CN104022822A

CN104022822A - 一种基于rgb型的led可见光通信频率调制方法

Info

Publication number: CN104022822A
Application number: CN201410212900.2A
Authority: CN
Inventors: 杨静; 黄开枝; 钟州; 赵华; 季新生; 彭建华; 陆庆峰; 肖帅芳; 杨梅樾; 郑浩天; 方馨蔚
Original assignee: PLA Information Engineering University
Current assignee: PLA Information Engineering University
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-09-03

Abstract

本发明涉及可见光通信频率调制领域，特别涉及一种基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，充分利用频率资源，将数据比特流中前3个比特映射到RGB颜色组合选择上，使得LED进行灯芯选择的同时携带了映射比特信息，相比于普通的照明通信方式，本发明中的方案可以每次闪烁平均传输4.5个比特，有效提高可见光通信系统的传输速率，直接将速率提高了4.5倍；且在接收端只需使用滤波技术将接收到的光信号进行滤波，根据每个颜色滤波器得到的信号的功率是否大于设定的判决门限即可判断出所选用的LED灯芯组合及发光灯芯承载的比特从而恢复出发送数据，复杂度低，抗干扰性强，有效保证了系统的可靠性和可用性。

Description

一种基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法

技术领域

本发明属于可见光通信频率调制领域，特别涉及一种基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法。

背景技术

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）具有发射功率高、无电磁干扰、无频谱认证、绿色环保等优点，能够有效缓解无线电频谱资源趋于枯竭的问题，近年来越来越受到人们的重视。它采用可见光波段的光作为信息传播的载体，利用白光发光二极管（LED）发出肉眼观察不到的高速调制光波信号来对信息进行调制和传输，然后利用光电二极管（PD）等光电转换器件接收光载波信号并获得信息。随着多媒体业务的发展，人们对数据传输速率的需求越来越高，实现高速率数据传输成为室内VLC的一个重要研究目标。

现有的可见光通信中的调制方式主要有开关键控（On-Off Keying，OOK）、脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）、光空间调制（Optical Spatial Modulation，OSM）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等。OOK方式通过简单的开关通断来实现数据传输，实现简单，但频谱效率低；PPM方式由光脉冲所在的位置来表示信息，降低了发射功率要求，但增加了系统带宽要求；OSM方式将一部分比特映射到LED灯选择上，另一部分比特经过编码在指定的LED上传输，能实现比较高的吞吐量和传输功率，但频谱效率比较低且需要大量训练开销来得到信道状态信息。上述调制方式都严重的受限于带宽，而常用白光LED调制带宽较低，仅有约20M，严重制约了可将光通信速率的提高。

RGB型LED由一个蓝色灯芯、一个红色灯芯一个绿色灯芯组成，三种颜色的灯芯共同发光混合成白光。三种颜色具有不同的频率，但是目前的可见光通信中，RGB型LED灯的三种颜色都被用来传输相同的数据，浪费了频率资源。

发明内容

针对目前可见光通信的调制方法严重受限于带宽及未充分利用RGB型LED灯频率资源的问题，本发明提供一种充分利用RGB型LED灯频率资源、实现数据高速传输的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，复杂度低，抗干扰性能强，有效保证可见光通信系统的可靠性和可用性。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，包含如下步骤：

步骤1、建立比特符号和颜色灯芯组合状态的映射规则，确定颜色灯芯的承载恢复比特的顺序规则；

步骤2、确定发光的颜色灯芯组合状态，根据映射规则选取与当前输入的前3比特数据相对应发光的颜色灯芯组合状态，并根据发光颜色灯芯的数目确定颜色灯芯的承载恢复比特；

步骤3、根据映射规则确定发光颜色灯芯组合后，未选中的灯芯不被激活，选中的灯芯被激活发光，发光灯芯根据步骤1中的顺序规则依次从比特流中承载一个对应比特进行并行传输，当灯芯承载比特为1时，灯芯发射一个强度为I₁的信号，当承载比特为0时，灯芯发射一个强度为I₂的信号，其中，I₁、I₂满足I₁>I₂；

步骤4、可见光通信频率调制的接收端将光信号分别通过R、G、B的颜色滤波器，得到对应颜色的滤波信号，采用门限判决准则对各颜色灯芯的发光状态及其传输的比特数据进行判决，得出发射端所选择的灯芯激活状态组合及其承载恢复比特；

步骤5、基于步骤1中的映射规则，由步骤4中得到的灯芯激活状态组合获得对应的颜色映射比特，并根据其承载恢复比特按照对应的顺序规则得到发光灯芯的承载数据，将二者进行拼接即可恢复数据。

根据上述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，可见光通信频率调制的发射端利用RGB型LED灯的三种颜色灯芯（R、G、B）分别发送不同的比特数据。

根据上述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，所述步骤1的映射规则中颜色灯芯的激活状态对应比特符号1，未被激活的状态对应比特符号0。

根据上述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，所述步骤4中颜色滤波器分别对应一个功率检测器，通过功率检测器可得到滤波信号强度。优选的，所述步骤4中的门限判决准则包含内容如下：若得到的滤波信号强度为零，则判定在发射端该对应的颜色灯芯处于未激活状态；若得到的滤波信号强度大于（I₁+I₂）/2，则判定对应的颜色灯芯被激活，且发送一个承载恢复比特1；若得到的滤波信号强度小于（I₁+I₂）/2，则判定对应的颜色灯芯被激活，且发送了一个承载恢复比特0。

本发明基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法的有益效果：

1. 本发明充分利用RGB型LED的频率资源，提高可见光通信系统传输速率，相比现有的可见光通信调制方法，该发明基于RGB型LED中三原色灯芯发出的三色光具有不同频率特性的特点，充分利用其频率资源，通过将数据比特流中3个比特映射到RGB颜色组合选择上，使得LED进行灯芯选择的同时携带了映射比特信息，选中的灯芯同时还能传输一个承载恢复比特，相比于普通的照明通信方式，LED闪烁一次传输1个比特，本发明的方案有效提高可见光通信系统的传输速率，将传输速率提高了4.5倍。

2. 本发明在可见光通信系统频率调制的接收端只需使用滤波技术将接收到的光信号进行滤波，根据每个颜色滤波器得到的信号的功率是否大于设定的判决门限，即可判断出所选用的LED灯芯激活状态组合，即其传输的比特数据，将两种比特数据进行拼接，即可恢复发射数据，复杂度低，抗干扰性强，有效保证了系统的可靠性和可用性。

附图说明：

图1为可见光通信系统的收发原理框图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明的频选比特映射原理图之一；

图4为本发明的频选比特映射原理图之二；

图5为本发明的可见光通信系统频率调制接收端的滤波原理框图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1~5，由图1可见光通信系统的收发原理框图可知，发送的电信号经过串并转换、编码调制处理后到达光源驱动LED发光，光信号在经过自由空间传输后到达接收端，经过接收端的滤波器滤波、透镜、聚焦后到达光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，再经过接收处理模块放大恢复数据。具体实施方式为一种基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，将每种颜色的灯芯信号强度均设置为I，输入的比特数据为，其中为比特长度等于激活灯芯数目的比特串，为集合的一个值，该方法包含如下步骤：

步骤1、建立比特符号和颜色灯芯组合状态的映射规则，将3比特数据的8种组合映射到3种颜色灯芯的8种激活状态组合，发光灯芯按照蓝、红、绿的顺序依次承载恢复比特，由此确定颜色灯芯的承载恢复比特的顺序规则，映射规则和顺序规则收发双方共同遵守，映射规则见表一;

步骤2、确定发光的颜色灯芯组合状态，根据映射规则选取与当前输入的前3比特数据相对应发光的颜色灯芯组合状态，并根据发光颜色灯芯的数目确定颜色灯芯的承载恢复比特，当所有灯芯都未被激活时，可以传输3个颜色映射比特，当只有一个灯芯被激活时，可以传输4个数据比特，其中3个比特用于颜色映射，1个比特被承载到发光灯芯上传输，同理，两个灯芯被激活时，可以传输5个数据比特（相当于3个颜色映射比特和2个承载比特），三个灯芯都被激活时，可以传输6个数据比特（相当于3个颜色映射比特和3个承载比特）；因此，LED闪烁一次可以传输的比特数目为集合 {3,4,5,6}中的一个值，平均传输4.5个比特；可见光通信系统频率调制的发射端的比特映射关系如图3、4所示，3个比特010通过颜色映射规则得到第3种颜色组合，则只有红色灯芯被激活发光传输一个比特，而蓝色和绿色不发光，则大小为1；3个比特011通过颜色映射规则得到第4种颜色组合，则红色和绿色灯芯被激活发光，能承载两个比特，则大小为2，蓝色灯芯依然不发光；

步骤3、根据映射规则确定发光颜色灯芯组合后，未选中的灯芯不被激活，选中的灯芯被激活发光，发光灯芯根据步骤1中的顺序规则依次从比特流中承载一个对应比特进行并行传输，当灯芯承载比特为1时，灯芯发射一个强度为I₁的信号，当承载比特为0时，灯芯发射一个强度为I₂的信号，其中，I₁、I₂满足I₁>I₂；本实施例中每种颜色的灯芯信号强度均设置为I，当传输比特为1时，灯芯发射一个强度为的信号；当传输比特为0时，灯芯发射一个强度为的信号，灯芯承载比特信号的原理图如图3、4所示，010比特映射到颜色组合后，只有红色灯芯被激活发光，红色灯芯传输一个比特0，即即为0，此时红色灯芯发送一个强度为的信号；当比特011映射到第4种组合后，红色和绿色灯芯被激活发光，依据红、绿、蓝承载比特的顺序，将后续比特1承载到红色灯芯上，0承载到绿色灯芯上，即即为10，红色灯芯发送一个强度为的信号，绿色灯芯发送一个强度为的信号；

步骤4、可见光通信频率调制的接收端将光信号分别通过R、G、B的颜色滤波器，得到对应颜色的滤波信号，采用门限判决准则对各颜色灯芯的发光状态及其传输的比特数据进行判决，得出发射端所选择的灯芯激活状态组合及其承载恢复比特，颜色滤波器分别对应一个功率检测器，通过功率检测器可得到滤波信号强度。门限判决准则包含内容如下：若得到的滤波信号强度为零，则判定在发射端该对应的颜色灯芯处于未激活状态；若得到的滤波信号强度大于I，则判定对应的颜色灯芯被激活，且发送一个承载恢复比特1；若得到的滤波信号强度小于I，则判定对应的颜色灯芯被激活，且发送了一个承载恢复比特0。

步骤5、基于步骤1中的映射规则，由步骤4中得到的灯芯激活状态组合获得对应的颜色映射比特，并根据其承载恢复比特按照对应的顺序规则得到发光灯芯的承载数据，将二者进行拼接即可恢复数据，即发送端发送的数据。

可见光通信频率调制的发射端利用RGB型LED灯的三种颜色灯芯（R、G、B）分别发送不同的比特数据。

所述步骤1的映射规则中颜色灯芯的激活状态对应比特符号1，未被激活的状态对应比特符号0。

本发明是基于RGB型LED中三原色灯芯发出的三色光具有不同频率特性的特点，充分利用其频率资源，将数据比特流中前3个比特映射到RGB颜色组合选择上，使得LED进行灯芯选择的同时携带了映射比特信息；在选中灯芯后，发光灯芯还可承载1比特信息，相比于普通的照明通信方式，LED闪烁一次传输1个比特，本发明中的方案可以每次闪烁平均传输4.5个比特，有效提高可见光通信系统的传输速率，直接将速率提高了4.5倍；且在接收端只需使用滤波技术将接收到的光信号进行滤波，根据每个颜色滤波器得到的信号的功率是否大于设定的判决门限即可判断出所选用的LED灯芯组合及发光灯芯承载的比特从而恢复出发送数据，复杂度低，抗干扰性强，有效保证了系统的可靠性和可用性。

Claims

1.一种基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤3、根据映射规则确定发光颜色灯芯组合后，未选中的颜色灯芯不被激活，选中的颜色灯芯被激活发光，发光的颜色灯芯根据步骤1中的顺序规则依次从比特流中承载一个对应比特进行并行传输，当灯芯承载比特为1时，灯芯发射一个强度为I₁的信号，当承载比特为0时，灯芯发射一个强度为I₂的信号，其中，I₁、I₂满足I₁>I₂；

2.根据权利要求1所述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，其特征在于：可见光通信频率调制的发射端利用RGB型LED灯的三种颜色灯芯（R、G、B）分别发送不同的比特数据。

3.根据权利要求1所述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，其特征在于：所述步骤1的映射规则中颜色灯芯的激活状态对应比特符号1，未被激活的状态对应比特符号0。

4.根据权利要求1所述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，其特征在于：所述步骤4中颜色滤波器分别对应一个功率检测器，通过功率检测器得到滤波信号强度。

5.根据权利要求1或4所述的基于RGB型的LED可见光通信频率调制方法，其特征在于：所述步骤4中的门限判决准则包含内容如下：若得到的滤波信号强度为零，则判定在发射端该对应的颜色灯芯处于未激活状态；若得到的滤波信号强度大于（I₁+I₂）/2，则判定对应的颜色灯芯被激活，且发送一个承载恢复比特1；若得到的滤波信号强度小于（I₁+I₂）/2，则判定对应的颜色灯芯被激活，且发送了一个承载恢复比特0。