CN103368642B - 可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置，所述可见光通信系统的交通信号发射器为LED灯，交通信号接收器为光电二极管检测器，所述测量装置包括：第一测量模型，用于测量太阳能辐射噪声；和/或第二测量模型，用于测量所述LED灯的频率响应。基于上述任意一项所述测量装置的测量方法，包括：用第一测量模型测量太阳能辐射噪声的步骤；和/或用第二测量模型测量LED灯的频率响应的步骤。本能够测量VLC系统中太阳能辐射噪声和LED灯的频率响应这两个性能参数。

Description

可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体是一种可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置及方法。

背景技术

可见光通信（Visiblelightcommunication，VLC）以LED（Light-emittingdiode）照明灯作为其传输的发射器，在光无线通信技术领域得到了重视。可见光通信技术利用LED灯发出的肉眼无法识别的闪烁来传递“0”或“1”信号，这使得信号在有限的带宽下得到充分地调制，并且LED灯相比于传统照明源而言，使用寿命更长、照明效率更高、维护更容易、尺寸更小巧、更节能环保。

目前，将室外VLC传输技术应用于智能交通（Intelligenttransportationsystem，ITS）领域中的研究得到了广泛地关注。室外VLC技术主要通过和交通相关的基础设施来传播交通或位置信息，甚至将车辆间车距等更细致的信息传递给汽车驾驶人员，这些基础设施通常包括交通信号灯、路灯、汽车前后灯等。目前，交通信号灯VLC技术主要分为基于图像传感器检测器和基于光电二极管检测器两种，前者具有并行传输和强抗光干扰的性能，而后者拥有更大的调制带宽和更少的响应时间。但图像传感器的低采样率和高成本使得在VLC的使用中受到限制，而基于光电二极管检测器的室外VLC系统的研究和创新比较丰富。

对于室外VLC系统而言，强烈的背景太阳能辐射是非常重要的系统参数之一，这是由于，当光电二极管检测器直接暴露于强光下时，容易产生饱和现象，从而导致对光强度调制信号的检测失效，因此背景太阳能辐射特性在设计系统的噪声镇压技术和改进系统性能中发挥重要的作用。另一方面，由于LED灯通过复合的方式而产生的固有光子，以及LED交通灯的寄生电容和电感相互作用，使得辐射出的灯光在输入电流的驱动下经历一个过渡期，或者出现一个有限的带宽，这些现象的产生将限制输入信号的传输速率，因此对VLC系统中，LED交通灯频率响应的测量是系统传输速率设计中不可缺少的一项。但是目前，研究者关于室外VLC系统的研究与探索主要集中在系统设计和仿真方面，并且都是基于一个简化了的理想性链路模型或带有特定接收路径的实际演示系统，但这些方案都不能明确地显示出VLC系统在商用成品LED（COTSLED）灯中的太阳能辐射噪声和频率响应这两个性能，进而不能够为室外VLC技术应用到智能交通中提供更可靠、更全面的数据分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一种可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置，所述可见光通信系统的交通信号发射器为LED灯，交通信号接收器为光电二极管检测器，所述测量装置包括：

第一测量模型，用于测量太阳能辐射噪声；和/或

第二测量模型，用于测量所述LED灯的频率响应。

在上述的测量装置中，第一测量模型包括光滤波器、光电二极管检测器以及功率计，光滤波器和光电二极管检测器连接并安装在一个面积为Acm²、半角视场（Fieldofview，FOV）为d°的接收区域内，光电二极管检测器和功率计连接。

在上述的测量装置中，优选地，第一测量模型还包括，

第一计算单元，用于利用外星系在波长为λ时的辐射照度E、地球到太阳之间距离的正交因子D、以及波长为λ时各种衰落的大气传输方程的乘积T计算直接法向太阳能辐射；以及

第二计算单元，用于利用直接法向太阳能辐射和太阳天顶角θ计算散射水平太阳能辐射。

在上述的测量装置中，第二测量模型包括发射端模型和接收端模型，其中，

发射端模型包括：用作交通信号发射器的LED灯、与所述LED灯连接用于提供频率扫描信号的函数发生器、连接于函数发生器的直流偏置器、以及连接于函数发生器和直流偏置器之间的T型偏置器；

接收端模型包括：依次连接的光电二极管检测器、电流放大器和电频谱分析仪。

在上述的测量装置中，所述LED灯可以采用商用成品LED。

基于上述任意一项所述测量装置的测量方法，包括：

用第一测量模型测量太阳能辐射噪声的步骤；和/或

用第二测量模型测量LED灯的频率响应的步骤。

在上述的测量方法中，测量太阳能辐射噪声的步骤包括：

A1、将第一测量模型的光电二极管检测器垂直向上放置用来接收大气中散射的太阳能辐射，并保证功率计记录每秒的辐射照度E；

A2、用功率计记录的辐射照度E，结合地球到太阳之间距离的正交因子D、以及波长为λ时各种衰落的大气传输方程的乘积T，计算直接法向太阳能辐射I_d；

A3、用直接法向太阳能辐射I_d和太阳天顶角θ计算散射水平太阳能辐射I_h；

A4、调节光电二极管检测器的角度，使其始终直对太阳，重复步骤A2-A3，收集交通信号接收器视场范围内在一天不同时间段的太阳能辐射噪声。

在上述的测量方法中，测量LED灯的频率响应的步骤包括：

通过T型偏置器和函数发生器生成一个频率为f的正弦信号作为信源数据，施加到第二测量模型的LED灯；

调节直流偏置器，使LED灯的电压保持在一个拟线性输入输出区域中；

从频谱分析仪上读取频谱特性。

本发明的有益效果是：

1．本发明测量装置和方法能够测量VLC系统中太阳能辐射噪声和LED灯的频率响应这两个性能参数，能够为室外VLC技术应用到智能交通中提供更可靠、更全面的数据分析。

2．本发明测量装置和方法简单、可靠、成本低，并且将现实生活中已投入商用的LED照明灯设计到测量模型中，为交通信号灯VLC系统实际设计提供了理论和实测模型。

3．在基于光电二极管检测器的VLC系统基础上进行测量模型的设计，不仅调制带宽大而且响应时间也比较小，使得测量更准确、耗时少，具有较好的推广使用价值。

附图说明

图1为传统的基于光电二极管检测器的室外VLC系统模型框图；

图2为较佳实施例中第一测量模型的框图；

图3为较佳实施例中第二测量模型的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了传统的基于光电二极管检测器的室外VLC系统。参照图1，从待传输的信息源11发出的电信号输入到调制器12中，其中，调制器12还包含了一个脉冲整形器，调制后的电信号经过光驱动器13和LED灯14转化成光信号，在LOS（Lineofsight）信道中传输，传输过程中，信号受到背景环境（太阳能辐射噪声）的干扰，因此，在接收端需要将光电二极管检测器15输出的信号进行滤波、放大，最终解调出所需信息。

本发明正是针对这种传统的基于光电二极管检测器的室外VLC系统在ITS中的应用而设计的。

较佳实施例中，可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置包括：用于测量太阳能辐射噪声的第一测量模型；用于测量用作交通信号发射器的LED灯的频率响应的第二测量模型。

背景太阳能辐射由两部分组成，直接法向和散射水平太阳能辐射。其中，当太阳在视场范围内的时候，直接法向太阳能辐射在背景噪声中起主导作用，此时散射水平太阳能辐射可以被忽略不计；当太阳不在视场范围内时，情况相反。由于散射水平太阳能辐射来自空间的各个角度，因此难以使用一个规范的模型来进行测量，但可以通过直接法向太阳能辐射的测量，间接得出散射水平太阳能辐射。在晴朗天气环境下，直接法向太阳能辐射在波长为λ时的辐射度I_d由公式（1）计算得出，

I_d=E*D*T(1)

其中，E为外星系在波长为λ时的辐射照度，D是地球到太阳之间距离的正交因子，T是波长为λ时各种衰落的大气传输方程的乘积，包括瑞利散射衰落、气溶衰落、水蒸气吸收衰落、臭氧吸收衰落和均匀混合气息吸收衰落。进而，散射水平太阳能辐射I_h可通过公式（2）间接地计算得出，

I_h=I_d*cosθ(2)

其中，θ为太阳天顶角。

参照图2，第一测量模型包括光滤波器21、第一光电二极管检测器22以及功率计23，光滤波器21和第一光电二极管检测器22连接并安装在一个面积为Acm²、半角FOV为d°的接收区域内，第一光电二极管检测器22和功率计23连接。接收区域的面积取决于第一光电二极管检测器光敏面积的大小，通常取为1cm²左右，而半角FOV可根据具体的应用设定，由于LED灯既要保持照明功能又要实现数据通信，半角FOV的大小将影响通信系统的码间串扰率、通信速率和照明区域。当半角FOV比较小时，由于受到的背景噪声干扰小，接收信噪比将会提高，但光照和通信功能就会出现盲区；当半角FOV比较大时，通信速率得到提高，但重叠的光照部分使得码间串扰率增加，进而接受信噪比将会降低，因此通常半角FOV取为15-25°之间。例如，在较佳实施例中，为保持良好的接受信噪比，使测量项更加准确，接收区域的面积为1cm²，半角FOV为15°，第一光电二极管检测器22的型号为918D-UV-OD3，功率计23选用的是Newport公司的1918C。

第一测量模型还包括第一计算单元和第二计算单元。第一计算单元用于利用外星系在波长为λ时的辐射照度E、地球到太阳之间距离的正交因子D、以及波长为λ时各种衰落的大气传输方程的乘积T计算直接法向太阳能辐射。第二计算单元用于利用直接法向太阳能辐射和太阳天顶角θ计算散射水平太阳能辐射。

用第一测量模型测量太阳能辐射噪声的方法如下：

A0、在发射端，移除VLC系统的发射器装置，以保证第一测量模型只接收太阳能辐射噪声的光功率，不接收其它任何数据；

A1、第一光电二极管检测器22垂直向上放置用来接收大气中散射的太阳能辐射，并保证功率计23记录每秒的辐射照度E；

A2、用功率计23记录的辐射照度E，通过上述公式（1）计算直接法向太阳能辐射I_d；

A3、通过上述公式（2）计算散射水平太阳能辐射I_h；

A4、调节第一光电二极管检测器22的角度（可以每隔1小时调节一次），使其始终直对太阳，重复步骤A2-A3，收集交通信号接收器视场范围内在一天不同时间段的太阳能辐射噪声。

第二测量模型采用频率扫描法来测量LED灯的频率响应。参照图3，第二测量模型包括发射端模型和接收端模型。其中，发射端模型包括：用作交通信号发射器的LED灯31、与LED灯31连接用于提供频率扫描信号的函数发生器32、连接于函数发生器32的直流偏置器（DC偏置器）34、以及连接于函数发生器32和直流偏置器34之间的T型偏置器33。接收端模型包括：依次连接的第二光电二极管检测器35、电流放大器36和电频谱分析仪37。较佳实施例中，函数发生器32采用Agilent公司的33250A，生成DC偏置的电源采用Agilent公司的E3648A，第二光电二极管检测器35的型号为PDA10A，第二光电二极管检测器35的信号带宽设计为150MHz，T型偏置器33的通频带设计成100kHz，LED灯31分别采用TRF108和NB200RC3A两种型号的商用成品LED。

用第二测量模型测量LED灯的频率响应的方法如下：

通过T型偏置器和函数发生器生成一个频率为f的正弦信号作为信源数据，施加到第二测量模型的LED灯31；

调节直流偏置器34，使LED灯31的电压保持在一个拟线性输入输出区域（如10V～12V）中；

从电频谱分析仪37上读取频谱特性；

更换不同型号的LED灯，重复上述步骤得出它们的频率响应以作比较。

本发明能够测量基于光电二极管检测器的室外VLC系统中太阳能辐射噪声和LED灯的频率响应，能够为室外VLC系统的设计提供非常有价值的指导。

Claims (6)

1.一种可见光通信系统中交通信号性能参数的测量装置，所述可见光通信系统的交通信号发射器为LED灯，交通信号接收器为光电二极管检测器，其特征在于，所述测量装置包括：

第一测量模型，用于测量太阳能辐射噪声；和

第二测量模型，用于测量所述LED灯的频率响应，第二测量模型包括发射端模型和接收端模型，发射端模型包括：用作交通信号发射器的LED灯、与所述LED灯连接用于提供频率扫描信号的函数发生器、连接于函数发生器的直流偏置器、以及连接于函数发生器和直流偏置器之间的T型偏置器；接收端模型包括：依次连接的光电二极管检测器、电流放大器和电频谱分析仪。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，第一测量模型包括光滤波器、光电二极管检测器以及功率计，光滤波器和光电二极管检测器连接并安装在一个面积为Acm²、半角视场为d°的接收区域内，光电二极管检测器和功率计连接。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，第一测量模型还包括，

第一计算单元，用于利用外星系在波长为λ时的辐射照度E、地球到太阳之间距离的正交因子D、以及波长为λ时各种衰落的大气传输方程的乘积T计算直接法向太阳能辐射；以及

第二计算单元，用于利用直接法向太阳能辐射和太阳天顶角θ计算散射水平太阳能辐射。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的测量装置，其特征在于，所述LED灯为商用成品LED。

5.根据权利要求1至4任意一项所述测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

用第一测量模型测量太阳能辐射噪声的步骤；和

用第二测量模型测量LED灯的频率响应的步骤，其中，测量LED灯的频率响应的步骤包括

通过T型偏置器和函数发生器生成一个频率为f的正弦信号作为信源数据，施加到第二测量模型的LED灯；

调节直流偏置器，使LED灯的电压保持在一个拟线性输入输出区域中；

从频谱分析仪上读取频谱特性。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，测量太阳能辐射噪声的步骤包括：

A1、将第一测量模型的光电二极管检测器垂直向上放置用来接收大气中散射的太阳能辐射，并保证功率计记录每秒的辐射照度E；

A2、用功率计记录的辐射照度E，结合地球到太阳之间距离的正交因子D、以及波长为λ时各种衰落的大气传输方程的乘积T，计算直接法向太阳能辐射I_d；

A3、用直接法向太阳能辐射I_d和太阳天顶角θ计算散射水平太阳能辐射I_h；

A4、调节光电二极管检测器的角度，使其始终直对太阳，重复步骤A2-A3，收集交通信号接收器视场范围内在一天不同时间段的太阳能辐射噪声。