[发明专利]用于可见光通信系统的联合颜色与强度移位键控调制方法

说明书

本发明提出一种用于可见光通信（Visible Light Communication，VLC）系统的联合颜色与强度移位键控（Color and Intensity Shift Keying，CISK）调制方法，其基本原理是结合非零级别脉冲幅度调制（Non‑Zero‑Level Pulse Amplitude Modulation，NZL‑PAM）和颜色移位键控（Color‑Shift Keying，CSK）调制两种技术，在强度变化的光信号上附加携带CSK信号。这种结合方式把原始CSK的二维星座图扩展到三维空间，增大了符号的空间分布自由度，同时通过合理设计NZL‑PAM的级别，可达到增大星座图最小欧氏距离、提升系统符号误码率的效果。

技术领域

本发明涉及可见光通信(Visible Light Communication，VLC)领域，更具体地，涉及一种用于可见光通信系统的联合颜色与强度移位键控(Color and Intensity ShiftKeying，CISK)调制方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展和日常生活中发光二极管(Light-emitting Diode，LED)的普遍应用，基于LED灯的VLC技术逐渐受到各方关注并对其展开了研究。VLC主要通过强度调制(Intensity Modulation，IM)和直接检测(Direct Detection，DD)技术，利用人眼不可察觉的快速光强变化来实现信息的传输，做到同时支持照明和通信。

VLC技术的研究发展以及它在相关领域的潜在应用促进了针对短距离通信应用场景下的VLC技术的IEEE 802.15.7标准的制定^[1]。在VLC系统中需要克服的两大问题是闪烁抑制和调光控制^[2]，为此在标准中依据不同的应用场景，提供了三种不同的物理层格式，即PHYⅠ、PHYⅡ和PHYⅢ。PHYⅠ是针对室外低速率应用，使用开关键控(On-Off keying，OOK)调制和变脉冲位置调制(Variable Pulse-Position Modulation，VPPM)方式，传输速率从11.67千比特每秒(Kilobit Per Second，Kbps)到266.6Kbps；PHYⅡ是针对室内中等速率应用，也使用OOK以及VPPM的调制方式，传输速率从1.25兆比特每秒(Megabit Per Second，Mbps)到96Mbps；PHYⅢ是针对高速数据传输的应用场景，使用颜色移位键控(Color-ShiftKeying，CSK)调制，传输速率从12Mbps到96Mbps。OOK和VPPM被建议应用于中低传输速率的应用场景，而CSK则适合应用于高速率单用户传输的应用场景。不同于使用单光源的OOK和VPPM，CSK调制是一种使用三色红、绿、蓝(Red、Green、Blue，RGB)LED光源，通过控制在三个颜色带宽上的光强以及三种颜色光成分的组合比例来实现信息传输的调制方式，调制过程中通过控制三色光的瞬时总强度不变，避免产生影响照明体验的灯光闪烁效应。另外，CSK调制使用的是RGB-LED作为发射光源，它相比传统用于VLC系统的荧光粉LED光源具有更高的调制带宽，能以更高的频率实现光强的变化^[3]，因此能够支持更高速率的信息通信。

然而，由于CIE1931颜色空间^[5]的设计约束，CSK的星座图中的MED比同阶的传统正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)星座图小，从而限制了CSK、特别是高阶CSK系统的传输性能。对此，许多研究者提出了提高CSK系统传输性能的调制方案，如CSK与脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)混合的调制方案^[6]、CSK与互补的脉冲位置调制(Complementary Pulse Position，CPPM)混合调制方案^[7]，以及级联的CSK迭代解调系统^[8]等，并对这些新方案进行了性能分析。这些方案在误比特率(Bit ErrorRate，BER)、系统复杂度、频谱效率(Spectral Efficiency，SE)等各个方面的性能指标各有优劣。因此，针对这些性能指标的优化，对于VLC技术的发展和成熟具有重要意义。