CN104243034B - 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方法，该系统包括：LED模组、均衡器、信号发射端以及信号接收端；所述LED模组具M个并联的LED灯芯；所述信号发射端用于将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号以驱动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将所述可见光信号转换为电信号，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号，将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；所述均衡器用于减低信道中低频部分响应。本发明可以降低可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异，扩展了系统的带宽，改善可见光通信系统的动态性能。

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。

LED具有较强的低通频率选择特性，典型LED灯芯在1MHz处的响应要比100MHz处的响应高20dB左右。单载波传输时，如果低频部分的幅度是0.5V，则其高频100MHz处的幅度只有0.05V左右，高频部分的信号质量将很差。增加信号幅度，可改善高频部分传输质量，而低频部分将超出其线性范围，引起限幅失真。

通过上述描述可知，在现有的可见光通信系统中，由于LED的低通频率选择特性，导致可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异较大，使得系统的带宽较小，影响可见光通信系统的动态性能。

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可见光通信方法，降低了可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异，扩展了系统的带宽，改善了可见光通信系统的动态性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种可见光通信系统及可见光通信方法，提高了系统带宽，保证了可见光通信系统的动态性能。

一种可见光通信系统，该可见光通信系统包括：LED模组、均衡器、信号发射端以及信号接收端；

所述LED模组包括M个并联的LED灯芯，M为大于1的整数；

所述信号发射端用于将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号，将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

所述均衡器用于对所述第一OOK信号和/或所述第二OOK信号进行频率调节，对所述第一OOK信号进行频率调节时，减少所述第一OOK信号的低频部分幅度，对所述第二OOK信号进行频率调节时，减少所述第二OOK信号的低频部分幅度。

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路并行的第一OOK信号。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述均衡器为设置在所述调制模块与所述LED模组之间的前置均衡器，所述前置均衡器包括：M个高通滤波器；

其中，所述调制模块的每个第一OOK信号的输出端与所述LED模组的对应LED灯芯之间均设置有一个所述高通滤波器，所述高通滤波器用于为对应的第一OOK信号进行频率调节。

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；

解调模块，所述解调模块用于对所述电信号进行解调，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，所述均衡器为设置在所述解调模块与所述并串转换模块之间的后置均衡器，所述后置均衡器包括：M个自适应滤波器；

其中，所述解调模块的每个第二OOK信号的输出端与所述并串转换模块之间均设置有一个所述自适应滤波器，所述自适应滤波器用于为对应第二OOK信号进行频率调节。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述均衡器包括：前置均衡器与后置均衡器；

所述前置均衡器设置在所述调制模块与所述LED模组之间，所述均衡器包括：M个高通滤波器；其中，其中，所述调制模块的每个第一OOK信号的输出端与所述LED模组的对应LED灯芯之间均设置有一个所述高通滤波器，所述高通滤波器用于为对应的第一OOK信号进行频率调节；

所述后置均衡器设置在所述解调模块与所述并串转换模块之间，所述均衡器包括：M个自适应滤波器；其中，所述解调模块的每个第二OOK信号的输出端与所述并串转换模块之间均设置有一个所述自适应滤波器，所述自适应滤波器用于为对应第二OOK信号进行频率调节。

优选的，在上述可见光通信系统中，所述LED模组包括：红色LED灯芯、绿色LED灯芯以及蓝色LED灯芯。

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，其特征在于，包括：

将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号；

将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

其中，还包括：对所述第一OOK信号进行频率调节以减少所述第一OOK信号中的低频部分幅度和/或对所述第二OOK信号进行频率调节以减少所述第二OOK信号中的低频部分幅度。

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、均衡器、信号发射端以及信号接收端；所述LED模组具M个并联的LED灯芯；所述信号发射端用于将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号，将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；所述均衡器用于对所述第一OOK信号和/或所述第二OOK信号进行频率调节，对所述第一OOK信号进行频率调节时，减少所述第一OOK信号中的低频部分幅度，对所述第二OOK信号进行频率调节时，减少所述第二OOK信号中的低频部分幅度。所述可见光通信系统具有均衡器，通过所述均衡器可以降低所述第一OOK信号和/或第二OOK信号的低频部分幅度，进而可以降低可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异，扩展了系统的带宽，改善可见光通信系统的动态性能。

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具有前置均衡器的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具有后置均衡器的信号接收端的结构示意图；

图4为前置均衡器与后置均衡器的误码率曲线对比示意图；

图5为对红色LED灯芯进行仿真模拟实验时预均衡前后的信道特性对比图；

图6为图5所述仿真模拟实验时信道特性和加入前置均衡器前后的误比特率对比图。

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。

本申请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：LED模组、均衡器、信号发射端以及信号接收端；

所述LED模组具M个并联的LED灯芯；

所述信号发射端用于将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号，将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

所述均衡器用于对所述第一OOK信号和/或所述第二OOK信号进行频率调节，对所述第一OOK信号进行频率调节时，减少所述第一OOK信号的低频部分幅度，对所述第二OOK信号进行频率调节时，减少所述第二OOK信号的低频部分幅度。

可见，所述可见光通信系统具有均衡器，通过所述均衡器可以降低所述第一OOK信号和/或第二OOK信号的低频部分幅度，削弱了系统中信道的低频部分响应，进而可以降低可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异，扩展了系统的带宽，改善可见光通信系统的动态性能。

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，所述信号发射端包括：信号发射端1、LED模组2以及信号接收端3。

所述LED模组2包括M个并联的LED灯芯，M为大于1的整数。

所述信号发射端1包括：串并转换模块11，所述串并转换模11块用于将所述信源信息转换为M路并行的数字信息；调制模块12，所述调制模块12用于将所述M路并行的数字信息调制为对应的M路并行的第一OOK信号。

所述的信号接收端3包括：光电转换模块31，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；解调模块32，所述解调模块32用于对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号；并串转换模块33，所述并串转换模块33用于将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息。

图1所示可见光通信系统还包括均衡器，所述均衡器用于对所述第一OOK信号和/或所述第二OOK信号进行频率调节，对所述第一OOK信号进行频率调节时，减少所述第一OOK信号的低频部分幅度，对所述第二OOK信号进行频率调节时，减少所述第二OOK信号的低频部分幅度。

如图2所示，所述均衡器可以为设置在所述调制模块12与所述LED模组2之间的前置均衡器41，通过所述前置均衡器41对所述第一OOK信号进行预均衡。所述前置均衡器41包括：M个高通滤波器。其中，所述调制模块12的每个第一OOK信号的输出端与所述LED模组2的对应LED灯芯之间均设置有一个所述高通滤波器，所述高通滤波器用于为对应的第一OOK信号进行频率调节。

如图3所示，所述均衡器还可以为设置在所述解调模块与所述并串转换模块之间的后置均衡器42，通过所述后置均衡器42对所述第二OOK信号进行后均衡。所述后置均衡器42包括：M个自适应滤波器。其中，所述解调模块的每个第二OOK信号的输出端与所述并串转换模块之间均设置有一个所述自适应滤波器，所述自适应滤波器用于为对应第二OOK信号进行频率调节。

所述均衡器还可以如图2所示，仅为前置均衡器41，也可以如图3所示仅为所述后置均衡器42，还可以同时包括所述前置均衡器41以及所述后置均衡器42。

实验表明，前置均衡器的效果优于后置均衡器。实际应用时，还可以将前置均衡器与后置均衡器相结合，前置均衡器采用高通滤波器，削弱信道低频部分响应特性，后置均衡器利用训练序列采用自适应滤波器，平衡信道的动态特性，从整体上提升系统的传输性能。

可见光通信系统是EOE(electro-optical-electrical，电光电)信道方式的信息传输。可见光通信系统的LED模组一般采用RGB-LED，即所述LED模组包括：红色LED灯芯、绿色LED灯芯以及蓝色LED灯芯三路并联的灯芯。对于采用RGB-LED的可见光通信系统，现有技术中往往只用到其中一个或两个颜色的灯芯，其余灯芯则起到平衡作用，使混合光呈现白色。现有技术在系统实现时没有考虑灯芯的频率选择特性，这导致不同颜色、同一颜色加载电信号不同频率部分的信号强度差异太大，限制了系统的线性动态范围，制约了系统的传输性能。

本发明对RGB三色信号进行了功率分配，同时通过引入均衡器，降低了低频部分与高频部分信道响应的差异，扩展了系统的带宽，改善了RGB三色叠加传输系统的整体线性动态范围，且具有较强的现实意义和经济前景。

EOE信道部分包含有直流特性和交流特性。直流特性根据LED的直流工作点和线性工作区设定动态范围，一般取0V～1V，超出1V的部分限幅设定为1V。交流特性主要指R、G、B三色信号的频率选择特性，可以根据测量获得。三路信号通过各自的均衡器后进行限幅，完成对信号的处理。本发明所述可见光通信系统结合LED的直流特性以及交流特性的非线性带来的影响，利用均衡器提升系统的线性动态范围。

根据上述描述，一共有三种可用的工作模式：

第一种是只选择用于预均衡的滤波器组，不选择用于后均衡的滤波器组。此时预均衡的滤波器组的响应根据R、G、B三色LED灯芯的EOE特性获得。

第二种是只选择用于后均衡的滤波器组，不选择用于预均衡的滤波器组。此时后均衡的滤波器组的响应根据R、G、B三色LED的EOE特性获得。

第三种是同时选择用于预均衡的滤波器组和用于后均衡的滤波器组。此时预均衡的滤波器组可以是一组高通滤波器，用来削弱低频部分响应；后均衡的滤波器组可以利用训练序列构成自适应滤波器，匹配信道的动态特性。

总体来看，第一种和第二种的滤波器的设计是根据测量的R、G、B三色LED的EOE特性获得的，实现简单，但适应信道动态特性性能较差。第三种中的预均的衡滤波器采用高通滤波器，通常要求低频部分有10dB以上的衰减，此时用于后均衡的滤波器可以利用训练序列得到的自适应滤波器，以较好的匹配系统随温度变化而变化的动态性能。上述均衡滤波器的选择可采用高阶FIR滤波器，也可以是模拟滤波器，例如Butterworth滤波器。

为了比较前置均衡器和后置均衡器对于可见光叠加传输系统性能影响，分别设计了单独基于前置均衡器和单独基于后置均衡器的两种传输方案。单独设置前置均衡器时，通过所述前置均衡器在发送端先对第一OOK信号进行预均衡，然后经过限幅处理保证LED工作在线性工作区；单独设置所述后置均衡器时，则在发送端直接对第一OOK信号进行限幅操作，在接收端通过所述后置均衡器对第二OOK信号进行后置均衡处理。经过仿真实验对比结果如图4所示。

由图4可以看出，前置均衡器和后置均衡器的误码率曲线均会出现先下降后上升的现象，在最低点的误码率和误比特率均在10-7数量级。记转折点对应的SNR值为SNR0，转折点出现的原因是当SNR<SNR0时，LED仍处于线性工作区，随着信噪比的增加，8ASK各星座点之间的距离增加，有利于判决解调；当SNR>SNR0时，信号电压值超出系统动态范围，削波过为严重，信号失真严重，并且随着SNR的增加，信号失真更加严重，对解调造成不利影响，导致误码率增加。另外，前置均衡器的转折点出现在SNR＝48dB处，而后置均衡器的转折点出现在SNR＝53dB处，这是由于经过均衡器后的信号低频部分幅度会减小，受发送端限幅器的影响也小，因而误码性能整体效果优于后置均衡器。与后置均衡器相比，前置均衡器可以更好的提升系统线性动态范围，降低误码率。

参考图5，图5为对红色LED灯芯进行仿真模拟实验时预均衡前后的信道特性对比图。通过图5可知，在高频部分与低频部分，均衡后的信道的总体响应平坦化好。其中，所述频率小于50MHz为低频，大于或等于50MHz为高频。

参考图6，图6为图5所述仿真模拟实验时信道特性和加入前置均衡器前后的误比特率对比图。通过图6可知，加入前置均衡器后的误码性能有明显的降低，进而可以提高可见光通信系统的整体性能。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所述均衡器可以降低所述第一OOK信号和/或第二OOK信号的低频部分幅度，从而削弱了低频部分相应，进而可以降低可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异，扩展了系统的带宽，改善可见光通信系统的动态性能。

本申请另一个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可见光通信系统，所述可见光通信方法包括：

将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号；

将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

其中，还包括：对所述第一OOK信号进行频率调节以减少所述第一OOK信号中的低频部分幅度和/或对所述第二OOK信号进行频率调节以减少所述第二OOK信号中的低频部分幅度。

所述可见光通信方法可通过三种工作模式对信道来削弱信道中低频部分响应，进而可以降低可见光通信系统的低频部分与高频部分信道响应差异，以扩展系统的带宽，改善可见光通信系统的动态性能。

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 (8)

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

所述LED模组包括M个并联的LED灯芯，M为大于1的整数；

所述信号发射端用于将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号，将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

所述均衡器用于对所述第一OOK信号和/或所述第二OOK信号进行频率调节，对所述第一OOK信号进行频率调节时，减少所述第一OOK信号的低频部分幅度，对所述第二OOK信号进行频率调节时，减少所述第二OOK信号的低频部分幅度。

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息转换为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路并行的第一OOK信号。

3.根据权利要求2所述的可见光通信系统，其特征在于，所述均衡器为设置在所述调制模块与所述LED模组之间的前置均衡器，所述前置均衡器包括：M个高通滤波器；

其中，所述调制模块的每个第一OOK信号的输出端与所述LED模组的对应LED灯芯之间均设置有一个所述高通滤波器，所述高通滤波器用于为对应的第一OOK信号进行频率调节。

4.根据权利要求2所述的可见光通信系统，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；

解调模块，所述解调模块用于对所述电信号进行解调，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。

5.根据权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，所述均衡器为设置在所述解调模块与所述并串转换模块之间的后置均衡器，所述后置均衡器包括：M个自适应滤波器；

其中，所述解调模块的每个第二OOK信号的输出端与所述并串转换模块之间均设置有一个所述自适应滤波器，所述自适应滤波器用于为对应第二OOK信号进行频率调节。

6.根据权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，所述均衡器包括：前置均衡器与后置均衡器；

所述前置均衡器设置在所述调制模块与所述LED模组之间，所述均衡器包括：M个高通滤波器；其中，其中，所述调制模块的每个第一OOK信号的输出端与所述LED模组的对应LED灯芯之间均设置有一个所述高通滤波器，所述高通滤波器用于为对应的第一OOK信号进行频率调节；

所述后置均衡器设置在所述解调模块与所述并串转换模块之间，所述均衡器包括：M个自适应滤波器；其中，所述解调模块的每个第二OOK信号的输出端与所述并串转换模块之间均设置有一个所述自适应滤波器，所述自适应滤波器用于为对应第二OOK信号进行频率调节。

7.根据权利要求1-6任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，所述LED模组包括：红色LED灯芯、绿色LED灯芯以及蓝色LED灯芯。

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

将待发送的信源信息转换为M路并行的第一OOK信号，一路第一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，对所述电信号进行解调，形成M路并行的第二OOK信号；

将所述M路并行的第二OOK信号转换为所述信源信息；

其中，还包括：对所述第一OOK信号进行频率调节以减少所述第一OOK信号中的低频部分幅度和/或对所述第二OOK信号进行频率调节以减少所述第二OOK信号中的低频部分幅度。