基于Legendre多项式的LED非线性补偿方法、系统、设备及介质与流程

基于legendre多项式的led非线性补偿方法、系统、设备及介质
技术领域
1.本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于legendre多项式的led非线性补偿方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.目前，在对发光二极管进行非线性补偿时，常常以设计非线性均衡器或盲均衡技术来矫正失真信号，例如volterra模型和神经网络模型等等，但这些方式或未基于led非线性的物理机制解决问题，或因算法复杂度较高而无法部署，以至于适应性和鲁棒性都较差。因此，如何提供一种led非线性补偿方法，能够应对不同调制信号、不同应用场景下的led非线性补偿，成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于legendre多项式的led非线性补偿方法，能够应对不同调制信号和应用场景下的led非线性补偿，适用性较高。
4.本发明还提出一种基于legendre多项式的led非线性补偿系统。
5.本发明还提出一种具有上述基于legendre多项式的led非线性补偿方法的电子设备。
6.本发明还提出一种计算机可读存储介质。
7.根据本发明的第一方面实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法，包括：
8.获取失真信号；
9.对所述失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集；
10.对所述正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号；
11.根据所述输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至所述非线性补偿器。
12.根据本发明实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法，至少具有如下有益效果：这种led非线性补偿方法通过获取失真信号，对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集。对正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号。根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至所述非线性补偿器，能够方便地对失真信号进行非线性补偿，也能够实现在不同应用场景和调制信号下对led的非线性补偿，适用性较高。
13.根据本发明的一些实施例，所述对所述失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集，包括：
14.利用legendre多项式对所述失真信号进行特征展宽处理，得到k阶正交函数集。
15.根据本发明的一些实施例，所述根据所述输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至所述非线性补偿器，包括：
16.将所述非线性补偿器向量化之后，将向量化的非线性补偿器输入系统更新模块进行结构系数的更新；
17.根据所述输出信号和参考信号对所述结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至所述非线性补偿器。
18.根据本发明的一些实施例，所述根据所述输出信号和参考信号对所述结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至所述非线性补偿器，包括：
19.根据所述输出信号、参考信号以及lms算法对所述结构系数进行更新；
20.或者，
21.根据所述输出信号、参考信号以及rls算法对所述结构系数进行更新。
22.根据本发明的一些实施例，所述根据所述输出信号、参考信号以及lms算法对所述结构系数进行更新，包括：
23.计算所述输出信号和参考信号的瞬时平方误差；
24.根据lms算法和所述瞬时平方误差，对所述结构系数进行迭代更新。
25.根据本发明的一些实施例，所述根据所述输出信号、参考信号以及rls算法对所述结构系数进行更新，包括：
26.计算所述输出信号和参考信号的加权误差平方和；
27.根据rls算法和所述加权误差平方和，对所述结构系数进行迭代更新。
28.根据本发明的一些实施例，所述led非线性补偿方法，还包括：
29.利用训练序列训练并确定所述非线性补偿器的结构系数；
30.对测试信号进行特征展宽处理和非线性补偿处理，得到处理之后的测试信号；
31.对所述处理之后的测试信号进行去噪声处理，得到补偿之后的测试信号；
32.根据补偿之后的测试信号和所述参考信号，检测补偿有效性。
33.根据本发明的第二方面实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿系统，包括：
34.legendre多项式展开模块，所述legendre多项式展开模块用于获取失真信号，并对所述失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集；
35.非线性补偿器，所述非线性补偿器连接所述legendre多项式展开模块，所述非线性补偿器用于对所述legendre多项式展开模块输出的正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号；
36.系统更新模块，所述系统更新模块连接所述非线性补偿器，所述系统更新模块用于接收所述输出信号，并根据所述输出信号和参考信号对所述非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至所述非线性补偿器。
37.根据本发明实施例的led非线性补偿系统，至少具有如下有益效果：这种led非线性补偿系统通过legendre多项式展开模块接收失真信号，并对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集；非线性补偿器对legendre多项式展开模块输出的正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号；系统更新模块接收输出信号，并根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器，能够应对
不同调制信号和应用场景下的led非线性失真效应，适用性较高。
38.根据本发明的第三方面实施例的电子设备，包括：
39.至少一个处理器，以及，
40.与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
41.所述存储器存储有指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行所述指令时实现如第一方面实施例所述的led非线性补偿方法。
42.根据本发明实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：这种电子设备采用上述led非线性补偿方法，通过获取失真信号，对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集。对正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号。根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器，能够方便地对失真信号进行非线性补偿，也能够实现在不同应用场景下对led的非线性补偿，适用性较高。
43.根据本发明的第四方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面实施例所述的led非线性补偿方法。
44.根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下有益效果：这种计算机可读存储介质执行上述led非线性补偿方法，通过获取失真信号，对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集。对正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号。根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器，能够方便地对失真信号进行非线性补偿，也能够实现在不同应用场景下对led的非线性补偿，适用性较高。
45.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
46.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
47.图1为本发明实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法的流程图；
48.图2为图1中步骤s400的流程图；
49.图3为图2中步骤s420的流程图；
50.图4为图3中步骤s421的流程图；
51.图5为图3中步骤s422的流程图；
52.图6为本发明实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法的部分流程图；
53.图7为本发明实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿系统的结构示意图；
54.图8为本发明另一实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿系统的结构示意图。
55.附图标记：110、legendre多项式展开模块；120、非线性补偿器；130、系统更新模块。
具体实施方式
56.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
58.在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
59.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
60.本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
61.第一方面，参照图1和图8，本发明实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法包括：
62.s100，获取失真信号；
63.s200，对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集；
64.s300，对正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号；
65.s400，根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器。
66.在对led非线性补偿时，首先获取失真信号。具体地，可以是分别获取第一时刻t的失真信号i
r
(t)，以及第二时刻t
‑
t
s
的失真信号i
r
(t
‑
t
s
)，其中，t
s
为信号采样周期。对失真信号i
r
(t)和失真信号i
r
(t
‑
t
s
)进行特征展宽处理，得到对应的k阶正交函数集p
k
(t)和p
k
(t
‑
t
s
)。对正交函数集p
k
(t
‑
t
s
)和p
k
(t
‑
t
s
)进行非线性补偿，得到输出信号进而根据输出信号和参考信号i(t
‑
t
s
)对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器。具体地，先将非线性补偿器向量化，得到非线性补偿器的结构系数，再根据输出信号、参考信号、以及rls算法或者lms算法对结构系数进行更新，通过对结构系数的更新，能够保证补偿准确性。通过这种led非线性补偿方法能够在不同应用场景和调制信号下对led进行非线性补偿，适用性较高，也能够实现对结构系数的实时更新，准确性较好。
67.需要说明的是，lms算法指最小均方算法，是一种最陡下降算法的改进算法，是在维纳滤波理论上运用速下降法后的优化延伸。该算法不需要已知输入信号和期望信号的统计特征，“当前时刻”的权系数是通过“上一时刻”权系数再加上一个负均方误差梯度的比例
项求得。其具有计算复杂程度低、在信号为平稳信号的环境中收敛性好、其期望值无偏地收敛到维纳解和利用有限精度实现算法时的平稳性等特性，使lms算法成为自适应算法中稳定性最好、应用最广的算法。rls算法指递推最小二乘法，又称为最小二乘法，是最小二乘算法的一类快速算法，在自适应滤波领域，递归最小二乘滤波器是对一组已知数据的最佳滤波器，处理过程没有对输入序列的统计特性做出假定，而是纯决定性的最小化问题，亦可用于解决通信信道中的非线性补偿问题。相较于lms算法，rls算法复杂度略高，但收敛效果更好。
68.在一些实施例中，步骤s200，包括：
69.利用legendre多项式对失真信号进行特征展宽处理，得到k阶正交函数集。
70.在对led非线性补偿时，在获取失真信号之后，可以利用legendre多项式对失真信号进行特征展宽处理。
71.具体的，根据一种现有的led非线性数字离散模型，led的失真信号和期望型号的关系可以被描述为两个计算公式，第一计算公式为:
[0072][0073]
其中，表示led量子肼中过载流子浓度，i
r
(t)为led失真信号，d0、d1和d2为补偿系数；第二计算公式为：
[0074][0075]
其中为led的期望信号，c0、c1、c2和c3为补偿系数，t
s
为信号采样周期。
[0076]
运用本发明提出的方案，可以令legendre多项式作为基函数，对上述第一计算公式进行最佳平方逼近拟合，拟合式为：
[0077][0078]
其中，p
k
[i
r
(t)]作为的基函数，是关于i
r
(t)的k阶legendre多项式，legendre多项式的计算公式为：
[0079][0080]
另外，为的第k项系数，若d0、d1和d2已知，可以根据d0、d1、d2计算出再传递给第二计算公式；若d0、d1和d2未知，可将作为未知量传递给第二计算公式。
[0081]
通过上述的计算与拟合，可以方便地得到k阶正交函数集p
k
(t)和p
k
(t
‑
t
s
)。需要说明的是，legendre多项式最高阶数n根据实际信道特征进行调整。
[0082]
令代替传递给第二计算公式，对k阶正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号其中，输出信号的计算公式为：
[0083]
[0084]
在一些实施例中，c3在驱动电流较小时近似为0，因而上述计算公式中的三阶项基本可以忽略不计。进一步地，输出信号可以表示为：
[0085][0086]
其中，{w0,w1,...,w
n(n 5)/2
}可由c0、c1、c2、c3以及计算得到。需要说明的是，若c0、c1、c2、c3以及已知，可直接计算出{w0,w1,...,w
n(n 5)/2
}；若c0、c1、c2、c3以及未知，则令{w0,w1,...,w
n(n 5)/2
}初始值为0，再根据步骤s400进行系数估计。
[0087]
可以理解的是，上述第一计算公式和第二计算公式中的系数{b0,b1,b2}和{c0,c1,c2,c3}并不易得，需要诸如nelder
‑
mean之类的机器学习算法进行估计，由于此类算法复杂度较高，现有的运用第一计算公式和第二计算公式构成的补偿方案很难部署到诸如fpga、dsp的电子设备上进行实时系数更新，实用性较差。但运用本发明提出的led非线性补偿方案，先对失真信号进行特征展宽处理再进行非线性补偿，仅用算法复杂度较低、容易部署于电子设备的自适应算法就能实时更新系数，节约了电子设备的计算和存储资源，能够在不同应用场景下对led进行非线性补偿，适用性较好。
[0088]
参照图2，在一些实施例中，步骤s400，包括：
[0089]
s410，将非线性补偿器向量化之后，将向量化的非线性补偿器输入系统更新模块进行结构系数的更新；
[0090]
s420，根据输出信号和参考信号对结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器。
[0091]
为了实现对结构系数的实时更新，提高补偿准确性，还需要将非线性补偿器向量化，之后，将向量化的非线性补偿器输入系统更新模块进行结构系数的更新。其中，将非线性补偿器用向量形式表示有
[0092][0093]
其中，w(t)、u(t)分别为非线性补偿器的结构系数、正交函数集的向量形式。具体为：
[0094]
w(t)＝[w0(t),w1(t),
…
,w
n(n 5)/2
(t)]，
[0095][0096]
其中，根据输出信号、参考信号、以及rls算法或者lms算法对结构系数进行更新，通过对结构系数的更新，能够保证补偿准确性。
[0097]
参照图3，在一些实施例中，步骤s420，包括：
[0098]
s421，根据输出信号、参考信号以及lms算法对结构系数进行更新；
[0099]
或者，
[0100]
s422，根据输出信号、参考信号以及rls算法对结构系数进行更新。
[0101]
为了保证非线性补偿器对失真信号补偿的准确性，可以根据输出信号、参考信号以及lms算法对结构系数进行更新，或者，根据输出信号、参考信号以及rls算法对结构系数进行更新。由于在迭代更新相同的次数后，lms算法和rls算法都能使mse曲线下降，表明对
失真信号有一定的补偿效果。对于lms算法而言，legendre多项式的阶数n对于补偿效果影响不大，对于rls算法而言，勒让德多项式的阶数n对补偿效果影响较大，且rls算法无论收敛速度还是收敛精度都要优于lms算法。通过对结构系数的更新，能够保证补偿准确性。
[0102]
参照图4，在一些实施例中，步骤s421，包括：
[0103]
s421a，计算输出信号和参考信号的瞬时平方误差；
[0104]
s421b，根据lms算法和瞬时平方误差，对结构系数进行迭代更新。
[0105]
为了提高补偿准确性，在对结构系数进行更新时，需要保证输出信号与参考信号i(t
‑
t
s
)的瞬时平方误差e2(t)最小，可以先计算输出信号和参考信号的瞬时平方误差e2(t)。
[0106]
具体地，根据计算公式：
[0107]
e(t)＝w(t)u(t)
t
‑
i(t
‑
ts)，
[0108]
输出信号和参考信号的瞬时平方误差e2(t)易得，相应地，根据lms算法和瞬时平方误差，对结构系数进行迭代更新，迭代公式有：
[0109]
w(t t
s
)＝w(t)
‑
2μe(t)u(t)，
[0110]
其中，收敛因子μ为向量，收敛因子μ基于输入向量u(t)中的一阶统计量和二阶统计量设置。通过计算瞬时平方误差以及利用lms算法对结构系数进行迭代更新，能够提高补偿准确性。
[0111]
参照图5，在一些实施例中，步骤s422，包括：
[0112]
s422a，计算输出信号和参考信号的加权误差平方和；
[0113]
s422b，根据rls算法和加权误差平方和，对结构系数进行迭代更新。
[0114]
为了提高补偿准确性，在对结构系数进行更新时，需要保证输出信号与参考信号i(t
‑
t
s
)的加权误差平方和ξ(t)最小，可以先计算输出信号和参考信号的加权误差平方和ξ(t)。具体地，根据计算公式：
[0115][0116]
输出信号和参考信号的加权误差平方和ξ(t)易得，相应地，根据rls算法和加权误差平方和，对结构系数进行迭代更新，迭代公式有：
[0117]
w(t)＝w(t
‑
t
s
)
‑
e(t)s
d
(t)u(t)，
[0118]
其中，s
d
(t)为输入向量u(t)的加权自相关矩阵的逆矩阵，具体为：
[0119][0120]
通过计算加权误差平方和以及利用rls算法对结构系数进行迭代更新，能够提高补偿准确性。
[0121]
参照图6，在一些实施例中，非线性补偿方法还包括：
[0122]
s500，利用训练序列训练并确定非线性补偿器的结构系数；
[0123]
s600，对测试信号进行特征展宽处理和非线性补偿处理，得到处理之后的测试信号；
[0124]
s700，对处理之后的测试信号进行去噪声处理，得到补偿之后的测试信号；
[0125]
s800，根据补偿之后的测试信号和参考信号，检测补偿有效性。
[0126]
在对这种非线性补偿方法的补偿性进行检测时，首先，利用训练序列训练并确定非线性补偿器的结构系数。对测试信号进行特征展宽处理和非线性补偿处理，得到处理之后的测试信号。采用低通滤波器对处理之后的测试信号进行去噪声处理，得到补偿之后的测试信号。最后比较补偿之后的测试信号的波形和参考信号的波形，通过补偿之后的测试信号的波形和参考信号的波形的重合程度，确定补偿有效性。通过这种led非线性补偿方法能够在应对不同调制格式的信号，在不同应用场景下对led进行实时非线性补偿，适用性较高。
[0127]
第二方面，参照图7，本发明实施例的led非线性补偿系统包括：legendre多项式展开模块110、非线性补偿器120和系统更新模块130，legendre多项式展开模块110用于获取失真信号，并对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集；非线性补偿器120连接legendre多项式展开模块，非线性补偿器120用于对legendre多项式展开模块110输出的正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号；系统更新模块130连接非线性补偿器120，系统更新模块130用于接收输出信号，并根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新。led非线性补偿系统通过legendre多项式展开模块110接收失真信号，并对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集；非线性补偿器120对legendre多项式展开模块130输出的正交函数集进行非线性补偿，能够方便地得到输出信号；系统更新模块130接收输出信号，并根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器，通过对结构系数的更新，能够保证非线性补偿器120的补偿准确性，通过这种led非线性补偿系统能够应对不同调制格式的信号，在不同应用场景下对led进行非线性补偿，适用性较高。
[0128]
需要说明的是，本发明实施例中的非线性补偿系统具备较好的信号适应性能。这种非线性补偿系统不仅仅能够补偿与失真信号的波形和符号速率相近的信号，还可以补偿其他波形和符号速率的信号，不限于此。
[0129]
第三方面，本发明实施例的电子设备，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行指令时实现如第一方面实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法。
[0130]
根据本发明实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：这种电子设备采用上述基于legendre多项式的led非线性补偿方法，通过获取失真信号，对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集。对正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号。根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器，能够方便地对失真信号进行非线性补偿，也能够实现在不同应用场景下对不同调制格式的led输出信号进行非线性补偿，适用性较高。
[0131]
第四方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面实施例的基于legendre多项式的led非线性补偿方法。
[0132]
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下有益效果：这种计算机
可读存储介质执行上述基于legendre多项式的led非线性补偿方法，通过获取失真信号，对失真信号进行特征展宽处理，得到正交函数集。对正交函数集进行非线性补偿，得到输出信号。根据输出信号和参考信号对非线性补偿器的结构系数进行更新，并将更新之后的结构系数反馈至非线性补偿器，能够方便地对失真信号进行非线性补偿，也能够实现在不同应用场景下对不同调制格式的led输出信号进行非线性补偿，适用性较高。
[0133]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。