一种可见光通信中基于多色LED的OFDM传输方法

摘要

本发明公开了一种可见光通信中基于RGBA?LED的OFDM传输方法，包括以下步骤：发射端将两路独立的数据进行编码，调制，映射，IFFT变换，并串转换，添加循环前缀，以及信号分离后，产生四路独立的非负实数信号，根据RGBA?LED的颜色配比，对四路信号进行进一步调整，最后在RGBA?LED中的四种颜色LED芯片上发送。接收端使用滤光片和光电二极管接收四路信号，在对四路信号分别移除循环前缀，信号调整，串并转换后进行FFT变换，频域均衡和信号合并，最后对合并的两路信号进行相应的解调和解码，恢复出原始信号。根据照明与通信的需求，对信号进行了分离和重新调整的操作以满足RGBA?LED中每种颜色的功率配比，使RGBA?LED既能够传输信息，又能满足普通照明的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，具体涉及一种可见光通信中基于多色LED的OFDM传输方法。

背景技术

可见光通信(VLC)具有低成本，高功率效率，无频谱限制，没有电磁干扰，高数据速率，安全可靠的优势，已越来越多的引起人们的关注，国际电力与电子工程师协会(IEEE)已经制定了相应的标准。VLC中最普遍的方案是强度调制-直接检测(IM-DD)方案，一般利用发光二极管(LED)作为发射设备，利用光检测器(PD)作为接收设备。

OFDM技术因为其高频谱效率，高传输速率而被普遍应用于数字电视，无线通信等系统中。近年来，OFDM已被引进到VLC通信系统中，直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)和非对称削波光OFDM(ACO-OFDM)是两种常用的技术。两者均利用共轭对称的性质来保证产生实数的时域信号，不同的是DCO-OFDM利用添加直流偏置来保证信号的非负性，而ACO-OFDM仅使用奇数子载波来承载信息，经过IFFT变换后将负数部分削掉，这样仅仅是将实际信号功率降低了一半。前者具有较好的频谱效率，但却牺牲了功率效率，后者利用频谱效率换取功率效率的提升。

最近，多色混合白光LED，如RGBA-LED，因其响应速度快，调制带宽高而逐渐应用于VLC通信中。但是多色之间产生的串扰将影响多色VLC通信系统的性能。如何考虑照明和通信的双重需求，成为了可见光通信领域的研究方向。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可见光通信中基于多色LED的OFDM传输方法，根据照明与通信的需求，对信号进行了分离和重新调整的操作以满足RGBA-LED中每种颜色的功率配比，使RGBA-LED既能够传输信息，又能满足普通照明的需求。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可见光通信中基于多色LED的OFDM传输方法，其特征在于，包括发射端和接收端；同一时刻包括两路传输信号；

发射端包括如下步骤：

1.1)对信号进行编码调制，调制后的信号映射到N个子载波上；

1.2)对每路信号进行IFFT变换，将并行信号转换为串行信号；

1.3)将每路实数信号分离产生四路非负信号，分别在四种颜色上传输；

1.4)根据每种颜色功率配比要求调整信号，产生照明光；

接收端包括如下步骤：

2.1)对其中一种颜色，接收端根据发射端采用的调整信号对接收信号进行调整；

2.2)在LOS信道中，将两路从同一信号中分离出来的的信号进行比较；

2.3)对步骤2.2)中经过比较的信号进行FFT变换和迫零均衡操作；

2.4)将上述两路分离出来的信号合并构成一路行的信号，进行调节和解码，恢复出原始信号。

步骤1.1)中，具体编码调制后的每路信号根据共轭对称的性质映射到N个子载波上，可表示为：

X[0]＝X[N/2]＝0；

其中：

X[m]表示第m个频域信号；

(.)^*表示共轭操作。

步骤1.2)和1.3)中具体对每路信号进行IFFT变换，得到时域信号，然后进行并串转换和添加循环前缀操作，接着将每路实数信号按照下式进行分离，产生四路非负信号，分别在四种颜色上传输：

其中：x_i和x_j，i,j∈{R,G,B,A}分别表示从同一信号分离出的两路非负信号；

步骤1.4)中，根据RGBA中每种颜色的功率配比要求，对所述四路非负信号按照进行调整，使得RGBA-LED产生照明需要的光；

其中，表示调整后的时域信号，α_i和β_i分别表示第i,i∈{R,G,B,A}个颜色的非负信号的放缩因子和直流偏置。

当采用信号缩放的方案时，β_i设为0；当采用添加直流偏置的方案时，则α_i设为1；

四种颜色的配比γ_R:γ_G:γ_B:γ_A等于每一路信号的光功率的比值，选择比例最小的颜色作为基准来调整其他颜色信号的功率；基准配比记作γ_bm，其光功率为P_bm＝P，P为经过步骤1.2)之后的信号平均光功率。

6、如权利要求5所述的一种可见光通信中基于多色LED的OFDM传输方法，其特征在于，步骤2.1)中，接收端根据发射端采用的信号调整方案对接收到的四种颜色信号进行相应的调整；

若采用信号缩放的方案，则接收端对接收到的四种颜色信号调整如下：

其中y_i表示颜色i上的接收信号；

若采用添加直流偏置的方案，则接收端对接收到的四种颜色信号调整如下：

之后将调整后的信号移除循环前缀并进行串并转换。

步骤2.2)中，将两路从同一信号中分离出来的的信号进行比较，得到如下结果：

步骤2.4)中，两路从同一路信号中分离出的均衡后的信号要重新合并组成一路信号：

其中，是的频域表达式；然后将合成后的信号进行解调和解码操作。

有益效果：

1)在考虑到照明与通信的需求的前提下，先产生非负信号，然后根据RGBA-LED的颜色配比，调整各个颜色LED上的信号功率，从而产生照明所需的光；

2)如附图3，4所示，与传统的光OFDM方案(ACO-OFDM)相比，本发明可达到相同带宽效率。但是在直达径信道和存在多色串扰的情况下，本发明的传输可靠性更高。

3)可以充分的利用RGBA-LED的天然优势，达到多路复用的效果，从而提高系统的传输速率。

附图说明

图1为本发明的发射端框图

图2为本发明的接收端框图

图3为本发明与传统ACO-OFDM在理想LOS光信道中的误比特率的仿真图

图4和图5为本发明与传统ACO-OFDM在实际光信道中的误比特率的仿真图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种可见光通信中基于多色LED的OFDM传输方法，其特征在于，包括发射端和接收端；同一时刻包括两路传输信号；OFMD为正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)。

如图1所示，两路独立的信号经过编码，调制，以及本发明的信号处理后，在RGBA-LED上进行传输，发射端具体包括如下步骤：

1.1)对信号进行编码调制，调制后的信号映射到N个子载波上；

在VLC通信系统中，强度调制-直接检测(IM-DD)方案是最普遍最简单的一种应用方案。在该方案中，只有光的强度可以被调制。考虑到光的特性，只有非负信号可以被传输。所以在本发明中，要保证要发送的信号必须是非负信号。

为实现这个目标，首先将编码调制后的每路信号根据共轭对称的性质映射到N个子载波上，可表示为：

X[0]＝X[N/2]＝0

其中，X[m]表示第m个频域信号，(.)^*表示共轭操作。

1.2)对每路信号进行IFFT变换(离散傅里叶逆变换)，将并行信号转换为串行信号：

$x\left[k\right]=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}X\left[m\right]\exp \left(\frac{j2\pi kn}{N}\right),0\le k\le N-1$

其中，k表示时域信号的索引。

经过IFFT变换之后，所得到的时域信号x[k]均为实信号，在将以上实信号从并行转换成串行(P/S)之后，根据下式添加循环前缀：

x＝(x[N-v],...,x[N-1],x[0],x[1],x[2],...,x[N-1])

其中，v表示循环前缀的长度。循环前缀作用在于抵抗由多径信道造成的码间干扰(ISI)，并简化接收端的频域均衡操作。为便于表述，接下来的公式中将省略索引m或k。

1.3)将每路实数信号分离产生四路非负信号，分别在四种颜色上传输；

步骤1.2)中实信号为双极性的信号，在本发明中，将每路实数信号按照下式进行分离(以一路信号为例)，从而产生非负的实数信号：

其中，x_i和x_j，i,j∈{R,G,B,A}分别表示从同一信号分离出的两路非负信号。

1.4)根据每种颜色功率配比要求调整信号，产生照明光；

本发明中，LED需要兼顾照明以及通信的需求，因此，要合理的调整每一种颜色上的信号功率，使四路信号合成照明所需的光。

本发明采用两种方案来调整四路信号，分别是：

方案1：信号放缩方案

方案2：添加直流偏置方案，两种方案可以用下式进行表示：

其中，x_i表示调整后的时域信号，α_i和β_i分别表示第i,i∈{R,G,B,A}个颜色的非负信号的缩放因子和直流偏置。当采用方案1时，β_i设为0；若方案2，则α_i设为1。

下面将详细介绍如何确定两种方案中的缩放因子和直流偏置。

在RGBA-LED中，四种颜色的配比γ_R:γ_G:γ_B:γ_A等于每一路信号的光功率的比值。经过步骤1.2)中的信号处理后，四路信号具有相同光功率，记作P＝E[x_i]，其中E[.]表示数学期望，即均值。本发明选择比例最小的颜色作为基准来调整其他颜色信号的功率。基准颜色的配比记作γ_bm，其光功率为P_bm＝P，P为分离后的平均光功率。

对于方案1，调整之后的光功率为根据颜色的配比，可以得出来缩放因子为α_i＝γ_i/γ_bm。

对于方案2，调整之后的光功率为同理，可以得出添加的直流偏置为β_i＝P(γ_i-γ_bm)/γ_bm。

最后，步骤1.4)中调整之后的信号分别在四种颜色的LED上传输。

在发射端的基础上，如图2所示，光信号进过滤光片和光电二极管之后，转化成电信号，接收端具体包括如下步骤：

2.1)对其中一种颜色，接收端根据发射端采用的调整信号对接收信号进行调整；

接收信号可以表示为：

其中：

h_i表示第i个颜色的信道增益；

表示所需的信号；

表示其他颜色所产生的干扰；

n_i表示噪声；

具体接收步骤如下：接收端根据发射端采用的信号调整方案对接收信号进行调整。若采用方案1，则接收端对接收到的四种颜色信号进行相应的调整如下：若采用方案2，则接收端对接收到的四种颜色信号调整如下：然后接收端将移除循环前缀，并进行串并转换。

2.2)在直达径(LOS)信道中，将两路从同一信号中分离出来的信号进行比较；得到如下结果：

2.3)对步骤2.2)中经过比较的信号进行FFT变换(傅里叶变换)和均衡操作；其中频域信号和均衡后的信号分别为

其中：

Y[m]表示频域信号；

是均衡后的信号；

H_i表示信道频域响应；

W_i和N_i分别表示w_i和n_i的频域形式。

2.4)将上述两路分离出来的信号合并构成一路行的信号进行调节和解码，恢复出原始信号。

图3给出本发明与传统ACO-OFDM在理想LOS光信道中的误比特率的仿真图。从中看出，随着信噪比的升高，本发明的误比特率曲线下降更快。

图4，图5给出信道编码的条件下，本发明与传统ACO-OFDM在实际光信道中的误比特率的仿真图，其中图4对应方案1，图5对应方案2，实际光信道是从实际测试平台测试得到，信道编码采用1/3Turbo码。从图4，5中可以看出，与ACO-OFDM相比，本方法的误比特率下降的更快。从另一角度讲，在相同的误比特率条件下，本发明所需的发射功率更小。综上所述，与ACO-OFDM相比，本发明具有更好的误比特性能，更适用于多色LED的VLC系统。

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。