本發(fā)明涉及一種基于多脈沖位置的可見光通信色移鍵控調(diào)制方法，具體涉及偽噪聲(Pseudo-Noise，簡稱PN)、多脈沖位置調(diào)制(MPPM)組合和色移鍵控(CSK)調(diào)制的一種適用于可見光通信的調(diào)制方法，屬于可見光通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著對無線數(shù)據(jù)通信需求的快速增長，處于10G以下可獲得的無線頻譜越來越緊缺?？梢姽庹紦?jù)400THz到800THz的頻段，因其擁有豐富的頻譜資源，可以很好地解決無線頻譜短缺的問題，而受到廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)射頻通信相比，可見光通信是通過光的強(qiáng)度來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能夠以較低的成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明與通信兩大功能，適用于各種場景，并且私密性好，免受電磁干擾，無需頻率許可，綠色環(huán)保；具有高帶寬高復(fù)用度的特點(diǎn)，可通過控制燈光照射的范圍，提高空間利用率。

因?yàn)榭梢姽馔ㄐ挪捎玫氖菑?qiáng)度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)的方式，所以可以根據(jù)不同強(qiáng)度的光強(qiáng)組合來傳輸信息，而色移鍵控就是利用RGB三色燈作為信號發(fā)射源，利用三色燈發(fā)射不同強(qiáng)度的光組合來傳輸信息，在IEEE 802.15.7中對將可見光頻段劃分為7種顏色帶，并做了相應(yīng)的編碼，可選取其中3個(gè)顏色帶的中心波長作為三色燈的中心波長，其中可以有效地在1931 CIE XY顏色色度空間坐標(biāo)圖上構(gòu)成完整三角形的只有9種組合，在IEEE 805.15.7標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種色移鍵控星座圖，4CSK，8CSK，16CSK。

在IEEE 802.15.7色移鍵控調(diào)制中4CSK符號可攜帶2個(gè)比特，8CSK可攜帶3個(gè)比特，16CSK可攜帶4比特。由于顏色鍵移調(diào)制的獨(dú)特性，即對三色燈功率的控制不同，采用RGB三色燈發(fā)射信號時(shí),有三種情況，分別是一個(gè)燈發(fā)射、兩個(gè)燈發(fā)射或者三個(gè)燈發(fā)射，當(dāng)色移鍵控與脈沖位置調(diào)制相結(jié)合時(shí)，所攜帶的額外比特?cái)?shù)是脈沖調(diào)制本身所具有的比特?cái)?shù)，這種簡單的組合并不不能完全發(fā)揮三色燈在結(jié)合脈沖位置調(diào)制時(shí)的優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上簡單顏色鍵移調(diào)制與脈沖位置調(diào)制相結(jié)合的缺陷問題，本發(fā)明提出了一種基于多脈沖位置的可見光通信色移鍵控調(diào)制方法；

本發(fā)明的關(guān)鍵是在三色燈中人為的加入偽噪聲，來識別脈沖位置組合信息，這樣就解決了色移鍵控與脈沖位置組合的多樣化問題，極大地提高了在原始符號周期內(nèi)所攜帶的比特?cái)?shù)，其中多樣化的位置組合同樣也可以對照明強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)配。

本發(fā)明采用偽噪聲來對多脈沖位置組合進(jìn)行標(biāo)識，在一個(gè)符號周期內(nèi)，色移鍵控在為三色燈分配功率時(shí)，并不是在每個(gè)符號周期內(nèi)都發(fā)射功率，偽噪聲正是在三色燈只有一個(gè)或者兩個(gè)燈發(fā)射功率時(shí)，才被人為的加入到另外兩個(gè)或者一個(gè)未發(fā)射功率的燈上，該偽噪聲只是被用來標(biāo)識多脈沖位置組合情況，并不影響總功率和色移鍵控所發(fā)射的功率組合。

術(shù)語解釋

1、MPPM調(diào)制，是多脈沖位置調(diào)制；

2、4CSK，是2比特4個(gè)符號的色移鍵控調(diào)制；

3、8CSK，是3比特8個(gè)符號的色移鍵控調(diào)制；

4、16CSk，是4比特16個(gè)符號的色移鍵控調(diào)制；

5、PN，是偽噪聲；

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于多脈沖位置的可見光通信色移鍵控調(diào)制方法，采用三色燈作為發(fā)射端和三個(gè)帶有濾光片的光電檢測器作為接收端來傳輸數(shù)據(jù)，具體調(diào)制發(fā)射步驟包括：

(1)對發(fā)射信號X(t)進(jìn)行編碼：所述發(fā)射信號X(t)包括色移鍵控的比特?cái)?shù)及三色燈中多脈沖位置組合調(diào)制的比特?cái)?shù)，通過所述色移鍵控調(diào)制的比特?cái)?shù)在1931 CIE色度空間上的坐標(biāo)和三色燈各自的顏色帶在1931 CIE色度空間上的坐標(biāo)，來確定三色燈的發(fā)射功率強(qiáng)度，具體步驟包括：

A、獲取所述色移鍵控調(diào)制的比特?cái)?shù)在1931 CIE色度空間上的坐標(biāo)(x_p,y_p)，獲取三色燈各自的顏色帶在1931 CIE色度空間上的坐標(biāo)(x_i,y_i)，(x_j,y_j)和(x_k,y_k)；

B、通過式(Ⅰ)確定三色燈的發(fā)射功率強(qiáng)度P_it,P_jt,P_kt：

例如，以4CSK為例，選取IEEE 802.15.7中第二組顏色帶組合(110，001，000)，則三色燈在1931 CIE色度空間坐標(biāo)分別為(0.734 0.265)，(0.011 0.733)，(0.169 0.007)，表1是4CSK、8CSK和16CSK各符號映射的(x_p,y_p)，4CSK中，數(shù)據(jù)[0 0]對應(yīng)(0.011 0.733)，[0 1]對應(yīng)(0.305 0.335)，[1 0]對應(yīng)(0.169 0.007)，[11]對應(yīng)(0.734 0.265)。

表1

根據(jù)(x_p,y_p)色度空間坐標(biāo)值，通過式(Ⅰ)來確定三色燈的發(fā)射強(qiáng)度。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入為[0 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.0000 1.0000 0.0000)；數(shù)據(jù)為[0 1]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.3339 0.3331 0.3330)；數(shù)據(jù)為[1 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.0000 0.0000 1.0000)；數(shù)據(jù)為[1 1]時(shí)，三色燈發(fā)射強(qiáng)度為(1.0000 0.0000 0.0000)。

C、符號周期T_s分為m個(gè)時(shí)隙T_p，每種色燈均從m個(gè)時(shí)隙中選擇n個(gè)時(shí)隙，發(fā)送一個(gè)符號周期內(nèi)色移鍵控的強(qiáng)度，紅色燈則有種選擇，綠色燈則有種選擇，藍(lán)色燈則有種選擇，三色燈在一個(gè)符號周期內(nèi)則有種組合，即傳輸額外個(gè)比特?cái)?shù)；

D、將人為的偽噪聲PN加入到未發(fā)射光信號的燈上，確定時(shí)隙脈沖組合：對所有可能的時(shí)隙脈沖組合進(jìn)行編碼，得到的每一個(gè)編碼對應(yīng)一組比特?cái)?shù)；根據(jù)比特?cái)?shù)求取相應(yīng)的X(t)，X(t)為3行、m列的矩陣，3行代表三色燈，m列代表m個(gè)時(shí)隙，矩陣中各個(gè)矩陣位置的數(shù)值通過以下方法確定：某種燈對應(yīng)的未選擇的(m-n)個(gè)時(shí)隙的矩陣位置的數(shù)值為0，對應(yīng)的選擇的n個(gè)時(shí)隙的矩陣位置數(shù)值為發(fā)射光信號的強(qiáng)度，該值通過步驟B確定，所述發(fā)射光信號的強(qiáng)度的值為0時(shí)，該值替換為偽噪聲PN；

在4CSK中，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入為[0 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PN 1.0000 PN)；數(shù)據(jù)為[0 1]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.3339 0.3331 0.3330)；數(shù)據(jù)為[1 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PNPN 1.0000)；數(shù)據(jù)為[1 1]時(shí)，三色燈發(fā)射強(qiáng)度為(1.0000 PN PN)。

結(jié)合色移鍵控和MPPM編碼后，從4個(gè)時(shí)隙中選擇一個(gè)時(shí)隙來發(fā)射脈沖，則發(fā)射信號的符號轉(zhuǎn)為矩陣X(t)的過程如表2，采用4CSK+4PPM的X(t)變換：

表2

對應(yīng)x(t₁)、x(t₂)為：

符號01001011轉(zhuǎn)換為X(t₁)，符號10000110轉(zhuǎn)換為X(t₂)，其他符號轉(zhuǎn)為相應(yīng)的X(t)。

例如，在4CSK中，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入為[0 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PN 1.0000 PN)；數(shù)據(jù)為[0 1]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.3339 0.3331 0.3330)；數(shù)據(jù)為[1 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PNPN 1.0000)；數(shù)據(jù)為[1 1]時(shí)，三色燈發(fā)射強(qiáng)度為(1.0000PNPN)。

(2)發(fā)射端發(fā)出發(fā)射信號X(t)；

(3)經(jīng)過離散自由光信道，通過三色燈各自的濾光片，由光電檢測器檢測接收到的三色燈的發(fā)射功率，得到Y(jié)(t)；

(4)對于步驟(3)求取的Y(t)的每個(gè)元素值進(jìn)行最大似然估計(jì)算法判決：設(shè)有閾值a和閾值b，a＝0.005，b＝0.01，當(dāng)Y(t)的元素值小于等于a時(shí)，則判為噪聲；當(dāng)Y(t)的元素值大于a且小于等于b時(shí)，則該元素值判決為偽噪聲PN，該元素所在列為偽噪聲PN標(biāo)識位，標(biāo)出該燈所用的時(shí)隙脈沖位置組合；當(dāng)Y(t)的元素值大于b時(shí)，則該元素值為該燈所發(fā)射的功率；當(dāng)Y(t)的所有元素值判斷完畢后，即得到發(fā)射信號X(t)的估計(jì)值

(5)由估計(jì)值提取出估計(jì)值中三行非0元素是三色燈的發(fā)射強(qiáng)度的估計(jì)值，即：估計(jì)值中非0元素所在的列即對應(yīng)m個(gè)時(shí)隙脈沖位置；

(6)根據(jù)得到色移健控的比特?cái)?shù)在1931CIE色度空間的坐標(biāo)估計(jì)值

(7)根據(jù)步驟(1)的逆過程，經(jīng)過多脈沖位置解碼、色移鍵控解碼，得到輸出數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(3)，通過式(Ⅱ)求取Y(t)：

式(Ⅱ)中，信道H(t)是一個(gè)三乘三的矩陣，h_ij(t)是第j個(gè)發(fā)射機(jī)與第i個(gè)接收機(jī)之間的信道增益；理想情況下，接受端的濾光片可以保證只有相應(yīng)的顏色可以通過，也就是其中h_rg(t)，h_rb(t)，h_gr(t)，h_gb(t)，h_br(t)和h_bg(t)信道增益可被理想化為0。

N是指獨(dú)立分布噪聲。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述信道H(t)的元素值H的求取公式如式(Ⅲ)所示：

式(Ⅲ)中，l為朗伯系數(shù)，α為光入射角，β為光輻射角，A_dt為光電檢測器的面積，d_tr為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離，T(α)為光濾波器的增益，G(α)為聚光器增益，c為反射率，Φ_c為接收器的視場角

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(6)，通過式(Ⅳ)求取色移健控的比特?cái)?shù)在1931 CIE色度空間的坐標(biāo)估計(jì)值

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明首次提出將多脈沖位置組合與色移鍵控調(diào)制相結(jié)合的辦法運(yùn)用于可見光通信調(diào)制，并解決了色移鍵控調(diào)制在三色燈未全部發(fā)射功率時(shí)的位置組合識別。

2、本發(fā)明中的人工偽噪聲(Pseudo-Noise)起到了三色燈的時(shí)隙脈沖位置組合標(biāo)識作用，對在一個(gè)符號周期內(nèi)，讓光顏色更趨于白色光。

3、本發(fā)明引入的多色燈脈沖時(shí)隙位置組合，可通過多色燈不同脈沖時(shí)隙位置組合來傳遞信息，與傳統(tǒng)的色移鍵控與脈沖位置調(diào)制相比，頻效至少提高了一倍。

4、本發(fā)明中人為偽噪聲的使用，是基于最大似然估計(jì)算法判決，采用雙閾值判決，使系統(tǒng)有較好的抗干擾性能。

附圖說明

圖1為每個(gè)燈從4個(gè)時(shí)隙中選擇一個(gè)脈沖來發(fā)送一個(gè)符號周期內(nèi)色移鍵控的強(qiáng)度示意圖；

圖2為每個(gè)燈從4個(gè)時(shí)隙中選擇兩個(gè)時(shí)隙來發(fā)送一個(gè)符號周期內(nèi)色移鍵控的強(qiáng)度示意圖；

圖3為上述基于多脈沖位置的可見光通信色移鍵控調(diào)制方法的示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步限定，但不限于此。

實(shí)施例

一種基于多脈沖位置的可見光通信色移鍵控調(diào)制方法，如圖3所示，采用三色燈作為發(fā)射端和三個(gè)帶有濾光片的光電檢測器作為接收端來傳輸數(shù)據(jù)，具體調(diào)制發(fā)射步驟包括：

(1)對發(fā)射信號X(t)進(jìn)行編碼：所述發(fā)射信號X(t)包括色移鍵控的比特?cái)?shù)及三色燈中多脈沖位置組合調(diào)制的比特?cái)?shù)，通過所述色移鍵控調(diào)制的比特?cái)?shù)在1931CIE色度空間上的坐標(biāo)和三色燈各自的顏色帶在1931CIE色度空間上的坐標(biāo)，來確定三色燈的發(fā)射功率強(qiáng)度，具體步驟包括：

A、獲取所述色移鍵控調(diào)制的比特?cái)?shù)在1931 CIE色度空間上的坐標(biāo)(x_p,y_p)，獲取三色燈各自的顏色帶在1931 CIE色度空間上的坐標(biāo)(x_i,y_i)，(x_j,y_j)和(x_k,y_k)；

B、通過式(Ⅰ)確定三色燈的發(fā)射功率強(qiáng)度P_it,P_jt,P_kt：

例如，以4CSK為例，選取IEEE 802.15.7中第二組顏色帶組合(110，001，000)，則三色燈在1931 CIE色度空間坐標(biāo)分別為(0.734 0.265)，(0.011 0.733)，(0.169 0.007)，表1是4CSK、8CSK和16CSK各符號映射的(x_p,y_p)，4CSK中，數(shù)據(jù)[0 0]對應(yīng)(0.011 0.733)，[0 1]對應(yīng)(0.305 0.335)，[1 0]對應(yīng)(0.169 0.007)，[11]對應(yīng)(0.734 0.265)。

表1

根據(jù)(x_p,y_p)色度空間坐標(biāo)值，通過式(Ⅰ)來確定三色燈的發(fā)射強(qiáng)度。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入為[0 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.0000 1.0000 0.0000)；數(shù)據(jù)為[0 1]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.3339 0.3331 0.3330)；數(shù)據(jù)為[1 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.0000 0.0000 1.0000)；數(shù)據(jù)為[1 1]時(shí)，三色燈發(fā)射強(qiáng)度為(1.0000 0.0000 0.0000)。

C、符號周期T_s分為m個(gè)時(shí)隙T_p，每種色燈均從m個(gè)時(shí)隙中選擇n個(gè)時(shí)隙，發(fā)送一個(gè)符號周期內(nèi)色移鍵控的強(qiáng)度，紅色燈則有種選擇，綠色燈則有種選擇，藍(lán)色燈則有種選擇，三色燈在一個(gè)符號周期內(nèi)則有種選擇，即傳輸額外個(gè)比特?cái)?shù)；

例如，采用4PPM，將符號周期T_s分為m個(gè)時(shí)隙T_p，m＝4，當(dāng)每個(gè)燈從4個(gè)時(shí)隙中選擇一個(gè)脈沖來發(fā)送一個(gè)符號周期內(nèi)色移鍵控的強(qiáng)度時(shí)如圖1，對于紅色燈則有種選擇，對綠色燈則有種選擇，對藍(lán)色燈則有種選擇，當(dāng)三色燈在一個(gè)符號周期內(nèi)則有種選擇，即可傳輸額外個(gè)比特?cái)?shù)。當(dāng)每個(gè)燈從4個(gè)時(shí)隙中選擇兩個(gè)時(shí)隙來發(fā)送一個(gè)符號周期內(nèi)色移鍵控的強(qiáng)度時(shí)如圖2，對于紅色燈則有種選擇，對綠色燈則有種選擇，對藍(lán)色燈則有種選擇，當(dāng)三色燈在一個(gè)符號周期內(nèi)則有種組合，即可傳輸額外個(gè)比特?cái)?shù)。

D、將人為的偽噪聲PN加入到未發(fā)射光信號的燈上，確定時(shí)隙脈沖組合：對所有可能的時(shí)隙脈沖組合進(jìn)行編碼，得到的每一個(gè)編碼對應(yīng)一組比特?cái)?shù)；根據(jù)比特?cái)?shù)求取相應(yīng)的X(t)，X(t)為3行、m列的矩陣，3行代表三色燈，m列代表m個(gè)時(shí)隙，矩陣中各個(gè)矩陣位置的數(shù)值通過以下方法確定：某種燈對應(yīng)的未選擇的(m-n)個(gè)時(shí)隙的矩陣位置的數(shù)值為0，對應(yīng)的選擇的n個(gè)時(shí)隙的矩陣位置數(shù)值為發(fā)射光信號的強(qiáng)度，該值通過步驟B確定，所述發(fā)射光信號的強(qiáng)度的值為0時(shí)，該值替換為偽噪聲PN；

在4CSK中，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入為[0 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PN 1.0000 PN)；數(shù)據(jù)為[0 1]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.3339 0.3331 0.3330)；數(shù)據(jù)為[1 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PNPN 1.0000)；數(shù)據(jù)為[1 1]時(shí)，三色燈發(fā)射強(qiáng)度為(1.0000 PN PN)。

結(jié)合色移鍵控和MPPM編碼后，從4個(gè)時(shí)隙中選擇一個(gè)時(shí)隙來發(fā)射脈沖，則發(fā)射信號的符號轉(zhuǎn)為矩陣X(t)的過程如表2，采用4CSK+4PPM的X(t)變換：

表2

對應(yīng)x(t₁)、x(t₂)為：

符號01001011轉(zhuǎn)換為X(t₁)，符號10000110轉(zhuǎn)換為X(t₂)，其他符號轉(zhuǎn)為相應(yīng)的X(t)。

例如，在4CSK中，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入為[0 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PN 1.0000 PN)；數(shù)據(jù)為[0 1]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(0.3339 0.3331 0.3330)；數(shù)據(jù)為[1 0]時(shí)，三色燈強(qiáng)度為(PNPN 1.0000)；數(shù)據(jù)為[1 1]時(shí)，三色燈發(fā)射強(qiáng)度為(1.0000PNPN)。

(2)發(fā)射端發(fā)出發(fā)射信號X(t)；

(3)經(jīng)過離散自由光信道，通過三色燈各自的濾光片，由光電檢測器檢測接收到的三色燈的發(fā)射功率，得到Y(jié)(t)；通過式(Ⅱ)求取Y(t)：

式(Ⅱ)中，信道H(t)是一個(gè)三乘三的矩陣，h_ij(t)是第j個(gè)發(fā)射機(jī)與第i個(gè)接收機(jī)之間的信道增益；理想情況下，接受端的濾光片可以保證只有相應(yīng)的顏色可以通過，也就是其中h_rg(t)，h_rb(t)，h_gr(t)，h_gb(t)，h_br(t)和h_bg(t)信道增益可被理想化為0。

N是指獨(dú)立分布噪聲。

所述信道H(t)的元素值H的求取公式如式(Ⅲ)所示：

式(Ⅲ)中，l為朗伯系數(shù)，α為光入射角，β為光輻射角，A_dt為光電檢測器的面積，d_tr為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離，T(α)為光濾波器的增益，G(α)為聚光器增益，c為反射率，Φ_c為接收器的視場角

(4)對于步驟(3)求取的Y(t)的每個(gè)元素值進(jìn)行最大似然估計(jì)算法判決：設(shè)有閾值a和閾值b，a＝0.005，b＝0.01，當(dāng)Y(t)的元素值小于等于a時(shí)，則判為噪聲；當(dāng)Y(t)的元素值大于a且小于等于b時(shí)，則該元素值判決為偽噪聲PN，該元素所在列為偽噪聲PN標(biāo)識位，標(biāo)出該燈所用的時(shí)隙脈沖位置組合；當(dāng)Y(t)的元素值大于b時(shí)，則該元素值為該燈所發(fā)射的功率；當(dāng)Y(t)的所有元素值判斷完畢后，即得到發(fā)射信號X(t)的估計(jì)值

(5)由估計(jì)值提取出估計(jì)值中三行非0元素是三色燈的發(fā)射強(qiáng)度的估計(jì)值，即：估計(jì)值中非0元素所在的列即對應(yīng)m個(gè)時(shí)隙脈沖位置；

(6)根據(jù)得到色移健控的比特?cái)?shù)在1931 CIE色度空間的坐標(biāo)估計(jì)值通過式(Ⅳ)求取色移健控的比特?cái)?shù)在1931 CIE色度空間的坐標(biāo)估計(jì)值

(7)根據(jù)步驟(1)的逆過程，經(jīng)過多脈沖位置解碼、色移鍵控解碼，得到輸出數(shù)據(jù)。