CN101232329A - 可见光通信系统的干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可见光通信系统的干扰消除方法。可见光通信最易受到环境光的干扰，本发明在采取光学空分的方法将干扰源与通信光源在光电传感器上分开后，再用时间相关采样和空间相关采样获取背景干扰量值，然后根据其作用权重将其从数据信号输出中减去，以此抵消背景光的影响。

Description

可见光通信系统的干扰消除方法

技术领域

本发明属于光无线通信领域，特别涉及光接收机中的一种环境光干扰的消除方法。

背景技术

光通信系统的接收机主要由光学系统、光电探测器和信号处理电路组成。光学系统收集、过滤空间的光信号，使其汇聚在光电探测器上；光电探测器将光信号转换为电信号输出到信号处理电路；信号处理电路进行相应的放大、滤波、检测、解调、解码等最终输出数据。

光纤通信是主要的光通信技术之一，属于有线通信。光纤通信采用激光作为发射光源，在整个传输过程中信道是封闭的，不与环境光接触，因此在接收机中除了考虑信道衰落外，基本不需要考虑环境光干扰的问题。

光无线通信技术目前主要有激光通信和红外通信两种。激光通信一般用于较远距离的点对点通信系统；红外通信的主要技术之一是用于便携设备近距数据交换的IrDA(国际红外数据协会)标准。激光通信要受到大气干扰，包括阳光等环境光的干扰。但是由于激光良好的方向性和相干性，通过缩小接收机光学系统的视场、增加窄带滤光片就可以从空间上和光谱上排除大部分可见光的影响。

红外通信工作在红外波段，虽然光源有比较大的束散角和一定的带宽，但通过红外滤光片后，接收机也很少受可见光的影响。而背景中的红外光，相对于发送的红外光脉冲信号强度又比较弱，因此并不会对接收机造成很大影响。

可见光通信是继激光、红外之后的一种新兴光通信技术。随着照明LED产业的快速发展，利用照明LED实现可见光通信将成为现行通信系统的一种补充或者替代，特别是在室内短距高速无线通信应用上。但是，可见光通信与激光和红外通信有较大的差异，这种差异主要表现在光源特性和信道特性上。可见光光源是非相干的宽带光源，特别是白光光源与自然光非常接近，实际信道基本不具有定向性。当通信光源与照明光源复用，又有其它照明光源存在的时候，环境光的干扰将比较严重。这是可见光通信进入实用的主要障碍之一。

可见光通信系统的实现原理和基本构成与激光、红外通信系统类似。在这样的光通信系统中通常是一个发射光源对应一个光电探测器。发送的光信号是调制信号，通常采用脉冲幅度调制(PAM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制(PWM)或者脉冲位置调制(PPM)等。无论哪种调制方式，其表现都是间断性的光信号。但是，由于可见光通信系统的接收机视场和频带与环境光重叠，环境光的干扰使其很难达到激光或红外通信的效果。因此抑制环境光的干扰是实现可见光通信应考虑的主要问题。

在可见光通信的研究中，已经有多篇针对提高探测能力的论文发表。如其中之一：“利用多个照明LED进行室内通信时的信道阴影研究”(Toshihiko Komine and Masao Nakagawa，AStudy of Shadowing on Indoor Visible-Light Wireless Communication Utilizing PluralWhite LED Lighting)，文中为了增加发送光功率以及补偿信道阴影采用了分布式的发射光源方案。但是，通常的研究只是考虑系统噪声的影响，而很少考虑环境光的影响。

本发明针对可见光通信面临的环境光干扰问题，提出了一种在空间上和时间上实现干扰分离与抵消的方法。

发明内容

本发明基于一个光发送单元和一个光接收单元。发送端有一个或多个通信光发送源；接收端有一个成像光学系统、一个面阵光电传感器及其输出和处理电路。其主要特征是：1)光学系统将同一视场内的环境光源与通信光源投射到面阵光电传感器上的不同光电转换器上，使其响应位置分离；2)分别对响应通信光的像元输出在光脉冲照射时和间歇时采样，对响应环境光的像元输出采样，然后在通信光信号的输出中减去环境光的输出和发送光脉冲间歇时的输出的加权组合，以此抵消环境光的干扰；3)环境光影响强弱的估计通过光电传感器对整个视场内光分布的预先测量确定。

假定光接收机具有特定的视场，那么当采用面阵光电传感器取代单个光电转换器后，在成像光学系统的配合下，每一个像元(定义为面阵传感器中的最小组成单元，是一个独立的光电转换器及其可能的外围电路。)的独立视场相对缩小很多，根据面阵光电传感器的构成，可能从几倍到几万倍不等。因此，只要通信光源和环境光源在空间上相对于光接收机的视线角大于单像元的视场角，就可以将它们分别投射到不同的像元上，由不同的像元响应它们的直接照射光，从而将通信光源和环境光源在响应输出上分离开来。这样，除了反射光和散射光外，环境光源的直接干扰被排除。而对单个光电转换器的接收机，同样的视场下，如果是白光通信，则同处视场内的通信光源和环境光源的响应在输出上是完全叠加在一起的，无法分离。

在一些白光反射较强的环境下，通信光源也会在诸如镜面或者墙面上产生反射或者散射，对单个光电转换器的光接收机会形成较强的多路径干扰。但是，通过采用面阵传感器缩小单像元的视场后，由于反射和散射光的路径发生改变，它们在面阵传感器上的响应与直射光源也被分离开来，因此可以分别处理，或者不予输出，或者分集，这样因路径延迟导致的符号间干扰就可被消除。

在可见光室内通信环境，白天主要的干扰源是自然光，晚上主要的干扰源是照明光，或者在某些场合是两者的混合。整个光接收机接收的光包括：通信光源的直射光、反射光、散射光，照明光源的直射光、反射光、散射光，太阳光的散射光等。这些光环境的构成视实际情形比较复杂，但是可以根据相对强弱进行简化。

上述面阵光接收机，当通信光源与环境光源的直接照射光分离后，环境光源的散射和反射仍旧能够进入响应通信光源信号的像元，形成干扰。这种干扰的强度与单个像元的视场大小有关，视场越大侵入的干扰就越多。由于环境光源和通信光源都是非相干光源，光电传感器采用直接探测模式，即只对光功率敏感。因此这种干扰的主体效果是加性的，可以表示为：

I(x，y，t)＝I_c(x，y，t)+I_i(x，y，t)+N(x，y，t)，    (E1)

x＝1，2，3，…，M；y＝1，2，3，…，N；

其中I_c(x，y，t)表示在空间坐标为(x，y)的像元上在t时刻的通信光源照射功率，I_i(x，y，t)表示在像元(x，y)上在t时的干扰光功率；N(x，y，t)为常规噪声项。这里，如果忽略通信光源自身的反射光、散射光，以及环境光源的直射光，那么在I_i(x，y，t)中主要包括的是环境光源(包括照明光源和太阳光等)的反射光和散射光。根据式(E1)，如果能够测量到I_i(x，y，t)并从I(x，y，t)中减去，那么理想情况下在I(x，y，t)中将只有I_c(x，y，t)和噪声项，从而排除了环境光干扰项，这将使后续的信号处理不受其影响。

环境光源在空间上具有较强的相关性。大多数情况下，可以认为环境光在室内空间的相关性是连续变化的，而在一个小尺度内，比如10cm量级，其相关性接近于1。即近距离的两点光强度可以近似认为相同。这样，通过采集与通信光源近邻点的光强度，就能够反映出通信光中包含的背景光强度。

环境光的强度是时变的。环境光的亮度与光源有密切关系，最明显的是当室外太阳光的强弱变化时，直接关系到室内各空间点的亮度变化。而当采用照明灯时，比如一盏荧光灯，50Hz的交流供电，使其具有人眼不宜察觉的闪烁，这在室内各处的光亮度上会直接显示出来。但是，相对于通信光脉冲的周期，它们都是慢变的，甚至在短时间内可以认为是不变的，比如在1ms时间内。因此，环境光的强度又具有很强的时间相关性。

环境光在空间和时间上的相关性，提供了准确测量它的影响的可能。本发明通过双重测量评估环境光对通信光的干扰大小，然后进行自适应性地抵消。

首先对光信道进行探测和估计，在这里不是为了得出光信道的数学描述，而是为了得出通过光信道后，最后在光电转换器的输出中反映的环境光干扰对信号的影响，但其实质仍旧是评估信道。

发送端的通信光源发送一串已知的探测脉冲，光接收机连续采集I_c(x，y，t₀)、I_i(u，v，t₀)、I_c(x，y，t₀′)，I_c(x，y，t₁)、I_i(u，v，t₁)、I_c(x，y，t₁′)，……。其中I_c(x，y，t_k)、I_c(x，y，t_k′)，t_k′＝t_k+Δ，表示在发送信号脉冲周期k内，通信光源亮时和暗时对应像元(x，y)的输出信号；I_i(u，v，t_k)表示像元(x，y)的相邻像元(u，v)的输出信号，它反映了背景光的强度。在每一个周期内计算输出S_k：

s_k＝I_c(x，y，t_k)-a_kI_i(u，v，t_k)-b_kI_c(x，y，t_k′)    (E2)

k＝1，2，3，……

其中a_k、b_k是加权系数，取值在0～1之间。通过迭代计算选择a_k、b_k值逐步使s_k的输出通过判决后达到误码率最小。此时可以认为a_k、b_k值是较佳的抵消因子。这种组合选取是考虑到进入像元(x，y)的光的复杂性后的一种折中。

在得到a_k、b_k值后，随后的数据传输过程中，利用a_k、b_k和采集的3个输出值，在每一个光脉冲周期中计算式(E2)，即可在输出信号中抵消干扰。当环境光变化较快时，对光信道的探测过程可以周期性的插入到数据发送过程中，比如在每一数据帧的起始时刻。

式(E2)中对像元(u，v)的选择有多种方式，比如还可以是多个像元输出的组合，但是由于环境光的空间相关性较强，通过加权系数a_k可以调整因选择不同导致的差异。

在输出中消除干扰分量，有利于后续的信号处理，特定门限下的判决会变得稳定。

附图说明

图1是常规的光无线通信示意图，其中探测器是单元的光电转换器，通信光源和照明光源都在接收机的视场内，一起进入了光电转换器。

图2是本发明的构成示意图，其中探测器是面阵光电传感器，处于接收机视场内的通信光源和照明光源，通过成像系统被分别投射到不同光电转换器上，由此将两种光源的响应被分离。

图3是面阵传感器上对应不同光源的像元位置示意，像元位置坐标(x，y)在x方向用英文字母顺序表示，在y方向用数字表示，比如(a，1)表示左下角第一个像元。

图4示意进行信道探测时的自适应背景干扰抵消过程，图中的脉冲信号幅度和形状并不完全代表实际情况，也没有绘出噪声。

具体实施方式

常规的光通信系统由光发射端和光接收端组成，如图1所示，需要发送的数据流经过调制器(1-1)调制后，驱动通信光源(1-2)发送携带数据信息的调制脉冲光。通信光源一般是发光二极管(红外、激光或者可见光)。在接收机端，视场内的光信号通过光学系统(1-4)汇聚在光电转换器(1-5)上，光学系统一般还包括了过滤通信带外杂光的滤光片。通信应用的光电转换器一般是单元的，多元的主要用于成像或者定位系统中。光电转换器的输出一般经过滤波、放大(1-6)、模数转换(1-7)后，送到数字信号处理器(1-8)处理得到最终接收数据。

显然这样的光接收机，在其视场内的所有光信号，无论是通信光还是照明光，只要处于接收机的通带内，光电转换器都予以响应，且无法区分。当这样的通信系统应用在可见光波段，特别是在白光通信时，将无法用滤光片限制非通信光的侵入，包括阳光、照明光，甚至各种显示屏所发的光。这种情况下，实现正常通信需要保证的基本信噪比，必须靠提高发射光功率来达到，而当可见光通信与照明LED复用时，即使用同样的LED实现照明和通信，那么在其它LED正常照明的背景下，很难获得高的信噪比。

针对上述问题，本发明引入基于面阵光电传感器的光接收机，通过成像系统将通信光源与照明光源分离。

为了简化本发明的说明，以单个通信光源和照明光源为例。图2示意本发明的一个简单系统，假定是在室内通信，2-0是室内墙壁的示意，辅助想象各种光的发射或者散射，忽略了室内的其它物体。在光发送端，有一个光发送单元及一个照明光源(2-3)。光发送单元将发送的数据流经过调制器(2-1)调制成脉冲信号通过发光二极管LED(2-2)发送出去。2-2可以是由一个LED或者一组LED构成，工作在可见光波段，是单色光或者白光。照明光源(2-3)可以是LED或者传统的照明灯。在光接收端，通过成像光学系统(2-4)，处于视场内的通信光源(2-2)和照明光源(2-3)分别成像于面阵传感器(2-5)上形成光斑(2-6)和(2-7)。很明显，通信光源和照明光源的直射光信号在成像以后，处于不同的像元上。通过像元输出选择电路等(2-8)、(2-9)，即可分别得到通信光信号和照明光信号。

这样一个系统是容易实现的，且有很多不同的配置方案。LED可以选用白光LED，为了提高发射光强度，用5×5＝20个一组作为通信的发送光源；面阵光电传感器采用CMOS图像传感器，32×32＝1024个像元；光学系统的视场可设计得窄一些，比如20°，以减少进入的干扰量；DSP处理器选通用的DSP信号处理器即可，如TMS320C6000系列，其中包含了较强的图像处理能力；其它外围电路由大规模编程电路FPGA(现场可编程逻辑阵列)器件和专用集成电路实现，比如模数转换器等。

由于散射和反射作用，2-0空间的整个背景都是发光的，在面阵传感器(2-5)上的每一个像元，都有信号。而在像2-6覆盖下的像元及周边像元的输出中，也包含了各种散射、反射的光背景信号。在不同的场合，即使是特定视场的光接收机，由于物距的不确定性，单像元的视场内所包含的物体及范围是不确定的。因此，其中由物体反射光造成的背景分量会是一个比较复杂的变化。

如果从照明光源算起，照明光通过通信光源LED(或LED组)2-2的反射叠加进2-6下像元的输出干扰分量是乘性的，干扰分量的值与LED(及周边物体)的反射系数有关。但可以假定反射系数是固定的，然后把所有干扰归为加性的干扰，而这些干扰分量通过2-6周边像元的输出和2-6在通信脉冲间歇时的输出来综合反映。

2-6周边像元的输出反映了环境干扰的量值，2-6在通信脉冲间歇时的输出反映了直接背景干扰的量值。因此通过对二者进行测量并按照一定比例从输出信号中减去，将抵消大部分干扰光的影响。

图3示意了进行干扰测量的取样点。图3(a)假设是通信光发送脉冲(即LED亮)时的成像情形，图3(b)假设是通信光脉冲间歇(即LED暗)时的成像情形。3-1是面阵光电传感器，3-2是照明光源(2-3)的像，3-3和3-4分别是通信光源(2-2)在发送光脉冲期间和间歇时的像。

通信首先以信道探测开始。LED光源2-2发送如图4中4-1所示的脉冲串。在发送光脉冲的t₁、t₃、t₅、……等时刻，面阵传感器上的成像将如图3(a)中的3-3所示。此时分别对响应了通信光信号的像元之一(s，16)和响应了环境光的像元之一(r，14)的输出取样，得到4-4和4-5所示信号。4-2是光电传感器的触发脉冲，其上升沿触发光电转换，下降沿触发其转移输出。在脉冲间歇时的t₂、t₄、t₆、……等时刻，面阵传感器上的成像将如图3(b)所示。此时，在4-3脉冲触发信号的控制下，继续对像元(s，16)的输出取样，得到如4-6所示信号，它代表了通信光脉冲间歇期间的背景光信号。然后，按照式(E3)计算输出信号s_k：

s_k＝I_c(s，16，t_k)-a_kI_i(r，14，t_k)-b_kI_c(s，16，t_k+1)  (E3)

k＝1，2，3，……

其中s_k表示最后输入到判决电路的信号；a_k、b_k是加权系数；I_c(s，16，t_k)表示第k个时刻响应通信光信号的像元(s，16)的输出，如4-4中的脉冲；I_i(r，14，t_k)表示第k个时刻响应环境光的像元(r，14)的输出，如4-5中的脉冲；I_c(s，16，t_k+1)表示第k+1个时刻响应LED背景光信号的像元(s，16)的输出，如4-6中的脉冲。在信道探测期间，迭代计算上式，逐步选择不同的a_k、b_k值(0～1之间)以及检测门限V_T，使得s_k被DSP解码后所得数据的误码率最低，此时a_k、b_k的取值可以认为是最优值。然后结束信道探测阶段，进入数据传输阶段。图4中的4-7示意了在每一个迭代周期里得到的输出信号s_k和检测门限V_T。检测门限V_T根据式(E3)中的3个取样值计算，目标是保证特定a_k、b_k下判决误码率最低，其值是变量。

在数据传输阶段，利用获得的a_k、b_k，继续式(E3)的采样和计算。并将s_k送到DSP进行后续的处理，如判决、解码等，最终获得接收数据。根据实际情况，信道的探测可以在数据传输的过程中动态插入，以随时修正a_k、b_k值，保证获取最佳的判决输出。

本发明所给出的上述实施方案只是实现本发明所提出功能的方法之一。众所周知实现同一功能的电路和算法是多样化的，针对不同的系统配置、参数以及应用环境，实现环境光的干扰抵消有不同的取样和计算方法。因此，在基于多元光电转换器的光接收机中，为实现环境干扰抵消而采用的任何相关取样处理技术都不脱离本发明的基本概念及保护范围。

Claims (8)

1.一种可见光通信系统，由光发送单元、光接收单元组成。

a)光发送单元发送的光脉冲信号处于可见光波段，携带数据信息；

b)光接收单元由光学系统、光电传感器以及控制和信号处理电路组成，将发送单元发送的光信号转换为电信号并经过放大、滤波、解调等处理形成接收数据。

2.权利要求1中所述的光电传感器，由多个光电转换器构成，将接收的可见光信号转换为电信号。

3.权利要求1所述的光学系统将光发送单元的光以及环境光源的光汇聚到光电传感器上的不同光电转换器上。

4.权利要求1中所述的光电传感器，其中至少有一个光电转换器响应通信光信号，有另外一个光电转换器响应处于通信光源周围的背景光信号。

5.权利要求1中所述的控制和信号处理电路，采集响应通信光脉冲的光电转换器的输出信号后也采集光脉冲间歇时的输出信号。

6.权利要求1中所述的信号处理电路在权利要求5中所述的响应通信光脉冲信号的输出中按一定权值减去权利要求5中所述的光脉冲间歇时的输出信号以及权利要求4中所述的响应背景光的光电传感器的输出信号。

7.权利要求6中所述的权值依据对光通信系统所处环境的测量和试验确定，取值范围在0～1之间。

8.权利要求1中所述的信号处理电路对权利要求6中所述的结果进行判决形成最终的接收数据，其判决门限依据权利要求4和5所述测量结果计算。

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