CN103986516A - 一种可见光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信系统及方法，所述可见光通信系统包括：信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息，并将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的OOK信号，所述OOK信号用于驱动LED灯内的多个LED发光器件发光；其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件；所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号；信号接收端，所述信号接收端用于接收所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号，对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。本发明所述技术方案提高了可见光通信系统的信息传递量以及信息传递速度。

Description

一种可见光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种可见光通信系统及方法。

背景技术

可见光通信是一种在发光二极管(LED)技术上发展起来的新型的、短距离高速无线通信技术。可见光通信的基本原理就是利用发光二极管比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，通过LED光源的高频闪烁来进行通信，有光代表1，无光代表0，发出高速的光信号，经过光电转换而获取信息。

可见光通信因为其数据不易被干扰和捕获，光通信设备制作简单且不易损坏和消磁，可以用来制作无线光加密钥匙。与微波技术相比，可见光通信技术有相当丰富的频谱资源，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的；同时可见光通信可以使用任何通信协议、适用于任何环境；在安全方面，其相比于传统的磁性材料，无需担心消磁问题，更不必担心通信内容被别人窃取；无线光通信的设备假设灵活边界，且成本低廉，适合大规模的普及与应用。

但是，现有的可见光通信系统进行通信时LED灯的各个LED发光器件是串联关系，所有LED发光器件传递的信息相同，可见光通信系统的信息传递量小，信息传递速度慢。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可见光通信系统及方法，提高了信息传递量以及信息传递速度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可见光通信系统，该可见光通信系统包括：

信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息，并将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的OOK信号，所述OOK信号用于驱动LED灯内的多个LED发光器件发光；其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件；所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号；

信号接收端，所述信号接收端用于接收所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号，对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述信号发射端包括：

串并转换模块，所述串并转换模块用于将所述信源信号转换为多路并行的数字信息；

并行调制模块，所述并行调制模块用于将所述多路并行的数字信息调制为多路并行的OOK信号；

频率调节模块，所述频率调节模块用于调节所述OOK信号的频率，使得所述OOK信号的周期等于基本周期，使得所述LED灯工作在均匀调制模式，或使得所述OOK信号的周期均等于基本周期的数倍，使得所述LED灯工作在非均匀调制模式。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述信号接收端包括：

光电转换模块，所述光电转换模块用于获取所述可见光信号，并将所述可见光信号转换为PAM信号；

解调模块，所述解调模块用于将所述PAM信号解调为多路并行的OOK信号；

并串转换模块，所述并串转换模块用于将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述光电转换模块为光电二极管。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述解调模块采用最大似然判决方法根据所述PAM信号计算所述可见光信号的光强，将所述光强进行N阶量化得到所述可见光的光强信息矢量，进而得到多路并行的OOK信号；

其中，N为LED发光器件的个数。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述信源信号可以为视频信号、音频信号或是图像信号。

本发明还提供了一种可见光通信方法，该可见光通信方法包括：

将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息；

将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路的OOK信号，通过所述OOK信号驱动LED灯内的多个LED发光器件发光，其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件，所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号；

获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号；

对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。

优选的，在上述可见光通信方法中，所述调制包括均匀调制模式以及非均匀调制模式；

当调节所述OOK信号的周期等于基本周期，为均匀调制模式；当调节所述OOK信号的周期均等于基本周期的数倍，为非均匀调制模式。

优选的，在上述可见光通信方法中，所述对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号包括：

将所述PAM信号解调为多路并行的OOK信号；

将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

优选的，在上述可见光通信方法中，所述解调的方法为：采用最大似然判决方法根据所述PAM信号计算所述可见光信号的光强，将所述光强进行N阶量化得到所述可见光的光强信息矢量，进而得到多路并行的OOK信号；

其中，N为LED发光器件的个数。

从上述技术方案可以看出，本发明所述技术方案在信息发送时采用OOK调制方法，以低阶OOK信号发送信息，在进行信息接收解调时，在混合光信号等效为单极性高阶的PAM信号。可见，本发明可以利用发送简单的OOK调制方式并行发送信息，信息发送方式简单，混合后的可见光信号又可实现高阶调制，进行高速通信，而且对任意LED发光器件发送的OOK信号，即使经过LED灯的非线性限幅，仍然可以保留OOK信号的双电平信息，该技术方案具有较好的抗非线性失真能力。同时，所述LED在发送信号时，所有LED发光器件并行发送OOK信号，各个LED发光器件可以传递不同的信息，提高了可见光通信系统的信息传递量以及信息传递速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种可见光通信系统的信号发射端的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可见光通信系统的信号接收端的结构示意图；

图3为均匀调制波形示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可见光通信方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，现有的可见光通信系统中LED等的多个LED发光器件时串联关系，在进行可见光通信时，所有LED发光器件是同时点亮或是同时熄灭，即所有LED发光器件传递的信息相同，导致可见光通信系统的信息传递量小，信息传递速度慢。

为解决上述问题，本申请一个实施例提供了一种可见光通信系统，该可见光通信系统包括：信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息，并将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的OOK信号，所述OOK信号用于驱动LED灯内的多个LED发光器件发光；其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件；所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号；信号接收端，所述信号接收端用于接收所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号，对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。

其中，所述信源信号可以为视频信号、音频信号或是图像信号。

参考图1，图1为所述信号发射端的结构示意图，所述发射端包括：串并转换模块11、并行调制模块12以及频率调节模块13。

所述串并转换模块11用于将所述信源信号转换为多路并行的数字信息。所述串并转换模块11可以为串并转换电路，所述串并转换电路转换的并行数字信息的支路数量与采用的LED灯14的LED发光器件的个数相匹配，所述LED灯14包括N个LED发光器件。优选的，所述并行的数字信息的支路数量等所述LED灯LED发光器件的个数。

所述并行调制模块12用于将所述多路并行的数字信息调制为多路并行的OOK信号。所述OOK信号与所述数字信息一一对应，即一路数字信息对应的被调制为一路OOK信号。由于LED发光器件具有高速的开关切换能力，无需数模转换器，通过简单的OOK(On-Off Keying)调制方式，在OOK信号控制下即可实现信息的快速传输。

所述频率调节模块13用于调节所述OOK信号的频率，使得所述OOK信号的周期等于基本周期，从而使得所述LED灯14工作在均匀调制模式；或使得所述OOK信号的周期均等于基本周期的数倍，从而使得所述LED灯14工作在非均匀调制模式。当工作在均匀调制模式时，各个LED发光器件的功率相同，当工作在非均匀调制模式时，各个LED发光器件的功率不完全相同。其中，所述基本周期为所述LED灯14的开关频率。

参考图2，图2为所述信号接收端的结构示意图，所述信号接收端需要包括用于获取所述可见光信号，并能够将所述可见光信号转换为PAM信号的光电转换模4。所述光电转换模块4可以为光电二极管。

所述光电转换模块4与所述LED发光器件之间存在信道衰落，当各个LED发光器件与光电转换模块4之间的信道衰落不大时，即各个LED发光器件的功率相同，用于驱动各个LED发光器件的OOK信号的调制速率需要相同，此时，只需要通过上述频率调节模块13使得所述LED灯14工作在均匀调制模式即可实现；当所述信道衰落较大时，即各个LED发光器件的功率不完全相同，需要用于驱动各个LED发光器件的OOK信号的调制速率不完全相同，只需要通过上述频率调节模块13使得所述LED灯14工作在非均匀调制模式即可实现。

所述接收端还包括解调模块5，所述解调模块5用于将所述PAM信号解调为多路并行的OOK信号。所述解调模块5采用最大似然判决方法根据所述PAM信号计算所述可见光信号的光强，将所述光强进行N阶量化得到所述可见光的光强信息矢量，进而得到多路并行的OOK信号，其中，N为上述LED发光器件的个数。

所述接收端还包括并串转换模块6，所述并串转换模块6用于将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

下面以均匀调制模式为例对本申请所述可见光通信系统的调制方式进行说明：

对于均匀调制工作方式，此时只需是得各个LED发光器件的OOK调制速率相同即可。光电转换模块对于各个LED发光器件的光强进行光电转换效率为1，对于设定的发射端与接收端，信道参数已知。

参考图3，图3为均匀调制波形示意图，每个LED发光器件通过不同时刻的明暗状态发送OOK信号。

第j间隙发送时，对于任意LED发光器件i(i＝1,2,3…N)，其发送的OOK信号的比特取值c_i,j∈{0,1}，即在j时刻，LED发光器件i处于亮状态，c_i,j为1，或处于暗状态，c_i,j为0。因此，LED灯输出的光强信息矢量a_j＝[c₁ … c_N]^T，具有2^N个离散状态。

各个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生叠加形成混合的可见光信号后，光电转换模块将所述形成混合的可见光信号进行光电转换后，得到光强信息矢量的强度值由于c_i,j∈{0,1}，各个LED发光器件具有2个离散状态，因此，的可能取值为0,1，···，N，则光电转换模块输出的信息 $a_j={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{c}_{i,j}\∈\{\mathrm{0,1},...,N\},$ 具有N+1个离散状态，但是对于设定的a_j＝K，对应的排列组合为由于因此，通过N个LED发光器件进行相同速率的OOK调制，可实现2^N阶的PAM调制。对于设定的系统，光电转换模块可以根据获取的可见光信号确定K。

第j间隙接收时，对于设定的系统，光电转换模块已知信号发射端的调制频率以及LED发光器件的个数N，通过LED发光器件的个数可以得到等效PAM调制的阶数，把多路相同频率的OOK信号叠加后的信号当做等效的N+1阶PAM信号来解调，即已知信号幅度时，经模数转换，实现抽样量化，进行N+1阶最大似然判决。

上述初步判决得到了中比特“1”的数目，还未完全恢复各路的比特信息。需要进一步的识别光强信息矢量a_j＝[c₁ … c_N]^T。在已知时，判断a_j＝[c₁ … c_N]^T的取值，归结为如下优化问题：

$\arg \underset{\left|\right|a_j\left|\right|=K\≤N}{\min }|y-{\mathrm{ha}}_j^T|=\arg \underset{\left|\right|a_j\left|\right|=K\≤N}{\min }{y}^2-{2\mathrm{yha}}_j^T+{\left({\mathrm{ha}}_j^T\right)}^2---\left(1\right)$

其中，h＝[h₁,…,h_N]^T为信道矢量，对于已知系统，为常数；y表示接收信号。

按照最大似然穷尽搜索，上述优化问题(1)的复杂度为指数量级，搜索次数为2^N。由强度调制的单极性要求以及表征输特性链路衰减的Lambert模型可知，h的每个元素都为正值，则恒为非负的实数，则有：

$\begin{array}{c}\arg \underset{\left|\right|a_j\left|\right|=K\&le;N}{\min }{y}^2-{2\mathrm{yha}}_j^T+{\left({\mathrm{ha}}_j^T\right)}^2=\arg \underset{\left|\right|a_j\left|\right|=K\&le;N}{\min }-{2\mathrm{yha}}_j^T+{\left({\mathrm{ha}}_j^T\right)}^2\\ =\left\{\begin{array}{c}\arg \underset{\left|\right|a_j\left|\right|=K\&le;N}{\min }-{2\mathrm{yha}}_j^T+{\left({\mathrm{ha}}_j^T\right)}^2,h_{i_N}^N\&le;y<{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{h}_i\\ 1_{1\&times;N},y\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{h}_i\\ 0_{1\&times;N},y<h_{i_N}^N\end{array}\right.\end{array}$

快速检测与功率分配：

信道系数相等时的快速检测：当信道满足h₁＝…＝h_N时，信号接收端只可以唯一辨识为而不能判别a_j＝[c₁ … c_N]^T，因此，等效调制方式为N阶的单极性PAM信号调制，对接收信号y进行量化判决即可恢复信息，判决方法为：其中，表示向下取整。

当信道不满足h₁＝…＝h_N时，在接收端有可能唯一辨识a_j＝[c₁ … c_N]^T，且唯一可辨识条件可以表示为

${\mathrm{\&Sigma;}}_{i_1,...,i_L}{h}_i={\mathrm{\&Sigma;}}_{j_1...,j_K}{h}_j\&DoubleLeftRightArrow;\{j_1,...,j_K\}=\{i_1,...,i_L\}$

功率分配：当信道满足h_i+1/h_i＝2,i＝1,…,N-1调制方式等效为2^N阶的均匀PAM信号调制方式，且h_i+1/h_i＝2,i＝1,…,N-1为充要条件。信号接收端同样对y进行2^N阶量化，即可判决得到唯一可辨识的a_j＝[c₁ … c_N]^T。这种信道可以通过信号发射端的功率分配得到，即使是h₁＝…＝h_N，也可以通过功率分配使得等效信道满足h_i+1/h_i＝2,i＝1,…,N-1。

判决方法为：根据得到一个十进制的正整数，然后把此十进制整数变换为N位的二进制序列，再按照逆序输入即可得到a_j＝[c₁ … c_N]^T。举例说明：

当时， $a_j={[10...0]}_N^T;$ 当时， $a_j={[001...0]}_N^T;$ 当时， $a_j={[11...1]}_N^T.$

当a_j＝[c₁ … c_N]^T确定后，根据矩阵中各个元素与LED发光器件的对应关系即可确定各路OOK信号，通过并串转换模块即可将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

本实施例所述可见光通信系统的峰均功比与OOK调制方式的峰均功比相同，二者的峰均功均为2。

而传统的N阶的单极性PAM调制峰均功比PAPR为：

${\mathrm{PAPR}}_{\mathrm{PAM}}={(N-1)}^2/\left(\frac{(N-1)(N-1+1)(2N-2+1)}{6N}\right)=3(1-\frac{1}{2N-1})$

随着N的增加，PAPR_PAM在增加，最大值为3，而OOK调制方式对应的PAPR值为2。因此，本发明实施例所述可见光通信系统采用多电平调制方式，具有较小的PAPR，且频谱利用率未损失，较为适合基于LED的可见光通信。

基于OOK调制方式的峰均比可知，在所述可见光通信系统中，基于信号发射端进行等比为2的功率分配可以使得信道进行唯一可辨识。

通过上述描述可知，本申请实施例所述可见光通信系统利用LED灯的多个LED发光器件并行传输OOK信号，可以实现等效的高阶PAM信号调制。所述可见光通信系统利用LED灯高速点灭的特性，可以实现多路OOK调制，改变了传统的各个LED发光器件发射相同信号的方式，提高了信息传输量以及速度。由于LED灯具有高速开关切换的性能，故所述可见光通信系统无需数模转换器，实现OOK调制方式简单易行。

基于上述可见光通信系统，本申请实施例还提供了一种可见光通信方法，参考图4，该方法包括：

步骤S11：将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息。

步骤S12：将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路的OOK信号，通过所述OOK信号驱动LED灯内的多个LED发光器件发光。

其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件，所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号。

所述调制包括均匀调制模式以及非均匀调制模式；

当调节所述OOK信号的周期等于基本周期，为均匀调制模式；当调节所述OOK信号的周期均等于基本周期的数倍，为非均匀调制模式。

步骤S13：获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号。

步骤S14：对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。

将所述PAM信号解调为多路并行的OOK信号；

将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

所述调制的方法为：采用最大似然判决方法根据所述PAM信号计算所述可见光信号的光强，将所述光强进行N阶量化得到所述可见光的光强信息矢量，进而得到多路并行的OOK信号。其中，N为LED发光器件的个数。具体的调制方法可参见上述可见光通信系统中对应描述，在此不在赘述。

本申请实施例所述可见光通信方法利用LED灯的多个LED发光器件并行传输OOK信号，可以实现等效的高阶PAM信号调制。可以提高信息的传输速度以及传输量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种可见光通信系统，其特征在于，包括：

信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息，并将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的OOK信号，所述OOK信号用于驱动LED灯内的多个LED发光器件发光；其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件；所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号；

信号接收端，所述信号接收端用于接收所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号，对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。

2.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述信号发射端包括：

串并转换模块，所述串并转换模块用于将所述信源信号转换为多路并行的数字信息；

并行调制模块，所述并行调制模块用于将所述多路并行的数字信息调制为多路并行的OOK信号；

频率调节模块，所述频率调节模块用于调节所述OOK信号的频率，使得所述OOK信号的周期等于基本周期，使得所述LED灯工作在均匀调制模式，或使得所述OOK信号的周期均等于基本周期的数倍，使得所述LED灯工作在非均匀调制模式。

3.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述信号接收端包括：

光电转换模块，所述光电转换模块用于获取所述可见光信号，并将所述可见光信号转换为PAM信号；

解调模块，所述解调模块用于将所述PAM信号解调为多路并行的OOK信号；

并串转换模块，所述并串转换模块用于将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

4.根据权利要求3所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光电转换模块为光电二极管。

5.根据权利要求3所述的可见光通信系统，其特征在于，所述解调模块采用最大似然判决方法根据所述PAM信号计算所述可见光信号的光强，将所述光强进行N阶量化得到所述可见光的光强信息矢量，进而得到多路并行的OOK信号；

其中，N为LED发光器件的个数。

6.根据权利要求1-5任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，所述信源信号可以为视频信号、音频信号或是图像信号。

7.一种可见光通信方法，其特征在于，包括：

将待发送的信源信号转换为多路并行的数字信息；

将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路的OOK信号，通过所述OOK信号驱动LED灯内的多个LED发光器件发光，其中，每一路OOK信号对应驱动一个LED发光器件，所述LED灯的多个LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成混合的可见光信号；

获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为PAM信号；

对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号。

8.根据权利要求7所述的可见光通信方法，其特征在于，所述调制包括均匀调制模式以及非均匀调制模式；

当调节所述OOK信号的周期等于基本周期，为均匀调制模式；当调节所述OOK信号的周期均等于基本周期的数倍，为非均匀调制模式。

9.根据权利要求7所述的可见光通信方法，其特征在于，所述对所述PAM信号进行解调，获取所述信源信号包括：

将所述PAM信号解调为多路并行的OOK信号；

将所述多路并行的OOK信号转换为所述信源信号。

10.根据权利要求9所述的可见光通信方法，其特征在于，所述解调的方法为：采用最大似然判决方法根据所述PAM信号计算所述可见光信号的光强，将所述光强进行N阶量化得到所述可见光的光强信息矢量，进而得到多路并行的OOK信号；

其中，N为LED发光器件的个数。