一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统，该系统包括：首次通信时，训练序列经过发射机驱动电路驱动LED发光，光信号进入VLC信道后受到码间干扰和随机噪声的影响，输出信号为u(n)；将信号u(n)与抽头系数相乘并求和得到滤波器的输出信号，将期望信号和输出信号相减得到误差信号进而构造均方误差函数；根据正弦函数曲线构造步长因子和误差信号的非线性函数，构造抽头系数的更新关系式，将调整好的α和β取值的变步长正弦函数式代入，获得抽头系数的最优值实现对信道的补偿。再次通信时，采用接收信号差值比的LMS初始化方式，选择合适的抽头系数加快收敛速度，均衡器的收敛速度加快，抽头系数更快达到最佳值，实现对信道的补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统
本专利技术涉及可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)和数字信号处理
，尤其涉及一种消除码间干扰影响的可见光通信系统，并通过信号处理技术对系统进行优化，提高可见光通信系统的均衡效果。
技术介绍
当今社会发展迅速，移动互联网技术不断普及，对无线通信业务的需求增加迅猛，导致射频频谱资源越发紧张。因此，人们开始关注更高频率的波段。研究发现在红外光和紫外光间的可见光波段具有巨大的应用潜力，且无需无线电频谱认证。作为一种室内无线传输技术，可见光通信利用发光二极管(Light-emittingDiode，LED)作为光源，在照明的同时实现高速通信，因而具有广泛的开发前景。然而，室内可见光通信存在着多径效应；一方面是因为接收信号既包含直射光也包含来自墙壁和天花板等的反射光；另一方面是因为室内安放有多个发射光源。因接收信号受到码间干扰的影响，故信号判决准确度大大降低。因此，研究人员提出了多种对室内VLC系统信道进行补偿的方法，如最小均方(LeastMeanSquare，LMS)算法、递归最小二乘(Recursiveleastsquares，RLS)算法以及Bussgang类盲均衡算法。其中，基于最小均方(LMS)算法的自适应均衡技术因其具有收敛速度快、稳态误差小、抗干扰能力强、计算量较小的优点，因而成为可见光通信系统领域的研究热点之一。通常，基于LMS算法的可见光通信系统的性能是通过收敛速度和稳态误差两项指标进行判断的。当步长因子取值较大时，可获取较快的收敛速度，但稳态误差较大；反之，当步长因子取值较小时，可获取较小的稳态误差，但收敛速度较慢。因此，固定步长因子的LMS算法存在收敛速度和稳态误差间的相互矛盾。为解决上述问题，研究人员提出了变步长方法[1,2]：在误差值大时(初始收敛阶段)，为获取较快的收敛速度，步长取较大值；当误差值小时(收敛完成阶段)，为获取小的稳态误差，步长取较小值，以此来提高整个算法的性能。目前，LMS算法的优化方案主要以Sigmoid函数为基础，已构造出多个变步长的优化算法，例如，罗小东等人提出的SVSLMS算法[3]以及杨红等人提出改进的SVSLMS算法[4]。这些优化算法都是根据变步长的基本原则，在步长因子和误差信号间建立非线性关系，达到变步长调整的目的。尽管可见光通信系统中提出的变步长方法改进效果较为显著，但也存在着两个缺点：1、在收敛过程中曲线下降速率慢，难以实现快速收敛；2、在收敛阶段，曲线不具有缓变特性，步长在稳态阶段调整过快。参考文献[1]一种基于变步长LMS算法的有源噪声控制系统(申请号：CN201610725164.X)[2]一种快速LMS自适应波束形成的方法(申请号：CN201410339145.4)[3]罗小东,贾振红,王强.一种新的变步长LMS自适应滤波算法[J].电子学报,2006,34(6):1123-1126.[4]杨红,李德敏,林苍松,等.一种新的变步长LMS自适应滤波算法[J].通信技术,2010,43(11):153-155.
技术实现思路
为了解决变步长LMS算法在可见光通信系统中存在的上述问题，本专利技术拟利用正弦函数来构造步长因子和误差信号的非线性关系，该系统不仅提高了可见光通信系统在收敛过程中函数曲线的下降速率，加快系统的收敛速度，而且在收敛阶段，函数曲线下降速率变缓，步长在稳态阶段的调整也变慢，从而优化可见光通信系统的均衡效果，详见下文描述：一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统，该系统包括：训练序列经过发射机驱动电路驱动LED发光，光信号进入VLC信道后受到码间干扰和随机噪声的影响，输出信号为u(n)；将信号u(n)与抽头系数相乘并求和，得到滤波器的输出信号，将期望信号和输出信号相减得到误差信号进而构造均方误差函数；根据正弦函数曲线构造步长因子和误差信号的非线性函数，构造抽头系数的更新关系式，将调整好的α和β取值的变步长正弦函数式代入，获得抽头系数的最优值实现对信道的补偿。再次通信时，采用接收信号差值比的LMS初始化方式，选择合适的抽头系数加快收敛速度，均衡器的收敛速度加快，抽头系数更快达到最佳值，实现对信道的补偿。1、其中，步长因子和误差信号的非线性函数为：μ(n)＝αsin(βe2(n))通过调整变步长正弦函数的α和β取值，使曲线变化在收敛过程中和收敛阶段达到最佳状态，e(n)为误差信号。2、再次进行通信时，系统的数据存储模块已记录收敛时的接收信号值Nn和对应的收敛抽头系数Wn。计算接收信号值N与已收敛接收信号值Nn的差值比d。若d<D，则抽头系数选择wn；反之，则抽头系数选择we(0)。D为阈值，若D的取值太大，初始抽头系数会使LMS算法出现误收敛的情况；若D的取值太小，数据存储模块中的数据失去参考价值。经过多次试验和数据分析，将D设置为10％。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术的均衡器采用有限脉冲响应滤波器结构，具有系统稳定的特点；而采用的LMS算法具有收敛速度快、稳态误差小、计算量较小的特点；因此，结合两者的特点，本专利技术所述均衡结构具有抗干扰能力强、结构易实现、收敛速度快等特点；2、本专利技术的可见光通信系统在收敛过程中，曲线下降速度较快，可加快收敛速度；收敛阶段，曲线下降速率变缓，步长在稳态阶段调整具有缓变特性；3、本专利技术所构造的变步长正弦函数通过调整α和β取值，使函数曲线变化在收敛过程中和收敛阶段达到最佳状态，进而使可见通信系统快速达到收敛状态；4、本专利技术通过选择合适的抽头系数加快收敛速度，在不增加计算复杂度的基础上，均衡器的收敛速度加快，稳态误差相对减小，抽头系数更快达到最佳值。附图说明图1为VLC信道模型及LMS均衡器的结构图；图2是有限脉冲响应滤波器结构图；图3是基于接收信号差值比的初始化方法流程图；图4是本算法的步长因子与误差函数对比图(α不同β相同)；图5是本算法的步长因子与误差函数另一对比图(α相同β不同)；图6是三种算法的α和β取最佳值时步长因子与误差函数对比图；图7是三种算法在相同环境下均方误差对比图。图8是两种初始化方法的均方误差分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例11、本专利技术的可见光通信系统中的均衡器包括两部分：数字滤波器和自适应算法。其中，数字滤波器采用有限脉冲响应滤波器结构，自适应算法采用最小均方(LMS)算法。2、训练序列d(n)经过发射机驱动电路驱动LED发光，将电信号转化为光信号，光信号进入VLC信道后受到码间干扰和随机噪声v(n)的影响，输出信号为u(n)＝d(n)h(n)+v(n)。3、在信号处理过程中，首先将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统，其特征在于，该系统包括：/n训练序列经过发射机驱动电路驱动LED发光，光信号进入VLC信道后受到码间干扰和随机噪声的影响，输出信号为u(n)；/n将信号u(n)与抽头系数相乘并求和，得到滤波器的输出信号，将期望信号和输出信号相减得到误差信号进而构造均方误差函数，其抽头系数采用中心抽头初始化方式；/n根据正弦函数曲线构造步长因子和误差信号的非线性函数，构造抽头系数的更新关系式，将调整好的α和β取值的变步长正弦函数式代入，获得抽头系数的最优值实现对信道的补偿。/n再次通信时，采用接收信号差值比的LMS初始化方式：选择合适的抽头系数加快收敛速度，均衡器的收敛速度加快，抽头系数更快达到最佳值，实现对信道的补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统，其特征在于，该系统包括：
训练序列经过发射机驱动电路驱动LED发光，光信号进入VLC信道后受到码间干扰和随机噪声的影响，输出信号为u(n)；
将信号u(n)与抽头系数相乘并求和，得到滤波器的输出信号，将期望信号和输出信号相减得到误差信号进而构造均方误差函数，其抽头系数采用中心抽头初始化方式；
根据正弦函数曲线构造步长因子和误差信号的非线性函数，构造抽头系数的更新关系式，将调整好的α和β取值的变步长正弦函数式代入，获得抽头系数的最优值实现对信道的补偿。
再次通信时，采用接收信号差值比的LMS初始化方式：选择合适的抽头系数加快收敛速度，均衡器的收敛速度加快，抽头系数更快达到最佳值，实现对信道的补偿。


2.根据权利要求1所述的一种基于正弦函数变步长LMS均衡的可见光通信系统，其特征在于，步长因子和误差信号的非线性函数为：
μ(n)＝αsin(βe2(n))
通过调整变步长正弦函数的α和β取值，使曲线变化在收敛过程中和收敛阶段达到最佳状态，e(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢生，耿玉通，毛陆虹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12