CN103731208A - 用于可见光通信的发送设备和接收设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于可见光通信（VLC）的发送设备和接收设备，所述发送设备包括：多个发光单元，用于发出不同颜色的光；发光量控制器，用于利用从多个发光单元中的每一个发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算多个发光单元中的每一个的发光量，从而发射与对应颜色的组合对应的组合颜色；前导码信号产生器，用于通过使用信道矩阵的估计产生前导码信号；和发光控制器，用于基于所产生的前导码信号控制多个发光单元中的每一个的发光量并且根据由发光量控制器计算的发光量从多个发光单元中的每一个同时发射信号。

Description

用于可见光通信的发送设备和接收设备

本申请是申请号为200980150016.8、申请日为2009年10月16日、发明名称为“可见光通信系统和方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于可见光通信（VLC）的发送设备和接收设备，更具体地，涉及一种改进的用于可见光通信的发送设备和接收设备，其能够减少在光传播路径上的传播特征的影响和提高传输质量。

背景技术

最近，已经非常关注使用可见区域的光的光通信技术。尤其是，根据其中使用诸如LED(发光二极管)的发光器件的照明设备已经快速发布的情况，已经开发出用于使用安装在建筑物的内部或外部的照明设备的基础设施实现更方便和较高速率数据通信的技术。

考虑对人体或医疗设备的影响，LED是用于在高速率光数据通信中使用的发光装置的最有力的候选者。同时，诸如激光二极管(LD)或具有较高速率的响应性能的超发光二极管(SLD)的半导体发光器件也可以是候选者。在光通信中的数据传输速率取决于发光器件的响应速度。由于这个原因，高速响应的发光器件被关注。另外，为了进一步提高数据传输速率，需要用于在发光器件发送的单个信号中稳定发送更多数据的技术。

对于前述光通信技术，例如，日本专利公开第2003-318836号公开一种技术，在该技术中，根据发射三色红、绿和蓝(下文，称为“RGB”)的光的多个LED的发光功率确定信号的多个数量并且基于该多个数量分配输入数据，从而有效地执行通信同时维持白色。另外，日本专利公开第2007-166526号公开一种技术，在该技术中，校正帧被插入到二维发送/接收单元，从而可以减少背景光或噪声的影响。

发明内容

技术问题

然而，即使使用在以上专利文献中公开的技术，也不可能实现大于光源的数量的状态数(multiplicity)并且在实现高速的数据传输中有限制。另外，即使使用在以上专利文献中公开的技术，由于在传播路径中发光量的减少、环境光的混合、光源的发光属性和光接收设备的分色敏感度而极大地损害传输质量。

因此，做出本发明来解决在现有技术中发生的上述问题，并且本发明提供一种新的改进的可见光通信系统和方法，其能够减少在光传播路径上的传播特征的影响和提高传输质量。

解决方案

依据本发明的一方面，提供一种包括发送设备和接收设备的可见光通信系统。

所述发送设备包括：多个发光单元，用于发出不同颜色的光；发光量控制器，用于利用从每个发光单元发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算每个发光单元的发光量从而发射对应于对应颜色的组合的颜色；前导码信号产生器，用于通过使用信道矩阵的估计产生前导码信号；和发光控制器，用于基于前导码信号产生器产生的前导码信号控制每个发光单元的发光量并且根据由发光量控制器计算的发光量使每个发光单元同时发射。

所述接收设备包括：多个光接收单元，用于接收不同颜色的光信号；信道估计单元，用于当在每个光接收单元中接收到对应于前导码信号的光信号时基于对应的光信号估计信道矩阵；传播路径补偿单元，用于当在每个光接收单元中接收到对应于颜色的组合的光信号时基于由信道估计单元估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号；和数据解调器，用于基于从传播路径补偿单元输出的信号检测颜色的组合并且解调传输数据。

在所述可见光通信系统中，用于信道矩阵的估计的前导码信号被添加到光信号并被发送。另外，基于使用前导码信号估计的信道估计对光信号执行传播路径补偿。信道矩阵表示光传播路径的传播特征。因此，可以通过使用该信道矩阵从光信号中移除传播路径特征。例如，可以通过使用ZF(零聚焦(zero focusing))方法从光信号中移除传播路径特征。结果，可以有效地减少传输质量的恶化。

另外，该可见光通信系统具有如下构造。

发送设备还包括色度坐标调制器，用于将传输数据匹配于在色度坐标上排列的预定的色度点。发光量计算器计算每个发光单元的发光量从而发射与通过色度坐标调制器而匹配于传输数据的色度点对应的颜色。当在每个光接收单元中接收到对应于色度点的光信号时，传播路径补偿单元基于信道估计单元估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号。数据解调器基于从传播路径补偿单元输出的信号检测色度坐标上的色度点并解调传输数据。如此，在可见光通信系统中，传输数据通过色度坐标调制器而被匹配到色度坐标上的色度点并且被调制。也即，以每一颜色的比率调制传输数据。因此，即使在传播路径中发光量减少，在光信号中包括的信息也不会丢失，从而难以发生由于发光量减少的传输质量的恶化。

前导码信号包括：具有高的自相关性并且用于定时同步的同步码分量和具有高的正交性并且用于信道估计的信道估计码分量。前导码信号产生器产生对应于每个发光单元的前导码信号。发光控制器基于对应的前导码信号控制每一发光单元。与一个发光单元对应的前导码信号的同步码分量和与另一发光单元对应的前导码信号的同步码分量具有相同的形式。与一个发光单元对应的前导码信号的信道估计码分量和与另一发光单元对应的前导码信号的信道估计码分量彼此正交。通过使用上述的前导码信号，可以从同步码分量检测同步定时并且检测连续包括在同步码中的信号的位置和存在。

所述接收设备还包括：相关值计算器，用于产生具有和前导码信号的同步码分量的波形相同的波形的采样信号，并且在将在每个发光单元中接收的光信号的定时和采样信号的定时在彼此上滑动的同时计算相关值；以及同步定时检测器，用于检测由相关值计算器计算的相关值超过预定值的定时。考虑到每个信号分量的相关特征，基于同步码分量的同步定时是可能的。

另外，传播路径补偿单元将基于信道矩阵H计算的权重矩阵W应用于光信号并且补偿传播路径的对应信号。例如，权重矩阵W是W=(H×H^H)^-1×H^H。该方法具有相对低的计算负荷，从而可以对传播路径执行高速率补偿。另外，在可见光通信中信道矩阵H的每个分量是实数，从而负荷较小因此能够实现高速率补偿。

依据本发明的一方面，提供一种在可见光通信中的可见光通信方法，该可见光通信在包括发出不同颜色的光的多个发光单元的发送设备和包括接收对应于不同颜色的光信号的多个光接收单元的接收设备之间执行。

该可见光通信方法包括：通过发送设备，利用从每个发光单元发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算每个发光单元的发光量从而发射对应于对应颜色的组合的颜色；产生前导码信号，其中产生用于信道矩阵的估计的前导码信号；基于在前导码信号的产生中产生的前导码信号控制每个发光单元的发光量并且根据在发光量的计算中计算得到的发光量使每一发光单元同时发射，以及通过接收设备，当在每个光接收单元中接收到对应于前导码信号的光信号时，基于对应的光信号估计信道矩阵；当对应于颜色的组合的光信号在每个光接收单元中接收时，基于在信道矩阵的估计中估计得到的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号；检测颜色，其中基于在对传播路径的补偿中经历传播路径的补偿的光信号检测颜色的组合；以及解调数据，其中基于在颜色的检测中检测到的颜色的组合解调传输数据。

在可见光通信方法中，用于信道矩阵的估计的前导码信号被添加到光信号并被发送。另外，基于使用前导码信号估计的信道估计对光信号执行传播路径补偿。信道矩阵表示光传播路径的传播特征。因此，可以通过使用该信道矩阵从光信号中移除传播路径特征。例如，可以通过使用ZF(零聚焦)方法从光信号中移除传播路径特征。结果，可以有效地减少由于发光量的减少的原因产生的传输质量的恶化。

根据本发明的一个方面，提供一种用于可见光通信（VLC）的发送设备，包括：多个发光单元，用于发出不同颜色的光；发光量控制器，用于利用从多个发光单元中的每一个发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算多个发光单元中的每一个的发光量，从而发射与对应颜色的组合对应的组合颜色；前导码信号产生器，用于通过使用信道矩阵的估计产生前导码信号；和发光控制器，用于基于所产生的前导码信号控制多个发光单元中的每一个的发光量并且根据由发光量控制器计算的发光量从多个发光单元中的每一个同时发射信号。

根据本发明的一个方面，提供一种用于可见光通信（VLC）的接收设备，包括：多个光接收单元，用于接收不同颜色的光信号；信道估计单元，用于当多个光接收单元中的每一个接收到对应于前导码信号的光信号时基于对应的光信号估计信道矩阵；传播路径补偿单元，用于当多个光接收单元接收到对应于颜色的组合的光信号时基于所估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号；和数据解调器，用于基于从传播路径补偿单元输出的信号检测颜色的组合并且解调传输数据。

根据本发明的一个方面，提供一种在具有发出不同颜色的光的多个发光单元的发送设备中的可见光通信方法，该方法包括：利用从多个发光单元中的每一个发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算多个发光单元中的每一个的发光量从而对应颜色的组合被发射；使用信道矩阵的估计产生前导码信号；以及基于所产生的前导码信号控制多个发光单元中的每一个的发光量并且根据所计算的发光量从多个发光单元中的每一个同时发射信号。

根据本发明的一个方面，提供一种在具有接收与不同的发射颜色对应的光信号的多个光接收单元的接收设备中的的可见光通信方法包括：当在多个光接收单元的每一个中接收到对应于前导码信号的光信号时，基于对应的光信号估计信道矩阵；当在多个光接收单元的每一个中接收到对应于颜色的组合的光信号时，基于所估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号；基于传播路径的光信号检测颜色的组合；以及基于检测到的颜色的组合解调传输数据。

有益效果

因此，本发明的可见光通信系统和方法能够减少在光传播路径上的传播特性的影响和提高传输质量。

附图说明

通过结合附图的以下详细描述，本发明的以上和其它方面、特征和优点将更明了，其中：

图1是说明关于色度坐标复用方案的可见光系统的构造的框图；

图2是说明在色度坐标复用方案中的调制方法的图；

图3是说明在色度坐标复用方案中的调制方法的图；

图4示出说明从色度坐标复用方案中可获得的效果和技术问题的图；

图5是说明根据本发明的实施例的可见光通信系统的构造和在可见光通信系统中包括的发送设备和接收设备的功能和构造的框图；

图6是说明根据本发明的实施例的前导码信号的编码类型的图；

图7是说明根据本发明的实施例的信号检测/同步单元的构造的框图；

图8是说明根据本发明的实施例的信道估计单元的构造的图；

图9示出说明根据本发明的实施例的通过颜色补偿过程可获得的效果的图；和

图10示出说明根据本发明的实施例的通过颜色补偿过程可获得的效果的图。

具体实施方式

下文中，将参考附图描述本发明的示范实施例。在以下说明中，相同组件将由相同参考数字指代，虽然它们在不同附图中示出，并且将省去对相同参考数字的重复说明。

[说明的流程]

这里，将简要描述以下将描述的本发明的实施例的说明的流程。首先，将参考图1到4描述根据色度坐标复用方案的可见光通信方法。在说明中，将描述基于传统色度坐标复用方案的可见光通信10的技术问题。然后，将参考图5到10详细描述根据本发明的实施例的可见光通信20的构造和效果。

[问题的排列]

首先，在详细描述根据本发明的实施例的技术之前，将简要排列在本发明中将解决的技术问题。

(可见光通信系统10的构造)

首先，将参考图1描述根据色度坐标复用方案的可见光通信系统10的构造。可见光通信系统10的特征在于下述结构：在该结构中，输入数据被映射到颜色系统的色度坐标上的色度点并且输入数据利用对应于对应的色度点的彩色光来复用和发送。如这里使用的，此类多传输方案被称为色度坐标复用方案。

如图1中所示，可见光通信系统10包括发送设备100和接收设备130。发送设备100映射数据到预定的色度点并发送映射的数据到接收设备130。接收设备130将从发送设备100接收的光的颜色与在色度坐标上排列的预定的色度点比较并且解调原始的输入数据。下文中，将详细描述发送设备100的调制过程和接收设备130的解调过程。

(发送设备100的调制过程)

首先，将描述发送设备100的调制过程。

如图1所示，发送设备100包括色度坐标调制器102、坐标系统转换器104和多个发光单元106。另外，发光单元106的每个包括诸如LED等的光源和用于驱动对应光源的驱动电路。另外，坐标系统转换器104包括用于控制发光单元106的每个的发光量的发光控制装置。

首先，发送的数据输入到色度坐标调制器102。当发送的数据输入到色度坐标调制器102时，色度坐标调制器102将输入数据(数字值)映射预定的颜色系统的色度坐标上排列的预定的色度点。在其中排列该色度点的颜色系统例如是由国际发光照明委员会(CIE)系统化的CIE颜色系统(RGB,XYZ(Yxy),L*u*v*、L*a*b*等)、芒赛尔(Munsell)颜色系统或奥斯特瓦尔德(Ostwald)颜色系统。例如，输入数据被映射到色度坐标上的色度点，如图2所示的。然而，在图2中所示的色度坐标是Yxy颜色系统。

在图2的示例中，在颜色系统中设置了预定的色度点排列(S)。在其中数字值是4比特复用(状态数=16)的情况中使用在图2中示例的色度点排列(S)。因此，在图2中示例的色度点排列(S)包括16个色度点，S0到S15。如图3所示，在色度点排列(S)中包括的色度点S0到S15分别对应于数字值。对此，色度坐标调制器102选择在对应于输入数据(数字值)的S0和S15之间的色度点。当色度坐标调制器102选择色度点时，选择的色度点的色度坐标值(x，y)被输入到坐标系统转换器104。另外，颜色系统的信息和色度点排列(S)与接收设备130共享。

再参考图1，由色度坐标调制器102根据输入数据选择的色度点的色度坐标值(x，y)被输入到坐标系统转换器104。坐标系统转换器104计算对应于输入的色度坐标值(x，y)的颜色(红色(R)、绿色(G)和蓝色(B))的混合比率。也即，坐标系统转换器104将颜色系统转换为RGB格式并且在转换之后按RGB格式表示由色度坐标调制器102选择的色度点。另外，坐标系统转换器104基于计算的颜色(红色(R)、绿色(G)和蓝色(B))的混合比率设置驱动电压，其中该驱动电压将提供给发红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的发光单元106的每一个。然而，设置驱动电压从而从多个发光单元106发出的总发光量具有预定的值。

同时，在设置驱动电压中，坐标系统转换器104设置驱动电压从而在预定时间内从发光单元106的每个发出的放大的(multiplied)发光量具有该混合比率。通过该构造，即使发送设备100是对应于PWM控制的发光设备，也可以依据PWM周期通过将倍增的发光量匹配到色度坐标值(x，y)来消除PWM控制的影响。如上所述的由坐标系统转换器104设置的、作为控制信号的驱动电压的信息被输入到对应颜色的每一发光单元106。

如上所述，发送设备100包括发红光(R)的发光单元106、发绿光(G)的发光单元106和发蓝光(B)的发光单元106。当从坐标系统转换器104输入驱动电压的控制信号时，发光单元106的每个根据控制信号而驱动并且发送对应颜色的彩色光。例如，对应于红色(R)的发光单元106根据基于红光(R)的混合比率设置的驱动电压的控制信号发红光(R)。更具体地，控制信号输入到在发光单元106的每个中安装的驱动电路并且驱动电压从该驱动电路提供给诸如LED的光源，从而产生对应于每种颜色的光。光源的示例包括诸如LED、LD和SLD的半导体发光器件、荧光灯、阴极射线管(CRT)显示设备、等离子显示面板(PDP)设备、有机电致发光(EL)显示设备和液晶显示设备(LCD)。

如上所述，发送设备10映射输入数据的数字值到色度点坐标并且发送该映射值。因为这个，发送不依靠于光源的种类。例如，在LED的白光谱中，在红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的频带中观察到明显的峰值。同时，在显示设备的白光谱中，在红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的频带中观察到小的峰值，但是观察到一般的宽分布形状。在波形调制方案或幅度调制方案中，在频谱形状之间的差表示为解调数据的差。同时，在色度坐标复用方案中，数据被调制并且映射到色度坐标，从而即使光源的种类不同，也一致地解调数据。因此，各种发光装置可以用于光源。

同时，优选地，在发光单元106上安装多个光源。在这种情况下，发光单元106被配置从而在发光单元106中包括的驱动电路根据控制信号共同地向多个光源提供驱动电压。然而，当在发光单元106上安装多个光源时，优选地，这样配置发光单元106从而在发光单元106中包括的驱动电路在控制发光单元106的发光量中控制光发送光源的数量。通过使用多个光源，可以不管光源的种类如何而增加从发光单元106产生的光的强度。

至此，已经描述发送设备100的功能和构造。如果应用发送设备100的构造，使用色度坐标发送数据，从而可以利用比发送设备100中包括的发光单元106的数量大的多个值调制数据。因此，可以增加可由单个脉冲发送的数据数量并且发送较高速率的数据。另外，按照彩色光的混合比率调制数据，从而可以控制在传播路径中产生的发光量的减少的影响并且减少传输错误率。另外，具有的优点在于没有必要挑选光源的种类。另外，色度坐标同时地表示颜色和饱和度。因此，当输入数据映射到色度坐标并被调制时，可以将输入数据的状态数提高和饱和度部分一样多。

(接收设备130的解调过程)

接下来，将描述接收设备130的解调过程。

如图1中所示，接收设备130包括多个光接收单元132、坐标系统转换器134和色度坐标解调器136。光接收单元132由滤色镜、光电转换设备和A/D转换电路形成。

如上所述，多个发光单元106产生对应于从发送设备100向接收设备130发送的输入数据的彩色光。从多个发光单元106产生的多个彩色光在传播路径中被混合。在接收设备130中包括的多个光接收单元132中接收混合的彩色光。光接收单元132具有滤色镜，该滤色镜具有特定的频谱敏感特征。由光接收单元132接收的混合的光被投射到滤色镜并且被分离为预定的彩色光。经过滤色镜的彩色光进入光接收单元132中包括的光电转换设备。光电转换设备输出与经过滤色镜的彩色光的接收光的数量成比例的电流。

例如，对应于红色(R)的光接收单元132的光电转换设备输出与红光(R)的接收光的数量成比例的电流。类似地，对应于绿色(G)和蓝色(B)的光接收单元132的光电转换设备分别输出与绿光(G)和蓝光(B)的接收光的数量成比例的电流。同时，光电转换设备的示例包括光电二极管(PD)、pn类型PD、pin类型PD和雪崩(Avalanche)光电二极管(APD)。从光接收单元132的光电转换设备输出的电流输入到光接收单元132的A/D转换电路。在A/D转换电路中，从光电转换设备输入的电流的值转换为与每一彩色光的接收光的数量对应的亮度信号R、G和B。从A/D转换电路输出的亮度信号输入到坐标系统转换器134。

当从光接收单元132输入每一彩色光的亮度信号时，坐标系统转换器134将与每一彩色光对应的亮度信号R、G和B转换为原始色度坐标值(x，y)。例如，在Yxy颜色系统中，坐标系统转换器134通过使用表示对应于人眼的敏感度的频谱敏感度的颜色匹配函数从亮度信号R、G和B中计算三个激励值(stimuli value)X，Y和Z并且从计算得到的结果中计算色度坐标值(x，y)。同时，当依据PWM周期从发送设备100发送信号时，坐标系统转换器134在单个PWM周期期间放大(multiply)从每一光接收单元132输出的亮度信号R、G和B并且基于放大值计算色度坐标值(x，y)。计算的色度坐标值(x，y)输入到色度坐标解调器136。

当色度坐标值(x，y)输入到色度坐标解调器136时，色度坐标解调器136基于输入的色度坐标值(x，y)解调原始的发送数据。首先，色度坐标解调器136计算在色度坐标上排列的预定色度点(见图2)和色度坐标值(x，y)之间的距离并且检测与色度坐标值(x，y)最近的预定色度点。例如，当发送数据的数字值是0x7，如果在传播路径中噪声等的影响较小则检测到色度点S7。在这种情况下，色度坐标解调器136参考图3的表输出对应于色度点S7的数字值0x7。藉此，发送数据被解调。

已经描述接收设备130的功能和构造。如上所述，基于对应于每种颜色的接收光的数量计算色度坐标值。另外，基于计算的色度坐标值解调原始数据。因此，可以控制由于传播路径中发光量的减少产生的传输错误率的增加。

同时，图1示出对应于色度点S2、S8和S6的发光时序和发光量(波形)的示例。如示例中示出的，对应于色度点的每个的数据调制为从每个发光单元106产生的发光量的比率并被发送。因此，可以将状态数提高到等于大于发光单元106的数量的值并且对传播路径中发光量减少有很强的抵抗力。然而，无法忽略环境光。另外，从每个发光单元106产生的光的频谱具有有限的宽度，从而从多个发光单元106产生的彩色光的干扰(下文中，称为“RGB干扰”)的影响也无法忽略，另外，当在多个发光单元106中存在发光强度的不平衡(下文中，称为“RGB不平衡”)时，由于RGB不平衡的影响而恶化发送质量。

RGB不平衡是发送设备100的发光单元106的频带特征和接收设备130的光接收单元132的频带特征的结果。另外，RGB不平衡是发送设备100的发光单元106的发光强度特征和接收设备130的光接收单元132的光接收敏感度特征的结果。对于以上影响，获得图4中示出的示范结果。

图4说明当数据以每两个比特分配到在色度坐标上排列的四个色度点并被发送(对应于QPSK调制)时在接收设备130中检测到的色度点的位置。尤其，图4表示在如下情况中的检测结果：(A)应用环境光(DC噪声)，(B)应用RGB干扰，和(C)应用RGB不平衡。图4中的“标记”表示参考点的位置。另外，图4按XYZ颜色系统的形式表示。此外，图4的色度坐标值(x，y)是基于结果X、Y和Z计算的，而结果X、Y和Z是通过利用公式(1)转换对应于由每个光接收单元132接收的发光量的亮度信号R、G和B获得的。

X=2.7689×R+1.7517×G+1.1302×B

Y=R+4.5907×G+0.0601×B

Z=0.0565×G+5.5943×B……(1)

参考B：图4中的颜色解码，能够认识到在(A)应用环境光(DC噪声)和(B)应用RGB干扰的情况中色度点的结果极大地偏离参考点。另外，能够认识到在(C)应用RGB不平衡的情况中色度点的结果从参考点分隔开。同时，虽然未在图4中示出，即使施加在传播路径中发光量减少的影响，在几乎重叠于参考点的位置处观察到对应于接收的发光量的色度坐标值(x，y)。另外，在(A)应用环境光(DC噪声)和(B)应用RGB干扰的情况中，在四个色度点之间的距离减少。同时，虽然情况(C)没有示出在四个色度点之间的距离的大的变化，也可以注意到在四个色度点处形成的方形的旋转。如所述的，即使使用可见光通信系统10的构造，由于情况(A)到(C)中示出的影响而恶化传输质量。

对此，在稍后描述的本发明的实施例中，将建议一种减少由以上影响产生的传输质量的恶化的方法。

<实施例>

下文中，将描述本发明的第一实施例。第一实施例特征在于估计表示光传播路径的传播特征的信道矩阵并且使用该信道矩阵补偿光传播路径的传播特征，从而减少传输质量的恶化。下文中，将描述根据本发明的实施例的可见光通信系统20的构造和用于补偿传播特征的方法。

[可见光通信系统20的构造]

首先，将参考图5描述根据本发明的实施例的可见光通信系统20的构造。将省去对与图1所示的可见光通信系统10的组件基本相同的组件的说明。

图5是示范说明根据本发明的实施例的可见光通信系统20的构造的框图。如图5所示，可见光通信系统20包括发送设备200和接收设备230。从发送设备200发送的信号受到光传播路径的发光量的减少、环境光的混合、RGB干扰和RGB不平衡的影响。因此，可见光通信系统20采用这样的构造，在其中接收设备230补偿传播路径的特征并且在补偿之后利用亮度信号检测传输数据。下文中，将详细描述有关补偿对应的传播路径的特征的方法的发送设备200和接收设备230的功能和构造。

(发送设备200的功能和构造)

首先，将描述发送设备200的功能和构造。如图5中所示，发送设备200包括色度坐标调制器202、坐标系统转换器204、前导码信号产生器208，和多个发光单元206。色度坐标调制器202具有和发送设备100中包括的色度坐标调制器102的功能和构造基本一致的功能和构造。另外，坐标系统转换器204具有和发送设备100中包括的色度坐标转换器104的功能和构造基本一致的功能和构造。另外，多个发光单元206具有和发送设备100中包括的发光单元106的功能和构造基本一致的功能和构造。因此，将主要描述前导码信号产生器208的功能和构造。

如图5所示，同步码和信道估计码被输入到前导码信号产生器208。同步码对应于在接收设备230的前导码信号的定时同步中使用的信号分量。另外，信道估计码对应于在接收设备230的信道估计中使用的信号分量。前导码信号产生器208基于输入的同步码和输入的信道估计码产生前导码信号。在图6中示出前导码信号产生器208产生的前导码信号的示例。

如图6所示，前导码信号产生器208产生的前导码信号包括同步码的分量和信道估计码的分量。另外，前导码信号R是输入到红光(R)的发光单元206的控制信号。类似地，前导码信号G和B分别是输入到绿光(G)和蓝光(B)的发光单元206的控制信号。在同步码的分量中，对应于红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的前导码信号的信号波形全部相同。另外，在本实施例中，具有满意的自相关特征的最大长度(M)序列信号能够优选地用于同步码的信号分量。相反，具有低的互相关的信号波形被用于信道估计码的信号分量。优选地，哈达玛(Hadamard)码能够被用于信道估计码的分量。

再参考图5，前导码信号产生器208产生前导码信号，其包括具有满意的自相关特征的同步码的分量和具有在不同彩色光之间的满意的互相关特征的信道估计码的分量。对应于每种颜色的前导码信号被输入到对应于每种颜色的发光单元206。每个发光单元206基于从前导码信号产生器208输入的前导码信号发光。另外，在输入到色度坐标调制器202的传输数据的发送之前执行前导码信号的发送。也即，发送前导码信号，通过接收设备230估计信道矩阵，然后发送传输数据。传输数据通过色度坐标调制器202而被映射到色度点，通过色度系统转换器204而被转换成RGB信号，并且通过多个发光单元206而被发送，如同于可见光通信系统10的情况。

(接收设备230的功能和构造)

接下来，将描述接收设备230的功能和构造。如图5中所示，接收设备230包括多个光接收单元232、信号检测/同步单元234、信道估计单元236、颜色补偿单元238、坐标系统转换器240和色度坐标解调器242。在接收设备230和接收设备130之间的主要不同是信号检测/同步单元234、信道估计单元236和颜色补偿单元238的功能和构造。同时，光接收单元232、坐标系统转换器240和色度坐标解调器242与接收设备130的光接收单元132、坐标系统转换器134和色度坐标解调器136基本相同。因此，将主要描述信号检测/同步单元234、信道估计单元236和颜色补偿单元238的功能和构造。

首先，当前导码信号从发送设备200发送时，接收设备230通过使用多个光接收单元232接收该前导码信号。然而，在传播路径中产生发光量的减少、环境光的混合、RGB干扰和RGB不平衡，从而在每个光接收单元232中接收的信号除了原始前导码信号的特征之外还具有传播路径的特征。在每个光接收单元232中接收的光的亮度信号被输入信号检测/同步单元234和信道估计单元236。信号检测/同步单元234能够仅使用与前导码信号的同步码的分量对应的信号分量。同样，信道估计单元236能够仅使用与前导码信号的信道估计码的分量对应的信号分量。

首先，将描述信号检测/同步单元234的功能和构造。信号检测/同步单元234基于与输入亮度信号中前导码信号的同步码的分量对应的信号分量(下文中，简称为“同步码分量”)建立定时同步。如上所述，同步码具有满意的自相关特征的信号波形。因此，信号检测/同步单元234能够使用与发送设备200的前导码信号产生器208中使用的同步码相同的码，执行滑动相关，并且检测自相关峰值。另外，根据检测的自相关峰值检测信号的存在和位置。将由信号检测/同步单元234检测到的信号的位置通知给信道估计单元236。

下文中，将参考图7详细描述信号检测/同步单元234的构造。图7是详细说明信号检测/同步单元234的构造的框图。如图7中所示，信号检测/同步单元234包括时钟产生器252、码产生器254、相关器256和比较器258。

首先，码产生器254通过使用在时钟产生器252中产生的时钟产生与输入到发送设备200的前导码信号产生器208的同步码相同的码。例如，码产生器254产生M序列同步码。在码产生器254中产生的同步码输入到相关器256。另外，输入信号(亮度信号)输入到相关器256。相关器256在滑动在码产生器254中产生的同步码的定时和输入信号的定时的同时输出每个定时的相关值。由相关器256输出的相关值输入到比较器258。比较器258确定从相关器256输出的相关值是否大于预定的门限。当从相关器256输出的相关值大于预定的门限时，比较器258确定同步捕捉完成并且输出同步捕捉信号。同步检测信号对信道估计单元236做出该信号的存在和位置的报告。通过此过程，实现信号的定时同步。

再参考图5，将描述信道估计单元236的功能和构造。信道估计单元236根据与前导码信号的信道估计码的分量对应的信号分量(下文中，简称为“信道估计码分量”)估计信道矩阵H。这样，从信号检测/同步单元234向信道估计单元236通知该信号的位置(定时)。因此，信道估计单元236依据由信号检测/同步单元234检测的定时计算信道估计码分量的相关值。例如，当使用Hadamard码时，自相关值是1而互相关值是0。因此，通过使用图8中所示的构造，可以计算信道矩阵H的每个分量。

下文中，参考图8。图8说明这样的情况，其中从发送设备200的每个发光单元206发送的光信号在传播路径中混合并且入射到光接收单元232。另外，图8说明这样的情况，其中从与在每个光接收单元232中接收的光对应的亮度信号中检测信道矩阵H的每个分量。从多个发光单元206发送的信号分别被以C_R、C_G和C_B的形式表达。另外，与在每个发光单元206和每个光接收单元232之间的传播路径对应的信道矩阵H的分量分别表示为h_IJ的形式，其中I和J的每个分别是R、G和B中的任何一个。“I”对应于发光单元206的颜色而“J”对应于光接收单元232的颜色。例如，对应于在红色(R)的发光单元206和蓝色(B)的光接收单元232之间的传播路径的信道矩阵H的分量表示为h_RB的形式。

首先，将具体描述基于从红色(R)的光接收单元232输出的亮度信号检测信道矩阵H的分量h_RR、h_RG和h_RB的方法。如图8中所示，在绿光(G)的发光单元206和蓝光(B)的发光单元206中产生的光(绿光(G)和蓝光(B))，以及红光(R)的发光单元206产生的红光(R)入射到红光(R)的光接收单元232。

然而，在红光(R)的光接收单元232中安装使红光(R)通过的滤色镜。确切地，绿光(G)和蓝光(B)能够被滤色镜阻挡。然而，绿光(G)的发光单元206和从蓝光(B)的发光单元206产生的光的频谱具有有限的宽度，从而红光(R)的分量也包括在绿光(G)的发光单元206和蓝光(B)的发光单元206产生的光中。另外，在红光(R)的光接收单元232中包括的滤色镜无法完全分离绿光(G)和蓝光(B)。因此，除了从红光(R)的发光单元206产生的红光(R)之外的分量被包括在红光(R)的光接收单元232中检测到的光强度中。该分量的影响以h_RR、h_GR和h_BR的形式来表达。

当从红光(R)的光接收单元232输出的亮度信号表示为C’_R时，亮度信号C’_R能够由公式(2)表示。同样，从绿光(G)的光接收单元232输出的亮度信号C’_G能够由公式(2)表示。另外，从蓝光(B)的光接收单元232输出的亮度信号C’_B能够由公式(2)表示。最后，信道矩阵H能够由公式(3)表示。

C'_R=C_R×h_RR+C_G×h_RG+C_B×h_RB

C'_G=C_R×h_GR+C_G×h_GG+C_B×h_GB

C'_B=C_R×h_BR+C_G×h_BG+C_B×h_BB……………(2)

$H=\left(\begin{array}{ccc}{h}_{\mathrm{RR}}& h_{\mathrm{RG}}& h_{\mathrm{RB}}\\ h_{\mathrm{GR}}& h_{\mathrm{GG}}& h_{\mathrm{GB}}\\ h_{\mathrm{BR}}& h_{\mathrm{BG}}& h_{\mathrm{BB}}\end{array}\right)...\left(3\right)$

然后，将考虑检测按公式(2)表示的信道矩阵H的分量h_RR、h_GR和h_BR的方法。如上所述，信道估计单元236基于在接收的亮度信号中的信道估计码分量估计信道矩阵H的每个分量。因此，对于集中于信道估计码分量的说明，假设信号C_R、C_G和C_B表示信道估计码分量。

首先，如图8所示，亮度信号C’_R输入到三类相关计算器260的每个。另外，信号C_R、C_G和C_B分别输入到三种类型的相关计算器260。输入信号C_R的相关计算器260执行在亮度信号C’_R和信号C_R之间的相关计算。当将Hadamard码用于信道估计码字时，如上所述，自相关值是1而互相关值是0。因此，输入信号C_R的相关计算器260仅从亮度信号C’_R中提取对应于相关值1的分量h_RR。同样，输入信号C_G的相关计算器260提取信道矩阵H的分量h_RG，而输入信号C_B的相关计算器260提取信道矩阵H的分量h_RB。

以上，已经描述从红色(R)的光接收单元232的亮度信号C’_R计算信道矩阵H的每个分量的方法。类似地，可以从绿色(G)的光接收单元232和蓝色(B)的光接收单元232的亮度信号C’_G和C’_B计算信道矩阵H的每个分量。也即，信道估计单元236能够通过以上方法估计信道矩阵H。另外，应该留意这样的事实，所计算的信道矩阵H包括发光单元206的发光特征、和在传播路径中发光量减少、RGB干扰和RGB不平衡的影响。

这里，将再次参考图5。在以下说明中，假设信号C_R、C_G和C_B不局限于前导码信号。由信道估计单元236估计的信道矩阵H输入到颜色补偿单元238。另外，亮度信号从每个光接收单元232输入到颜色补偿单元238。当亮度信号输入到颜色补偿单元238时，颜色补偿单元238通过使用从信道估计单元236输入的信道矩阵H补偿传播路径的亮度信号。例如，颜色补偿单元238采用零聚焦(ZF)方法作为对传播路径的补偿。ZF方法具有的优点在于，计算量少于其他方法，然而，根据本发明的实施例的技术的应用范围不局限于ZF方法。

这里，将简要描述ZF方法。使用ZF方法从而从接收的信号中消除以信道矩阵H的形式表示的传播路径的特征。具体地，在ZF方法中，使用公式(4)表示的权重矩阵W。首先，颜色补偿单元238使用由信道估计单元236估计的信道矩阵H并且计算由公式(4)表示的权重矩阵W。接下来，颜色补偿单元238将计算的权重矩阵W乘以亮度信号矢量C’=(C’_R,C’_G，C’_B)^T并且检测原始信号矢量C=(C_R,C_G，C_B)^T，如公式(4)表示。

W=(H×H^H)^-1×H^H

C=W×C'

=W×H×C

=(H×H^H)^-1×(H^H×H)×C…(4)

=C

这里，上标H表示厄密上域(Hermitian codomain)。在本实施例中，由信道估计单元236估计的信道矩阵H的每个分量是实数，从而厄密矩阵是对称矩阵。因此，公式(4)的第五等号(=)成立。另外，矩阵是实数运算，从而处理负荷小于使用复数的运算并且能够执行高速率运算。公式(4)的第三等号(=)由公式(2)表示。另外，在公式(4)中，为了执行在矩阵之间的乘法过程，有意使用乘法符号“×”以帮助清楚的理解。

当执行基于ZF方法的补偿过程时，在执行补偿过程之后亮度信号从颜色补偿单元238输入到坐标系统转换器240。坐标系统转换器240将RGB信号转换为色度坐标值(x，y)，类似于接收设备130的坐标系统转换器134的操作。在通过坐标系统转换器240转换之后的色度坐标值(x，y)被输入到色度坐标解调器242。色度坐标解调器242检测与输入的色度坐标值(x，y)最近的色度点并且输出对应于检测的色度点的数据，类似于接收设备130的色度坐标解调器136的操作。

以上，已经描述根据本发明的实施例的可见光通信系统20的构造。如上讨论的，可见光通信系统20的构造特征在于，使用前导码信号估计信道矩阵和使用该信道矩阵补偿传播路径。尤其，可见光通信系统20的构造特征在于，使用前导码信号执行信道估计的定时同步，其中前导码信号包括高的自相关的同步码的分量和高的互相关(低的自相关)的信道估计码的分量。另外，本发明的目的是消除根据环境光的混合、RGB干扰和RGB不平衡的影响，从而ZF方法(其中对于补偿传播路径的运算负荷很小)的使用是本发明的可见光通信系统20的特征之一。很重要的原因是可见光通信系统20特征在于，数据被映射到色度坐标并被发送，而在传播路径的发光量的减少的影响被减少到可以忽略该影响的程度。通过以上特征的组合，可以获得图9和10中示出的实质效果。

[发明效果]

首先，将参考图9。图9说明在其中在色度坐标上设置四个色度点作为参考点并且发送对应于四个色度点的信号的情况中可获得的接收结果。图9中左侧图说明在其中在可见光通信系统10中没有补偿光传播路径的情况中可获得的接收结果。能够从图9的左侧图中确切地认识到在四个色度点之间的距离变窄并且同时由于传播路径的特征的影响在四个色度点的方形形状失真和旋转。结果，从接收信号检测的多数色度点极大地偏离该参考点。另外，当在这种情况下计算错误矢量幅度(EVM)时，获得值EVM=13.6dB。

同时，图9中右侧图说明在其中在可见光通信系统20中补偿光传播路径的情况中可获得的接收结果。能够从图9的右侧图中确切地认识到通过补偿过程极大地减少传播路径的特征的影响，从而从接收信号检测的色度点的位置多数符合参考点的位置。另外，当在这种情况下计算错误矢量幅度(EVM)时，获得值EVM=23.4dB。也即，对接收信号执行对光传播路径的补偿，从而EVM提供大约10dB。类似地，图10说明在其中当在色度坐标上设置用作参考点的16个色度点时对接收信号执行光传播路径的补偿和对接收信号不执行光传播路径的补偿的情况中接收结果之间的比较。能够从图10中确切地认识到对光传播路径的补偿过程的效果很大并且EVM提高至少10dB，类似于图9的情况。

如上所述，通过使用根据本发明的实施例的技术，可以极大地提高可见光通信中的传输质量。另外，根据本发明的实施例的技术是这样的方法，预先将前导码信号添加到数据中，发送具有前导码信号的数据，并且基于前导码信号计算信道矩阵，并且通过使用计算的信道矩阵对光传播路径执行补偿。因此，存在的顾虑在于由于前导码信号的添加传输率略微下降。对此，将考虑由前导码信号的添加造成的传输率的降低的影响。

例如，假设无线LAN类型的应用。在这种情况下，传输信号具有帧结构，并且根据本实施例的光传播路径的补偿按单个帧的每次传输来执行。例如，假设在单个帧的数据长度是512码元，这遵循VLCC-STD-003(可见光ID系统的标准)。

另外，假设在同步码中使用周期为7的M序列。当假设传播路径具有许多噪声时，使用具有长周期的M序列较为有利。然而，在可见光通信的情况中，在具有相对高的信噪比的网络中存在许多通信，从而周期为7的M序列是足够的。然而，为了增加信号检测的准确性，相同码重复三次。在这种情况下，同步码分量的信号长度是7*3=21码元。另外，假设信道估计码能够使用周期为4的Hadamard码。传统地，用于根据多个颜色的数量获得正交的码长度是不同的，但是在本发明假设三种数量的RGB，从而可以通过周期为4的Hadamard码获得正交。因此，信道估计码分量的信号长度是4码元。

基于该假设，前导码信号的长度是21+4=25码元。当前导码信号添加到每个帧的开始部分时，可以估计传输率的降低比率是大约25/512*100=4.9%。也即，能够识别出当应用本发明实施例时，传输率的退化如5%或以下一样少，并且性能提高的效果非常充分以弥补传输率的退化的影响。如上所述，根据本发明的实施例的可见光通信系统20能够有效地消除在光传播路径的发光量的减少、环境光、RGB干扰和RGB不平衡的影响，从而可以获得接近于实际执行环境的非常良好的传输质量。

前述仅是本发明的技术精神的示范实施例并且本领域技术人员将容易理解在本发明的技术精神和范围内能够对此做出各种修改和改变。因此，在本发明中公开的示范实施例不用于限制该技术精神，而是用于描述它，且本发明不局限于此。本发明的保护范围应由所附权利要求来解释并且在其等价范围中的每个技术精神应理解为包括的本发明的权利要求中。

Claims (10)

1.一种用于可见光通信（VLC）的发送设备，包括：

多个发光单元，用于发出不同颜色的光；

发光量控制器，用于利用从多个发光单元中的每一个发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算多个发光单元中的每一个的发光量，从而发射与对应颜色的组合对应的组合颜色；

前导码信号产生器，用于通过使用信道矩阵的估计产生前导码信号；和

发光控制器，用于基于所产生的前导码信号控制多个发光单元中的每一个的发光量并且根据由发光量控制器计算的发光量从多个发光单元中的每一个同时发射信号。

2.如权利要求1所述的发送设备，还包括色度坐标调制器，用于将传输数据匹配于在色度坐标上排列的预定的色度点，

发光量控制器计算多个发光单元中的每一个的发光量从而与通过色度坐标调制器而匹配于传输数据的预定色度点对应的颜色被发射。

3.如权利要求1所述的发送设备，

其中所述前导码信号包括用于定时同步的同步码分量和用于信道估计的信道估计码分量，

其中所述前导码信号产生器产生对应于多个发光单元中的每一个的前导码信号，

其中所述发光控制器基于对应的前导码信号来控制多个发光单元中的每一个，

其中与一个发光单元对应的前导码信号的同步码分量和与另一发光单元对应的前导码信号的同步码分量相同，以及

其中与一个发光单元对应的前导码信号的信道估计码分量和与另一发光单元对应的前导码信号的信道估计码分量彼此正交。

4.一种用于可见光通信（VLC）的接收设备，包括：

多个光接收单元，用于接收不同颜色的光信号；

信道估计单元，用于当多个光接收单元中的每一个接收到对应于前导码信号的光信号时基于对应的光信号估计信道矩阵；

传播路径补偿单元，用于当多个光接收单元接收到对应于颜色的组合的光信号时基于所估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号；和

数据解调器，用于基于从传播路径补偿单元输出的信号检测颜色的组合并且解调传输数据。

5.如权利要求4所述的接收设备，其中当在多个光接收单元中的每一个中接收到对应于预定色度点的光信号时，传播路径补偿单元基于信道估计单元估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号，以及

数据解调器基于从传播路径补偿单元输出的信号检测色度坐标上的预定色度点并解调传输数据。

6.如权利要求4所述的接收设备，其中，所述接收设备还包括：

相关值计算器，用于产生具有与前导码信号的同步码分量的波形相同的波形的采样信号，并且在将在多个发光单元中的每一个中接收的光信号的定时和采样信号的定时在彼此上滑动的同时计算相关值；以及

同步定时检测器，用于检测由所述相关值计算器计算的相关值超过预定值的定时。

7.如权利要求4所述的接收设备，其中，所述传播路径补偿单元将基于信道矩阵计算的权重矩阵应用于光信号并且补偿传播路径的对应信号。

8.如权利要求7所述的接收设备，其中，所述权重矩阵是W=(H×H^H)^-1×H^H，其中H是信道矩阵。

9.一种在具有发出不同颜色的光的多个发光单元的发送设备中的可见光通信方法，该方法包括：

利用从多个发光单元中的每一个发出的颜色的组合来调制传输数据并且计算多个发光单元中的每一个的发光量从而对应颜色的组合被发射；

使用信道矩阵的估计产生前导码信号；以及

基于所产生的前导码信号控制多个发光单元中的每一个的发光量并且根据所计算的发光量从多个发光单元中的每一个同时发射信号。

10.一种在具有接收与不同的发射颜色对应的光信号的多个光接收单元的接收设备中的可见光通信方法包括：

当在多个光接收单元的每一个中接收到对应于前导码信号的光信号时，基于对应的光信号估计信道矩阵；

当在多个光接收单元的每一个中接收到对应于颜色的组合的光信号时，基于所估计的信道矩阵补偿传播路径的对应的光信号；

基于传播路径的光信号检测颜色的组合；以及

基于检测到的颜色的组合解调传输数据。

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