CN104218991A - 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，该通信方法包括：LED模组，具有第一个LED器件组至第M个LED器件组，M个LED器件组相互并联；信号发射端，用于将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息，并将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号，通过对叠加产生的等效ASK信号进行解调获取所述信源信号。所述技术方案提高了数据传输速率。

Description

一种可见光通信系统及可见光通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种可见光通信系统及可见光通信方法。

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模组的各个LED发光器件是串联关系，所有LED发光器件传递的信息相同，可见光通信系统的数据传输速率慢。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种可见光通信系统及可见光通信方法，提高了数据传输速率。

为实现上述目的，本发明提供了一种可见光通信系统，该可见光通信系统包括：

LED模组，所述LED模组具有M个相互并联的LED器件组，M为大于1的整数；

信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息，并将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号，通过对叠加产生的等效ASK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：

第一转换模块，所述第一转换模块用于将所述信源信号转换为M路并行的数字信息；

调制模块，所述调制模块用于将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述的信号接收端包括：

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，其中，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号；

ASK调制解调模块，所述ASK解调模块用于将所述ASK信号转换为M路并行的数字信息；

第二转换模块，所述第二转换模块用于将所述M路并行的数字信息转换为所述信源信号。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述光电转换模块包括：光电二极管；

其中，所述光电二极管用于获取所述可见光信号，并将所述可见光信号转换为电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号。

优选的，在上述可见光通信系统中，其特征在于，所述LED模组具有第一个LED器件组至第M个LED器件组，M个LED器件组相互并联；

其中，第j个LED器件组包括：2^j-1个LED器件；j为小于或等于M的正整数；同一组内的LED器件相互串联。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述LED模组具有第一个LED器件组、第二个LED器件组以及第3个LED器件组；

其中，所述第一个LED器件组包括1个LED器件，所述第二个LED器件组包括2个LED器件，所述第三个LED器件组包括4个LED器件。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述LED模组的所有LED器件位于同一正方形平面；

其中，所述第一个LED器件组的LED器件位于所述正方形的中心，所述第三个LED器件组的四个LED器件分别位于所述正方形的四个顶角，所述第二个LED器件组的两个LED器件分别位于所述正方形的相对的两条边的中点。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述LED模组的所有LED器件位于同一圆形平面；

其中，所述第一个LED器件组的LED器件位于所述圆形的中心，所述第三个LED器件组的四个LED器件与所述第二个LED器件组的两个LED器件等间隔的分布在所述圆形的圆周上，且所述第二个LED器件组的两个LED器件分别位于所述圆形的同一条直径的两端。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述LED模组的所有LED器件等间隔的分布在同一圆周；

其中，所述第一个LED器件组的LED器件位于所述第三个LED器件组的两个LED器件之间，所述第二个LED器件组的任一个LED器件均位于所述第三个LED器件组的两个LED器件之间。

本发明还提供了一种可见光通信方法，应用于上述可见光通信系统，其特征在于，该可见光通信方法包括：

将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息；

将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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；

接收所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号，通过对叠加产生的等效ASK信号进行解调获取所述信源信号。

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：LED模组，所述LED模组具有第一个LED器件组至第M个LED器件组，M个LED器件组相互并联，M为大于1的整数；信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息，并将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号，通过对叠加产生的等效ASK信号进行解调获取所述信源信号。所述可见光通信系统的LED模组包括M个LED器件组，LED器件组之间采用并联方式，实现了各支路数据的并行叠加传输，成倍的提高了数据传输速率。本发明提供的通过所述可将光通信系统实现的可见光通信方法，实现了各支路数据的并行叠加传输，成倍的提高了数据传输速率。

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为本申请实施例提供的一种可见光通信系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种信号发射端的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种信号接收端的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种LED模组的布局结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种LED模组的布局结构示意图；

图6为本申请实施例提供的又一种LED模组的布局结构示意图；

图7为图4所示实施方式的空间辐射模型的示意图；

图8为本申请实施例提供的一种图4-与6所示三种实施方式的θ均值随高度的变换情况示意图；

图9为本申请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进行通信时LED模组的各个LED发光器件是串联关系，所有LED发光器件传递的信息相同，可见光通信系统的数据传输速率慢。

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种可见光通信系统，参考图1，图1为本申请实施例提供的一种可见光通信系统的结构示意图，所述可见光通信系统包括：LED模组1、信号发射端2以及信号接收端2。

其中，所述LED模组1具有第一个LED器件组至第M个LED器件组，M个LED器件组相互并联，M为大于1的整数。

所述发射端2用于将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息，并将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK(On-Off Keying)信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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3用于接收所述可见光信号，通过ASK解调(幅移键控调制)方式获取所述信源信号。

所述信号发射端2可以如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种信号发射端的结构示意图，所述信号发射端2包括：第一转换模块21以及调制模块22。

其中，所述第一转换模块21用于将所述信源信号转换为M路并行的数字信息。所述第一转换模块21可以为串并转换电路。所述调制模块22用于将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号。一路数字信息对应转换为一路OOK信号。

所述信号接收端3的结构可以如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种信号接收端的结构示意图，所述的信号接收端3包括：光电转换模块31、ASK调制解调模块32以及第二转换模块33。

所述光电转换模块31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，其中，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号。具体的，所述光电转换模块31包括：光电二极管；其中，所述光电二极管用于获取所述可见光信号，并将所述可见光信号转换为电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号。

所述ASK解调模块32用于将所述ASK信号转换为M路并行的数字信息。

所述第二转换模块33用于将所述M路并行的数字信息转换为所述信源信号。所述第二转换模块33可以为并串转换电路。

在本实施例中，所述LED模组的第j个LED器件组包括：2^j个LED器件；其中，j为小于或等于M的正整数；同一组内的LED器件相互串联。如对于第3个LED期间组，即j＝3，其具有4个LED器件。

采用上述结构的LED模组，一方面，同一组内的多个LED器件采用串联方式，能够提高可见光通信的幅值动态范围，进一步增加系统的可用信号功率，提高信噪比，获取较低的误码率。如单个LED器件的幅值动态范围是0V-1V，2个串联的LED器件的幅值动态范围是0V-2V，四个串联的LED器件的幅值动态范围是0V-4V。

另一方面，采用组件并联，组内串联的方式，并设置第j个LED器件组包括：2^j个LED器件，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，通过MASK判决(M进制的ASK判决)解调即可获取信号发射端的M路并行的数字信息，再通过并串转换即可把所述M路并行的数字信息转换为所述信源信号。

通常来讲，可以认为LED模组的发光强度服从朗伯辐射模型，其发光强度表示为：

I(φ)＝I₀cos^mφ

其中，I₀为LED器件的中心发光强度，φ为LED器件的发光角度，m为LED器件的发光阶数，m值越大，表示LED器件的发光指向性越好，其计算公式为：

m＝-ln2/ln(cosφ_1/2)

其中φ_1/2为半功率角，表示发光强度为中心强度一半时的发射角度，可由LED器件数据手册或实验测量得到。利用朗伯辐射模型，计算得到光照面上的光照强度为：

E＝I₀cos^mφ/D²cosψ

其中D为LED器件和光照点之间的距离，ψ表示接收端光线的入射角。多个LED器件构成的LED模组产生的总光强可假设各个LED器件为点光源，由朗伯模型叠加得到。

采用上述M路并行叠加传输时，各路信号的发光功率不同，信号接收端利用光的叠加特性，将合成信号等效为MASK信号进行解调可获取信源信号。LED模组内各个LED器件的布局将会影响信号接收端接收到的可见光信号的波动。

本实施例中，当所述LED模组可以具有第一个LED器件组、第二个LED器件组以及第3个LED器件组；其中，所述第一个LED器件组包括1个LED器件，所述第二个LED器件组包括2个LED器件，所述第三个LED器件组包括4个LED器件。

对于上述三路并联的LED器件组构成的LED模组，设定LED模组各个LED器件的间距设为3cm，中心发光强度为1000cd，半角功率为15°。为了衡量不同布局对接收的可见光信号的波动影响，以下述三种布局方式进行说明：

参考图4，图4为本申请实施例提供的一种LED模组的布局结构示意图，所有LED器件位于同一正方形平面。其中，所述第一个LED器件组的LED器件L1位于所述正方形的中心，所述第三个LED器件组的四个LED器件L4分别位于所述正方形的四个顶角，所述第二个LED器件组的两个LED器件L2分别位于所述正方形的相对的两条边的中点。

参考图5，图5为本申请实施例提供的另一种LED模组的布局结构示意图，所述LED模组的所有LED器件位于同一圆形平面。其中，所述第一个LED器件组的LED器件L1位于所述圆形的中心，所述第三个LED器件组的四个LED器件L4与所述第二个LED器件组的两个LED器件L4等间隔的分布在所述圆形的圆周上，且所述第二个LED器件组的两个LED器件L2分别位于所述圆形的同一条直径的两端。

参考图6，图6为本申请实施例提供的又一种LED模组的布局结构示意图，所述LED模组的所有LED器件等间隔的分布在同一圆周。其中，所述第一个LED器件组的LED器件L1位于所述第三个LED器件组的两个LED器件L4之间，所述第二个LED器件组的任一个LED器件L2均位于所述第三个LED器件组的两个LED器件L4之间。

上述三种布局方式中，同组的LED器件之间串联，不同组的LED器件之间并联。信号接收端选取布局图形几何中心正对的半角功率辐射范围内的直线区域为观测范围。

以图4所示布局方式为例说明，参考图7，图7为图4所示实施方式的空间辐射模型的示意图，改变LED模组组距离观测面的高度H，在观测范围W1内测量接收信号幅值波动情况。其中，W2表示观测范围W1所在观测面。

对于图4所示三路幅值比例为1:2:4的可见光叠加传输通信系统，信号接收时依据距离进行判决，因此三路信号的比例的相对关系对判决精度具有重要影响。

定义变量θ为支路信号相对波动比，表示三路接收信号幅度的相对关系：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\β}}_i},i\∈\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}$

其中α_i,β_i,γ_i分别表示第i中布局方式下的三路信号接收幅值，理想情况下，α_i＝1,β_i＝2,受空间分布因素的影响，θ值在2.5附近波动，其波动程度可以表征接收性能，波动越小，相对距离越小，接收性能越好。因此，结合实际需要，选择θ值在2.5附近波动的方差最小，均值最接近2.5的为优化设计方案。

对于上述三种布局方式，通过matlab仿真实验表明，图6所示实施方式(方案三)颜色宽度最大，θ值波动范围最大，图4所示实施方式(方案一)以及图5所示实施方式(方案二)波动相对较小，但变化趋势不同。

参考图8，图8为本申请实施例提供的一种图4-与6所示三种实施方式的θ均值随高度的变换情况示意图，由图8可知，方案一的举止最接近2.5，并且方案一与方案二的标准差明显小于方案三的标准差，因此，从整体来看，方案一的接收性能最好。

对于上述三种布局方式，三种实施方式的θ值均在2.5附近波动，图4所示实施方式以及图5所示实施方式均具有较好的对称性，波动相对较小，即该图4以及图5所示实施方式的整体性能均优于图6所示实施方式。

实验说明不同的布局方式对接收端性能影响较大，应该结合实际选取对称性较好，接收端光强波动较小的方案，以进一步提升接收端的传输性能。因此，为了使得各路信号接收幅值波动较小，保证所述可见光通信系统接收端的接收性能，优选的，本申请实施例所述可见光通信系统中，所有LED器件分布呈对称几何图形分布，且同一组的多个LED器件对称分布。

通过上述描述可知，本申请所述技术方案，组间LED器件采取并联方式，可成倍提升系统传输速率；组内LED器件采取串联方式，依据承载信号幅度的不同，设置各组内LED器件数量也不相同，有效扩大系统的线性动态范围，提高可用信噪比。

由三支路布局实施方式可知，各支路的LED器件数目不同，LED器件物理布局位置的不同影响到接收新能，针对实际系统选择支路信号相对波动比θ值作为衡量布局作为布局方案好坏的衡量指标，选取该指标波动方差最小，均值最接近2.5的为优化方案。整体而言，具有对称结构的布局方案具有较好的传输性能。

本申请另一实施例还提供了一种可见光通信方法，应用于上述实施例所述的可见光通信系统，参考图9，图9为本申请实施例提供的一种可见光通信方法的流程示意图，所述可见光通信方法包括：

步骤S11：将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息。

步骤S12：将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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。

步骤S13：接收所述可见光信号，通过对叠加产生的等效ASK信号进行解调获取所述信源信号。

所述可见光通信方法局域上述实施例所述的可见光通信系统，其具体实现方式以及相同之处可参见上述实施例，在此，不再赘述。

本实施例所述可见光通信方法基于上述是实例所述可见光通信系统，实现了各支路数据的并行叠加传输，成倍的提高了数据传输速率。

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：

LED模组，所述LED模组具有M个相互并联的LED器件组，M为大于1的整数；

信号发射端，所述发射端用于将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息，并将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号，通过对叠加产生的等效ASK信号进行解调获取所述信源信号。

2.根据权利要求1所述的可见通信系统，其特征在于，所述信号发射端包括：

第一转换模块，所述第一转换模块用于将所述信源信号转换为M路并行的数字信息；

调制模块，所述调制模块用于将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号。

3.根据权利要求1所述的可见通信系统，其特征在于，所述的信号接收端包括：

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，其中，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号；

ASK调制解调模块，所述ASK解调模块用于将所述ASK信号转换为M路并行的数字信息；

第二转换模块，所述第二转换模块用于将所述M路并行的数字信息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，所述光电转换模块包括：光电二极管；

其中，所述光电二极管用于获取所述可见光信号，并将所述可见光信号转换为电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号。

5.根据权利要求1-4任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，所述LED模组具有第一个LED器件组至第M个LED器件组，M个LED器件组相互并联；

其中，第j个LED器件组包括：2^j-1个LED器件；j为小于或等于M的正整数；同一组内的LED器件相互串联。

6.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模组具有第一个LED器件组、第二个LED器件组以及第3个LED器件组；

其中，所述第一个LED器件组包括1个LED器件，所述第二个LED器件组包括2个LED器件，所述第三个LED器件组包括4个LED器件。

7.根据权利要求6所述的可见光通信系统，其特征在于，所述LED模组的所有LED器件位于同一正方形平面；

其中，所述第一个LED器件组的LED器件位于所述正方形的中心，所述第三个LED器件组的四个LED器件分别位于所述正方形的四个顶角，所述第二个LED器件组的两个LED器件分别位于所述正方形的相对的两条边的中点。

8.根据权利要求6所述的可见光通信系统，其特征在于，所述LED模组的所有LED器件位于同一圆形平面；

其中，所述第一个LED器件组的LED器件位于所述圆形的中心，所述第三个LED器件组的四个LED器件与所述第二个LED器件组的两个LED器件等间隔的分布在所述圆形的圆周上，且所述第二个LED器件组的两个LED器件分别位于所述圆形的同一条直径的两端。

9.根据权利要求6所述的可见光通信系统，其特征在于，所述LED模组的所有LED器件等间隔的分布在同一圆周；

其中，所述第一个LED器件组的LED器件位于所述第三个LED器件组的两个LED器件之间，所述第二个LED器件组的任一个LED器件均位于所述第三个LED器件组的两个LED器件之间。

10.一种可见光通信方法，应用于如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，包括：

将待发送的信源信号转换为M路并行的数字信息；

将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的OOK信号，一路OOK信号对应驱动一个LED器件组发光，所述M个LED器件组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；

接收所述可见光信号，将所述可见光信号转换为电信号，所述电信号等效为叠加产生的ASK信号，通过对叠加产生的等效ASK信号进行解调获取所述信源信号。