CN104053278A - 基于可见光通信的四色led混光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可见光通信的四色LED混光方法，其包括以下步骤：利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布，并计算出对应的各单色光的三刺激值；确定混合光的目标色温，选择相应的参照光源求得其混合色的三刺激值；根据颜色相加原理，所述各单色光的三刺激值相加应该等于所述混合色的三刺激值，得混色方程组；根据所述混色方程组中各单色光的混光系数，可以得到混合光的光谱功率分布，利用混合光的光谱功率分布计算混合光的显色指数R_a,其中，R_a≥ε；计算混合光的信道容量C的范围，在所述范围内求出最大容量C_max；输出所述最大容量的各色光配比。

Description

基于可见光通信的四色LED混光方法

技术领域

本发明属于无线光通信的技术领域，尤其涉及一种基于可见光通信的四色LED混光方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，人们对生活的品质的要求也越来越高，与此同时，通信领域开始追求一种“绿色的”和“高速率的”通信技术。可见光通信技术作为上述备选方案正逐渐成为研究领域的热点。它利用激光器件或者LED器件，通过对光照强度的调制来实现信息高速传输，满足了日常工作照明的同时，也满足了人们对信息高速传输的要求。该技术具有独立于射频频谱的免费的宽带频谱资源，无电磁干扰和辐射，绿色安全，保密性好等优点，正好弥补了传统无线通信技术的不足。随着白光LED器件技术方面上的不断发展，白光LED器件逐渐成为可见光通信系统中电光转换器件的首选。

从照明角度来看，普通单色LED光源具有与传统光源不一样的光谱特性，其光谱宽度较窄，形状类似于高斯分布，因此无法直接作为照明使用。若想产生质量较高的照明光源，目前有两种主流的方法，它们分别对应于两种常见的商用白光LED。其中的一种是单芯片荧光白光LED。它采用类似于荧光灯的工作原理，用蓝光或紫外光激发不同荧光材质来混合出白光。另一种则是多色多芯片LED。它们将红、绿、蓝(RGB)或更多独立颜色集成在一起，通过调节各色配比来混合出所需的照明色。上述两种白光LED中的单芯片荧光LED由于其价格低廉，驱动电路简单，产量高，目前市场保有量非常大。

但随着室内照明对光源的光谱质量要求逐渐提高，人们更习惯于太阳发出的连续光谱的自然光。然而，单芯片荧光白光LED的光谱较为单一，普遍的照明显色指数不高，与自然光照明质量仍有相当的差距。另外，随着智能家居的推广，对于可变色温照明的要求也越来越高。它需要照明色温应当随着季节的变化而变化，并且应当随着应用场景的变化而变化。显然单芯片荧光白光LED无法应对上述照明的需求。

而对于四色LED，尽管由于价格因素及驱动复杂的影响而尚未普及，但其天然拥有多种峰值波长各不相同的单色芯片，通过各个芯片发光强度配比的调整可以轻松实现上述色温的连续调节的需求。除此之外，对于四色LED，还拥有在相同色温的情况下显色指数调节的能力。因此，在智能家居中四色LED的应用势在必行。

另一方面，从通信角度而言，单芯片荧光白光LED仅能提供一条物理通信通道，业界最新报导此类系统的所能到达的最高数据传输速率约为500Mbps左右。此外，由于受到带宽、功率等诸多因素的影响，进一步提高传输速率将非常困难。四色LED天然拥有峰值波长各不相同的单色芯片，若将它们配合接收滤光片可以形成多个独立波分复用信道，从而获得数倍于单芯片荧光白色LED的通信速率。

目前来说，照明研究以及控制照明质量的设计一般不考虑通信的需求；而做多色混合可见光通信又一般不考虑照明指标的控制，因此，将上述两个方面，即照明与通信设计联合优化的系统设计尚未出现。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术中的不足，提出了一种基于可见光通信的四色LED混光方法，其保证室内优质照明条件的约束下，使得四色LED光通信的信道容量最大化。

本发明提供了一种基于可见光通信的四色LED混光方法，其包括以下步骤：

1)利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布，并计算对应的各单色光的三刺激值；

2)确定混合光的目标色温，选择相应的参照光源求得其混合色的三刺激值；

3)根据颜色相加原理，所述各单色光的三刺激值相加应该等于所述混合色的三刺激值，得混色方程组；

4)根据所述混色方程组中各单色光的混光系数，可以得到混合光的光谱功率分布，利用混合光的光谱功率分布计算混合光的显色指数R_a,其中，

R_a≥ε；

5)计算混合光的信道容量C的范围，在所述范围内求出最大容量C_max；

6)输出所述最大容量的各色光配比。

优选地，混光为串行模式，所述串行模式是指所述四色LED光依次发射，根据获得的所述的各单色光的混光系数相对比例，调整对应的所述各单色光的发光时间脉宽，在发射端得到目标混合白光，得到所述混合白光的信道总容量C的范围。

优选地，四色LED混光为RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系数的相对比例为[k₁,k₂,k₃,k₄]，所述方法具体为：

i.首先计算分别发射各单色光时接收端APD的响应电流I_si，已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)，混合光的光谱功率分布函数为S_i(λ)，i＝1,2,3,4，则有 $I_{\mathrm{si}}=\frac{(m+1)A}{{2\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^m\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}{\∫}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{MR}\left(\mathrm{\λ}\right)S_i\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ},$

M是APD的输出增益；为朗伯辐射阶数；φ为发射机四色LED的其中，

发射角；ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角；d为接收端与发射端的空间距离；A为接收APD的感光面积；

ii.接收端的噪声为散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽，F为超噪声系数；

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数[h₁,h₂,h₃,h₄]；

$h_i=\frac{I_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

iv.计算各单色光信道的容量c_i；

c_i＝log₂(1+h_i ²)

v.计算混合白光的信道总容量C；

$C=\frac{k_1{c}_1+k_2{c}_2+k_3{c}_3+k_4{c}_4}{k_1+k_2+k_3+k_4}$

vi.优化信道容量，求解最大值C_max；

C为关于k₄的函数，求出信道容量的最大值。

优选地，混光为串行模式，所述串行模式是指所述四色LED光依次发射，根据获得的所述的各单色光混光系数的相对比例，调节各单色光电流、发光时间脉宽之间的配比，在发射端得到目标混合白光，得到所述混合白光的信道总容量C的范围。

优选地，四色LED混光为RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系数的相对比例为[k₁,k₂,k₃,k₄]，所述方法具体为：各单色光发光时间脉宽为x_i，电流相对于700mA驱动电流的比例为y_i，则有以下关系：

x_iy_i＝k_i

i.首先计算分别发射各单色光时接收端APD的响应电流I_si，已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)，混合光的光谱功率分布函数为S_i(λ)，i＝1,2,3,4，则有

其中，M是APD的输出增益；为朗伯辐射阶数；φ为发射机四色LED的发射角；ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角；d为接收端与发射端的空间距离；A为接收APD的感光面积；

ii.接收端的噪声为虑散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2={2\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽，F为超噪声系数；

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数[h₁,h₂,h₃,h₄]；

$h_i=\frac{I_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

iv.计算各单色光信道的容量c_i；

c_i＝log₂(1+h_i ²)

v.计算混合白光的信道总容量C；

C＝x₁c₁+x₂c₂+x₃c₃+x₄c₄

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为常数。

优化信道容量，求解最大值C_max；

优选地，混光为并行模式，并行模式是指所述四色LED光同时发射，根据获得的所述的各单色光混光系数的相对比例，调整对应的各单色光的偏置电流，在发射端得到目标混合白光，获得所述混合白光的信道总容量C的范围。

优选地，四色LED混光为RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系数的相对比例为[k₁,k₂,k₃,k₄]，所述方法具体为：

i.首先计算发射不同单色光时接收端APD的响应电流I_si，已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)，混合光的光谱功率分布函数为S_i(λ)，i＝1,2,3,4，在接收端设置滤光镜且该滤光镜的滤波函数为F_i(λ)，则有

I_si,j为发送j色光，通过i色滤光镜得到的响应电流，j＝1,2,3,4，其中，M是APD的输出增益；为朗伯辐射阶数；φ为发射机四色LED的发射角；ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角；d为接收端与发射端的空间距离；A为接收APD的感光面积；

ii.接收端的噪声为散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽，F为超噪声系数。

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数矩阵。矩阵形式为

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& h_{\mathrm{1,3}}& h_{\mathrm{1,4}}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& h_{\mathrm{2,3}}& h_{\mathrm{2,4}}\\ h_{\mathrm{3,1}}& h_{\mathrm{3,2}}& h_{\mathrm{3,3}}& h_{\mathrm{3,4}}\\ h_{\mathrm{4,1}}& h_{\mathrm{4,2}}& h_{\mathrm{4,3}}& h_{\mathrm{4,4}}\end{array}\right]$

其中，为发送j色光，通过i色滤光镜得到的噪声归一化的等效光信道的系数；

iv.计算混合白光的信道总容量C；

C＝log₂(det(I+HKK'H'))

其中，

$K=\left[\begin{array}{cccc}{k}_1& 0& 0& 0\\ 0& k_2& 0& 0\\ 0& 0& k_3& 0\\ 0& 0& 0& k_4\end{array}\right]$

优化信道容量，求解最大值C_max。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

本发明混光技术方案与现有的白光或RGB无线光通信技术相比，现有的白光或RGB无线光通信仅考虑了通信的指标，本发明混光技术则在针对通信各项指标的优化基础之上，兼顾到室内的照明，使得RGBA/W四色光通信的光源具有丰富的光谱、可调的色温、色调，以及较高的显色指数，满足室内工作环境对照明的需求。

本发明混光技术方案与现有的RGB或RGBA/W混光技术相比，现有的混白光技术只考虑了光源质量的改善，本发明混光技术则在保证光源质量满足照明需求的基础之上，考虑了通信的因素，使混合白光拥有最大的信道容量，以便最大限度地提高四色光通信的通信速率。

本发明混光技术并行模式下，四色光同时发出。与现有的RGB三色光通信并行模式相比，多出了琥珀色(amber)/白色(white)光，因此能更大程度地丰富混合白光的光谱，改善其显色指数。同时本发明混光技术考虑了通信的因素，将混光比例与信道容量联系起来，通过对信道容量进行优化得到各色光的最佳配比，极大地提高了四色光通信的信道容量。

本发明混光技术串行模式下，四色光依次发出。与现有的RGB三色光通信串行模式相比，在光源质量方面、通信速率方面与并行模式均有着同样的优势。本发明混光技术串行模式引入了一个新的发明点在于，将各单色光光谱功率分布总增益的权重通过合适的方式分配给各单色光电流以及发光时间脉宽进行折中，以在此基础之上获取更大的信道容量。结果表明相比串行模式仅调节发光时间脉宽的混光，信道容量又有了较大的提高。

附图说明

图1a为本发明一实施例RGBA/W四色LED并行混光模式示意图；

图1b为本发明又一实施例RGBA/W四色LED的串行混光模式示意图；

图1c为本发明另一实施例RGBA/W四色LED的串行混光模式示意图；

图2为基于可见光通信的四色LED混光方法流程图；

图3为光谱仪测得的LZC-03MA07型号灯珠各单色光的光谱功率分布；

图4为光谱仪测得的LZC-03MD07型号灯珠各单色光的光谱功率分布。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明。

本发明采用两种混光模式，即红光、绿光、蓝光、琥珀光(RGBA，red，green，blue，amber)或红光、绿光、蓝光、白光(RGBW，red，green，blue，white)四色LED的串行和并行两种混光模式。如图1a、1b、1c所示，四种颜色矩形框代表发射的四种单色光，矩形高度代表发射单色光电流的大小，矩形长度代表发射单色光的时间脉宽。

参考图1a，并行模式是指四种光同时发射，通过控制四种光的电流来改变各单色光的光强，以调整混合光的光谱。串行模式是指四种光依次发射，这种模式下又分两种情况。参考图1b，一种是各单色光电流不可调，仅控制各单色光发光时间脉宽；参考图1c，另一种是各单色光电流、以及发光时间脉宽均可调节。

在上述两种模式下，我们考虑混合出任意色温白光所需各单色光的配比。混光计算步骤较为复杂，我们基于色度学理论和混光原理，通过matlab仿真进行计算，可方便地计算出四色光合成任意光谱功率分布的白光的配比，并可对不同配比下各单色光电流、发光时间脉宽进行优化。而混合白光的光谱功率分布将决定它的色度参数、显色指数等，基于某些指标的约束，对混合白光的信道容量进行优化求其最大解，在保证优质室内照明条件的同时实现了高速可见光通信。

如图2所示，本发明提供一种基于可见光通信的四色LED混光方法，包括以下步骤：

1)选择RGBA四色LED，型号为LZC-03MA07，以及RGBW四色LED，型号为LZC-03MD07，利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布S_i(λ)，如图2及图3，求出X′_i、Y′_i、Z′_i，以及对应的三刺激值k_iX′_i、k_iY′_i、k_iZ′_i，k_i为第i种单色光的混光系数，i＝1,2,3,4。

$X_i^{\′}={\∫}_{\mathrm{\λ}}{S}_i\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

$Y_i^{\′}={\∫}_{\mathrm{\λ}}{S}_i\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

$Z_i^{\′}={\∫}_{\mathrm{\λ}}{S}_i\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中，为CIE1931标准色度系统中的光谱三刺激值。

2)确定混合光的目标色温T_c，选择相应的参照光源，根据沃尔特斯经验公式，可求得对应色温下参照光源的CIE1960UCS色品坐标[u_r,v_r]，以及14种样品(CIE选择了14种颜色样品作为计算光源显色指数的标准样品，并给出了14种颜色样品的光谱辅亮度因数。前八种样品为中等饱和度、中等明度的各种有代表性色调的样品，计算一般显色指数R_a时只用1～8号样品。求得的R_a值表示了待测光源的色显现对参照照明体色显现的平均偏离)在参照光源下的明度值等k＝1,2...14。然后求得其色品坐标x、y、z。

$x=\frac{3u}{4+2u-8v}$

$y=\frac{2v}{4+2u-8v}$

z＝1-x-y

令混合光三刺激值Y为100，则X和Z相应的为100x/y、100z/y。

3)根据颜色相加原理，各单色光的三刺激值相加应该等于混合色的三刺激值，得混色方程组。

k₁X′₁+k₂X′₂+k₃X′₃+k₄X′₄＝100x/y

k₁Y′₁+k₂Y′₂+k₃Y′₃+k₄Y′₄＝100

k₁Z′₁+k₂Z′₂+k₃Z′₃+k₄Z′₄＝100z/y

此种情况下，混光方程组有无穷多组解，于是[k₁,k₂,k₃]可由k₄线性表示。

$\left[\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ k_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{X}_1^{\′}& X_2^{\′}& X_3^{\′}\\ Y_1^{\′}& Y_2^{\′}& Y_3^{\′}\\ Z_1^{\′}& Z_2^{\′}& Z_3^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}100x/y-k_4{X}_4^{\′}\\ 100-k_4{Y}_4^{\′}\\ 100z/y-k_4{Z}_4^{\′}\end{array}\right]$

4)根据各单色光的混光系数k_i可以得到混合光的光谱功率分布S(λ)。

S(λ)＝k₁S₁(λ)+k₂S₂(λ)+k₃S₃(λ)+k₄S₄(λ)

5)利用混合光的光谱功率分布S(λ)计算混合光的显色指数R_a。

a)混合光与参照光源有相同的色温T_c和相同的三刺激值X、Y、Z，因此其具有相同的CIE1960UCS色品坐标[u_t,v_t]＝[u_r,v_r]。

b)计算14种样品在混合光下的色品坐标[u_t(k),v_t(k)]，k＝1,2...14。

c)由于参照光源的色品坐标和混合光的不完全相同，需要进行色适应修正，减少不同光源照明带来的色适应影响，得到修正后的色品坐标[u'_t(k),v′_t(k)]。

d)计算每种样品在混合光照明下的色差ΔE(k)。

W_t ^*(k)＝25Y_t(k)^1/3-17

$U_t^{*}\left(k\right)=12{W_t}^{*}\left(k\right)(u_t^{\′}\left(k\right)-u_r)$

V_t ^*(k)＝13W_t ^*(k)(v′_t(k)-v_r)

$\mathrm{\ΔE}\left(k\right)=\sqrt{{({W_t}^{*}\left(k\right)-W_r^{*}\left(k\right))}^2+{(U_t^{*}\left(k\right)-U_r^{*}\left(k\right))}^2+{({V_t}^{*}\left(k\right)-V_r^{*}\left(k\right))}^2}$

e)计算显色指数R_i(k),R_a.

R_i(k)＝100-4.6ΔE(k)

$R_a=\frac{1}{8}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i\left(k\right)$

R_i(k),R_a均为关于k₄的函数。在本实施例中，考虑到室内照明对显色指数的要求，取ε＝80，即R_a≥80，利用matlab解出k₄满足此条件的取值范围[α₁,α₂]。

6)计算串行、并行两种模式下混合光的信道容量C。

混光分串行和并行两种模式。并行模式是指四种光同时发射，通过控制四种光的电流来改变各单色光的光强，以调整混合光的光谱功率分布。串行模式是指四种光依次发射，这种模式下又分两种情况：一种是各单色光电流不可调，仅控制各单色光发光时间脉宽；另一种是各单色光电流、以及发光时间脉宽均可调节。

实施例1

参考图1b，串行模式下仅调节各单色光发光时间脉宽。根据获得的[k₁,k₂,k₃,k₄]的相对比例，调整对应的各单色光的发光时间脉宽，在发射端得到目标混合白光。

i.首先计算分别发射各单色光时接收端APD的响应电流I_si。已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)。考虑到接收端与发射端的空间位置，则有

$I_{\mathrm{si}}=\frac{(m+1)A}{{2\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^m\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}{\∫}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{MR}\left(\mathrm{\λ}\right)S_i\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中，

M是APD的输出增益(取M＝50)；

$m=-\frac{\ln \left(2\right)}{\ln \left(\cos {\mathrm{\φ}}_{1/2}\right)}$ 为朗伯辐射阶数(取)；

φ为发射机四色LED的发射角(取)；

ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角(取ψ＝0)；

d为接收端与发射端的空间距离(取d＝1)；

A为接收APD的感光面积(取A＝0.78×10^-6)。

ii.接收端的噪声包括放大器噪声，发射光的散弹噪声等，其中以发射光的散弹噪声为主。若只考虑散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽(取B＝10⁸)，F为超噪声系数(取F＝3)。

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数[h₁,h₂,h₃,h₄]。

$h_i=\frac{I_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

iv.计算各单色光信道的容量c_i。

c_i＝log₂(1+h_i ²)

v.计算混合白光的信道总容量C。

$C=\frac{k_1{c}_1+k_2{c}_2+k_3{c}_3+k_4{c}_4}{k_1+k_2+k_3+k_4}$

vi.优化信道容量，求解最大值C_max。

C为关于k₄的函数。通过matlab求出信道容量的最大值。

vii.此模式下色温3500K，6000K，光强500lm时，RGB、RGBA、RGBW三种多色LED灯混光后，信道容量优化得到最大值以及相应的k₄，[k₁,k₂,k₃]是k₄线性表示，就能得到对应的混光比例[k₁,k₂,k₃,k₄]，根据前述步骤能计算出不同色温下混合光的显色指数、信道容量，结果对比如表1所示。

由结果可知，串行模式仅调节发光时间脉宽时，在同样的色温以及光强下进行混光，四色混光的显色指数相对于三色混光明显提高了很多，在信道容量上RGBW为最大，RGB次之，RGBA最小。

3500K	RGB	RGBA	RGBW	6000K	RGB	RGBA	RGBW
								Ra	11.52708	79.99486	80.00484	Ra	54.41945	79.99717	80.00363
C	9.674591	9.425533	9.843737	C	9.642849	9.458624	9.741629

表1

实施例2

参考图1c，串行模式下各单色光电流、发光时间脉宽均可调。根据获得的[k₁,k₂,k₃,k₄]的相对比例，调节各单色光电流、发光时间脉宽之间的配比。假设各单色光发光时间脉宽为x_i，电流相对于700mA驱动电流的比例为y_i，则有以下关系：

x_iy_i＝k_i

i.首先计算分别发射各单色光时接收端APD的响应电流I_si。已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)。考虑到接收端与发射端的空间位置，则有

其中，

M是APD的输出增益(取M＝50)；

$m=-\frac{\ln \left(2\right)}{\ln \left(\cos {\mathrm{\φ}}_{1/2}\right)}$ 为朗伯辐射阶数(取)；

φ为发射机四色LED的发射角(取)；

ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角(取ψ＝0)；

d为接收端与发射端的空间距离(取d＝1)；

A为接收APD的感光面积(取A＝0.78×10^-6)。

ii.接收端的噪声包括放大器噪声，发射光的散弹噪声等，其中以发射光的散弹噪声为主。若只考虑散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽(取B＝10⁸)，F为超噪声系数(取F＝3)。

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数[h₁,h₂,h₃,h₄]。

$h_i=\frac{I_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

iv.计算各单色光信道的容量c_i。

c_i＝log₂(1+h_i ²)

v.计算混合白光的信道总容量C。

C＝x₁c₁+x₂c₂+x₃c₃+x₄c₄

通过化简可得到

C＝x₁log₂(1+a₁y₁)+x₂log₂(1+a₂y₂)+x₃log₂(1+a₃y₃)+x₄log₂(1+a₄y₄)

其中

a₁、a₂、a₃、a₄为常数。

vi.优化信道容量，求解最大值C_max。

由于容量C不是仅关于k₄的函数，因此这种情况下为多变量优化问题。通过数学证明可知该优化问题为凸问题，因此可以加上以下约束条件求解最大值。

x₁+x₂+x₃+x₄≤1

α₁≤k₄≤α₂

然后，使用matlab求得最大解C_max。

vii.此模式下色温3500K，6000K，光强500lm时，RGB、RGBA、RGBW三种多色LED灯混光后，信道容量优化得到最大值以及相应的k₄，[k₁,k₂,k₃]是k₄线性表示，就能得到对应的混光比例[k₁,k₂,k₃,k₄]，根据前述步骤能计算出不同色温下混合光的显色指数、信道容量，结果对比如表2。

由结果可知，串行模式电流、发光时间脉宽均可调节时，在同样的色温以及光强下进行混光，四色混光的显色指数相对于三色混光明显提高了很多，在信道容量上RGBA为最大，RGBW次之，RGB最小。这种情况就体现出了四色混光的优势。

3500K	RGB	RGBA	RGBW	6000K	RGB	RGBA	RGBW
								Ra	11.52708	79.99486	80.00484	Ra	54.41945	79.99717	80.00363
C	17.16369	17.7439	17.47214	C	17.23313	17.89873	17.57746

表2

实施例3

参考图1a，并行模式下根据获得的[k₁,k₂,k₃,k₄]的相对比例，调整对应的各单色光的偏置电流，在发射端得到目标混合白光。

i.首先计算发射不同单色光时接收端APD的响应电流I_si。已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)。由于多种单色光同时发送混合出白光，接收端存在交叉串扰，因此需要滤光镜来滤色。假设滤光镜的滤波函数为F_i(λ)，接收端APD的响应函数为R(λ)。考虑接收端与发射端的空间位置，以及不同光之间的交叉干扰，则有

为发送j色光，通过i色滤光镜得到的响应电流，j＝1,2,3,4。其中M是APD的输出增益(取M＝50)；

$m=-\frac{\ln \left(2\right)}{\ln \left(\cos {\mathrm{\φ}}_{1/2}\right)}$ 为朗伯辐射阶数(取)；

φ为发射机四色LED的发射角(取)；

ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角(取ψ＝0)；

d为接收端与发射端的空间距离(取d＝1)；

A为接收APD的感光面积(取A＝0.78×10^-6)。

ii.接收端的噪声包括放大器噪声，发射光的散弹噪声等，其中以发射光的散弹噪声为主。若只考虑散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中

q为电子电荷，B为系统带宽(取B＝10⁸)，F为超噪声系数(取F＝3)。

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数矩阵。矩阵形式为

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& h_{\mathrm{1,3}}& h_{\mathrm{1,4}}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& h_{\mathrm{2,3}}& h_{\mathrm{2,4}}\\ h_{\mathrm{3,1}}& h_{\mathrm{3,2}}& h_{\mathrm{3,3}}& h_{\mathrm{3,4}}\\ h_{\mathrm{4,1}}& h_{\mathrm{4,2}}& h_{\mathrm{4,3}}& h_{\mathrm{4,4}}\end{array}\right]$

其中

$h_{i,j}=\frac{I_{\mathrm{si},j}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

为发送j色光，通过i色滤光镜得到的噪声归一化的等效光信道的系数。

iv.计算混合白光的信道总容量C。

C＝log₂(det(I+HKK'H'))

其中

$K=\left[\begin{array}{cccc}{k}_1& 0& 0& 0\\ 0& k_2& 0& 0\\ 0& 0& k_3& 0\\ 0& 0& 0& k_4\end{array}\right]$

v.优化信道容量，求解最大值C_max。

C为关于k₄的函数。通过matlab求出信道容量的最大值。

vi.此模式下色温3500K，6000K，光强500lm时，RGB、RGBA、RGBW三种多色LED灯混光后，信道容量优化得到最大值以及相应的k₄，[k₁,k₂,k₃]是k₄线性表示，就能得到对应的混光比例[k₁,k₂,k₃,k₄]，根据前述步骤能计算出不同色温下混合光的显色指数、信道容量，结果对比如表3所示。

3500K	RGB	RGBA	RGBW	6000K	RGB	RGBA	RGBW
								Ra	11.52708	80.16558	85.36703	Ra	54.41945	81.61859	80.00363
C	63.79429	82.8782	76.02613	C	65.2814	83.69213	80.72675

表3

由结果可知，并行模式混光时，在同样的色温以及光强下进行混光，四色混光的显色指数相对于三色混光明显提高了很多，在信道容量上RGBA为最大，RGBW次之，RGB最小。

三种模式下混光进行比较，由于发射时串行每次只有一个灯发光，而并行是四个灯同时发光，无可比性，因此需将串行模式下RGBA/W的信道容量乘以4后与并行模式下比较。比较后得知，串行模式下信道容量乘以4后依然小于并行模式下信道容量。

本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.基于可见光通信的四色LED混光方法，其包括以下步骤：

1)利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布，并计算出对应的各单色光的三刺激值；

2)确定混合光的目标色温，选择相应的参照光源求得其混合色的三刺激值；

3)根据颜色相加原理，所述各单色光的三刺激值相加应该等于所述混合色的三刺激值，得混色方程组；

4)根据所述混色方程组中各单色光的混光系数，可以得到混合光的光谱功率分布，利用混合光的光谱功率分布计算混合光的显色指数R_a,其中，

R_a≥ε，ε为常数；

5)计算混合光的信道容量C的范围，在所述范围内求出最大容量C_max；

6)输出所述最大容量的各色光配比。

2.如权利要求1所述的基于可见光通信的四色LED混光方法，其中，混光为串行模式，所述串行模式是指所述四色LED光依次发射，根据获得的所述的各单色光的混光系数相对比例，调整对应的所述各单色光的发光时间脉宽，在发射端得到目标混合白光，得到所述混合白光的信道总容量C的范围。

3.如权利要求1所述的基于可见光通信的四色LED混光方法，其中，混光为串行模式，所述串行模式是指所述四色LED光依次发射，根据获得的所述的各单色光混光系数的相对比例，调节各单色光电流、发光时间脉宽之间的配比，在发射端得到目标混合白光，得到所述混合白光的信道总容量C的范围。

4.如权利要求1所述的基于可见光通信的四色LED混光方法，其中，混光为并行模式，并行模式是指所述四色LED光同时发射，根据获得的所述的各单色光混光系数的相对比例，调整对应的各单色光的偏置电流，在发射端得到目标混合白光，获得所述混合白光的信道总容量C的范围。

5.如权利要求2所述的基于可见光通信的四色LED混光方法，其中，四色LED混光为RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系数的相对比例为[k₁,k₂,k₃,k₄]，所述方法具体为：

i.首先计算分别发射各单色光时接收端APD的响应电流I_si，已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)，混合光的光谱功率分布函数为S_i(λ)，i＝1,2,3,4，则有 $I_{\mathrm{si}}=\frac{(m+1)A}{{2\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^m\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}{\∫}_{\mathrm{\λ}}\mathrm{MR}\left(\mathrm{\λ}\right)S_i\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ},$

M是APD的输出增益；为朗伯辐射阶数；φ为发射机四色LED的其中，

发射角；ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角；d为接收端与发射端的空间距离；A为接收APD的感光面积；

ii.接收端的噪声为散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽，F为超噪声系数；

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数[h₁,h₂,h₃,h₄]；

$h_i=\frac{I_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

iv.计算各单色光信道的容量c_i；

c_i＝log₂(1+h_i ²)

v.计算混合白光的信道总容量C；

$C=\frac{k_1{c}_1+k_2{c}_2+k_3{c}_3+k_4{c}_4}{k_1+k_2+k_3+k_4}$

vi.优化信道容量，求解最大值C_max；

C为关于k₄的函数，求出信道容量的最大值。

6.如权利要求3所述的基于可见光通信的四色LED混光方法，其中，四色LED混光为RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系数的相对比例为[k₁,k₂,k₃,k₄]，所述方法具体为：各单色光发光时间脉宽为x_i，电流相对于700mA驱动电流的比例为y_i，则有以下关系：

x_iy_i＝k_i

i.首先计算分别发射各单色光时接收端APD的响应电流I_si，已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)，混合光的光谱功率分布函数为S_i(λ)，i＝1,2,3,4，则有

其中，M是APD的输出增益；为朗伯辐射阶数；φ为发射机四色LED的发射角；ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角；d为接收端与发射端的空间距离；A为接收APD的感光面积；

ii.接收端的噪声为散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2={2\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽，F为超噪声系数；

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数[h₁,h₂,h₃,h₄]；

$h_i=\frac{I_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}}$

iv.计算各单色光信道的容量c_i；

c_i＝log₂(1+h_i ²)

v.计算混合白光的信道总容量C；

C＝x₁c₁+x₂c₂+x₃c₃+x₄c₄

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为常数；

vi.优化信道容量，求解最大值C_max。

7.如权利要求4所述的基于可见光通信的四色LED混光方法，其中，四色LED混光为RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系数的相对比例为[k₁,k₂,k₃,k₄]，所述方法具体为：

i.首先计算发射不同单色光时接收端APD的响应电流I_si，已知接收端APD增益为1时的响应函数为R(λ)，混合光的光谱功率分布函数为S_i(λ)，i＝1,2,3,4，在接收端设置滤光镜且该滤光镜的滤波函数为F_i(λ)，则有

I_si,j为发送j色光，通过i色滤光镜得到的响应电流，j＝1,2,3,4，其中，M是APD的输出增益；为朗伯辐射阶数；φ为发射机四色LED的发射角；ψ为入射光相对于接收机轴线的入射角；d为接收端与发射端的空间距离；A为接收APD的感光面积；

ii.接收端的噪声为散弹噪声，则接收端APD的光谱噪声功率的方差近似为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ni}}^2=2{\mathrm{qI}}_{\mathrm{si}}\mathrm{MFB}$

其中，q为电子电荷，B为系统带宽，F为超噪声系数；

iii.计算噪声归一化的等效光信道的系数矩阵，矩阵形式为

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& h_{\mathrm{1,3}}& h_{\mathrm{1,4}}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& h_{\mathrm{2,3}}& h_{\mathrm{2,4}}\\ h_{\mathrm{3,1}}& h_{\mathrm{3,2}}& h_{\mathrm{3,3}}& h_{\mathrm{3,4}}\\ h_{\mathrm{4,1}}& h_{\mathrm{4,2}}& h_{\mathrm{4,3}}& h_{\mathrm{4,4}}\end{array}\right]$

其中，为发送j色光，通过i色滤光镜得到的噪声归一化的等效光信道的系数；

iv.计算混合白光的信道总容量C；

C＝log₂(det(I+HKK'H'))

其中，

$K=\left[\begin{array}{cccc}{k}_1& 0& 0& 0\\ 0& k_2& 0& 0\\ 0& 0& k_3& 0\\ 0& 0& 0& k_4\end{array}\right]$

优化信道容量，求解最大值C_max。