CN104218990B - 一种可见光通信系统及可见光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信系统及可见光通信方法，该可见光通信系统包括：信号发射端、数据处理装置、LED模组、信号接收端；所述LED模组包括多个并联的LED灯芯；信号发射端用于将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号，并在第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，标识OOK信号驱动对应LED灯芯发光，LED灯芯发射的光信号发生光强叠加，形成可见光信号；信号接收端用于将可见光信号转换为电信号，根据训练序列的变化对解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号，将多路并行的第二OOK信号转换为信源信息。所述技术方案能够降低可见光通信中的误码率。

Description

一种可见光通信系统及可见光通信方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，更具体的涉及一种可见光通信系统及光通信方法。

背景技术

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。

现有的可见光通信系统包括：信号发射端、LED模组以及信号接收端。起重工，所述信号发射端用于将信源信息转换为驱动信号，驱动所述LED模组发射可见光信号，所述信号接收端用于接收所述可见光信号，并对所述可见光信号进行解调，以获取所述信源信息，进而实现可见光通信。

在可见光通信系统中，由于发射端存在电压波动，会导致数据在传输过程中会出现失真问题，进而导致可见光通信的误码率较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种可见光通信系统及光通信方法，降低了可见光通信的误码率。

为实现上述目的，本发明提供了

一种可见将光通信系统，该可见将光通信系统包括：信号发射端、数据处理装置、LED模组、信号接收端；

所述LED模组包括多个并联的LED灯芯；

所述信号发射端用于将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号，并在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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；

所述信号接收端用于获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号，根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号，将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

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息转换为多路并行的数字信息；

调制模块，所述调制模块用于将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的第一OOK信号；

数据处理装置，所述数据处理装置用于在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号。

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，将所述可见光信号转换为电信号；

控制器，所述控制器用于根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正；

解调模块，所述解调模块用于对校正后的电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号；

并串转换模块，所述并串转换模块用于将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述LED模组包括：第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯；且第一LED灯芯的幅值：第二LED灯芯的幅值：第三LED灯芯的幅值为4:2:1。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述训练序列为8ASK信号，所述8ASK信号的码元包括000-111范围内的8种连续的码字。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述标识OOK信号包括一帧或多帧数字信号，每一帧所述数字信号均包括所述训练序列以及信息序列。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述信号接收端对所述电信号中对应所述训练序列的数据进行8ASK判决解调，并根据所述判决解调的结果对所述训练序列中对应所述第一OOK信号的解调所需的判决门限电平进行校正。

本发明还提供了一种可见光通信方法，用于上述任一项所述的可见光通信系统，该可见光通信方法包括：

将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号；

在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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电信号；

根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号；

将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

优选的，在上述可见光通信方法中，所述LED模组包括：第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯；且第一LED灯芯的幅值：第二LED灯芯的幅值：第三LED灯芯的幅值为4:2:1；

所述在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列为在所述第一OOK信号的预设位置插入8ASK信号，所述8ASK信号的码元包括000-111范围内的8种连续的码字。

优选的，在上述可见光通信方法中，所述根据所述训练序列的变化对所述电信号中非所述训练序列的数据进行校正为对所述电信号中对应所述训练序列的数据进行8ASK判决解调，并根据所述判决解调的结果对所述训练序列中对应所述第一OOK信号的解调所需的判决门限电平进行校正。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的可见光通信系统包括：信号发射端、数据处理装置、LED模组、信号接收端；所述LED模组包括多个并联的LED灯芯；所述信号发射端用于将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号，并在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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；所述信号接收端用于获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号，根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号，将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

可见，所述可见光通信系统根据所述训练序列对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，降低了可见光通信中误码率。本发明提供的可见光通信方法可以通过所述可见光通信系统实现可见光通信，降低了可见光通信的误码率。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1本申请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为本申请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为本申请实施例提供的一种一帧数字信号的帧结构；

图4为引入训练序列前后可见光通信系统的误码率和误比特率性能对比示意图。

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。

虽然现有的可见光通信系统中部分系统通过采用波分复用的方式实现了可见光叠加传输，其接收端解调时需要3个滤光片将三种颜色的信号分离，对应3套处理系统，使得系统复杂度增加并增加系统成本。

且现有的可见光通信系统中，不考虑发送端电压波动，只研究EOE(electro-optical-electrical，电光电)信道中的加性高斯白噪声对系统性能带来的影响。所述电压波动主要可以分为一下三大类噪声：①由于生产参数的不一致性带来的随机波动；②元器件受环境温度影响而产生的温度噪声和热噪声；③由于信号激励而产生的随机起伏。在此，将各类不确定因素的影响统一归类为发送端的电压波动，而如背景技术所述，发送端的电压波动会导致数据在传输过程中会出现失真问题，进而导致可见光通信的误码率较高。

但是在实际应用中，由于上述各类噪声影响，发送端信源信息的星座图已经发生了漂移，近似于信源信息上叠加了部分噪声，实际值与设计值存在一定偏差。如果忽略所述电压波动带来的影响，必然会导致可见光通信的误码率较高，无法获取较好的传输性能。

对于信号发射端的电压波动，可以等效为一个慢速变化的随机噪声，结合实际噪声模型，所述信源信息熵最大的典型分布包括：当信源输出信号的幅度受限(或峰值功率受限)条件下的均匀分布和信源输出信号的平均功率受限时的高斯分布。

假设信源信息的输出幅值被限定在[a,b]区间内，则当输出信号的概率密度为均匀分布时，信源可获得最大熵，其熵值为log(b-a)。因此，假设信源信息当前的波动服从其幅值一定比例的均匀分布，例如当幅值为A时，波动因子设为α，信源信息的波动服从区间[-αA,αA]内的随机均匀分布，即：

假设连续信源信息的输出信号平均功率被限定为P，则当输出信号的概率分布为高斯分布时，信源信息可获得最大熵，其熵值为因此，假设信源信息当前的输出电压服从均值为A，方差为的高斯分布，即：

为简化信源电压波动模型，完成系统基本框架的搭建，设电压波动服从其幅值一定比例的均匀分布。例如当幅值为A时，波动因子设为2％，信源的波动服从[-0.02A,0.02A]区间内的随机均匀分布。将该波动加入到调制信号中并观察波动情况对误码率的影响情况。

设计方案对每一帧数据引入训练序列，在一帧内信源的电压波动为定值，通过接收端对训练序列的解调，估计电压波动情况并以此为参考对信号进行解调，校正后的误码性能改善。

针对上述问题，本发明提出在可见光通信过程中通过插入已知训练序列进行联合解调的方案，根据所述训练序列的变化确定所述电压波动情况并对信号接收端的影响，进而对判决电平进行修正，进而可以降低系统的误码率。

基于上述描述，本申请实施例提供了一种可见光通信系统，所述可见光通信系统包括：信号发射端、数据处理装置、LED模组、信号接收端。

所述LED模组包括多个并联的LED灯芯；

所述信号发射端用于将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号，并在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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；

所述信号接收端用于获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号，根据所述训练序列的变化对所述电信号中非所述训练序列的数据进行校正，即对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号，将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

可见，所述可见光通信系统根据所述训练序列对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，从而降低了发射端电压波动导致的噪声对系统的影响，降低了可见光通信中误码率。

所述信号发射端可以如图1所示，所述信号发射端包括：串并转换模块11，调制模块12以及数据处理装置13。图1所示实施方式以三个并联支路为例进行说明，LED模组14包括：第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯。在其他实施方式中，所述LED模组14的LED灯芯的个数可以为任意多个，各个LED灯芯之间通过并联方式进行信息传输，以提高信息传递速度以及信息传输量。

所述串并转换模块11用于将所述信源信息转换为多路并行的数字信息。所述数字信息与所述LED灯芯一一对应。所述串并转换模块11可以为串并转换电路。

所述调制模块12用于将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的第一OOK信号。所述第一OOK信号与所述数字信息一一对应。

所述数据处理装置13用于在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号。所述标识OOK信号包括一帧或是多帧数字信号，每一帧数字信号均包括所述训练序列以及信息序列。即对一路所述第一OOK信号进行训练序列插入后，形成的标识OOK信号是以帧为单元的，每一帧数字信号均包括所述训练序列以及信息序列。

所述信号接收端的可以如图2所示，所述信号接收端包括：光电转换模块21，控制器22，解调模块23以及并串转换模块24。

所述光电转换模块21用于获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号。所述光电转换模块21可以为光电转换二极管。

所述控制器22用于根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正。待发送的数据的字节长度是已知的，且插入的训练序列是已知的，故可以确定所述电信号中训练序列的位置，并对所述训练序列进行解调，进而获取所述训练序列的变化，进而可以根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，进而可以消除因为信号发射端的电压波动导致的信号失真。

所述解调模块23用于对校正后的电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号。

所述并串转换模块24用于将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

在上述可见光通信系统中，当时所述LED模组包括第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯三个支路时，可设置第一LED灯芯的幅值：第二LED灯芯的幅值：第三LED灯芯的幅值为4:2:1。可以设置第一LED灯芯包括4个LED器件，所述第二LED灯芯包括2个LED器件，所述第三LED灯芯包括1个LED器件，同一灯芯内的LED器件相互串联，灯芯与灯芯之间并联。可以使得M路并行传输的可见光信号在传输光域中叠加后等效为M进制的ASK信号。

这样可设置所述训练序列为8ASK信号，所述8ASK信号的码元包括000-111范围内的8种连续的码字，其幅度存在8种离散电平值。在信号接收端对所述训练序列进行解调时，通过8ASK信号幅度判决的解调即可，系统实现简单。

所述标识OOK信号包括一帧或多帧数字信号，每一帧所述数字信号均包括所述训练序列以及信息序列。一帧所述数字信号的帧结构如图3所示，为了观察8种码字的波动情况，训练序列将8种码字各发送100遍。本实施例中为了便于所述训练序列的定位，所述训练序列设置在所述信息序列的一端，如起始端或是末端。

由于在同一帧内的训练序列和信息序列叠加噪声视为相同，则根据解调后的训练序列与发送端已知训练序列比对即可估计信源信息的波动趋势。另一方面，由于训练序列选取了8ASK的8种典型电平进行发送，所述信号接收端可以对所述电信号中对应所述训练序列的数据进行8ASK判决解调，并根据所述判决解调的结果对所述训练序列中对应所述第一OOK信号的解调所需的判决门限电平进行校正。具体的，对所述训练序列解调后可以直接以相邻两个码字解调结果的中间值作为判决电平，用于对信息序列中对应所述第一OOK信号的数据进行校正，以减小信源信息噪声带来的影响。

依据训练序列的解调方法如下：

三个支路的电压比分别为4:2:1，假定三个支路在信道中传输时的信道增益分别为0.9825:1.025:0.96，因此电源电压无波动时三路信号到达接收端的幅度比例为3.93:2.05:0.96。电压无波动时，对应的8ASK调制的训练序列的8个电平值分别为0,0.96,2.05,3.01,3.93,4.89,5.98,6.94；与之相对应的判决电平可取值为0.48,1.505,2.53,3.47,4.41,5.435,6.46。当电源电压发生波动时，每帧数据传输时需要依据训练序列重新估计8ASK调制的8个电平值，然后取俩相邻电平的中间值作为判决电平。例如当电源波动为2％时，某一帧数据接收时的训练序列解调后的8个电平值可能为0.03,1.04,1.97,…,6.98，与该训练序列的对应的信息序列中的一个数据的电压幅度位于解调后的8个电平值对应的一个区间时，如果大于该区间的中间值，则该数据的电压幅度校正为该区间的右端点值对应的标准值，如果小于该区间的中间值，则该数据的电压幅度校正为该区间的左端点值对应的标准值，如对于信息序列中电压幅值为1.2的数据，其位于1.04与197区间内，且1.2小于二者的中间值1.505，则可将该数据校正为1.04对应的标准值1。

参考图4，图4为引入训练序列前后可见光通信系统的误码率和误比特率性能对比示意图。通过图4可以看出，使用训练序列对判决门限进行修正后可以改善误码性能。从仿真结果上看，当训练长度增长到一定程度时可以完全估计出波动大小，使得修正后的误码率曲线与信源无波动情况下的误码率曲线重合。

通过上述描述可知，本申请实施例所述的可见光通信系统通过并行数据驱动并联的LED灯芯，实现了可见光并行叠加的信息传输，并通过在信号发射端将数据分帧中插入训练序列，信号接收端根据对训练序列的解调结果对数据进行校正，避免了电压波动导致的数据失真，降低了误码率。所述技术方案将电压波动等效为慢速变化的随机噪声，可适用于可见光通信中的IM/DD方式。

对于三路并行的LED模组，所述可见光通信系统通过光域合成8ASK信号，接收端只需要一个PD进行8ASK幅度解调，简化了接收机结构。针对电压的波动影响，通过在分帧数据中引入特征码元的组合构成训练序列，接收端进行联合解调，利用训练序列解调结果估计信源电压波动情况并修正判决门限信息，降低了系统误码率，弥补了现有系统中忽略信源信息电压波动影响的缺陷，具有较强的实用性和经济性。

基于上述实施例，本申请另一实施例提供了一种可见光通信方法，该方法包括：

将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号；

在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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电信号；

根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号；

将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

当所述LED模组包括：第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯，且第一LED灯芯的幅值：第二LED灯芯的幅值：第三LED灯芯的幅值为4:2:1时，所述在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列为在所述第一OOK信号的预设位置插入8ASK信号，所述8ASK信号的码元包括000-111范围内的8种连续的码字。

所述根据所述训练序列的变化对所述电信号中非所述训练序列的数据进行校正为对所述电信号中对应所述训练序列的数据进行8ASK判决解调，并根据所述判决解调的结果对所述训练序列中对应所述第一OOK信号的解调所需的判决门限电平进行校正。

所述可见光通信方法可以通过所述可见光通信系统实现可见光通信，通过训练序列的变化对解调所需的判决门限电平进行校正，降低了可见光通信的误码率。

需要说明的是，所述可见光通信方法基于上述可见通信系统，相同相似之处可参见上述可将光通信系统，在此不再赘述。

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 (9)

1.一种可见光通信系统，其特征在于，包括：信号发射端、LED模组、信号接收端；

所述LED模组包括多个并联的LED灯芯；

所述信号发射端用于将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号，并在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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；

所述信号接收端用于获取所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号，根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号，将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

其中，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息转换为多路并行的数字信息；

调制模块，所述调制模块用于将所述多路并行的数字信息调制为对应的多路并行的第一OOK信号；

数据处理装置，所述数据处理装置用于在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK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，将所述可见光信号转换为电信号；

控制器，所述控制器用于根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正；

解调模块，所述解调模块用于对校正后的电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号；

并串转换模块，所述并串转换模块用于将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

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LED模组包括：第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯；且第一LED灯芯的幅值：第二LED灯芯的幅值：第三LED灯芯的幅值为4:2:1。

4.根据权利要求3所述的可见光通信系统，其特征在于，所述训练序列为8ASK信号，所述8ASK信号的码元包括000-111范围内的8种连续的码字。

5.根据权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，所述标识OOK信号包括一帧或多帧数字信号，每一帧所述数字信号均包括所述训练序列以及信息序列。

6.根据权利要求5所述的可见光通信系统，其特征在于，所述信号接收端对所述电信号中对应所述训练序列的数据进行8ASK判决解调，并根据所述判决解调的结果对所述训练序列中对应所述第一OOK信号的解调所需的判决门限电平进行校正。

7.一种可见光通信方法，用于如权利要求1-6任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，包括：

将信源信息转换为多路并行的第一OOK信号；

在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列，形成标识OOK信号，一路标识OOK信号对应驱动一个LED灯芯发光，所有LED灯芯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电信号；

根据所述训练序列的变化对所述电信号中解调所需的判决门限电平进行校正，将校正后的电信号解调为多路并行的第二OOK信号；

将所述多路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

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LED模组包括：第一LED灯芯、第二LED灯芯以及第三LED灯芯；且第一LED灯芯的幅值：第二LED灯芯的幅值：第三LED灯芯的幅值为4:2:1；

所述在所述第一OOK信号的预设位置插入设定的训练序列为在所述第一OOK信号的预设位置插入8ASK信号，所述8ASK信号的码元包括000-111范围内的8种连续的码字。

9.根据权利要求8所述的可见光通信方法，其特征在于，根据所述训练序列的变化对所述电信号中非所述训练序列的数据进行校正为对所述电信号中对应所述训练序列的数据进行8ASK判决解调，并根据所述判决解调的结果对所述训练序列中对应所述第一OOK信号的解调所需的判决门限电平进行校正。