CN105471505A - 一种信号调制方法、装置及可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种信号调制方法，该方法包括：获取原始信号及调制阶数；依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，所述星座构建准则为依据Anscombe变换原理获得，i为第i个星座点；分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。该方法中，按照新的星座构建准则确定各个星座点，进而获得各个符号对应的发射功率。星座构建准则依据Anscombe变换原理而获得，由于Anscombe变换能够将泊松信道中的噪声转换为常数项，从而使得能够噪声与信号无关，降低了噪声对信号的影响，因而提升了星座点的准确性，进而提升了系统的性能。

Description

一种信号调制方法、装置及可见光通信系统

技术领域

本申请涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种信号调制方法、装置及可见光通信系统。

背景技术

作为无线通信的一种新兴方式，可见光通信(VLC)因其绿色的频谱资源、可控的通信范围、高速的传输速度等迅速发展。

可见光通信系统包括光信号发射部分和光信号接收部分，其中，光信号发射部分将电信号进行调制后载频到发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)灯具上，通过LED灯具发出的可见光进行信号发送，在信号接收端，利用光子检测器将接收到的光信号转换为电信号。为了提高光子检测器的灵敏度，目前采用单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)作为接收手段，与一般PD采用的直接检测光强的方式相比，SPAD工作在盖革模式下通过雪崩效应记录到达接收端的光子数，再最终转化为电信号。因为利用了雪崩效应作为光信号的响应机制，所以这种方式具备极高的灵敏度。又由于观测对象改变为光子，所以使得最终检测到的电信号引入了粒子的随机性，使得传输信道改变为泊松信道。

但是，由于泊松信道为信号相关型信道，当发射信号功率越大时信道质量越差，系统性能也受到影响。因此，亟需一种能够适应泊松信道的信号调制方法，以解决系统性能差的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种信号调制方法、装置及可见光通信系统，以解决现有技术中的系统性能差的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种信号调制方法，应用于可见光通信系统的发射器，所述可见光通信系统的接收器包括：SPAD阵列，该方法包括：

获取原始信号及调制阶数；

依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，所述星座构建准则为依据Anscombe变换原理获得，i为第i个星座点；

分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；

依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。

优选的，所述星座构建准则按照以下步骤获得：

确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；

将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；

获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；

按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件。

优选的，所述约束条件为：

星座中两个不同的星座点开根号后之间的最小归一化距离为1，即

一种信号调制装置，应用于可见光通信系统的发射器，该装置包括：

信号获取模块，用于获取原始信号及调制阶数；

星座点确定模块，用于依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点；

发射功率确定模块，用于分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；

调制模块，用于依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。

优选的，还包括：准则确定模块，包括：

第一信号确定单元，用于确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；

变换单元，用于将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；

第二信号获得单元，用于获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；

星座点求解单元，用于按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件，i为第i个星座点。

优选的，包括：发射器，LED发光芯片和接收器，其中，所述接收器包括：SPAD阵列；

所述发射器用于：获取原始信号及调制阶数，依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率，依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号；

所述LED发光芯片用于将所述光信号传输给所述接收器；

所述接收器用于，接收所述光信号，并进行解调，获得所述原始信号。

优选的，所述发射器包括：FPGA。

经由上述的技术方案可知，本申请实施例公开的信号调制方法中，按照新的星座构建准则确定各个星座点，进而获得各个符号对应的发射功率。星座构建准则依据Anscombe变换原理而获得，由于Anscombe变换能够将泊松信道中的噪声转换为常数项，从而使得能够噪声与信号无关，降低了噪声对信号的影响，因而提升了星座点的准确性，进而提升了系统的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种信号调制方法的流程图；

图2为本申请实施例公开的又一信号调制方法的流程图；

图3为本申请实施例公开的一种信号调制装置的结构示意图；

图4为本申请实施例公开的又一信号调制装置的结构示意图；

图5为本申请实施例公开的一种可见光通信心痛的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例公开的一种信号调制方法的流程如图1所示，应用于可见光通信系统的发射器，所述可见光通信系统的接收器包括：SPAD阵列。SPAD采用检测光子个数的手段，进行信号采集，鉴于单个SPAD一次只能捕捉到一个光子，因此采用SPAD阵列作为接收器以提高检测能力。该方法包括：

步骤S101：获取原始信号及调制阶数；

调制阶数为K。当调制阶数为2时，可以利用LED的明灭两种状态来表示0,1两个信号。而当调制阶数为大于2的整数时，则需要利用不同的光亮强度，即，功率强度来表示不同的符号。

步骤S102：依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，所述星座构建准则为依据Anscombe变换原理获得；

本申请实施例公开的星座构建过程如图2所示，包括：

步骤S201：确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；

步骤S202：将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；

此时z′(k)的结构变为信号加高斯白噪声的形式。所以在变换域信号可以当做高斯信号处理。

步骤S203：获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；

步骤S204：按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件，i为i个星座点。

将变换后的信号仍然按照高斯信号进行处理。

所述约束条件为：

星座中两个不同的星座点开根号后之间的最小归一化距离为1，即

在构建星座的过程中，本申请实施例将服从泊松分布的接收信号进行Anscombe变换后，Anscombe变换只针对泊松分布有效，形式为经过该变换含有泊松噪声的信号，可以变为信号加高斯噪声的形式，通过这一变换，将原来与信号有关的泊松噪声转化为与信号无关的高斯噪声。

变换后有数学定律可知z′的分布具有稳定的方差。原有的星座构建过程是，已知信号z而求解信号在的星座点，该星座点也就是z的期望。而在变换后，就变成了求解z’的星座点。

该星座构建过程发生在信号调制之前。

步骤S103：分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；

步骤S104：依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。

本申请实施例公开的信号调制方法中，按照新的星座构建准则确定各个星座点，进而获得各个符号对应的发射功率，然后再对信号进行调制，保证调制后的信号能够更好的在信道中传输，提升系统的性能。星座构建准则依据Anscombe变换原理而获得，由于Anscombe变换能够将泊松信道中的噪声转换为常数项，从而使得能够噪声与信号无关，降低了噪声对信号的影响，因而提升了星座点的准确性，进而提升了系统的性能。

本申请同时公开了一种信号调制装置，其应用于可见光通信系统的发射器，该装置的结构如图3所示，包括：

信号获取模块301，用于获取原始信号及调制阶数；

星座点确定模块302，用于依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点；

发射功率确定模块303，用于分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；

调制模块304，用于依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。

进一步的，其还包括：

准则确定模块305，其结构如图4所示，包括：

第一信号确定单元3051，用于确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；

变换单元3052，用于将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；

第二信号获得单元3053，用于获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；

星座点求解单元3054，用于按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件，i为第i个星座点。

本申请实施例公开的信号调制装置，按照新的星座构建准则确定各个星座点，进而获得各个符号对应的发射功率，然后对信号进行调制。星座构建准则依据Anscombe变换原理而获得，由于Anscombe变换能够将泊松信道中的噪声转换为常数项，从而使得能够噪声与信号无关，降低了噪声对信号的影响，因而提升了星座点的准确性，进而提升了系统的性能。

本申请同时公开了一种可见光系统，其结构如图5所示，包括：发射器501，LED发光芯片502和接收器503，其中，所述接收器包括：SPAD阵列5031。

所述发射器501用于：获取原始信号及调制阶数，依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率，依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号；

所述LED发光芯片502用于将所述光信号传输给所述接收器；

所述接收器503用于，接收所述光信号，并进行解调，获得所述原始信号。

星座构建准则的确定过程为：确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件。

接收器在进行信号解调时，也要利用发射器在发送信号时使用的星座点对信号进行解调。

在本实施例中，如图中所示，接收器除包含SPAD阵列进行信号的接收，还包括FPGA5032，对信号进行解调和处理，同理，发射器也可以由FPGA实现对信号的调制和信号处理的过程。

本申请实施例公开的可见光通信系统中，发射器利用新的星座构建准则确定各个星座点，进而获得各个符号对应的发射功率。星座构建准则依据Anscombe变换原理而获得，由于Anscombe变换能够将泊松信道中的噪声转换为常数项，从而使得能够噪声与信号无关，降低了噪声对信号的影响，因而提升了星座点的准确性，进而提升了系统的性能。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种信号调制方法，其特征在于，应用于可见光通信系统的发射器，所述可见光通信系统的接收器包括：SPAD阵列，该方法包括：

获取原始信号及调制阶数；

依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，所述星座构建准则为依据Anscombe变换原理获得，i为第i个星座点；

分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；

依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星座构建准则按照以下步骤获得：

确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；

将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；

获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；

按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述约束条件为：

星座中两个不同的星座点s，开根号后之间的最小归一化距离为1，即

4.一种信号调制装置，其特征在于，应用于可见光通信系统的发射器，该装置包括：

信号获取模块，用于获取原始信号及调制阶数；

星座点确定模块，用于依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点；

发射功率确定模块，用于分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率；

调制模块，用于依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：准则确定模块，包括：

第一信号确定单元，用于确定接收器接收的第一信号z(k)＝αx(k)+n(k)，其中z(k)表示第一信号中的第k个符号，x(k)为发射信号，n(k)为泊松噪声，a为常数；

变换单元，用于将所述第一信号按照公式进行Anscombe变换，其中，v表示加载在所述光子探测器输出端的直流偏置电压，为常数，z'(k)表示对第一信号中的第k个符号进行Anscombe变换后的结果；

第二信号获得单元，用于获得经所述公式变换后得到的第二信号，所述第二信号服从高斯分布；

星座点求解单元，用于按照预设约束条件求解所述第二信号对应的各个星座点所述约束条件为各个星座点的平均光功率最小的条件，i为第i个星座点。

6.一种可见光通信系统，其特征在于，包括：发射器，LED发光芯片和接收器，其中，所述接收器包括：SPAD阵列；

所述发射器用于：获取原始信号及调制阶数，依据所述调制阶数，及星座构建准则确定各个星座点，分别确定各个星座点对应的原始信号的信号符号对应的发射功率，依据所述发射功率，调制所述原始信号的各个符号为光信号；

所述LED发光芯片用于将所述光信号传输给所述接收器；

所述接收器用于，接收所述光信号，并进行解调，获得所述原始信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述发射器包括：FPGA。