一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法技术方案

本发明专利技术属于光载无线通信和光信号传输技术领域，具体为一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法。本发明专利技术方法基于由两个LED灯作为发射端，一个PIN光电探测器作为接收端的系统。本发明专利技术方法具体如下：利用两个发射端发射两路低阶脉冲幅度调制信号，两路信号在光域叠加产生高阶的脉冲幅度调制信号。并且，在发射端产生的低阶脉冲幅度信号各电平不等概率，在接收端产生的高阶脉冲幅度信号各电平概率相等。本发明专利技术实现接收端的等概率电平，各电平可以唯一解调，不需要STBC编码，从而节约带宽，提高资源利用率；而且信号整体峰均功率比变小，更好地抵抗系统中的非线性，提高了传输性能。

A Equal Probability Precoding Method Based on Pulse Amplitude Modulation Two Transmitters and One Receiver System

The invention belongs to the technical field of optical wireless communication and optical signal transmission, in particular to an equal probability precoding method based on pulse amplitude modulation two transmitters and one receiver system. The method of the invention is based on a system in which two LED lights are used as transmitters and a PIN photoelectric detector as receivers. The method of the invention is as follows: two low-order pulse amplitude modulation signals are transmitted by two transmitters, and two signals are superimposed in the optical domain to produce high-order pulse amplitude modulation signals. Moreover, the probability of different levels of the low-order pulse amplitude signal generated at the transmitter is equal to that of the high-order pulse amplitude signal generated at the receiver. The invention realizes the equal probability level of the receiving end, each level can be demodulated uniquely without STBC coding, thereby saving bandwidth and improving resource utilization; moreover, the overall peak-to-average power ratio of the signal decreases, better resisting the nonlinearity of the system and improving transmission performance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法
本专利技术属于光载无线通信和光信号传输
，具体为一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法。
技术介绍
随着无线数据需求的快速增长和射频资源的饱和，可见光通信已成为传统射频通信补充方案的有力候选者，特别是在室内短距离通信中具有非常广泛的运用前景。传统的可见光通信被设计为单输入单输出(SingleInputSingleOutput,SISO)的点对点通信，在发射端使用白光LED作为光源传输数据，在接收端使用光电二极管(PD)或图像传感器作为光探测器将光信号转换为电信号。并使用简单的强度调制-直接检测(IM/DD)技术进行信号的调制和探测。近年来，为了实现更高的传输速率，多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)技术被研究运用于可见光通信中。在MIMO可见光通信系统中，发射端使用多个光源传输信号，接收端使用接收机阵列进行接收。然而光学MIMO信道并不是像射频MIMO信道那样是去相关的。因此接收机阵列必须足够大才能确保信道矩阵是满秩的。但在实际运用中，室内可见光通信场景的面积往往有限，多接收机阵列会占用较大的面积。而只需要一个接收机的多输入单输出(MultipleInputSingleOutput,MISO)技术比MIMO所需的占地面积少得多，因此更适用于室内可见光通信。多用户多输入单输出(Multi-userMISO,MU-MISO)广播技术已被广泛研究运用于在传统的射频通信，而可见光通信中的MU-MISO研究仍比较有限。其主要原因包括以下两点：(1)射频基带信号是复数值，而可见光系统中只能传输实值且非负的时域信号；(2)射频通信中的主要功率限制是平均电功率，而可见光系统中主要是平均光功率限制。因此，射频通信系统中关于MU-MISO的大多数理论和方法研究不能直接适用于可见光通信系统。可见光通信中的MISO技术仍有很大的研究空间。此外，在可见光通信系统中，LED光源，功率放大器等一系列关键器件都存在非线性效应，系统的非线性失真会损伤信号质量，降低系统性能。其中，LED调制曲线的非线性特性是可见光系统非线性的主要来源。当LED的驱动电压或信号输入幅度过高或过低时，系统都会进入非线性工作区，产生信号的非线性失真。在以往的研究中，可见光信号主要调制在LED工作的线性区以减轻非线性失真带来的信号损伤。此时，LED的发光效率较低，照明亮度一般也不能满足实际运用场景的照明需求。此外，对于高阶调制信号，由于信号电平数增多，信号的峰均功率比(PAPR)较高，从而更容易受到系统非线性的影响，降低系统性能。因此，在MISO系统中我们可以利用多个LED灯同时传输信号的优势，在每个灯上调制低阶信号，通过光信号叠加生成高阶信号以抵抗发射端LED的非线性失真。同时，多个LED灯同时发光也可提升照明亮度，满足实际照明需求。传统的PAM4(PulseAmplitudeModulation,脉冲幅度调制)2×1MISO系统框图如图1(a)所示，通过直接叠加两个标准PAM4信号产生的PAM7信号具有不相等的概率。这可以被视为概率整形，它有利于传输。但是，从接收器到发射器的映射并不是唯一的。为了解码符号以获得原始比特信息，需要浪费一半带宽资源的STBC编码方法。因此，传统的2×1PAM4MISO系统将花费半个带宽。此外，低电平符号的出现概率增加，高电平符号的出现概率降低，并且信号的相应PAPR增加。另一方面，诸如接收器处的功率放大器之类的装置也具有非线性特性。对于PAPR较大的信号，它们很容易受到器件非线性的影响，从而导致信号失真。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种传输性能好、稳定的基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法。本专利技术方法在接收器端产生的PAM7信号在每个级别上具有相等的概率；本专利技术能够提高传输速率，抵抗系统的非线性，节省带宽、同时满足照明需求。本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术提供一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法，采用包括两个LED灯作为发射端，一个PIN光电检测器作为接收端的两发一收信号系统，预编码控制发射端脉冲幅度调制信号的电平和概率，使得接收端接收到的各电平概率相等，再在接收端进行唯一解码，得到原始信息；具体步骤如下：(1)随机生成6N个原始比特，并将原始比特分成2N个组，然后进行脉冲幅度调制以生成PAM8符号；再经过恒定组分分布匹配器(ConstantCompositionDistributionMatching,CCDM)转换成2N*(8/7)个PAM7符号，此处产生两个发射端Tx1和Tx2的对应符号，此处两个发射端分别有一个电平的概率为0，也即实际上只有3个幅度，称为PAM3信号，此时各电平概率不相同，具体为：Tx1中00编码概率为3/7，01编码概率为0，10和11编码概率为2/7；Tx2中00和01编码概率为2/7，10编码概率为0，11编码概率为3/7；(2)经过信道传输，发射端信号在光域叠加，在接收端产生PAM7信号，且各电平概率相等，为1/7；(3)再根据各电平及编码一一解调，还原原始比特流。由上述本专利技术提供的技术方案，本专利技术通过合理的预编码方法，设计唯一的编码映射方案，在接收端实现唯一解码，具有以下有益效果：1)峰均功率比(PAPR)小。无论是发射端还是接收端信号的PAPR都比传统PAM4叠加方案要小，更利于传输。2)抗非线性。本专利技术利用多个LED灯同时传输信号的优势，在每个灯上调制低阶信号，通过光信号叠加生成高阶信号以抵抗发射端LED的非线性失真。并且，本专利技术预编码方案让信号PAPR更小，降低了器件产生的非线性影响。3)互信息(MI)大。图2是不同编码方式的仿真互信息随信噪比的变化曲线。从图中曲线可以看到随着信噪比增加，本专利技术的不等概率编码方案让信号具有更大的互信息，趋于2.8，而传统PAM4STBC方案的互信息趋于2。4)唯一解码，节省带宽。对比传统PAM4STBC方案，本专利技术提出的预编码方式可以唯一解码，不用浪费一半带宽，从而节省了频谱资源。5)多灯发光提升照明亮度，满足照明需求。6)可应用的环境丰富。可以用于空气中传输，对于非线性更强的水下通信也同样适用。本专利技术适用于高速可见光通信和光传输信号调制与解调领域，可产生稳定的信号，同时提高现有PAM4STBC信号传输速度和质量。附图说明图1是不同编码方式的原理图；(a)PAM4+PAM4，(b)PAM3+PAM3。图2是不同编码方式的仿真互信息随信噪比的变化曲线图。图3是不同编码方式的仿真误码率随信噪比的变化曲线。图4是不等概率编码方法(PAM4+PAM4)在不同信噪比下仿真的星座图和概率密度；(a)-(d)：星座图，(e)-(h)：概率密度曲线的直方图。图5是本专利技术等概率编码方法(PAM3+PAM3)在不同信噪比下仿真的星座图和概率密度；(a)-(d)：星座图，(e)-(h)：概率密度曲线的直方图。图6是本专利技术的实验流程框图。图7是传统PAM4STBC方法和本专利技术的等概率预编码方法的实验误码率曲线图。具体实施方式下面将根据本专利技术提出的基于脉冲幅度调制两发一收系统的预编码方法，完整地描述具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法，其特征在于，采用包括两个LED灯作为发射端，一个PIN光电检测器作为接收端的两发一收信号系统，预编码控制发射端脉冲幅度调制信号的电平和概率，使得接收端接收到的各电平概率相等，再在接收端进行唯一解码，得到原始信息；具体步骤如下：(1)随机生成6N个原始比特，并将原始比特分成2N个组，然后进行脉冲幅度调制以生成PAM8符号；再经过恒定组分分布匹配器CCDM转换成2N*(8/7)个PAM7符号，此处产生两个发射端Tx1和Tx2的对应符号，此处两个发射端分别有一个电平的概率为0，也即实际上只有3个幅度，称为PAM3信号，此时各电平概率不相同，具体为：Tx1中00编码概率为3/7，01编码概率为0，10和11编码概率为2/7；Tx2中00和01编码概率为2/7，10编码概率为0，11编码概率为3/7；(2)经过信道传输，发射端信号在光域叠加，在接收端产生PAM7信号，且各电平概率相等，为1/7；(3)再根据各电平及编码一一解调，还原原始比特流。

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲幅度调制两发一收系统的等概率预编码方法，其特征在于，采用包括两个LED灯作为发射端，一个PIN光电检测器作为接收端的两发一收信号系统，预编码控制发射端脉冲幅度调制信号的电平和概率，使得接收端接收到的各电平概率相等，再在接收端进行唯一解码，得到原始信息；具体步骤如下：(1)随机生成6N个原始比特，并将原始比特分成2N个组，然后进行脉冲幅度调制以生成PAM8符号；再经过恒定组分分布匹配器CCDM转换成2N*(8/7)个PAM7符号，此...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟楠，石蒙，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31