支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统技术方案

本发明专利技术提供了一种支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统，其有益效果是：1)改进现有的PM‑CCSK‑OFDM方案，通过在发送端对经过OOFDM调制后的信号进行颜色调整，可修正因OOFDM调制过程而产生的光信号颜色偏移，确保呈现用户所需的灯光颜色；2)在CSK‑OFDM系统的STO以及噪声方差未知的情况下，实现对未知参数的估计，并准确识别出发送CSK星座图的种类，并基于识别的星座图完成符号解调。因此，本发明专利技术提供的方法能够适用于多目标颜色变化的场景。

【技术实现步骤摘要】
支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统
本专利技术涉及可见光通信
，更具体地，涉及一种支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统。
技术介绍
近年来，可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)由于其具有有效拓宽频谱资源、绿色节能、保密性高等众多优点而得到了广泛研究[1]。在VLC系统中，颜色键控(ColorShiftKeying，CSK)是常用的一种调制技术。基于CSK调制方式的VLC系统具有较高的调制带宽，进而可以实现高速信号传输[2][3]。现有的关于CSK的研究一般从两方面进行开展。一方面，从对CSK调制方案的优化设计的角度，既可利用球形算法[4]和内点法[5]，在颜色平衡的约束下对CSK星座图进行优化设计；也可采用基于四色灯(QuadLED，QLED)[6]的CSK调制方案，提升系统传输的可靠性。另一方面，可以考虑将CSK与其他调制方式进行结合设计。例如，可结合脉冲位置调制(PulsePositionModulation，PPM)进行设计，形成更为高效的调制方案[7][8]。此外，还可利用正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)有效对抗符号间干扰(InterSymbolInterference，ISI)的特点，采用极性调制(PolarityModulation，PM)复数CSK-OFDM混合方案(PM-CCSK-OFDM)[9]，以实现高传输速率。然而，在目前的PM-CCSK-OFDM方案中，经过OFDM调制之后的信号会产生颜色偏移，即利用现有的PM-CCSK-OFDM方案得到的颜色与用户所需求的颜色必然会存在差别。进一步地，在多目标颜色变化的场景下，例如文体娱乐相关的晚会活动、舞美设计等场景，用户所需的目标颜色在不断变化，这意味着发射机的星座图将需要进行相应的变换，而PM-CCSK-OFDM方案并不能自动检测并识别出星座图种类的变化并调整接收机的解调方式，因此必然导致系统性能的大幅下降。在这种多目标颜色的情况下，现有方案需要消耗额外的比特信息来指示所选用的CSK星座图类型。针对现有PM-CCSK-OFDM方案的上述不足，本专利技术提出了一种同时支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统。该系统具有以下特点：其一，在发送端根据用户选择的星座图类型，对经过光OFDM(OpticalOFDM，OOFDM)调制后的信号进行颜色调整；其二，针对多目标颜色变化的场景，引入自动调制识别(AutomaticModulationRecognition，AMR)技术，以使得实现接收端能够在用户更换不同目标颜色CSK星座图的情况下自动识别星座图种类。对于上述第二点，AMR算法一般分为基于似然函数[10]以及基于特征提取[11]的算法。对于基于特征提取的AMR算法，识别性能常常取决于对接收信号特征的提取方法。根据信号提取的特征，常采用神经网络(NeuralNetwork，NN)或者支持向量机(SupportVectorMachine，SVM)作为分类器以实现对调制模式的准确识别。本专利技术在PM-CCSK-OFDM方案的基础上引入基于似然函数的最大期望(ExpectationMaximization，EM)算法的AMR技术，并在系统STO以及接收机噪声方差未知的情况下，来对不同目标颜色的CSK星座图进行识别，从而保证接收端在多目标颜色变化的场景中能够正常解调出信息。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于提供一种支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：颜色键控星座图及符号定时偏差与噪声方差联合估计系统，在发送端进行颜色调整及在接收端进行CSK星座图检测；一、在发送端进行颜色调整S1.假定所选择的第p个星座图为其中1≤p≤Ntype，Ntype表示星座图的类型数量，spu＝[spuR,spuG,spuB]T为星座图上第u个星座点，Mp为第p个星座图包含的信号点的数量；定义I∈{R,G,B}，其中R、G、B代表CSK调制的三种颜色通路；利用大数定理计算经OOFDM操作后的时域信号中I路信号xI的概率密度函数S2.采用第p个星座图时，相应的时域信号中的I路信号xI的光功率表示为：S3.指定光强Ptar的情况下，设第p个星座图Sp的目标颜色配比为[AvgpR,AvgpG,AvgpB]T，其中三种颜色占比满足AvgpR+AvgpG+AvgpB＝1；则为了保持原始的目标颜色占比，第p个星座图Sp的时域信号需要乘以一个颜色调整因子：其中，AvgpI表示第p个星座图I路的目标颜色占比，spuI表示第p个星座图的第u个星座点的I路坐标值；根据以上操作，分别求得R、G、B三路的颜色调整因子αpR、αpG和αpB；进而得到发送第p个星座图Sp时，对应的颜色调整矩阵为：αp＝diag([αpR,αpG,αpB])二、在接收端进行CSK星座图检测A)设接收机接收到的数据向量为发送星座图的类别为Z＝γp；B)设置迭代过程中符号定时偏差的估计精度εδ、噪声方差估计精度EM算法的精度εem、迭代过程中利用牛顿法求取符号定时偏差当前估计值的最大迭代次数L、利用牛顿法求噪声方差当前估计值的最大迭代次数LNT、利用梯度下降法求解噪声方差当前估计值的最大迭代次数LGR、EM算法最大迭代次数qmax；以及梯度下降算法的调节因子λ、β；C)对符号定时偏差的初始值进行选取：时域中存在δ定时偏差的信号x[n+δ]在OFDM调制经过FFT变换之后，对于第kc个子载波上的频域信号X[kc]，会产生大小的相位偏差，即频域信号变为由于PM-CCSK调制的频域符号具有对称性，即故有其中，kc表示子载波编号，表示第kc个子载波上发送的PM-CCSK符号；因而可知，能识别的符号定时偏差的范围为：在STO初值选取过程中，每隔个周期进行一次符号定时偏差抽样取值，其中Nsp为一个采样周期内的抽样数；并将所得的抽样值作为符号定时偏差的初始值的候选值，在的范围中将有个候选值，可以表示为：利用这些候选值进行网格搜索，寻找最佳候选值的编号nopt使其满足：则得到符号定时偏差的初始值为上述方案中，Nc为OFDM调制的FFT变换的长度；Y2k-1表示接收机得到的OFDM符号Y中第k个有用数据；Xpv表示第p个PM-CCSK星座图上的第v个符号，H2k-1表示第2k-1个子载波对应的信道增益矩阵；D)对噪声方差的初始值进行选取：对噪声方差进行随机赋值进而构造初始值代入下式计算接收信号Y来自于第Z＝γp类星座图的概率：其中进而可求出：其中，表示在系统参数为得到接收信号Y的情况下，系统发送第Z＝γp类星座图的概率；表示在系统参数为的情况下，发送第Z＝γp类星座图且接收信号为Y的概率；表示在系统参数为的情况下，接收信号为Y的概率；popt表示在初值选取过程中选取的最佳星座图类型的编号；噪声方差初值可以更新为：其中Ntype表示CSK星座图的种类数量，1≤v≤Mcp，表示在初值选取过程中选定星座图类型为popt的情况下对应的颜色调整矩阵，表示在初值选取过程中选定星座图类型为popt的情况下对应的PM-CCSK星座图中的第v个符号；E)选取令q的初始值为0；F本文档来自技高网...

【技术保护点】
支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统，其特征在于：在发送端进行颜色调整及在接收端进行CSK星座图检测；一、在发送端进行颜色调整S1.假定所选择的第p个星座图为

【技术特征摘要】
1.支持颜色调整及CSK星座图检测的OFDM系统，其特征在于：在发送端进行颜色调整及在接收端进行CSK星座图检测；一、在发送端进行颜色调整S1.假定所选择的第p个星座图为其中1≤p≤Ntype，Ntype表示星座图的类型数量，spu＝[spuR,spuG,spuB]T为星座图上第u个星座点，Mp为第p个星座图包含的信号点的数量；定义I∈{R,G,B}，其中R、G、B代表CSK调制的三种颜色通路；利用大数定理计算经OOFDM操作后的时域信号中I路信号xI的概率密度函数S2.采用第p个星座图时，相应的时域信号中的I路信号xI的光功率表示为：S3.指定光强Ptar的情况下，设第p个星座图Sp的目标颜色配比为[AvgpR,AvgpG,AvgpB]T，其中三种颜色占比满足AvgpR+AvgpG+AvgpB＝1；则为了保持原始的目标颜色占比，第p个星座图Sp的时域信号需要乘以一个颜色调整因子：其中，AvgpI表示第p个星座图I路的目标颜色占比，spuI表示第p个星座图的第u个星座点的I路坐标值；根据以上操作，分别求得R、G、B三路的颜色调整因子αpR、αpG和αpB；进而得到发送第p个星座图Sp时，对应的颜色调整矩阵为：αp＝diag([αpR,αpG,αpB])二、在接收端进行CSK星座图检测A)设接收机接收到的数据向量为Y＝[Y0,Y1,...,Ykc,...,YNc-1]，发送星座图的类别为Z＝γp；B)设置迭代过程中符号定时偏差的估计精度εδ、噪声方差估计精度EM算法的精度εem、迭代过程中利用牛顿法求取符号定时偏差当前估计值的最大迭代次数L、利用牛顿法求噪声方差当前估计值的最大迭代次数LNT、利用梯度下降法求解噪声方差当前估计值的最大迭代次数LGR、EM算法最大迭代次数qmax；以及梯度下降算法的调节因子λ、β；C)对符号定时偏差的初始值进行选取：时域中存在δ定时偏差的信号x[n+δ]在OFDM调制经过FFT变换之后，对于第kc个子载波上的频域信号X[kc]，会产生大小的相位偏差，即频域信号变为由于PM-CCSK调制的频域符号具有对称性，即故有其中，kc表示子载波编号，表示第kc个子载波上发送的PM-CCSK符号；因而可知，能识别的符号定时偏差的范围为：在STO初值选取过程中，每隔个周期进行一次符号定时偏差抽样取值，其中Nsp为一个采样周期内的抽样数；并将所得的抽样值作为符号定时偏差的初始值的候选值，在的范围中将有个候选值，可以表示为：利用这些候选值进行网格搜索，寻找最佳候选值的编号nopt使其满足：则得到符号定时偏差的初始值为上述方案中，Nc为OFDM调制的FFT变换的长度；Y2k-1表示接收机得到的OFDM符号Y中第k个有用数据；Xpv表示第p个PM-CCSK星座图上的第v个符号，H2k-1表示第2k-1个子载波对应的信道增益矩阵；D)对噪声方差的初始值进行选取：对噪声方差进行随机赋值进而构造初始值代入下式计算接收信号Y来自于第Z＝γp类星座图的概率：其中进而可求出：其中，表示在系统参数为得到接收信号Y的情况下...

【专利技术属性】
技术研发人员：江明，林泽锋，陈贤煜，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44