CN103051381B - 消除可见光通讯中环境光干扰的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除可见光通讯中环境光干扰的方法，包括：利用由多个滤光器所构成的滤光器数组接收可见光输入信号及被视为干扰的环境光，每个滤光器具有不同的可见光滤光性质并产生相对应的滤光信号；利用由多个光侦测器所构成的光侦测器数组接收滤光信号，每个光侦测器产生相对应的侦测信号；以及利用信号处理单元接收每个光侦测器所产生的侦测信号，并进行信号处理以计算出多个最佳加权参数，用以产生可见光接受信号，且每个最佳加权参数对应于相对应的滤光器及光侦测器，可消除或大幅降低来自环境光对本可见光接受信号的影响。

Description

消除可见光通讯中环境光干扰的方法

技术领域

本发明涉及一种消除可见光通讯中环境光干扰或非本系统的光源干扰的方法，尤其是利用具滤光功能的传感器数组并配合信号处理算法以消除环境光干扰与非本系统的光源干扰的干扰。

背景技术

由于可见光为不需官方或团体组织核准的传输频道，因此利用可见光当作传输频道的可见光通讯近年来已成为通讯领域的热门焦点。通常，在实际应用上，环境光或非本系统的光源干扰会对接收端的接收信号产生相当大的干扰，因为包括太阳光或比如白炽灯或荧光灯的一般灯具所产生的照明光具有相当宽的光谱，常常会与发射端所发射的可见光信号重迭，进而产生干扰效应，影响接收信号的质量，除此之外，可见光通讯多系统之间的光源也会造成系统与系统间的干扰。

因此，需要一种消除可见光通讯中环境光干扰的方法，利用简单的硬件配置，并配合有效的处理操作，以提高信号干扰比，改善接收信号质量，进而解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种消除可见光通讯中环境光干扰的方法，包括：利用由多个滤光器所构成的滤光器数组接收可见光讯号，而可见光讯号包含可见光输入信号及被视为干扰的环境光或非本系统的光源，每个滤光器具有不同的可见光滤光性质，并产生相对应的滤光信号；利用由多个光侦测器所构成的光侦测器数组接收滤光信号，每个光侦测器经光电转换操作后产生相对应的侦测信号；以及利用信号处理单元接收每个光侦测器所产生的侦测信号，并进行信号处理以计算出多个最佳加权参数，用以产生可见光接受信号，且每个最佳加权参数对应于相对应的滤光器及光侦测器。

本发明的方法可消除或大幅降低环境光以及非本系统的光源对可见光接受信号的影响，因而提高可见光接受信号的高信号干扰比SIR(Signaltointerferenceratio)或最佳化信号干扰及噪声比SINR(signaltointerferenceandnoiseratio)，尤其在应用于可见光通讯统的接收端时，可改善接收信号的质量。

附图说明

图1显示本发明消除可见光通讯中环境光干扰的方法的示意图。

图2显示本发明方法中信号处理的流程图。

具体实施方式

以下配合附图对本发明的实施方式做更详细的说明，以使熟悉本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参考图1，本发明消除可见光通讯中环境光干扰的方法的示意图。如图1所示，本发明消除可见光通讯中环境光干扰的方法包括：

利用滤光器数组10接收由特定发射端所发射的可见光讯号x，其中可见光讯号x包括可见光输入信号s以及被视为干扰的环境光或非本系统的光源i，且滤光器数组10包含多个滤光器，而每个滤光器具有不同的可见光滤光性质f，每个滤光器接受可见光讯号x，并产生相对应的滤光信号t；

利用光侦测器数组20接收所述滤光器的滤光信号t，且光侦测器数组20包含多个光侦测器，每个光侦测器接受来自相对应滤光器的滤光信号t，并经光电转换操作后产生相对应的侦测信号y；以及

利用信号处理单元30接收每个光侦测器所产生的侦测信号y，并进行信号处理，以产生多个最佳加权参数w，每个最佳加权参数w对应于相对应的滤光器及光侦测器，用以产生具最高信号干扰比SIR(SignaltoInterferenceratio)或最佳化信号干扰及噪声比SINR(signaltointerferenceandnoiseratio)的可见光接受信号r，藉以消除或大幅降低环境光信号或非本系统的光源讯号i对可见光接受信号r的影响。

参考图2，本发明方法中信号处理单元的信号处理的流程图。如图2所示，信号处理单元30的信号处理是由步骤S1开始，利用一滤光器数组接收产生侦测讯号y。以下叙述在步骤S2中，计算最佳加权参数w的一方法范例。参考一矩阵F，表示成F＝[f₁，f₂，...，f_N]^T，且N为正整数，是滤光器的数目也是光侦测器的数目，其中f_j为第j个滤光性质，对应于第j个滤光器，且j＝1，2，..，N。

计算产生矩阵P_k：

$\mathrm{kR}={\mathrm{Fi}}_k{i}_k^T{F}^T$

其中i_k为第k个环境光或非本系统的光源，且环境光或非本系统光源的数目为L，而L为一正整数。值得注意的是，Fi_k也代表量得的干扰输出，如令y_int，k为此干扰光源所对应的输出向量，矩阵P_k也可由量得的干扰输出求得

$P_k=y_{\mathrm{int},k}{y}_{\mathrm{int},k}^T.$

然后，计算矩阵Q：

Q＝Fss^TF^T，

其中s为预接收光源的光谱。值得注意的是，Fs也代表量得的讯号输出，如令y_s为讯号光源所对应的输出向量，矩阵Q也可由量得的讯号输出求得 $Q=y_s{y}_s^T.$

接着，计算加权参数矩阵w以满足：

${\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k\right)}^{-1}\mathrm{Qw}=\mathrm{\λw},$

即加权参数矩阵w为的最大特征值λ所对应的特征向量(Eigenvector)，且包含N个加权参数其中：

${\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k\right)}^{-1}$ 为的反矩阵。

最后，再于步骤S3中，计算具最高SIR的可见光接受信号r：

$r=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{y}_i$

其中w_i是加权参数矩阵w中的第i个加权参数，对应于第i个侦测信号y_i。

上述信号处理的流程是为满足最高SIR，理由将详细说明如下。

假设信号干扰比(SIR)定义成：

$\mathrm{SIR}=\frac{E\left[s^2\right]}{E\left[\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{i_k}^2\right]}$

而上式可藉离散方式表示成以下的矩阵型式：

$\mathrm{SIR}=\frac{{\left|\right|s^T{F}^{T}w\left|\right|}^2}{w^T\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|i_k^T{F}^T\left|\right|}^2\right)w}=\frac{w^T\mathrm{Fs}{s}^T{F}^{T}w}{w^T\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Fi}}_k{i}_k^T{F}^T\right)w},$

或进一步整理成：

$\mathrm{SIR}=\frac{w^T\mathrm{Qw}}{w^T\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k\right)w}$

因此，使得满足上述SIR为最大值的最佳解即是满足以下特征方程式的特征向量：

${\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k\right)}^{-1}\mathrm{Qw}=\mathrm{\λw}.$

本发明信号处理单元30的信号处理的另一实施例产生满足具最佳化SINR的可见光接受信号r，且SINR定义为：

$\mathrm{SINR}=\frac{{\left|\right|s^T{F}^{T}w\left|\right|}^2}{w^T\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|i_k^T{F}^T\left|\right|}^2\right)w+w^T\mathrm{\Σw}}=\frac{w^T\mathrm{Fs}{s}^T{F}^{T}w}{w^T(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{Fi}}_k{i}_k^T{F}^T\right)+\mathrm{\Σ})w}$

其中∑为LxL对角矩阵，且在对角在线具有σ_j ²为第j个光侦测器所包含的噪声的变异数(variance)，j＝1，2，...，L。因此，满足最佳化SINR的加权参数矩阵w满足：

${(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k+\mathrm{\Σ})}^{-1}\mathrm{Qw}=\mathrm{\λw}$

即加权参数矩阵w为的最大特征值λ所对应的特征向量(Eigenvector)，且包含N个加权参数，其中：

${(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k+\mathrm{\Σ})}^{-1}$ 的反矩阵为：

$(\underset{k=11}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k+\mathrm{\Σ}).$

因此，只要在上述的步骤S2中，将所要满足的方程式由：

${\left(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k\right)}^{-1}\mathrm{Qw}=\mathrm{\λw}$

改变成：

${(\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k+\mathrm{\Σ})}^{-1}\mathrm{Qw}=\mathrm{\λw}$

即可在步骤S3中，获得具最佳SINR的可见光接受信号r，其余步骤不再赘述。

要注意的是，上述信号处理中的步骤S1至步骤S3可只单独利用电子电路而实现，或利用单芯片处理并配合相对应的韧体程序而完成，此外，也可藉微电脑执行软件程序而达成所需的演算功能。

本发明方法的特点主要在于，利用滤光器数组及光侦测器数组感测包含可见光输入信号以及环境光的可见光输入，并利用信号处理单元以产生最佳加权参数，藉以获得具最大SIR值的可见光接受信号，进而消除或大幅降低周围环境光或非本系统光源对本可见光接受信号的干扰，藉以提高可见光接受信号的质量。

以上所述仅为解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明权利要求的保护范畴。

Claims (2)

1.一种消除可见光通讯中环境光干扰的方法，用以消除或降低环境光对一可见光接受信号的干扰，其特征在于，该方法包括：

利用一滤光器数组接收一可见光输入，该可见光输入包括一可见光输入信号以及被视为干扰的非系统内光源，且该滤光器数组包含N个滤光器，N为正整数，而每个滤光器具有一可见光滤光性质，不同滤光器的可见光滤光性质互不相同，每个滤光器接受该可见光输入并产生相对应的一滤光信号；

利用一光侦测器数组接收所述滤光器的滤光信号，且该光侦测器数组包含N个光侦测器，而每个光侦测器接受来自相对应的该滤光器的滤光信号，并经光电转换操作后产生相对应的一侦测信号；以及

利用一信号处理单元接收每个光侦测器所产生的侦测信号，并进行一信号处理以产生多个信号干扰比SIR(SignaltoInterferenceratio)或信号干扰及噪声比SINR(SignaltoInterferenceandnoiseratio)最佳加权参数，且每个最佳加权参数对应于相对应的该滤光器及该光侦测器，用以产生具最高SIR或SINR的该可见光接受信号，藉以消除或降低环境光信号对该可见光接受信号的干扰，

其中该每个最佳加权参数的计算使用一矩阵Q，该矩阵Q＝(Fs)²＝Fss^TF^T或该s为预接收光源的光谱，该Fs代表量得的该侦测信号输出，该F＝[f₁，f₂，...，f_N]^T，其中f_j为第j个该可见光滤光性质，对应于第j个该滤光器，且j＝1，2，..，N，该y_s为该可见光输入信号所对应的输出向量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该信号处理只单独利用一电子电路而实现，或利用一单芯片处理并配合相对应的一韧体程序而完成，或藉一微电脑执行一软件程序而达成。