一种基于脉冲幅度调制系统的相移编码方法和实现装置与流程

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于脉冲幅度调制（PAM）系统的相移（PS）编码方法和实现装置。

背景技术：

目前，白光发光二极管（LED, light emitting diode）已被广泛应用各个领域，如照明、信号发射、显示等等。和白炽灯、日光灯等其他常用光源相比，白光LED具有更高的调制带宽。此外，白光LED还具有调制性能好、响应灵敏度高等众多优点。利用LED的这些特性，我们可以将信号调制到LED发出的光上进行传输，从而实现照明与通信的有效融合。可见光通信（VLC，Visible Light Communication）就是一种利用LED的快速响应特性实现高速数据传输的新型绿色信息技术。

与其他无线通信技术相比，VLC技术还有传输速率高、安全性好、保密性强、无电磁辐射、绿色环保等优点，已成为近年来通信领域研究的热点。但其发展也存在一些限制因素，其中一个重要的挑战就是LED有限的带宽限制了VLC系统的传输速率和系统性能。为了实现VLC系统的高速传输，研究人员一般采用先进的高阶调制技术对原始数据进行编码调制。其中，脉冲幅度调制作为一种简单易行的调制方式得到了广泛的研究运用。并且，在2015年的IEEE 802.1/IEEE 802.3联合会议上，PAM4成为了IEEE P802.3bs 400Gbs的新标准，由此可见PAM调制技术是一种颇具潜力的实用性传输方案。

但是对于直接调制直接检测的PAM可见光通信系统而言，其存在的信号间串扰噪声将严重恶化系统性能，且由于直接检测带来的固有频率噪声也会对系统性能有一定的影响。针对此问题，本发明提出的编解码方法，通过在发射端控制编码信号的谱形，在接收端对相邻码元进行相减操作，可抑制信号的直流分量和二次项噪声，减轻噪声对系统性能的恶化，提升系统性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于直接调制直接检测的脉冲幅度调制（PAM）系统的相移编码方法和实现装置，用于实现基于PAM调制的可见光高速通信，解决现有PAM调制技术中受信号串扰噪声影响严重的问题，从而提高系统的传输性能。

本发明提供的基于直接调制直接检测PAM系统的相移编码方法，对原始信号的奇偶符号采用相反符号的相移编码方式，对接收信号采用延迟相减的差分解码方式，具体表现为：对基带传输的PAM信号控制其频谱的低频分量，对接收信号抑制其直流分量和信号间的串扰噪声。

具体而言，在发射端，对PAM调制后的信号进行相移编码，将调制后的PAM符号分成不同的码元块，每组码元块包含两个连续的码元，且第二个码元是第一个码元的反。其中发射端第k个码元块内的基带PAM信号和可分别表示为：

其中， 表示PAM映射的符号。

在接收端，对信号进行差分解码，得到光电流。接收端第k组码元块中的光电流可表示为：

其中，系数表示PAM基带信号的强度比值； 和 分别表示LED的偏置电压和反向电压；和分别表示第k组码元块中第2k-1和2k个码元中的噪声电流。

本发明还公开了一种基于直接调制PAM系统的相移编码和差分解码的实现装置，包括相应的发射端和接收端；所述发射端中包含相移编码器，PAM映射模块，串并/并串转换模块，上采样模块，LED及其驱动模块；所述接收端中包含差分解码器，串并转换模块，后均衡模块，PAM解映射模块，时钟同步模块，归一化模块，降采样模块，聚焦透镜，滤光片和接收机；其中：

所述相移编码器，用于对信号进行相移编码；

所述PAM映射模块，用于信号的编码调制；

所述串并/并串转换模块，用于信号编码前后的序列变换；

所述上采样模块，用于信号的上采样；

所述LED及其驱动模块，用于将信号加载到LED上并通过自由空间发射出去；

所述差分解码器，用于对信号进行差分解码；

所述串并转换模块，用于信号解码后的序列变换；

所述后均衡模块，用于对解码信号的均衡；

所述PAM解映射模块，用于将PAM信号解调成二进制比特流；

所述时钟同步模块，用于对接收信号进行时钟提取和同步；

所述归一化模块，用于对接收信号做平均功率归一化处理；

所述降采样模块，用于信号的降采样；

所述聚焦透镜、滤光片和接收机，用于光信号的接收及将光信号转换为电信号。

本发明利用波分复用（WDM）技术在红、绿、蓝三个波段上传输不同波长的基于相移编码的PAM信号，在接收端进行相应的差分解码，可实现相移编码PAM信号在可见光通信系统中的高速传输。

本发明装置的工作流程如下：

在发射端：

（1）PAM映射模块对原始二进制比特流进行PAM映射，生成多电平的PAM信号；

（2）上采样模块对映射后的PAM符号进行2倍上采样，为信号的串并变换做准备；

（3）串并转换模块对信号进行串并变换，将串行信号分成两路并行信号，为相移编码做准备；

（4）相移编码器将输入的第二路信号取反并延迟T/2比特；

（5）并串转换模块将并行的两路信号合并为一路信号，使得每个码元信号后紧跟其反信号；

（6）上采样模块对编码后的信号进行上采样，用于输入任意波形发生器（AWG）；

（7）LED及其驱动模块将AWG发射的信号以此通过预均衡板、电放大器及交直流耦合器，将发射信号和偏置电压耦合到红绿蓝（RGB）LED上，并经过自由空间发射出去。

在接收端：

（1）接收机通过聚焦透镜、滤光片区分红、绿、蓝三个不同波段的传输信号，然后通过接收机将接收的光信号转换为电信号，并用高速采样的实时示波器对信号进行采集以完成下一步的离线处理；

（2）时钟同步模块将示波器采集的信号进行时钟同步，找到信号头；

（3）归一化模块对接收信号用平均功率做归一化；

（4）降采样模块对接收信号进行4倍降采样；

（5）串并转换模块将串行信号转换成并行的两路信号，为差分解码做准备；

（6）差分解码器将并行的第二路信号延迟T/2比特，并用第一路信号减去延迟后的第二路信号，得到解码信号；

（7）后均衡模块对解码信号进行后均衡以补偿信号的码间干扰；

（8）PAM解映射模块将PAM信号解映射为二进制比特流。

本发明的有益效果在于：采用相移编码和差分解码进行PAM调制信号的可见光传输，可有效抑制接受信号中的直流分量和信号间的串扰噪声，提高接收机的灵敏度。本发明适用于可见光通信领域，用于解决基于PAM调制的可见光通信系统中串扰噪声严重恶化系统性能的问题，极大地提升系统的传输性能。

附图说明

图1本发明提出的相移编码的PAM信号示意图。

图2 本发明提出的基于相移编码的PAM系统实现装置示意图。

图3本发明在基于WDM的可见光通信系统中的应用示意图。

图4本发明提出的相移编码的PAM信号和未编码的PAM信号频谱对比图。

图5未编码的PAM-8接收信号频谱。

图6本发明提出的相移编码的PAM-8接收信号频谱。

图7 本发明提出的相移编码的PAM-8直接解码后的信号频谱。

图8本发明提出的相移编码的PAM-8差分解码后的信号频谱。

图9 未编码、相移编码和直接解码、及相移编码和差分解码的PAM-8信号星座图。

图10红光传输中相移编码的PAM-8信号在差分解码和直接解码情况下误码率性能随比特率变化的研究。

图11绿光传输中相移编码的PAM-8信号在差分解码和直接解码情况下误码率性能随比特率变化的研究。

图12蓝光传输中相移编码的PAM-8信号在差分解码和直接解码情况下误码率性能随比特率变化的研究。

图13红光传输中相移编码和差分解码的PAM-8信号误码率性能随比距离变化的研究。

图14绿光传输中相移编码和差分解码的PAM-8信号误码率性能随比距离变化的研究。

图15蓝光传输中相移编码和差分解码的PAM-8信号误码率性能随比距离变化的研究。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

本发明的目的在于提供一种基于直接调制直接检测的脉冲幅度调制系统（PAM）的相移（PS）编码方法及其在可见光通信系统的实现装置。该方法可减轻系统固有噪声和信号间串扰噪声对系统的影响，提高系统性能，获得更高的传输速率。我们将从原理分析和实验传输两方面来详细介绍具体的实施方案。

一、原理分析

本发明提出的编码示意图如附图1所示。在发射端的相移编码器中，将连续的码元分成不同的块，每组码元块中包含两个码元，让第二个码元的符号和第一个码元完全相反。码元组中，第一组的第一个码元为，第一组中的第二个码元为，以此类推，第k组中的一个码元为，第二个码元。

编码后的基带PAM信号可表示为：

(1)

(2)

其中，表示PAM映射的符号。

通过交直流耦合器将编码后的PAM信号调制到LED灯上，LED发射的信号可表示为：

(3)

其中，和分别表示LED的偏置电流和反向电流；系数表示PAM信号的强度；表示LED发光的中心频率；表示单位系数；表示时间。

LED发射的信号在自由空间传输后，接收信号可表示为：

(4)

其中，表示加性高斯白噪声。

接收机可将光信号转换为电信号。由于接收机使用的是平方律检测，则第k组码元中的信号电流可近似表示为：

(5)

(6)

(7)

其中, 是接收机引入的噪声. 式 (5)中第一项表示接收信号的直流分量，第二项表示信号分量，第三项表示信号间的串扰噪声，第四项是如等式（6）中所列的其他噪声。式（6）中表示AWGN对AWGN的拍频噪声，第二项表示信号对AWGN的拍频噪声。

第k个码元块中的第二项光电流可用式（7）表示。通过等式（5）和等式（7）的相减操作，可得到第k个码元块中的光电流如下所示：

(8)

其中，第一项表示信号，第二项表示噪声。比较等式（8）和等式（5），可发现信号的直流分量和二次项串扰噪声都可被完全消除，且接收信号的强度增强了一倍，即接收机灵敏度可提高3dB。由此可见，采用相移编码和差分解码方法，可有效提高系统的信噪比，从而改善系统性能。

二、传输实验

为了测试该方法在可见光通信系统中的可行性，我们采用基于相移编码的直接调制PAM系统的实现装置进行了传输验证实验。该系统的装置示意图和系统构架图分别如附图2和附图3所示。其实现装置包括发射端和接收端。

所述发射端中包含相移编码器、PAM映射模块、串并/并串转换模块、LED及其驱动模块等。包含以下步骤：

步骤101：PAM映射模块，对原始二进制比特流进行PAM映射，生成多电平的PAM信号；

步骤102：上采样模块，对映射后的PAM符号进行2倍上采样，为信号的串并变换做准备；

步骤103：串并转换模块，对信号进行串并变换，将串行信号分成两路并行信号，为相移编码做准备；

步骤104：相移编码器，将输入的第二路信号取反并延迟T/2比特；

步骤105：并串转换模块，将并行的两路信号合并为一路信号，使得每个码元信号后紧跟其反信号；

步骤106：上采样模块，对编码后的信号进行上采样，用于输入任意波形发生器（AWG）。

步骤107：LED及其驱动模块，将AWG发射的信号以此通过预均衡板、电放大器及交直流耦合器，将发射信号和偏置电压耦合到红绿蓝（RGB）LED上，并经过自由空间发射出去。

所述接收端中包含差分解码器、PAM解映射模块、串并转换模块、接收机模块等。包含以下步骤：

步骤201：接收机模块，通过聚焦透镜、滤光片区分红、绿、蓝三个不同波段的传输信号，然后通过接收机将接收的光信号转换为电信号，并用高速采样的实时示波器对信号进行采集以完成下一步的离线处理；

步骤202：时钟同步模块，将示波器采集的信号进行时钟同步，找到信号头；

步骤203：归一化模块，对接收信号用平均功率做归一化；

步骤204：降采样模块，对接收信号进行4倍降采样；

步骤205：串并转换模块，将串行信号转换成并行的两路信号，为差分解码做准备；

步骤206：差分解码器，将并行的第二路信号延迟T/2比特，并用第一路信号减去延迟后的第二路信号，得到解码信号；

步骤207：后均衡模块，对解码信号进行后均衡以补偿信号的码间干扰；

步骤208：PAM解映射模块，将PAM信号解映射为二进制比特流。

本实施方式中各步骤的划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本发明的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

我们试验了上述实验装置在距离为1~2m的自由空间中的信号传输。图4为本发明提出的相移编码的PAM信号和未编码的PAM信号频谱对比图。可看到编码后的频谱图中的低频成分有所抑制，高频成分被尽可能的保留，此谱形有利于抵抗可见光信道传输中的低频衰减。

图5为经过1m的自由空间传输后，未编码的PAM-8接收信号频谱。可看到该频谱有很大的直流分量，且频谱低频处有很强的信号衰落和失真。这是因为可见光信道在低频处有很大的信号衰减。且本实验装置中的交直流耦合器不能通过信号的直流分量，接收频谱中的直流分量是由接收机平方律检测引入的固定频率噪声分量。因此，对于未编码的接收信号，其性能受损严重，不能直接在可见光信道中传输。

图6为经过1m的自由空间传输后，未编码的PAM-8接收信号频谱。该频谱在400MHz的带宽内都较为平坦。

图7为本发明提出的相移编码的PAM-8直接解码后的信号频谱。该频谱存在由接收机平方律检测引入的直流分量，和较丰富的低频噪声。

图8为本发明提出的相移编码的PAM-8差分解码后的信号频谱。该频谱不存在直流分量，且噪声强度被极大的抑制。

图9为未编码、相移编码和直接解码、及相移编码和差分解码的PAM-8信号星座图。可看到未编码的信号性能最差，完全不能解出原始信号；相移S编码和直接解码的信号次之；相移编码和差分解码的信号性能最优，可恢复出原始信号。

本发明还测试了在不同速率下，红、绿、蓝三种颜色光传输的信号在直接解码和差分解码情况下误码率性能，分别如图10、图11、图12所示。可看到在7%的FEC门限下，差分解码的信号总速率可达3.375Gb/s（红光：1.35Gb/s；绿光：0.975Gb/s；蓝光：1.05Gb/s）；直接解码的信号总速率可达1.8Gb/s（三种颜色光的速率皆为600Mb/s）。故通过差分解码，其速率提升了1.575Gb/s。

此外，还测试了红、绿、蓝三种颜色光传输的信号在不同距离时误码率性能的变化，分别如图13、图14、图15所示。在1m、1.5m和2m的传输距离下，传输速率分别为3.375Gb/s、 3.225-Gb/s 和 2.925-Gb/s。

上述传输实验验证了相移编码方案和实施装置在基于PAM调制的可见光通信系统的可行性和对系统噪声的抑制作用，其系统性能可获得极大的提升。