基于概率整形编码的可见光通信系统、方法及应用设备

摘要

基于概率整形编码的可见光通信系统、方法及应用设备，涉及光通信系统领域。在发射端将输入数据的比特分组，并按设定的概率映射成新的比特，然后进行前向纠错编码，将编码后的数据组成OFDM帧，再形成数据流发出；接收端接收来自发送端的数据流，并恢复出OFDM帧，对OFDM帧解帧和前向纠错解码后，对解码后的数据进行逆映射，使用与发送端对应的概率映射规则恢复出原始数据比特。通过加入概率映射可调整系统净信息速率，增加系统通信容量，调整灵活并且复杂度较低。

说明书

技术领域

本发明涉及光通通信系统领域，具体来讲涉及基于概率整形编码的可见光通信系统、方法及应用设备。

背景技术

可见光通信是一种利用发光二极管发出的高速明暗闪烁信号进行数据传输的无线传输技术。由于采用了高效节能的LED作为光源，在灯光所能直射到的范围均可以进行通信，同时具有节能、安全、可用频谱宽等优点，是一种极具应用前景的通信技术。

现有的可见光通信系统中，光源采用照明用LED，空间传输时信道衰落大，经过各种信道均衡后，实际可用带宽只有约100MHz。如何充分利用有限带宽，并自适应信道变化是可见光通信系统实用化的难点。为实现高谱效率通常使用多载波调制方式，如自适应比特加载。自适应比特加载方法根据每个载波的信息质量参数，将每对发射器/接收器的调制参数进行匹配，对每个载波的信噪比进行测量并选择优化调制，以实现最大传输速率。该方法能将比特错误率保持在预期水平，但由于需要进行频繁信道估算，充分优化会使算法非常复杂，而且难以对系统有效带宽进行方便调节。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于概率整形编码的可见光通信系统、方法及应用设备，调整系统净信息速率，增加系统通信容量，调整灵活并且复杂度较低。

为达到以上目的，本发明采取一种基于概率整形编码的可见光通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括：

概率映射模块，其用于将输入数据的比特分组，并按设定的概率映射成新的比特；

FEC编码模块，其用于对来自概率映射模块的数据进行前向纠错编码；

OFDM成帧模块，其用于将编码后的数据组成OFDM帧；

所述接收端包括：

OFDM解帧模块，其用于对来自发送端的OFDM帧进行解帧；

FEC解码模块，其用于对解帧后的数据进行前向纠错解码；

概率逆映射模块，其用于对解码后的数据进行逆映射，使用与所述发送端对应的概率映射规则恢复出原始数据比特。

在上述技术方案的基础上，所述OFDM成帧模块包括：

信号成帧模块，用于将带有纠错信息的比特数据进行调制编码，并按格式组成OFDM帧；

IFFT模块，用于将所述OFDM帧从频域变换到时域；

加循环前缀模块，用于将数据的OFDM帧增加循环前缀。

在上述技术方案的基础上，所述OFDM解帧模块包括：

去循环前缀模块，用于去除发送端添加的循环前缀；

FFT模块，用于将去除循环前缀后的OFDM帧由时域变换到频域；

信道均衡模块，用于对OFDM帧进行信道均衡处理；

信号解帧模块，用于将OFDM帧信号恢复出调制的编码。

在上述技术方案的基础上，所述发送端还包括并串转换模块，其用于将OFDM帧经并串转换后，变成待传输数据流；所述接收端包括串并变换模块，用于将收到的数据流变换成OFDM帧。

在上述技术方案的基础上，所述接收端还包括同步模块，用于通过自相关找到接收数据流的OFDM帧头。

本发明还提供一种基于概率整形编码的可见光通信方法，包括步骤：在发射端将输入数据的比特位分组，并按设定的概率映射成新的比特，然后进行前向纠错编码，编码后的数据组成OFDM帧，再形成数据流发出；接收端接收来自发送端的数据流，并恢复出OFDM帧，对OFDM帧解帧后和进行前向纠错解码后，对解码后的数据进行逆映射，使用与发送端对应的概率映射规则恢复出原始数据比特。

本发明还一种可见光通信应用设备，包括数据发送端和数据接收端，数据发送端包括信道编码模块、调制电路和LED，信道编码模块完成如权利要求1-5任一项所述系统发送端实现的功能，用于对接收的数据进行信道编码，所述调制电路用于对编码后的数据进行调制，所述LED用于将调制后的数据通过可见光的形式发出；

数据接收端包括光探测器、放大器、解调电路和信道解码模块，所述光探测器用来探测LED发出的可见光，所述放大器用于进行信号放大，所述解调电路用于对放大后的信号进行解调，所述信道解码模块完成如权利要求1-5任一项中所述系统接收端实现的功能，用于对信号进行信道解码，得到数据发送端的原始数据。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在在可见光通信系统中，通过在发送端增加概率映射模块，在接收端增加了对应的概率逆映射模块，不用改变设备的收发硬件，调整灵活且复杂度较低。

2、本发明使用了概率整形编码方法，可通过选择不同的概率分布进行编码以适应信道变化，从而调整系统净信息速率，增加系统通信容量，同时尽可能高效的利用带宽，具有较大的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例基于概率整形编码的可见光通信系统示意图；

图2为本发明实施例可见光通信应用设备的示意图。

附图标记：

发送端1，概率映射模块11，FEC编码模块12，OFDM成帧模块13，信号成帧模块131，IFFT模块132，加循环前缀模块133，并串转换模块14；

接收端2，概率逆映射模块21，FEC解码模块22，OFDM解帧模块23，去循环前缀模块231，FFT模块232，信道均衡模块233，信号解帧模块234，串并变换模块24，同步模块25；

数据发送端1a，信道编码模块11a，调制电路12a，LED 13a；

数据接收端2a，光探测器21a，放大器22a，解调电路23a，信道解码模块24a。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于概率整形编码的可见光通信系统，包括发送端1和接收端2。

发送端1包括概率映射模块11，FEC(Forward Error Correction，前向纠错)编码模块12和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)成帧模块13。概率映射模块11用于将输入数据的比特分组，并按设定的概率映射成新的比特。FEC编码模块12用于对来自概率映射模块11的数据进行前向纠错编码。OFDM成帧模块13用于将前向纠错编码后的数据组成OFDM帧。

接收端2包括概率逆映射模块21，FEC解码模块22和OFDM解帧模块23。OFDM解帧模块23用于接收来自发送端1的OFDM帧进行解帧。FEC解码模块22用于对解帧后的数据进行前向纠错解码。概率逆映射模块23用于对解码后的数据进行逆映射，使用与发送端1对应的概率映射规则，恢复出原始数据比特。

具体的，OFDM成帧模块13包括信号成帧模块131、IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅里叶逆变换)模块132和加循环前缀模块133。信号成帧模块131用于将来自FEC编码模块12的带有纠错信息的比特数据构建调制的编码，并按格式组成OFDM帧。IFFT模块132用于将OFDM帧从频域变换到时域。加循环前缀模块133用于将数据的OFDM帧增加循环前缀，以对抗多径效应。发送端1还包括并串转换模块14，用于将增加循环前缀的OFDM帧经并串转换后，变成待传输数据流。

具体的，OFDM解帧模块23包括去循环前缀模块231、FFT(Fast FourierTransformation，快速傅里叶变换)模块232、信道均衡模块233和信号解帧模块234。去循环前缀模块231用于去除发送端1在OFDM帧增加的循环前缀。FFT模块232用于将去除循环前缀的OFDM帧由时域变换到频域。信道均衡模块233用于对OFDM帧进行信道均衡处理，经过必要的信道均衡处理算法以减少信道损伤。信号解帧模块234用于将OFDM帧信号恢复出调制的编码，再传输给FEC解码模块22。接收端2中还包括串并变换模块24和同步模块25，接收端2收到数据流，首先由同步模块25通过自相关找到OFDM帧头，串并变换模块24用于将数据流变换成OFDM帧。

本发明基于概率整形编码的可见光通信方法，具体包括步骤：

在发射端1，将输入数据的比特位分组，并按设定的概率映射成新的比特，然后进行前向纠错编码，编码后的数据组成OFDM帧，再形成数据流发出。具体的，编码后的数据构建调制的编码，按格式组成OFDM帧，并通过IFFT从频域变换到时域，再增加循环前缀，最后将OFDM帧经过并串转后后变成待传输的数据流。

在接收端2，接收来自发送端1的数据流，并恢复出OFDM帧，然后对OFDM帧解帧和进行前向纠错解码后，对解码后的数据进行逆映射，使用与发送端1对应的概率映射规则恢复出原始数据比特。具体的，接收端2首先通过自相关找到接收数据流的OFDM帧头，经过串并转换将数据变换为OFDM帧，再去除发送端1添加的循环前缀，通过FFT由时域变换到频域，再经过必要的信道均衡处理，然后恢复出调制的编码，调制的编码再进行前向纠错解码。

一种上述可见光通信系统应用的可见光通信应用设备，包括数据发送端1a和数据接收端1b。数据发送端1a包括信道编码模块11a、调制电路12a和LED 13a，信道编码模块11a内完成本发明可见光通信系统的发送端1的功能，用于对接收的数据进行信道编码，调制电路12a用于对编码后的数据进行调制，LED 13a用于将调制后的数据通过可见光的形式发出。

数据接收端2a包括光探测器21a、放大器22a、解调电路23a和信道解码模块24a，光探测器21a用来探测LED 13a发出的可见光，放大器22a用于进行信号放大，解调电路23a用于对放大后的信号进行解调，信道解码模块24a内完成本发明可见光通信系统的接收端2的功能，用于对信号进行信道解码，得到数据发送端的原始数据。

本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。