CN104660344B - 一种多输入多输出的光通信系统及其信号复原方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出的光通信系统及其信号复原方法。包括光信号发射端和光信号接收端；光信号发射端包括相互连接的光强调制单元、光信号发送单元，光信号发送单元包括相互之间频谱互有重叠但又不完全相同的n个宽带光源，光强调制单元将n路信号分别调制至n个宽带光源生成相应的光调制信号；光信号接收端包括分光器件、光信号接收器、信号处理单元；所述分光器件可令不同频率的入射光经过后形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同；光信号接收器为具有相同频谱响应的n个光探测器所组成的光探测器阵列。本发明能在照明的同时实现大容量信号的传输，且结构简单、实现容易。

Description

一种多输入多输出的光通信系统及其信号复原方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)的光通信系统及其信号复原方法。

背景技术

光通信就是以光波为载波的通信方式。在无线通信中，可见光通信(VisibleLight Communications，VLC)技术迅速发展，成为一种新型无线通信方式。通过在公共基础照明设施上增加数据传输辅助功能，将通信与室内照明光源相结合，就可构建室内可见光无线通信网络，实现信息从服务器到达客户端的无线传输。由于可见光与日常生活息息相关，办公室、家庭以及公共场合中许多设备均含可见光光源，例如办公室的电灯、道路上的信号灯、广场上的显示屏等等。因而可见光通信技术作为无线电通信技术在室内通信的取代或补充技术，具有极大的发展前景，已引起了人们广泛关注和研究。在光纤通信中，光纤凭借其频带宽，损耗低，抗干扰能力强，成本低，保真度高等优点，已经成为现代通信不可缺少的一部分。而伴随着信息社会的高速发展，人们对信息传递的要求随之加大。波分复用、偏振复用和高阶调制等技术的使用，使得光纤的传输容量已经接近其香农极限，光纤通信技术的研究任重而道远。多输入多输出(MIMO)无线传输技术是通信领域的一项重要技术突破，它能在不增加带宽与功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量。MIMO技术通过在不同的发射源发送独立的数据流以获得高速高容量数据传输，是新一代无线通信系统中的关键技术之一。

因此，将MIMO技术应用于光通信具有巨大的应用前景，但也存在一些问题。比如，传统MIMO可见光通信技术中不同信道采用不同的单一频率的信号光源，但这样的光源颜色单一，无法采用传统照明所用的白光光源。再如，有些可见光MIMO技术采用二维码技术进行信号编码，但二维码的编码规则复杂，因此对光源排列有特殊要求。而且信号发射光源只能采用点光源，而无法采用面光源，使人眼的舒适度降低。又如，在光纤通信中，光发射端需要精确控制光载波的波长、偏振态、及入射光纤的传输模式，在光接收端需采用复杂的解复用器将波长、偏振态、及传输模式分离开来以恢复传输数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多输入多输出的光通信系统及其信号复原方法，可在正常照明的同时实现大容量信号的传输，且结构简单、成本低廉。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种多输入多输出的光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端，

所述光信号发射端包括相互连接的光强调制单元、光信号发送单元，所述光信号发送单元包括相互之间频谱互有重叠但又不完全相同的n个宽带光源，光强调制单元将n路信号分别调制至n个宽带光源生成相应的光调制信号；n为大于1的整数；

所述光信号接收端包括分光器件、光信号接收器，以及与光信号接收器连接的信号处理单元；所述分光器件可令不同频率的入射光经过后形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同；所述光信号接收器为具有相同频谱响应的n个光探测器所组成的光探测器阵列。

上述技术方案中的分光器件可采用各种现有或将有的结构，只要能够使得不同频率的入射光经过后形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同即可。以下为几种优选方案：

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的一个表面上附着有不透明材料制作的挡光层，挡光层上设置有由一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔所构成的衍射孔二维阵列，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近。

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀。

所述分光器件包括不透明基底，所述不透明基底朝向入射光的表面上固着有一层纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有一层纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。

优选地，所述光信号发送单元包括分别贴有不同滤波膜的n个频谱相同的宽带光源；所述n个频谱相同的宽带光源优选白光光源。

如上任一技术方案所述所述光通信系统的信号复原方法，包括以下步骤：

步骤1、假设t时刻n个宽带光源所发射的n路原始信号分别为S’₁,S’₂,…S’_n，设t时刻光探测器阵列中的n个光探测器所接收到的光强分别为I₁,I₂,…I_n；

步骤2、信号处理单元通过求解以下方程得到S₁,S₂,…S_n：

式中，为信道传输矩阵；H_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示光信号发送器中第j个光源单独点亮的条件下，其所发出的光信号被信号接收器中的第i个光探测器所检测到的光强度与该光源发射强度分别减去背景噪声后的比值，通过实验预先得到；

步骤3、取S₁,S₂,…S_n这n个值的平均值作为判决门限，将S₁,S₂,…S_n与判决门限进行比较，根据光信号发射端所使用的光强调制方式，得到t时刻光信号发送器中n个宽带光源传输的实际信号。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、能在照明的同时实现大容量信号的传输。本发明光信号发送端采用具有一定频率范围的宽带光源，不像单一频率的信号光源，难以用于照明，且多路信号光同时发射，提高了通信容量。

2、系统结构简单、易于实现。本发明不需体积较大、结构复杂的复用与解复用光器件，通过合理设计光信号发射器和光信号接收器，把光信号通过共用信道进行传输，通过MIMO光通信系统的信道传输矩阵复原信号。

附图说明

图1为自由空间传输条件下本发明MIMO光通信系统的结构原理示意图；

图2为光波导传输条件下本发明MIMO光通信系统的结构原理示意图；

图3-图10为本发明MIMO光通信系统的具体实施例中光信号发送器所采用的各个白光LED所发出光分别通过不同滤波膜后的光谱；

图中各标号含义如下：

1为光强调制器，2为光信号发送器，3为宽带光源，4为粒子涂层，5为基底，6为光信号接收器，7为光耦合器，8为光分路器，9为光波导。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明利用易于获得且符合照明使用需求的宽带光源组成光信号发射阵列进行多路信号的并行传输，并利用分光器件及由具有相同频谱响应的光探测器组成的光探测器阵列(CCD、CMOS等)结合解线性方程组的方法复原出所传输的多路信号。本发明在自由空间、光波导传输条件下均可实现，下面分别对其进行说明。

图1显示了自由空间传输条件下本发明MIMO光通信系统的结构原理。如图1所示，整个系统包括光信号发射端和光信号接收端。光信号发射端包括光强调制器1以及光信号发送器2。光信号发送器2采用具有光谱差异的n(n为大于1的整数)个宽带光源3，各光源的频谱之间互有重叠但又不完全相同，每个光源传输一路信号。光强调制器1将所需要传输的信号调制至各光源所发射的光载波上，生成光调制信号。光信号接收端包括分光器件、光信号接收器6以及与所述光信号接收器6连接的信号处理单元(图中未示出)。分光器件可令不同频率的入射光经过后形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同。光信号接收器6采用电荷耦合元件(CCD)，当然，也可采用CMOS，CCD中的各个像素元具有相同的光谱响应特性，即相同波长、相同强度的光入射到这些像素元时，各像素元输出的数据相同。所述信号处理单元利用本发明MIMO光通信系统的信道传输矩阵，可以复原出发送信号。

图2显示了光波导传输条件下本发明MIMO光通信系统的结构原理。其与图1的不同之处在于增加了通过光波导9连接的光耦合器7、光分路器8，光耦合器7设置于光信号发送器2之后，光分路器8设置于分光器件之前。需要说明的是，此处的光分路器是为了防止光信号接收器中的光探测器分散布置时部分光探测器无法接收到光波导传输的光信号；当光信号接收器6中的各个探测器分布集中时，如CCD，可不需要分光路器8，直接将光波导9传输的光信号通过分光器件后用CCD的各像元接收

本发明中，分光器件的作用在于使得不同频率的入射光经过后形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同，从而可使其后的光探测器阵列中的各光探测器探测到不同的光强，这样就可通过求解线性方程组的方式复原出所传输的原始信号。本发明所使用的分光器件可采用现有或将有的结构，只要能够使得不同频率的入射光经过后形成不同的(散射和/或衍射)光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的(散射和/或衍射)光强角分布也不同即可。下面列举几种优选方案：

第一种方案：

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。

采用该分光器件时，入射光穿过气泡涂层中大小不等的各个气泡时会发生不同程度的衍射和干涉，具体如下：

1、不同波长的光射到同一个气泡的相同部位，出射的不同波长衍射光的衍射角度各不相同，会形成一定的衍射光强分布。

2、同一波长的光通过同一气泡的不同部位，出射后会形成干涉。由于气泡大小形状各异，出射光之间的相位差各不相同，干涉光强也不同。

3、同一波长的光通过不同气泡的不同部位后发生衍射，传播方向相同的衍射光之间也会发生干涉。

由于干涉和衍射效应，当入射光通过气泡涂层后，其下方将形成一定的干涉和衍射光分布，最终探测阵列芯片中不同的像素元将采集到大小不等的光功率。

该分光器件可采用现有成熟工艺制备得到，例如，其中一种方法是：将氦气、氖气、氩气、氪气或是氙气等惰性气体连续注入到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生物或者聚苯乙烯(PS)或者聚碳酸酯(PC)等聚合物熔体中，并通过超声波将惰性气体气泡进行细化，待聚合物熔体中气泡含量和分布趋近于稳定后，将其涂覆在透明基底表面上，然后降温使聚合物熔体凝固为聚合物涂层，这样，就会在聚合物涂层中产生分布不均，大小不一的气泡。第二种方法是：在一定温度下，将PMMA、PS或PC等聚合物溶解到有机溶剂中(例如四氢呋喃、丙酮、甲苯等)，得到PMMA、PS或PC等聚合物的溶液，然后将其旋涂在透明基底上，并缓慢降温至室温，在降温的过程中，溶剂的挥发导致在所形成的聚合物涂层中产生形状各异的气孔。

第二种方案：

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的一个表面上附着有不透明材料制作的挡光层，挡光层上设置有由一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔所构成的衍射孔二维阵列，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近。

采用该分光器件时，入射光穿过衍射孔二维阵列中大小不等的各个衍射孔时会发生不同程度的衍射，其下方将形成一定的衍射光分布，最终探测阵列芯片中不同的像元将采集到大小不等的光功率。

该分光器件的透明基底可使用聚合物材料，挡光层为不透光材料，可使用金属铬，可采用蒸镀方法制作。衍射孔的制作可采用离子刻蚀的方法，即用离子发生器发出的离子束聚焦在挡光层表面，通过精密控制离子束的作用位置和时间来进行刻蚀，另外光刻也是可选方法之一。

第三种方案：

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀。

入射光穿过纳米粒子涂层中大小/或形状不等的各个透明粒子(或称纳米粒子)时会发生散射。根据各透明粒子的粒径与各待测光波长的相对大小不同，该散射可以是瑞利散射或米氏散射。当发生上述两类散射现象其中之一或两者都有时，入射光在经过纳米粒子涂层后，部分光线会偏离原传播方向。而由于纳米粒子涂层中的各纳米粒子大小不同、分布不均，各波长光能量的角分布不均，最终这些光照射在阵列式探测芯片上，各个像元将采集到一系列大小不等的光功率。

上述分光器件可通过以下方法制备：首先制备包含不同大小透明粒子的混合悬浊液，然后通过静电自组装方法使混合悬浊液中的透明粒子沉积于透明基底表面。

第四种方案：

所述分光器件包括不透明基底，所述不透明基底朝向入射光的表面上固着有一层纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。

由于不透明材料粒子的尺寸不同、排列不规则，因此不同频率的光照射到纳米粒子膜上会形成不同的散射光强分布，而同一频率的光经同一位置的不透明材料粒子散射后，其散射光强也不一样。这样，阵列式探测芯片中的不同位置处的像素元可探测到不同的散射光功率。

其中不透明材料粒子可采用银或其它金属材料，并可采用现有成熟的静电吸附、气相沉积等方法制备得到该分光器件。

第五种方案：

所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有一层纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。

与第四种方案类似，由于不透明材料粒子的尺寸不同、排列不规则，因此不同频率的光照射到纳米粒子膜上会形成不同的散射光强分布，而同一频率的光经同一位置的不透明材料粒子散射后，其散射光强也不一样。

由于分光机理的不同，前三种方案中，入射光均为透过分光器件，光信号接收器6应设置于分光器件背向入射光的一侧；而后两种方案中光信号接收器6则应设置于分光器件朝向入射光的一侧。

图1和图2中的分光器件均采用上述第三种方案，该分光器件包括透明基底5，可采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者聚苯乙烯(PS)，透明基底5的表面上固着有至少一层粒子涂层4，所述粒子涂层4由一组纳米或微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀。

具体工作时，将需要发送的各路信号经过调制加载到宽带光源阵列上，信号数目不应大于发送器中宽带光源的数目n，每路信号由光信号发送器中的某一个宽带光源并行发射出去，经自由空间或者光波导传输，再通过分光器件后同时被CCD中的n个像素元接收，最后利用与CCD连接的信号处理单元，根据MIMO光通信系统的信道传输矩阵，计算复原出发送信号。详细说明如下：

1、假设t时刻n个宽带光源要传输的n路原始信号为S’₁,S’₂,…S’_n；发射的信号以光的强度大小进行区分(例如，“光强度较大”代表信号“1”、“光强度较小或不发光”代表信号“0”；或者“光强度较大”代表信号“0”、“光强度较小或不发光”代表信号“1”)2、将宽带光源发射的光信号通过传输信道进行并行传输；

3、经信道传输的光信号通过分光器件后，不同波长的光射到分光器件中的同一个粒子后会形成不同的散射光强分布，而同一波长的光透过不同尺寸或形状的粒子后，其散射光强也不一样。由于分光器件中粒子的尺寸或形状分布不均，从而使得CCD中的不同位置的像素元将探测到不同的出射光强度。其中，t时刻CCD中的n个像素元接收到的强度记为I₁,I₂,…I_n；

4、通过求解以下方程组得到S₁,S₂,…S_n；

式中为信道传输矩阵，，H_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示光信号发送器中第j个宽带光源所发射的光信号经过MIMO光通信系统被CCD中第i个像素元所接收到的传输系数，即发送器中第j个宽带光源单独发出的光信号经过MIMO光通信系统被CCD中第i个像素元探测到的强度与该宽带光源发射强度分别减去背景噪声后的比值，对于特定的MIMO光通信系统，其信道传输矩阵H是唯一确定的，可预先通过实验得到。

5、取S₁,S₂,…S_n这n个值的平均值作为判决门限，将S₁,S₂,…S_n与判决门限进行比较，根据光信号发射端所使用的光强调制方式：大于判决门限设为“1”，小于判决门限设为“0”；或者，大于判决门限设为“0”，小于判决门限设为“1”即可得到t时刻光信号发送器不同光源所发射的n路原始信号S’₁,S’₂,…S’_n。

本发明的MIMO光通信系统不需要使用复杂昂贵的复用与解复用光器件，其中的光源可采用宽带光源，例如使用最常见的白光光源加贴不同的滤波膜或滤波罩即可；分光器件的结构简单、形式多样，且多可采用现有简单成熟的工艺制备；光探测器阵列可直接采用成熟的CCD或CMOS器件。因此，本发明MIMO光通信系统的实现成本较低。

为便于公众理解本发明技术方案，下面给出一个自由空间传输条件下本发明MIMO光通信系统的具体实施例：

本实例的光信号发送器由8个相同的白光LED组成，每个LED均贴有不同的滤波膜，分别记为：滤波膜a、滤波膜b、滤波膜c、滤波膜d、滤波膜e、滤波膜f、滤波膜g和滤波膜h，这8个滤波膜互不相同，其不同之处在于对不同波长的光有不同的透射率。LED发出的光分别经过这8个滤波膜后的光谱依次如图3至图10所示，每个LED通过不同的滤波膜后将发送不同波长范围的信号，等效于采用了具有光谱差异的多个光源，并用所发射光的强度大小进行区分(“光强度较大”代表信号“1”、“光强度较暗或不发光”代表信号“0”；当然，反之亦可)。

本发明系统正常工作开始前要事先通过测量得到信道传输矩阵H，具体测量过程如下：

1、光信号发送器依次单独点亮某一个LED，代表发送信号“1”，点亮一个LED的同时其他LED均处于关闭状态，代表发送信号“0”；

2、分别记录每一个LED单独点亮的情况下，光信号通过传输信道、分光器件，被CCD像素元所探测到的数据以及其所发出的光直接被CCD像素元所探测到的数据，并根据这些数据，经过噪声处理后建立信道传输矩阵H为：

其中，H_ij(i＝1,2…8)(j＝1,2…8)，表示发送器中第j个LED发出的光信号经过传输信道、分光器件被CCD中第i个像素元探测到的强度与该LED发出的光不经过传输信道、分光器件，直接被CCD该像素元所探测到的强度分别减去背景噪声后的比值。

当信号发送端发送信号为“10011010”时，即使得滤波膜a、滤波膜d、滤波膜e、滤波膜g所对应的LED发光强度较大，使得滤波膜b、滤波膜c、滤波膜f、滤波膜h所对应的LED发光强度较暗或不发光。此时，接收端探测到的数据为：

[140，139，138，139，143，138，138，143]

通过求解矩阵方程得到复原出的信号：

[98.732，-94.956，7.7862，105.33，148.91，-95.473，29.71，-54.146]

若取这8个值的平均值18.24作为判决门限，将结果与判决门限进行比较，大于该值设为“1”，小于该值设为“0”。最终得到了信息“10011010”，这个数据与信号发射端随机发送的信号“10011010”吻合。通过实验证明，本发明的MIMO光通信系统是可行的。

Claims (10)

1.一种多输入多输出的光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端，其特征在于，所述光信号发射端包括相互连接的光强调制单元、光信号发送单元，所述光信号发送单元包括相互之间频谱互有重叠但又不完全相同的n个宽带光源，光强调制单元将n路信号分别调制至n个宽带光源生成相应的光调制信号；n为大于1的整数；

所述光信号接收端包括分光器件、光信号接收器，以及与光信号接收器连接的信号处理单元；所述分光器件可令不同频率的入射光经过后形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同；所述光信号接收器为具有相同频谱响应的n个光探测器所组成的光探测器阵列。

2.如权利要求1所述光通信系统，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。

3.如权利要求1所述光通信系统，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的一个表面上附着有不透明材料制作的挡光层，挡光层上设置有由一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔所构成的衍射孔二维阵列，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近。

4.如权利要求1所述光通信系统，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀。

5.如权利要求1所述光通信系统，其特征在于，所述分光器件包括不透明基底，所述不透明基底朝向入射光的表面上固着有一层纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。

6.如权利要求1所述光通信系统，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有一层纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。

7.如权利要求1～6任一项所述光通信系统，其特征在于，所述光信号发送单元包括分别贴有不同滤波膜的n个频谱相同的宽带光源。

8.如权利要求7所述光通信系统，其特征在于，所述n个频谱相同的宽带光源均为白光光源。

9.如权利要求1～6任一项所述光通信系统，其特征在于，还包括通过光波导连接的光耦合器、光分路器，光耦合器设置于光信号发送单元之后，光分路器设置于分光器件之前。

10.如权利要求1～9任一项所述光通信系统的信号复原方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、假设t时刻n个宽带光源所发射的n路原始信号分别为S’₁,S’₂,…S’_n，设t时刻光探测器阵列中的n个光探测器所接收到的光强分别为I₁,I₂,…I_n；

步骤2、信号处理单元通过求解以下方程得到S₁,S₂,…S_n：

式中，为信道传输矩阵；H_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示光信号发送器中第j个光源单独点亮的条件下，其所发出的光信号被信号接收器中的第i个光探测器所检测到的光强度与该光源发射强度分别减去背景噪声后的比值，通过实验预先得到；

步骤3、取S₁,S₂,…S_n这n个值的平均值作为判决门限，将S₁,S₂,…S_n与判决门限进行比较，根据光信号发射端所使用的光强调制方式，得到t时刻光信号发送器中n个宽带光源传输的实际信号。