数L＝2^K。
进一步地，在步骤4中，发射滤波器输出矩形脉冲响应波形。
进一步地，在步骤4中，M进制的比特流中“1”代表有信号，“0”代表没有信号。
有益效果：
1、本发明在室内可见光通信***单一调制的基础上，提出由开关键控调制(OOK)和脉冲位置调制(PPM)两种调制方式构成时域混合调制的思想。与操作简单OOK和PPM调制相比，时域混合调制兼具OOK的频谱效率和PPM的功率利用率高的优点，并且有效提高***的传输速率，提高***的抗干扰能力。
2、本发明方法解决了VLC中采用技术复杂、成本又极高的调制复用设备的问题，简化了调制设备的复杂度且保证了较好的通信性能，在实际应用中，尤其是VLC作为辅助通信***的情况下具有重要意义
附图说明
图1是时域混合调制在室内可见光通信***应用的原理框图；
图2是时域混合调制的实际框图；
图3是时域混合调制的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的思路是提出一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，是对现有的可见光通信***的调制方案的改进。这里的时域混合调制是指适当地设计一个时分复用帧，来调整不同调制格式在帧中的时隙占空比。我们借鉴时域混合调制在光纤通信中的的应用，在可见光通信中提出时域混合调制(TDHM)的思想。光纤通信中所应用的时域混合调制使用的是正交幅度调制(QAM)，但是本发明中的基于可见光通信***的时域混合调制采用的是很常见开关键控调制(OOK)和脉冲位置调制(PPM)。本发明方法解决了VLC中采用技术复杂、成本又极高的调制复用设备的问题，简化了调制设备的复杂度且保证了较好的通信性能。在实际应用中，尤其是VLC作为辅助通信***的情况下具有重要意义。
附图1中虚线所标出的部分是附图2的具体内容，经过附图2的时域混合调制后产生OOK/PPM时域混合调制电信号，再经过驱动电路和LED将时域混合调制信号变成光信号在室内无线信道中进行发送，接收端由PD进行接收，将接收到的光信号转换为电信号后最后经过匹配滤波器，再通过判决等方式来恢复原始的比特流信息。
附图2是时域混合调制的实际框图，首先产生一串随机的原始比特流，将原始比特流经过串并变换变成M+K进制比特流，再将每一组M+K进制比特流中的K进制比特流经过L-PPM编码，分别将经过L-PPM编码映射的结果和M进制比特流通过发射滤波器，在相应的时隙上产生信号脉冲后整合形成一个TDM帧发送。
附图3是时域混合调制的原理框图，即适当地设计一个时分复用帧，通过调整OOK和PPM在帧中的时隙占空比构成OOK/PPM时域混合调制信号。
在很多关于可见光通信的调制方案的设计中，我们尤为常见的是OOK和PPM等一些简单的脉冲调制方案。在我们所能了解的关于可见光通信的文献当中，文献所提出的从时域的角度上来说都是单一调制的思想，但是就单一调制来说，不能兼顾多种调制方式的优缺点。虽然OOK调制方案简单易操作，对带宽需求低，频带利用率高，抗干扰能力强，但是功率利用率和***传输速率较低；PPM因其显著的较好的功率效率，对于可见光通信来说是一个最有吸引力的选择，然而PPM调制技术由于接收端为解调信号要求时隙与符号同步，虽然相对于OOK提高了功率效率，但是是以增加带宽需求和更多的复杂度为代价的。本发明结合两种调制方案的优点呢，采用时域混合调制，即适当地设计一个时分复用帧，通过调整不同调制格式在帧中的时隙占空比构成时域混合正交幅度调制。本发明在室内可见光通信***单一调制的基础上，提出由OOK和PPM两种调制方式构成时域混合调制的思想。与操作简单OOK和PPM调制相比，时域混合调制兼具OOK的频谱效率和PPM的功率利用率高的优点，并且有效提高***的传输速率，提高***的抗干扰能力。
本发明提出时域混合调制的思想，如图2所示。在保证***有一定的抗干扰能力的情况下，使***传输速率达到最大化。
一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，如附图2所示：具体包含如下步骤：
步骤1，要产生一串随机的原始比特流；
步骤2，将原始比特流经过串并变换变成(M+K)进制比特流；其中M和K的值M和K的数值可并不是固定不变的数值，M和K决定了OOK和PPM在一个TDM帧中的比例，例如M可以取2，K也可以取2；
步骤3，再将每一组(M+K)进制比特流中的K进制比特流经过L-PPM编码；即L-PPM编码器将K进制比特流映射成为L-PPM时隙序列，L-PPM时隙数为L＝2^K；
步骤4，分别将经过L-PPM编码映射的结果和M进制比特流通过发射滤波器整合形成一个TDM帧发送，如附图3所示；发射滤波器是一个具有矩形脉冲响应波形的滤波器，M进制的比特流中“1”代表有信号，“0”代表没有信号。
步骤5，改变步骤2、3和4中的M和K的取值，重复步骤1-4，比较***使用不同的时域混合调制接收端所得到的信噪比及其误码率。
从上述处理可知，本发明提出的可见光通信***中一种新的调制方案-时域混合调制可以根据两种不同的调制格式在一个TDM帧中所占的比例的分配来灵活地得到不同的频谱效率，并且相对于能达到高通信数据速率的多载波调制来说该时域混合调制的复杂度会降低很多。本发明方法解决了VLC中采用技术复杂、成本又极高的调制复用设备的问题，简化了调制设备的复杂度且保证了较好的通信性能。在实际应用中，尤其是VLC作为辅助通信***的情况下具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，其特征在于，具体包含如下步骤：
步骤1，产生一串随机的原始比特流；
步骤2，将原始比特流经过串并变换变成M+K进制比特流；
步骤3，再将每一组M+K进制比特流中的K进制比特流经过L-PPM编码；
步骤4，分别将经过L-PPM编码映射的结果和M进制比特流通过发射滤波器，在相应的时隙上产生信号脉冲后整合形成一个TDM帧发送，计算信噪比和误码率，一个TDM帧是由N个时隙构成，N为大于2的自然数；
步骤5，改变步骤2、3和4中的M和K的取值，重复步骤1-4，比较***使用不同的时域混合调制接收端所得到的信噪比及其误码率。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，其特征在于：在步骤2中，原始比特流经串并变换所得的M+K进制比特流中M和K的数值可设定。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，其特征在于：在步骤3中，经串并变换所得的每一组的M+K进制比特流中的K进制比特流经过L-PPM编码，将K进制比特流映射成为L-PPM时隙序列。
4.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，其特征在于：L-PPM时隙序列的时隙数L＝2^K。
5.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，其特征在于：在步骤4中，发射滤波器输出矩形脉冲响应波形。
6.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信***的时域混合调制方法，其特征在于：在步骤4中，M进制的比特流中“1”代表有信号，“0”代表没有信号。
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