一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法及系统

摘要

本发明提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法及系统，能够从发送的信号本身消除LED非线性特性造成的信号畸变，提高系统的可靠性。所述方法包括：在发送端，获取待发送的信号；对获取的所述待发送的信号进行μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号；将所述μ律压缩信号发送出去。本发明适用于可见光多载波通信技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及可见光多载波通信技术领域，特别是指一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法及系统。

背景技术

随着无线通信技术以及照明科技产业的不断发展，可见光发光二极管(LED)无线通信作为一种利用白光LED进行通信的新技术，具有可见光资源丰富、安全节能、通信容量大、发射频率高、传输速率快、无电磁干扰、不需要无线电频率证等优点。可见光LED无线通信具有较好的应用前景，在未来通信领域中占有重要的地位和价值，以LED为室内可见光通信信号光源，其具有节能化、智能化、信息化、安全化，无电磁辐射等优点。

可见光通信系统具有许多可弥补射频无线通信系统缺陷的优点，但可见光通信系统中光源LED非线性导致信号畸变却是影响其系统性能的最大问题之一。光源LED固有的非线性传输特性是可见光系统中导致非线性影响的最大非线性器件之一。LED是电流驱动的单向导通器件，其光通量与正向电流成正比，并且两者之间存在一定的非线性。由于可见光无线通信系统的调制带宽受LED的非线性特性影响，并且光源LED的线性传输范围有限，因此在LED器件的传输过程中，当信号幅值高于LED线性范围的饱和阈值，信号的高幅值将无法正常输出，这样的高幅值信号便失真为幅值为LED饱和阈值的畸变信号。遭到畸变的高幅值多载波信号进入可见光通信信道，被接收端接收后无法恢复出原始信号，这由LED非线性导致的影响不仅降低可见光无线通信系统的可靠性，还会因大量信号到达LED饱和阈值，使得LED长时间以饱和电流驱动工作，从而降低了光源LED的使用寿命。

现有技术中，改变LED偏置电流可以作为一种可以减轻可见光无线通信中光源LED的非线性影响的方法，具体的，检测LED线性传输范围的中心值，分析并且计算发送信号的平均电流值，将LED偏置电流设置为LED线性传输范围的中心值，使得发送信号的平均电流值接近偏置电流值。该方法是根据器件本身进行设置，操作简单，但是，并没有从发送的信号本身做非线性降低处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法及系统，以解决现有技术所存在的没有从发送的信号本身做非线性降低处理的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法，包括：

在发送端，获取待发送的信号；

对获取的所述待发送的信号进行μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号；

将所述μ律压缩信号发送出去。

进一步地，所述在发送端，获取待发送的信号包括：

在发送端，获取待发送的原始信号，对所述待发送的原始信号进行基带调制；

将基带调制后的调制信号转换为并行信号；

对所述并行信号进行逆快速傅里叶变换，得到多路并行的多载波信号；

对所述多路并行的多载波信号加上循环前缀并进行并串变换，生成所述待发送的信号。

进一步地，所述μ律压缩信号表示为：

其中，x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

进一步地，所述方法还包括：

在接收端，对接收到的信号进行指数扩张变换，通过指数扩张变换后的信号表示为：

其中，y_e(n)表示指数扩张变换后的信号；y_c(n)表示接收端接收到的信号；x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

进一步地，所述预失真系数表示为：

其中，I_LED表示光源LED饱和电流阈值，I_x(n)表示待发送信号的最大电流值。

进一步地，所述在接收端，对接收到的信号进行指数扩张变换，之后，还包括：

对所述指数扩张变换后的信号依次执行去循环前缀、串并变换、快速傅里叶变换、基带解调、并串变换操作，以恢复出发送端发送的原始信号。

本发明实施例还提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统，包括：

获取模块，用于在发送端，获取待发送的信号；

压缩模块，用于对获取的所述待发送的信号进行μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号；

发送模块，用于将所述μ律压缩信号发送出去。

进一步地，所述获取模块包括：

调制单元，用于在发送端，获取待发送的原始信号，对所述待发送的原始信号进行基带调制；

转换单元，用于将基带调制后的调制信号转换为并行信号；

变换单元，用于对所述并行信号进行逆快速傅里叶变换，得到多路并行的多载波信号；

生成单元，用于对所述多路并行的多载波信号加上循环前缀并进行并串变换，生成所述待发送的信号。

进一步地，所述μ律压缩信号表示为：

其中，x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数，I_LED表示光源LED饱和电流阈值，I_x(n)表示待发送信号的最大电流值；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

进一步地，所述系统还包括：

扩张模块，用于在接收端，对接收到的信号进行指数扩张变换，通过指数扩张变换后的信号表示为：

其中，y_e(n)表示指数扩张变换后的信号；y_c(n)表示接收端接收到的信号；x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数；

逆变换模块，用于对所述指数扩张变换后的信号依次执行去循环前缀、串并变换、快速傅里叶变换、基带解调、并串变换操作，以恢复出发送端发送的原始信号。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，在发送端，对获取的待发送信号进行μ律对数压缩处理，降低待发送信号的峰均功率比，并将对数压缩后的信号与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号，实现待发送信号的预失真压缩处理，能够避免可见光通信系统中光源LED非线性的失真影响，再将得到的所述μ律压缩信号发送出去。这样，从待发送信号本身做非线性降低处理，以保证待发送信号在光源LED线性范围内正常输出，从而消除LED非线性特性造成的信号畸变，提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的流程示意图一；

图2为本发明实施例提供的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的流程示意图二。

图3为本发明实施例提供的发送端原理示意图。

图4为本发明实施例提供的DCO-OFDM信号CCDF/PAPR仿真曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的输入给LED以及LED输出的DCO-OFDM信号波形比较示意图；

图6为本发明实施例提供的基于不同算法的可见光通信DCO-OFDM系统误码率仿真曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的没有从发送的信号本身做非线性降低处理的问题，提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法及系统。

实施例一

参看图1所示，本发明实施例提供的一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法，包括：

步骤101：在发送端，获取待发送的信号；

步骤102：对获取的所述待发送的信号进行μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号；

步骤103：将所述μ律压缩信号发送出去。

本发明实施例所述的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法，在发送端，对获取的待发送信号进行μ律对数压缩处理，降低待发送信号的峰均功率比(Peak toAverage Power Ratio，PAPR)，并将对数压缩后的信号与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号，实现待发送信号的预失真压缩处理，能够避免可见光通信系统中光源LED非线性的失真影响，再将得到的所述μ律压缩信号发送出去。这样，从待发送信号本身做非线性降低处理，以保证待发送信号在光源LED线性范围内正常输出，从而消除LED非线性特性造成的信号畸变，提高系统的可靠性。

本发明实施例提供的μ律方法简称μ律法，所述μ律法作为一种非均匀量化方法，能够对待发送信号进行非均匀压扩，降低待发送信号的峰均功率比，避免待发送信号因光源LED有限调制范围导致的严重信号畸变，确保接收端不受LED非线性影响且能够准确恢复出发送端发送的信号，从而提升系统的可靠性。

本发明实施例中，所述可见光通信系统可以是可见光直流偏置光正交频分复用(Direct Current-Biased Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DCO-OFDM)系统，所述待发送的信号为OFDM信号，该OFDM信号是一种多载波信号，可见光通信系统中通过光源LED发射的DCO-OFDM信号具有大信号出现概率小，小信号出现概率大的特点，μ律法可区分大小信号，对其进行不同的非线性压扩，将μ律法运用于可见光DCO-OFDM系统中可有效降低多载波信号的峰均功率比，使得待发送的DCO-OFDM信号的幅值控制在光源LED线性区域内，以保证待发送信号在光源LED线性范围内正常输出，从而消除LED非线性特性造成的信号畸变，提高系统的可靠性。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的具体实施方式中，进一步地，所述在发送端，获取待发送的信号包括：

在发送端，获取待发送的原始信号，对所述待发送的原始信号进行基带调制；

将基带调制后的调制信号转换为并行信号；

对所述并行信号进行逆快速傅里叶变换，得到多路并行的多载波信号；

对所述多路并行的多载波信号加上循环前缀并进行并串变换，生成所述待发送的信号。

本发明实施例中，如图2和图3所示，在发送端，获取待发送的信号具体步骤可以包括：

1)基带调制，在发送端对待发送的原始信号(例如，二进制信号)进行基带调制，得到串行的带通频带信号；即对待发送的原始信号进行多进制正交幅度调制(MultipleQuadrature Amplitude Modulation，MQAM)星座映射，得到串行的MQAM信号；

2)串并转换(Serial to Parallel，S/P)，将得到的串行的MQAM信号进行串并变换，使其变换为N(N为IFFT点数)路并行传输的信号，该N路并行传输的信号可以表示为：信号X。

3)逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，信号X进行N点IFFT变换，得到N路并行的OFDM信号，对信号X进行多载波调制，能够提高系统的传输速率，保证信号正交化且无码间干扰。

4)对得到的N路并行的OFDM信号加上循环前缀(Cyclic Prefix，CP)且进行并串变换(Parallel to Serial，P/S)，使其变换为1路串行传输的OFDM信号x，信号x作为待发送信号。加上循环前缀的主要作用在于最大程度的消除码间干扰与多径传播造成的信道间干扰；进行并串转换的主要目的在与改变信号传输模式，变为串行传输模式更适于之后在信道中进行传输。

步骤4)中，经过并串变换后得到OFDM信号可以表示为:

其中，x(n)表示经过并串变换后得到OFDM信号，N表示DCO-OFDM系统子载波数，X表示串并转换后得到的N路并行传输的信号，T表示OFDM信号周期，n表示多载波OFDM信号的第n个帧符号，i表示虚数i，k表示第k路子载波。接着，对该x(n)加上循环前缀，对加上循环前缀后的OFDM信号进行μ律压缩处理，在通信中，加上循环前缀前后对OFDM信号的符号描述无影响，也就是说，加上循环前缀后还可以把多载波OFDM信号表示为x(n)。其中，μ律压缩处理具体包括：

对加上循环前缀后的OFDM信号进行μ律对数压缩(μ律非线性压缩)；

经过μ律对数压缩后得到的OFDM信号与预先设置的预失真系数相乘，得到符合LED线性范围内传输的μ律压缩信号x_c(n)。

本发明实施例中，在对加上循环前缀后的OFDM信号进行μ律压缩处理之前，还应预先设定相应的预失真系数m，以避免可见光通信系统中LED光源非线性的失真影响，保证待发送信号在光源LED线性传输范围内传输。该预失真系数m等于可见光通信系统中光源LED饱和电流阈值I_LED与待发送信号最大电流值I_x(n)的比值，即这样，结合光源LED的饱和电流阈值对待发送信号进行自适应压缩，能够克服多载波高幅值信号经过光源LED后所遭到的非线性失真影响，使得具备光源LED的通信系统获得更高的传输可靠性。

本发明实施例中，对于可见光DCO-OFDM系统，预失真系数m为可见光DCO-OFDM系统中光源LED饱和电流阈值与加上循环前缀后的OFDM信号最大电流值的比值。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的具体实施方式中，进一步地，所述μ律压缩信号x_c(n)表示为：

其中，x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

本发明实施例中，A用于保证

本发明实施例中，如图3所示，所述μ律压缩信号x_c(n)通过光源LED发射器之前，必须对该μ律压缩信号加载直流偏置使之成为DCO-OFDM信号，以保证所有负数信号全为正信号以驱动光源LED正常工作，使该μ律压缩信号进入可见光通信信道。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的具体实施方式中，进一步地，所述方法还包括：

在接收端，对接收到的信号进行指数扩张变换，通过指数扩张变换后的信号表示为：

其中，y_e(n)表示指数扩张变换后的信号；y_c(n)表示接收端接收到的信号；x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的具体实施方式中，进一步地，所述在接收端，对接收到的信号进行指数扩张变换，之后，还包括：

对所述指数扩张变换后的信号依次执行去循环前缀、串并变换、快速傅里叶变换、基带解调、并串变换操作，以恢复出发送端发送的原始信号。

本发明实施例中，在接收端，接收到的信号y_c(n)为DCO-OFDM信号，首先需要对所述y_c(n)进行去直流偏置处理，再经历与发送端相逆的逆变换，以确保准确地恢复出发送端发送的原始信号，其中，去直流偏置处理后的接收信号依然可以表示为y_c(n)。

本发明实施例中，与发送端相逆的逆变换具体包括：

首先，对接收端接收到的去直流偏置处理后的信号y_c(n)进行μ律压缩(μ律压缩包括：μ律对数压缩，及μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘)的反变换以实现接收信号进行非线性扩张，即指数扩张变换，通过指数扩张变换的DCO-OFDM信号y_e(n)可以表示为：

其中，y_e(n)表示指数扩张变换后的信号；y_c(n)表示接收端接收到的去直流偏置处理后的信号；x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

接着，如图2所示，对所述指数扩张变换后的信号y_e(n)进行去循环前缀、串并变换、N点快速傅里叶变换(Fast>

本发明实施例中的μ律法属于一种预失真压扩技术，利用对数压缩特性和指数扩张特性对多载波信号进行非线性压扩，以满足信号传输在光源LED的线性区域，免遭失真影响。对发送端信号根据光源LED饱和电流阈值和待发送信号最大电流值两个值自适应地进行μ律压缩(μ律压缩包括：μ律对数压缩，及μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘)处理，以保证待发送信号幅值适应于LED线性范围内传输，避免LED非线性造成的信号畸变；在接收端对μ律压缩信号进行指数扩张处理，以准确恢复发送端发送的原始信号，且保证通信系统的传输质量。

本发明实施例提供的μ律法在压缩信号的同时保证了多载波信号平均功率不改变，原因在于μ律技术原本作用于对小信号进行较大程度扩张、对大信号进行较小程度扩张，最后再将扩张后的信号与预失真系数m相乘，得到峰均功率比降低且满足LED线性范围传输的DCO-OFDM信号。本发明实施例提供的μ律法对LED非线性影响的抑制起到了极大的作用，能够避免因光源LED非线性造成的不可恢复信号畸变，使得发送信号在光源LED输入前和光源LED输出后都保持相同的波形。

本发明实施例中，还可以搭建一个可见光DCO-OFDM系统的仿真平台对本发明实施例提供的μ律法进行验证。其中，使用的仿真参数为：DCO-OFDM子载波数N为128，输入的DCO-OFDM符号个数为10000，采用4QAM调制方式。

图4为本发明实施例提供的DCO-OFDM信号互补累积概率分布函数(CCDF)/PAPR仿真曲线。仿真针对的是可见光DCO-OFDM系统多载波DCO-OFDM信号，其中子载波数N＝128，采用4QAM调制。图4示中比较了两种系统信号的峰均功率比(PAPR)，分别是原始系统，即没有使用本发明实施例提供的μ律法的DCO-OFDM系统，和使用了本发明实施例提供的μ律法的DCO-OFDM系统。图4中横坐标表示PAPR的门限值，单位为dB，纵坐标表示输入信号PAPR超过某一门限值的概率，即CCDF。参照图4可知，本发明实施例提供的μ律法能够显著降低DCO-OFDM系统的PAPR。

图5是本发明实施例所示的输入给LED以及LED输出的DCO-OFDM信号波形比较图。图5中分别比较了不同方法对LED非线性影响的消除效果，原始信号和传统μ律(原始μ律)信号都遭到了LED非线性的影响，相当于经历了不可恢复的限幅。而采用了本发明实施例提供的μ律法的信号没有遭到LED非线性的影响，经历本发明实施例提供的μ律法的预失真压缩后完整的从LED线性区域内传输出来。参照图5可知，本发明实施例提供的μ律法能够显著消除光源LED非线性影响，在光源LED输出前后都不改变信号波形幅值等特征。

图6是本发明实施例提供的基于不同算法的可见光通信DCO-OFDM系统误码率仿真曲线。图6中横坐标表示信噪比，纵坐标表示不同信噪比下的信号误码率。参照图6可知，相比于原始未经任何消除LED非线性处理的DCO-OFDM信号和经历传统μ律的DCO-OFDM信号来说，经历本发明实施例提供的μ律法的误码率(Bit Error Rate，BER)与前两者相比，有显著降低，当信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)为25dB时，经历本发明实施例提供的μ律法的误码率可达到10^-5以下。

综上，经实验可知，与不采用本发明实施例提供的μ律法的方案相比，采用本发明实施例提供的μ律法不仅可以降低DCO-OFDM系统的峰均功率比，还能有效抑制可见光DCO-OFDM系统中LED非线性特性带来的信号畸变影响，显著降低了可见光DCO-OFDM系统的误码率，从而整体提升DCO-OFDM系统的性能。

实施例二

本发明还提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统的具体实施方式，由于本发明提供的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统与前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法的具体实施方式相对应，该降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

参看图7所示，本发明实施例还提供一种降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统，包括：

获取模块11，用于在发送端，获取待发送的信号；

压缩模块12，用于对获取的所述待发送的信号进行μ律对数压缩后与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号；

发送模块13，用于将所述μ律压缩信号发送出去。

本发明实施例所述的降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统，在发送端，对获取的待发送信号进行μ律对数压缩处理，降低待发送信号的峰均功率比，并将对数压缩后的信号与预设的预失真系数相乘，得到μ律压缩信号，实现待发送信号的预失真压缩处理，能够避免可见光通信系统中光源LED非线性的失真影响，再将得到的所述μ律压缩信号发送出去。这样，从待发送信号本身做非线性降低处理，以保证待发送信号在光源LED线性范围内正常输出，从而消除LED非线性特性造成的信号畸变，提高系统的可靠性。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统的具体实施方式中，进一步地，所述获取模块包括：

调制单元，用于在发送端，获取待发送的原始信号，对所述待发送的原始信号进行基带调制；

转换单元，用于将基带调制后的调制信号转换为并行信号；

变换单元，用于对所述并行信号进行逆快速傅里叶变换，得到多路并行的多载波信号；

生成单元，用于对所述多路并行的多载波信号加上循环前缀并进行并串变换，生成所述待发送的信号。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统的具体实施方式中，进一步地，所述μ律压缩信号表示为：

其中，x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数，I_LED表示光源LED饱和电流阈值，I_x(n)表示待发送信号的最大电流值；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数。

在前述降低可见光通信系统光源LED非线性的μ律系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：

扩张模块，用于在接收端，对接收到的信号进行指数扩张变换，通过指数扩张变换后的信号表示为：

其中，y_e(n)表示指数扩张变换后的信号；y_c(n)表示接收端接收到的信号；x_c(n)表示μ律压缩信号；m表示预失真系数；A表示归一化常量；μ表示μ律系数；x(n)表示获取的待发送信号，Sgn<·>表示分段函数；

逆变换模块，用于对所述指数扩张变换后的信号依次执行去循环前缀、串并变换、快速傅里叶变换、基带解调、并串变换操作，以恢复出发送端发送的原始信号。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。