用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改善方法
【專利摘要】本發明公開了一種可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改善方法，屬于可見光無線通信【技術領域】。該方法在信號發送端的調制模塊中使用可變脈沖幅度位置調制，該調制方法是一種多進制調制，結合了脈沖幅度位置調制和脈沖寬度調制，在提供系統調光功能的同時保證了通信數據的傳輸，并且改善了通信質量，主要包括在符號速率相等的情況下能夠提高傳輸速率，結合了多進制調制帶寬效率高和脈沖位置調制功率效率高的優點，能夠有效的改善頻譜效率，并且相比于其他的多進制調制方式，復雜度較低。為了進一步改善系統的誤碼率，本方法在接收端使用基于前饋反向傳播多層感知機的信道均衡器，有效的改善了誤碼率，進一步提高了通信質量。
【專利說明】用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于可見光無線通信【技術領域】，涉及一種用于可見光通信系統的可變脈沖 幅度位置調制和誤碼率改善方法。
【背景技術】
[0002] 目前，由于網絡頻段資源的日漸枯竭，網絡干擾，以及網絡泄密等問題的日益嚴 峻，我們需要找到能夠克服上述問題的新的網絡通信技術，而可見光通信技術是最有發展 前景的技術之一。
[0003] 可見光通信（Visible Light Communication, VLC)技術是一種使用可見光作為 信息載體的新型無線光通信方式，它主要利用半導體發光二極管（Light Emitting Diode, LED)所具有的高速響應特性，同時實現通信和照明的雙重功能。可見光通信發出的光是電 磁波譜中人眼所可以感知的那部分，波長在380nm到780nm之間，對人眼安全。基于LED的 可見光無線通信系統，無論是應用于室內還是室外，在其物理實現上均分為光信號發射和 光信號接收兩部分。光信號發射部分主要包括：將信號源信號轉換成便于大氣信道傳輸的 電信號的輸入和處理電路，以及將電信號轉化調制成光載波強度變化的LED可見光驅動電 路。可見光接收機部分主要包括：能對信號光源實現最佳接收的光學系統，將光信號還原成 電信號的光電探測器和前置放大電路，為了獲得最佳接收信噪比的濾波電路，以及將電信 號轉換成可被終端識別的信號處理和輸出電路等。
[0004] 目前，可見光通信的研究熱點之一是如何提高通信速率，主要是對調制方式的研 究。對可見光無線通信系統來說，用戶既希望能夠根據環境和心情隨意的調節光源的亮度， 又希望同時保證無線數據的傳輸，因此調光對于基于LED的VLC來說是關鍵技術之一。而調 制技術的選擇對于可調光的VLC系統來說非常的重要。目前已經有許多調制技術被提出， 其中包括00K、VPPM、V00K、0PPM、MPPM、M_PAMs等等。但是其中一些調制方式功率效率比較 高，一些調制方式帶寬效率比較高，另外一些調制方式復雜度比較高。對于調制方式來說， 想要同時獲得這些增益是比較困難的，因此，還需要更進一步的研究。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置 調制和誤碼率改善方法，該方法在提供調光功能的同時能夠改善通信質量，包括能夠提高 帶寬效率，降低多進制調制的復雜度，以及改善誤碼率性能等。
[0006] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0007] -種用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改善方法，在所述調 制方法中，采用可變脈沖幅度位置調制將可見光無線通信系統中的多進制系統數據調制為 隨幅度、脈沖位置和調光速率變化的脈沖波形；在所述誤碼率改善方法中，采用基于人工 神經網絡的信道均衡器來改善誤碼率性能，人工神經網絡的類型為前饋反向傳播多層感知 機，信道均衡器采用的是判決反饋均衡器。
[0008] 進一步，所述可變脈沖幅度位置調制結合了脈沖幅度位置調制和脈沖寬度調制的 混合調光方案，通過改變MX 2進制的信號所對應的脈沖幅度和位置來實現數據傳輸，并且 根據調光速率來改變脈沖寬度進而實現調光控制，具體包括：
[0009] 1)所述脈沖幅度位置調制中的幅度和位置根據以下公式獲得的：
[0010]
【權利要求】
1. 一種用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改善方法，其特征在 于：在所述調制方法中，采用可變脈沖幅度位置調制將可見光無線通信系統中的多進制系 統數據調制為隨幅度、脈沖位置和調光速率變化的脈沖波形；在所述誤碼率改善方法中，采 用基于人工神經網絡的信道均衡器來改善誤碼率性能，人工神經網絡的類型為前饋反向傳 播多層感知機，信道均衡器采用的是判決反饋均衡器。
2. 根據權利要求1所述的用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法，其特征在于：所述可變脈沖幅度位置調制結合了脈沖幅度位置調制和脈沖寬度調 制的混合調光方案，通過改變MX 2進制的信號所對應的脈沖幅度和位置來實現數據傳輸， 并且根據調光速率來改變脈沖寬度進而實現調光控制，具體包括： 1) 所沭脈沖幅庠份置調制中的幅庠和位置根據以下公式獲得的：
其中：
表示幅度系數;Μ為不同幅度的個數，大小為2的整數 冪；Τ表示符號周期，將Τ等分為η個時隙，則每個時隙周期為T/n ; [C(l，Cl，. . .，c^]表示不 同的碼字；P (t)表示周期為T/n的矩形脈沖；P為平均光功率； 2) 為了便于系統的調光控制，η被固定為2,即每個符號周期中只有兩個時隙，時隙間 隔為Τ/2 ; 3) 脈沖寬度在整個符號周期內根據調光需求進行調整，但是不能為0或者Τ。
3. 根據權利要求2所述的用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法，其特征在于：所述可變脈沖幅度位置調制方法在實現數據傳輸功能的同時還能實 現調光功能，具體包括： 1) 為了便于調光，每個符號的時隙個數固定為2,且脈沖的幅度減半，即由
2) 脈沖幅度位置調制中，由于η固定，則調制方式為Μ-2-ΡΑΡΜ，其中Μ為變量，大小為 2的整數冪； 3) 信號的進制數為MX 2,每個符號傳輸log2 (MX 2)比特信息，Μ越大，進制數越大，每 符號所傳輸的信息比特就越多，帶寬效率就越高，但同時復雜度也越高。
4. 根據權利要求3所述的用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法，其特征在于：LED發送光信號X (t)，經過光無線信道被Η)接收，得到接收光信號 y (t),具體包括： 1) 所述接收光信號y(t)是根據公式： 獲得的，其中R為光電探測器的靈敏度，h(t)為信道沖激響應，N(t)為高斯白噪聲；所 述x(t)代表LED光的光功率； 2. x(t)需滿足如下條件：
其中，pt為平均光功率，ο < γ < 1表示調光速率，當γ = 1時，LED的亮度達到滿值；
?的選取是為了能夠達到平均光功率。
5. 根據權利要求4所述的用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法，其特征在于：可變脈沖幅度位置調制中的脈寬調制是指每符號所發送的一個脈沖 的寬度在符號周期內變化，與傳統的可見光通信系統中用于調光的脈寬調制不同，可變脈 沖幅度位置調制中的脈沖寬度不代表任何數據信息。
6. 根據權利要求1所述的用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法，其特征在于：在所述誤碼率改善方法中：在接收端，為了改善誤碼率性能，采用基 于人工神經網絡的信道均衡器，具體包括： 1) 在室內可見光通信系統中的自適應信道均衡使用的是基于前饋反向傳播多層感知 機的判決反饋均衡器； 2) 多層神經網絡的訓練采用反向傳播算法，該算法是一種監督學習算法，即BP算法， 具體描述如下： 第一步：初始化權重和閥值為小的隨機數； 第二步：指定輸入向量x(n)和期望得到的輸出向量d(n); 第三步：根據輸入向量集算出實際的輸出向量y (η)，然后計算出成本函Ε (η); 第四步：根據公式調整權重； 第五步：返回第二步。
7. 根據權利要求6所述的用于可見光通信系統的可變脈沖幅度位置調制和誤碼率改 善方法，其特征在于：ΒΡ監督學習算法調整了人工神經網絡的權重來使得成本函數最小 化： 所述的成本函數Ε (η)為： Ε (η) = | | d (n) -y (η) | |2 權重由以下公式更新調整：
【文檔編號】H04B10/116GK104158632SQ201410447427
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】陳前斌, 易利, 冀磊, 許娟雄, 冉啟飛, 劉伊莎, 唐倫 申請人:重慶郵電大學