一种vlc混合调制系统的点对点光功率分配算法
阅读说明：本技术 一种vlc混合调制系统的点对点光功率分配算法 (Point-to-point optical power distribution algorithm of VLC hybrid modulation system ) 是由 张天 王宏旭 党甜甜 周倩 漆益红 李金泽 宋丁 乔双 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种VLC混合调制系统的点对点光功率分配算法。引入了星座组合和噪声功率谱密度的联合推导,避免了由于分配给每个分支的功率导致不同的误码率性能,并用迭代收敛算法实现。仿真结果表明,在理想的线性传输模型下,与传统方案相比,本发明所提出的点对点光功率分配方法能进一步提高基于PHO-OFDM调制的可见光通信系统的误码率性能。(The invention discloses a point-to-point light power distribution algorithm of a VLC hybrid modulation system. The joint derivation of constellation combination and noise power spectral density is introduced, so that different error rate performances caused by the power distributed to each branch are avoided, and the iterative convergence algorithm is used for realizing the performance. Simulation results show that under an ideal linear transmission model, compared with the traditional scheme, the point-to-point optical power distribution method provided by the invention can further improve the bit error rate performance of a visible light communication system based on PHO-OFDM modulation.)
技术领域
本发明属于可见光传输通讯技术领域，具体涉及一种VLC混合调制系统的点对点光功率分配算法。
背景技术
近年来，可见光通信（Visible Light Communication，VLC）技术因其抗电磁干扰、兼顾照明和通信以及数百太赫兹的无需授权频谱等优势成为了未来6G通信的潜力候选手段之一。为了弥补可见光通信发射机LED的有限带宽，频谱高效的混合调制技术得到了人们的广泛关注。由于基于脉冲振幅多音频调制的混合光正交频分复用（Pulse-amplitude-modulated Based Hybrid Optical OFDM，PHO-OFDM）技术采用两路OFDM分支信号进行时域叠加传输。
因此，在发射端的功率分配设计成为了影响基于PHO-OFDM调制的可见光通信系统性能的关键因素之一。值得一提的是，大多数混合调制方案对给定的星座组合使用恒定的功率分配因子。实际上，这一因素还受到通信系统接收机的实时信噪比的影响。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种VLC混合调制系统的点对点光功率分配算法，为了方便描述，本发明以PHO-OFDM混合调制系统为例进行叙述；
一种VLC混合调制系统的点对点光功率分配算法，它包括：
（1）在PHO-OFDM混合调制系统中，光功率归一化的情况下，假设PAM分支的光功率分配系数为α，则QAM分支的光功率分配系数则为(1-α)；
通过误码率公式推导得到最小误码率下的光功率分配系数：
（12）
对于上式，和分别表示PAM和QAM的调制阶数，k表示直流偏置程度。表示噪声功率；。
（2）信噪比被定义为：
（13）
其中，为PHO-OFDM的时域信号，其电功率可以表示为：
（15）
根据所提出的迭代收敛算法，给出、直流偏置等级k和SNR值，的初始值可 以设置为0.5。然后数值可以根据方程（12）（13）和（15）来以此迭代，即 。每次迭代i值都会加1，直到值收敛，就可得到特定星座组合以及信噪比下的光功率分配数 值，也即是点对点光功率分配。而门限值则可以决定其收敛的的速度，一般若取则只 需要3次迭代即可收敛。所述的迭代收敛算法为：
所述的混合调制系统为PHO-OFDM混合调制系统；
所述的PHO-OFDM混合调制系统为：
（1）将待传输数据的数据输入到映射模块，按照奇偶载波分别生成PAM、QAM符号；
（2）然后按照PHO-OFDM系统的调制格式分别将PAM、QAM符号调制到相应的载波上；
（3）采用厄米特对称模块，得到调制好的频域符号之后，将其输入到IFFT模块得到时域符号；
（4）奇载波上的时域符号采用负裁剪操作来达成传输信号的单极性，偶载波上的时域符号则通过添加直流偏置的方法来达成单极性要求。
本发明提供了一种VLC混合调制系统的点对点光功率分配算法。由于分配给每个分支的功率会导致不同的误码率性能，引入了星座组合和噪声功率谱密度的联合推导，并用迭代收敛算法实现。仿真结果表明，在理想的线性传输模型下，与传统方案相比，本发明所提出的点对点光功率分配方法能进一步提高基于PHO-OFDM调制的可见光通信系统的误码率性能。
附图说明
图1是本发明一种针对PHO-OFDM调制系统的点对点光功率分配算法及装置结构框架图；
图2是本发明技术方案的误码率曲线对比图；
图3是本发明技术方案中不同光功率分配下的误码率性能图。
具体实施方式
实施例1一种针对PHO-OFDM调制系统的点对点光功率分配算法
（1）在光功率归一化的情况下，假设PAM分支的光功率为，则QAM分支的光功率则为 。为此，需要在两个分支上均倍乘一个压扩系数 和 ，表示如下：
（1）
（2）首先给出PHO-OFDM系统两个分支的误码率计算公式。
（2）
（3）
其中，和分别表示PAM和QAM的调制阶数；和分别表示PAM分支和QAM 分支的电功率, 表示噪声功率；。
然后进一步推导出PHO-OFDM系统的整体误码率近似为：
（4）
其中N为子载波的个数。当N足够大时，-1可以近似看作。
下面给出PAM分支的光功率和电功率：
（5）
（6）
将（1）（5）和（6）带入公式（2）中可以得到：
（7）
对于QAM分支值得注意的一点是，它添加了一个直流偏置来保证时域信号的非负 性，所以直流偏置等级可以定义为。所以QAM分支的光功率和电 功率给出为：
（8）
（9）
将（1）（8）和（9）带入到公式（3）中可以近似得到：
（10）
最后将化简后的公式（7）和（10）带入到（4）中，得到PHO-OFDM的误码率公式。并对其求二次导数，得到：
（11）
上式中,时。所以对于。这说明在可以取到最小值。所以最小误码率下对应的值可以表示为：
（12）
基于PHO-OFDM混合调制系统的迭代收敛算法和点对点光功率分配。
公式（12）中，唯一不确定的量就是噪声功率的值。所以提出了一种迭代收敛算 法，用来计算每一个信噪比下的值。
首先，信噪比（Signal-to-noise Ratio，SNR）被定义为：
（13）
其中，为PHO-OFDM的时域信号，其电功率可以表示为：
（14）
其中，为光功率，即为电功率。将公式（1）（5）（6）（8）和（9）带入其中便可以将公式（14）进一步化简得到：
（15）
提出迭代收敛算法如下：
根据所提出的迭代收敛算法，给出M1、M2、直流偏置等级k和SNR值，的初始值可以设 置为0.5。然后数值可以根据方程（12）（13）和（15）来以此迭代，即。 每次迭代i值都会加1，直到值收敛，就可得到特定星座组合以及信噪比下的光功率分配数 值，也即是点对点光功率分配。而门限值则可以决定其收敛的的速度，一般若取则只需要3 次迭代即可收敛。
所给出的迭代收敛算法也同样适用于其他的混合调制系统。本发明只是以PHO-OFDM系统为例展示本方案和算法。
实施例2 一种PHO-OFDM混合调制系统数据处理步骤
本发明是针对发送端进行的光功率分配改进，所以在已知光功率分配系数的前提下，接收端和传统接收端一致。如图1所示，其数据处理步骤如下：
（1）将待传输数据的数据输入到映射模块，按照奇偶载波分别生成PAM、QAM符号。
（2）然后按照PHO-OFDM系统的调制格式分别将PAM、QAM符号调制到相应的载波上，为了保证传输信号的实值性，厄米特对称模块也是必要的。
（3）得到调制好的频域符号之后，将其输入到IFFT模块得到时域符号。
（4）奇载波上的时域符号采用负裁剪操作来达成传输信号的单极性，偶载波上的时域符号则通过添加直流偏置的方法来达成单极性要求。
（5）由于有光功率分配思想加入其中，所以传输信号的获得不能再像传统方案那样仅仅通过两层信号时域叠加来实现，而应该分别倍乘系数 和 。
点对点光功率分配方案：
值得一提的是，所给出的迭代收敛算法也即是点对点光功率分配方案也同样适用于其他的混合调制系统。本发明只是以PHO-OFDM系统为例展示本方案和算法。
根据上面的迭代收敛算法，给出两种参数组合下（方案1和方案2）的功率分配值，如表1所示。
上述光功率分配之下，给出了相应调制格式下的误码率曲线，从图2可以看出，在不同调制阶数下，所提出的光功率分配方案均能获得较好的信噪比增益。图3可以看出，所提出的光功率分配方案所得到的误码率性能确实是更优的。
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