基于多源多源數(shù)據(jù)融合的led驅(qū)動電壓高速傳輸方案

1多層疊加傳輸系統(tǒng)照明通信（vlc）利用了光刻化學快速響應的特點，將信號發(fā)送給電池，利用光的變化來傳輸數(shù)據(jù)，并將照明和通信結(jié)合起來，建造照明和通信基礎設施光的兩種基藍照明。室內(nèi)VLC中有廣泛的應用場景,例如將家庭用的臺燈賦予高速通信的功能從而構(gòu)造成“網(wǎng)絡臺燈”,在臺燈照明范圍內(nèi)利用可見光接收器接收光信息,再連接個人電腦、電視機等,用戶可以享受高速的流媒體體驗業(yè)務。雖然目前單個商用LED受調(diào)制帶寬、調(diào)制方式等限制,其傳輸速率受限,但是VLC仍有諸多高速通信的優(yōu)勢。首先單個燈具內(nèi)一般有3~6個燈芯協(xié)同照明,亦即燈具內(nèi)是一個天然的多輸出系統(tǒng);其次室內(nèi)VLC信道信噪比非常高,通常大于40dB。受疊加編碼調(diào)制(SuperpositionCodedModulation,SCM)和交織分多址(InterleaveDivisionMultipleAccess,IDMA)中信息通過串并轉(zhuǎn)換再由多層疊加傳輸方式的啟發(fā),這種方式類似于單個燈具內(nèi)的信息經(jīng)分流降速后由多個LED燈芯同時并行傳輸,在單個燈芯速率恒定時,多個燈芯同時并行發(fā)送不同數(shù)據(jù),能夠使VLC的傳輸速率成倍的提升。因此根據(jù)實際照明與通信相結(jié)合的思路,利用單個燈具內(nèi)的多個LED燈芯同時傳輸不同數(shù)據(jù),通過可見光信道疊加傳輸,由接收端的單一光電檢測器(Photodetector,PD)接收,再經(jīng)后續(xù)電信號處理,按照加載在每個LED燈芯的不同驅(qū)動電壓逐燈芯檢測恢復數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。針對傳統(tǒng)無線電通信中的多層疊加編碼調(diào)制的功率分配問題,馬嘯等人利用基于仿真的遞歸搜索方法分析了用戶數(shù)較少時分配方法,并取得了一定的性能增益;李平等人利用特殊的交織器區(qū)分各個用戶;并對用戶數(shù)較多時采用信噪比演進方案進行功率分配研究,進行功率分配后,用戶數(shù)較多的疊加傳輸系統(tǒng)仍具有接近單用戶的性能。然而在可見光疊加高速傳輸系統(tǒng)中,LED電光轉(zhuǎn)換具有非線性特性,線性區(qū)間較窄。這不僅限制了信號的動態(tài)范圍,也會對疊加傳輸中各LED燈芯功率分配和接收端檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。VLC一般采用強度調(diào)制/直接檢測(IntensityModulation/Directdetection,IM/DD)方式。強度調(diào)制時發(fā)送端LED的驅(qū)動電壓非負,LED發(fā)送的是光強度信息,所以疊加高速傳輸?shù)陌l(fā)送端調(diào)制方式和傳統(tǒng)無線SCM和IDMA不同。本文在發(fā)送端LED上加上一個直流分量以保證驅(qū)動電壓非負,各燈芯數(shù)據(jù)經(jīng)編碼交織后采用OOK調(diào)制方式,而非傳統(tǒng)無線中的相移鍵控(Phase-shiftkeying,PSK)和正交相移鍵控(QuadraturePhase-shiftkeying,QPSK)調(diào)制。由于直接檢測方式忽略了光信號的頻率和相位信息,接收端PD檢測到的只是光強度信息,因此為了在接收端檢測出匯聚的多個燈芯的信息,在發(fā)送端引入驅(qū)動電壓差異條件?；谝陨螸ED電光轉(zhuǎn)換非線性和調(diào)制特性的分析,本文首先提出了基于OOK調(diào)制的VLC接收端檢測算法;然后再結(jié)合遞歸搜索方法和信噪比演進方法研究了單個燈具內(nèi)的多個燈芯疊加傳輸時功率分配問題,提出了OOK調(diào)制下的信噪比演進和針對電光轉(zhuǎn)換非線性的聯(lián)合功率分配方案。仿真表明在保證一定誤比特率的條件下,本文提出的功率分配方案將LED的驅(qū)動電壓限制在線性區(qū)間范圍,并且和低碼率的多燈芯恒定驅(qū)動電壓方案相比,該方案傳輸效率更高。2多段式vlc傳輸模型2.1led動態(tài)非線性特性在VLC系統(tǒng)中LED電-光轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)非線性特性,包括靜態(tài)非線性和動態(tài)非線性兩種。靜態(tài)非線性是指LED的電壓-電流轉(zhuǎn)換以及電流-發(fā)光功率轉(zhuǎn)換非線性;LED的動態(tài)非線性是指LED工作電流、頻率的變化使得輸出諧波及交調(diào)分量動態(tài)變化。本文針對靜態(tài)特性展開研究,將LED開啟的最低門限電壓稱為起始電壓Vstart(同時進入線性驅(qū)動電壓范圍內(nèi)),線性區(qū)間轉(zhuǎn)為非線性區(qū)間的較高電壓稱為飽和電壓Vend。功率分配的要求是要使得驅(qū)動電壓范圍為Vstart≤V≤Vend,亦即驅(qū)動電壓低于Vstart時,不能驅(qū)動LED發(fā)光;超過Vend時進入電光轉(zhuǎn)換非線性區(qū)域。2.2led接收端編碼及信號特性基于OOK調(diào)制的多LED高速并行傳輸IM/DD系統(tǒng)類似于多發(fā)單收系統(tǒng),該系統(tǒng)的模型如圖1。發(fā)送端由串并轉(zhuǎn)換降速模塊、VLC并行傳輸前端數(shù)據(jù)處理模塊(包括編碼、交織、調(diào)制部分)、LED驅(qū)動發(fā)光模塊組成;接收端由PD、A/D轉(zhuǎn)換模塊及檢測信號處理模塊組成。聚光鏡使聚集于PD表面的光強最大化,濾光鏡盡可能濾除藍光以外的光。單路輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)降速處理后由單個燈具內(nèi)的多個LED燈芯按照不等驅(qū)動電壓方式同時并行發(fā)送,然后經(jīng)可見光信道疊加后由單一接收機PD接收,再經(jīng)后續(xù)電信號處理。發(fā)送端并行傳輸結(jié)構(gòu):發(fā)送前端傳輸?shù)亩M制比特流u通過串并轉(zhuǎn)換降速至適合單個燈芯傳輸,數(shù)據(jù)u分成了K個子序列{uk},J是單個燈芯信號的幀長度,因此K個LED燈芯的數(shù)據(jù)服從獨立隨機同分布。編碼器可采用前向糾錯碼、重復碼或者二者的級聯(lián)構(gòu)成低速率編碼;編碼序列ck再經(jīng)交織器充分交織為νk。因為LED的瞬時驅(qū)動電壓非負,交織后的數(shù)據(jù)經(jīng)OOK調(diào)制成序列xk,xk∈(0,1),再對每個燈芯分配不同驅(qū)動電壓βk,然后形成基帶電信號以驅(qū)動LED發(fā)出光信號。LED發(fā)出的光信號經(jīng)過可見光信道疊加傳輸后,PD接收的信號表示為Heoe表示可見光電光電(EOE)的信道特性,為1×K的向量。在室內(nèi)5×5×3m3環(huán)境中,視距(Lineofsight,LOS)范圍內(nèi)LED光源的直射光分量范圍占總光強度的95以上,因此直射光主要影響PD接收性能。在典型室內(nèi)環(huán)境中,燈具到達PD的距離為1~3米,而單個燈具內(nèi)燈芯之間的距離為幾厘米之內(nèi),發(fā)光方向、偏振角度、垂直高度基本相同并且到達接收端PD的距離相同,不失一般性,所以可認為各燈芯到達PD的信道增益heoe相同,亦即信道等效為Heoe==heoe×[1,1,…1]1×K。S(j)為發(fā)送端K個燈芯發(fā)送端的第j個信號,為K×1的向量;S(j)=βkxk(j),βk為第k個燈芯的驅(qū)動電壓因子,xk(j)為第K個燈芯發(fā)送的第j個數(shù)據(jù),ue067表示卷積;n(j)為信道噪聲,包括散粒噪聲和光電轉(zhuǎn)換的熱噪聲,服從均值為0、方差為δ2的高斯分布。3加低速率和干擾后檢驗在傳統(tǒng)的多層編碼調(diào)制結(jié)構(gòu)中,采用迭代譯碼/解映射方法可以降低系統(tǒng)的總功率。直觀上驅(qū)動電壓較高的燈芯的信號優(yōu)先被正確檢測出的機率較高,當驅(qū)動電壓較高的燈芯被檢測出后,對其他驅(qū)動電壓較低的信號的干擾就等效的被消除,并作為等效先驗信息檢測下一個信號,這種方式有利于檢測多燈芯信號中電壓較低的信號。因此,本文中采取串行的干擾消除方法來檢測接收端采集的匯聚信號。3.1基于opk的接收端信號轉(zhuǎn)換電路接收器PD采樣的是不同燈芯發(fā)送的匯聚光強度信號,根據(jù)各燈芯驅(qū)動電壓的不同可以實現(xiàn)對匯聚信號的檢測。由于受發(fā)送端編碼約束和多LED燈芯約束,所以接收端部分相應的包括一個解多LED約束的初級信號估計器(ElementarySignalEstimator,ESE)和K個解編碼約束的軟輸入軟輸出的譯碼器(decoder,DEC)。對于PD光電轉(zhuǎn)換后的混合信號,采用串行的干擾消除(successiveinterferencecancellation,SIC)檢測算法,求解第k個燈芯信息時,將第k個燈芯以外的信息近似等效為高斯噪聲。圖3為基于SIC算法的接收端模型。按照串行處理原則,初始時系統(tǒng)先估計第0層的ESE信息,將所有非0層的干擾信息等效為加性高斯噪聲;ESE解出的軟信息經(jīng)解交織后輸入到DEC部分作為其的先驗信息,DEC部分按照譯碼原則解出第0層的軟信息,該軟信息再經(jīng)交織反饋更新ESE總的軟信息值,然后轉(zhuǎn)入求解第1層燈芯信息。此時,將所有非1層信號等效為高斯噪聲。直到K個燈芯檢測完畢,完成一次迭代,再接著轉(zhuǎn)入下一次迭代以充分挖掘接收到的信息。最后一次迭代后,DEC譯碼后的硬判決信息并串轉(zhuǎn)換后恢復原始數(shù)據(jù)?；贠OK調(diào)制的接收端檢測算法如下:定義第k個燈芯ESE和DEC的先驗對數(shù)似然比(LogLikelihoodRatios,LLR)分別如下:lESE(xk(j))表征與其對應的ESE輸入軟信息值,lDEC(ck(j))為其對應的DEC輸入軟信息值。求解第k個LED燈芯信息時,將其他LED燈芯信息等效為加性高斯噪聲:hek'oe為第k個燈芯的信道特性;ζk(j)表示第k個以外的燈芯對第k個燈芯的干擾和信道噪聲之和,將其近似為一個高斯隨機變量,則接收端有:ESE輸出的第k個燈芯的軟信息值為表征發(fā)送端所加直流偏置部分,將發(fā)送端的單極性信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮斩说碾p極性信號,有利于接收端后續(xù)電信號處理,ζk(j)-E[ζk(j)]則是信號失真部分。ESE估計出的軟信息經(jīng)過解交織后更新DEC部分,即。DEC模塊解出的軟信息經(jīng)交織后再反饋到ESE部分,即作為反饋的先驗信息來更新ζk(j)的均值和方差。OOK調(diào)制下的第k個燈芯信號均值E[xk(j)]和方差V[xk(j)]表示為:初始時因為ESE無先驗信息,所以E[xk(j)]=0.5,V[xk(j)]=0.25。噪聲和燈芯間干擾之和的均值E[ζk(j)]和方差V[ζk(j)]如下:以上是接收端電信號一次迭代處理的主要步驟,在一次迭代運算中主要是由若干個加法運算、乘法運算以及一次tanh運算組成。由于硬件FPGA、DSP等芯片中數(shù)據(jù)都是以二進制存儲運算的,所以此算法適合硬件中芯片高速處理。需要指出的是傳統(tǒng)SCM、IDMA中接收端高斯近似檢測是在用戶數(shù)相對較多時成立的,但在VLC多LED并行疊加傳輸系統(tǒng)中燈芯數(shù)相對較少,采用高斯近似檢測會引起一定的誤差。3.2功率分配算法驗證近似噪聲和其它燈芯對第k個燈芯干擾之和的方差V[ζk(j)]為:V[xk(j)]是從eDEC反饋中獲得的的方差,Vxk是一組{V[xk(j)],ue02fj}的均值。將噪聲平均功率近似為Vζk,則在OOK調(diào)制下,可得第k個燈芯的信噪比snrk為其中xk(j)=1和xk(j)=0近似為等概率分布,則由式(13),νxk是輸入snrk的函數(shù):譯碼硬判決后,最終的BER也可以通過g(·)函數(shù)得到,DECk的BER性能也是snrk的函數(shù):f(·)和g(·)函數(shù)可以通過對單燈芯LED系統(tǒng)進行MonteCarlo仿真得到。f(·)和g(·)只與發(fā)送前端編碼方式和VLC信道特性有關(guān)。要找到一組功率{βk2,k=0,1,2…K-1},使每個燈芯對應的性能達到設定誤比特率BER時,其功率總和盡可能最小并且驅(qū)動電壓在LED線性范圍內(nèi),亦即使得因此功率分配的具體方法如下:依據(jù)前端編碼方式和可見光信道特性,對單燈芯系統(tǒng)的若干個特定信噪比SNR值進行MonteCarlo仿真,得到上述的f(·)和g(·)函數(shù)關(guān)系;然后根據(jù)通信實際需要設定的最高誤比特率BERmax,由g(·)函數(shù)定義,存在一個與其相對應的信噪比SNRequal=g-1(BERmax)。在設定BER的條件下,利用遞歸搜索算法逐燈芯搜尋驅(qū)動電壓因子,概念上比較簡單,假設前k個燈芯(0<k<K-1)已經(jīng)滿足在設定BERmax(例如BER≤10-4)的功率分配,接著通過仿真確定第k+1個燈芯在滿足BERmax時的功率因子βk+1。這種方案適合燈具內(nèi)燈芯較少時的功率分配,而單個照明燈具內(nèi)一般燈芯個數(shù)在3~6個,所以該算法滿足實際系統(tǒng)需要。在經(jīng)過Q次迭代之后,每個LED燈芯的信噪比值不小于所需的SNRequal,亦即snrk(Q)≥SNRequal,通過SNR演進方法獲得snrk(q)的值:snrk(q)表征ESE第k個燈芯第q次迭代輸出的信噪比,初始值f(γk(0))=0.25。此時功率分配后的驅(qū)動電壓區(qū)間記為[β0βK-1],βK-1可能會超過線性規(guī)劃的飽和電壓,此時利用規(guī)劃方案將驅(qū)動電壓約束在線性范圍[V0VK-1]內(nèi),其中,V0=β0為開啟電壓,VK-1為飽和電壓。規(guī)劃具體方案為:則最終限制在電光轉(zhuǎn)換線性范圍內(nèi)的電壓為4led燈芯不同接觸系數(shù)的聯(lián)合功率分配算法采用商用照明LED(GoldenDRAGON,ZWW5SG),其線性工作范圍是2.75V-4V,相應的工作電流范圍是0.1A-1A,而且通過預失真技術(shù)可以在一定范圍內(nèi)拓展LED的線性范圍。為了有利于功率分配的研究,可以將開啟電壓和飽和電壓向左平移1.75V,亦即其線性范圍為1V-2.25V。根據(jù)Haigh等人的描述,將EOE信道特性等效為低通特性,這使得輸入信號經(jīng)過EOE信道就如同經(jīng)過了一個一階數(shù)字低通Butterworth濾波器,其3dB帶寬為35MHz,100MHz時的信道增益為-14dB。仿真基于AWGN信道,交織器為特定用戶交織器,SNR范圍為0~30dB,符合Grubor等關(guān)于室內(nèi)VLC的SNR分布描述。仿真為4個LED燈芯時的疊加高速傳輸系統(tǒng),信道編碼分別是長度為2的重復碼(只具有編碼增益,而無擴頻增益,碼元為1)、碼率為1/2的遞歸系統(tǒng)卷積碼(RecursiveSystematicConvolutional,RSC),每一層的數(shù)據(jù)幀長度是1000。所以等效的LED負載(LED燈芯個數(shù)與各層碼率之積)為2,接收端依靠單一的特定用戶交織器無法區(qū)分各燈芯的數(shù)據(jù),此時需要加功率分布。為了和功率分配后4個燈芯的系統(tǒng)性能相比較,同時仿真了長度為4的重復碼REP(碼率1/4)的低碼率疊加傳輸系統(tǒng),因為此時LED負載為1,系統(tǒng)接收端可以依靠每個燈芯對應的特定用戶交織器組的差異檢測各燈芯的數(shù)據(jù)。所以仿真時各燈芯采用等電壓驅(qū)動,令各燈芯驅(qū)動電壓分別為1V、2.25V,迭代次數(shù)和規(guī)劃后相同。表1為Q=30時采用重復碼REP和遞歸系統(tǒng)卷積碼RSC時4層驅(qū)動電壓分布,圖6為對應的BER性能圖。圖5分別是碼率為1/2的RSC,1/4的重復碼,1/2的重復碼的f(·)函數(shù)。從圖6中的性能對比中可以得出以下結(jié)論:1.通過規(guī)劃方案將LED驅(qū)動電壓限制在電光轉(zhuǎn)換線性范圍后,BER曲線下降趨勢相比于未