CN104917566B - 基于扩频技术的智能交通光信号接收系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统及其控制方法，将待发射的数据利用移位寄存器产生两两正交的扩频码，然后对扩频码进行MPPM调制，调制后通过驱动电路使LED光源按照MPPM的信号输出进行光的发射；在接收端，对光电检测器检测得到的电信号进行放大和MPPM解调，通过相关峰值计算，从而决定接收哪一个发射器发射的信号，最后将信号解扩后送出。本发明通过扩频技术和PPM调制技术的结合，实现了信号接收的自由切换，解决了遮挡的问题。

Description

基于扩频技术的智能交通光信号接收系统及其控制方法

技术领域

本发明应用在光通信传输领域的智能交通系统中，涉及到复杂交通环境下LED可见光通信，具体涉及一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统及其控制方法。

背景技术

智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS)是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。在智能交通系统中智能交通灯的应用使得道路资源利用更加充分、道路交通运行更加顺畅。基于室外可见光LED交通灯的无线通信系统研究就是一种智能交通通信系统的灵活解决方案。利用LED交通灯发出的可见光，实现交通灯和车辆之间的实时单工通信。整个系统，仅需要在现有的交通灯设备上安装简单的发射电路模块，同时在车辆上加载接收模块，无需额外增加大型的接收发射设备，成本低、易于实现。LED通信与红外光通信相比有很多的优点：从室内布局上，红外光需另设红外通信光源和线路，而LED可利用己有的室内与楼内配电线路，简化了室内线路布局；从发射功率上，红外光的发射功率太大将对人的眼睛有危害，所以需限制红外光的发射功率，这意味着通信距离受限，而用于照明光源的LED的发射功率则无需限制；从阴影效应上，红外光容易受其它遮挡物影响，而可见光通信可以通过安放多个LED灯来消除阴影效应，因此，LED光通信被予以极大的关注。

目前可见光通信涉及众多具体的研究领域，在智能交通中LED光通信研究热点主要集中直射模型情况下提高传输速率和提高信噪比，主要目的是解决高速率的传输信息，并降低信息传输的误码率，然而智能交通中遮挡问题以及信号源的相互切换一直困扰着光通信在智能交通中的应用。遮挡问题是指在交通拥挤的状况下容易产生遮挡，导致靠后的车辆接收不到LED交通灯发来的信息，或者导致信息传输中断。因此，遮挡问题也是基于LED交通灯通信系统中的一个难题。边缘切换问题指的在复杂的交通环境下，交通路口经常有多个发射源，如何在各个接收源之间进行切换也是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统及其控制方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过扩频技术和PPM调制技术的结合，实现了信号接收的自由切换，解决了遮挡的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统，包括扩频模块：用于将发射端产生的基带数据与发射端扩频码产生器中产生的扩频码通过扩频运算转换成扩频序列；PPM调制模块：用于将扩频序列转换成PPM脉冲信号；驱动电路：用于接收PPM脉冲信号使LED光源发出光信号；光电检测器：用于将光信号转换成电信号；放大电路：用于将电信号放大得到放大电信号；去同步头模块：用于将放大电信号去除同步信息；PPM解调模块：用于将去除同步信息后的放大电信号转换成PPM解调后的扩频序列；相关峰值计算模块：用于将PPM解调后的扩频序列与接收端扩频码产生器产生的扩频序列进行相关得到相关峰值，并选出相关峰值最大的那组扩频序列；解扩模块：用于将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行解扩运算，然后进行低通滤波，输出基带信号，完成信息的传输。

一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将发射端产生的基带数据与发射端扩频码产生器中产生的扩频码通过扩频运算转换成扩频序列；

步骤二：将扩频序列转换成PPM脉冲信号；

步骤三：控制PPM脉冲信号使LED光源发出光信号，然后将接收机接收到的光信号转换成电信号，并将电信号放大；

步骤四：将放大电信号去除同步信息后转换成PPM解调后的扩频序列；

步骤五：将PPM解调后的扩频序列与接收端扩频码产生器产生的扩频序列进行相关得到相关峰值，并选出相关峰值最大的那组扩频序列；

步骤六：将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行解扩运算，然后进行低通滤波，输出基带信号，完成信息的传输。

进一步地，步骤一中所述的基带数据为语音或者图像转成的二进制电信号。

进一步地，步骤一中所述的基带数据与发射端扩频码产生器中产生的扩频码为由同步时钟控制的两个m序列。

进一步地，步骤一中得到的扩频序列是将由同步时钟控制的两个m序列进行模2加得到的。

进一步地，步骤二中将扩频序列转换成PPM脉冲信号的方法为：以L位扩频序列信号为一组，由公式(1)算出PPM调制信号的输出脉冲位置，在此脉冲前加一固定帧同步头0000000100000000，从而产生一系列的PPM脉冲信号；

ξ＝u₁+2u₂+…+2^L-1u_L (1)

其中，ξ表示PPM脉冲信号的位置即PPM脉冲信号在第几个时隙，(u₁,u₂,…u_L)表示L位二进制数。

进一步地，步骤六中所述的解扩运算指将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行模2运算。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明系统通过扩频模块、PPM调制模块、驱动电路、光电检测器、放大电路、去同步头模块、PPM解调模块、相关峰值计算模块以及解扩模块实现了信号接收的自由切换，解决了遮挡的问题：扩频与PPM调制技术相结合进行误码的纠错和提高信道容量，以此降低误码率提高传输带宽，相关峰值的检测使得接收系统总是采用信噪比最强的交通灯进行单向通信，解决多个发射源信号接收的切换问题；扩频技术可以从数字信号处理方面间接提高信噪比，从淹没在背景光中提取有用的光信号，并根据不同信号源计算出来的相关峰值，自由的在多个交通灯中进行切换，解决了遮挡问题。

本发明方法将扩频技术和PPM调制技术相结合，从十字路口多个交通灯发送调制信号，由于每个交通灯都采用两两正交的扩频码，所以在接收系统中能分别进行解扩，扩频技术可以从数字信号处理方面间接提高信噪比，从淹没在背景光中提取有用的光信号，并根据不同信号源计算出来的相关峰值，自由的在多个交通灯中进行切换，解决了遮挡问题，扩频与PPM调制技术相结合进行误码的纠错和提高信道容量，以此降低误码率提高传输带宽，相关峰值的检测使得接收系统总是采用信噪比最强的交通灯进行单向通信，解决多个发射源信号接收的切换问题，并且使交通工具在十字路口转向时也不会造成信号的丢失；相关峰值的检测技术还解决了交通拥挤的状况下容易产生遮挡的问题，采用本发明方法靠后的车辆可以接收到没有被遮挡的LED交通灯发来的信息，不会导致信息传输中断。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的扩频码产生模块的实现框图；

图3是本发明的PPM信息帧示意图；

图4是本发明的各个模块产生的信号示意图；

图5是本发明的汽车正常通行示意图；

图6是本发明的汽车正常通行时所检测到的相关峰值；

图7是本发明的实例1的汽车转弯通行示意图；

图8是本发明的实例1中汽车转弯通行时检测到的相关峰值；

图9是本发明的实例2的接收机被前车遮挡示意图；

图10是本发明的实例2中接收机被正面遮挡时检测到的相关峰值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

由于智能交通环境中，光接收机可能是动态的，并且有时动态程度较高，在多个信号光源复杂布局下，载有光接收机的车辆通过复杂光源环境时，需要对关键信息源进行跟踪同时去除其余光源的干扰。本发明利用移位寄存器产生两两正交的扩频码，分别发给不同的信号源，让光接收系统对不同光源进行分离解调，找到峰值最高的进行通信，若最高峰值信号源发生变化，则进行切换。

参见图1，发射的基带数据(可以是语音或者图像转成的二进制电信号)，进入扩频模块后，与发射端扩频码产生器产生的扩频序列在进行扩频运算(模2加)，其中在发射端扩频码产生器中产生4组两两正交的扩频码，产生方式采用如图2所示的结构，利用两组移位寄存器输出端相加(初始状态都为11111，分别产生2+5,3+5,4+5，2+3+4+5四组正交的扩频序列)，扩频序列进入到PPM调制模块，以L位扩频序列信号为一组，由公式1算出PPM调制信号的输出脉冲位置，在此脉冲前加一固定帧同步头0000000100000000，从而产生一系列的PPM脉冲信号，PPM脉冲信号通过驱动电路使LED光源发出光信号，LED光信号在大气信道中传输，由光电检测器检测得到电信号，检测器输出的电信号相对较小，不利于处理，所以要通过放大电路放大，放大后的电信号经过采样(A/D)变成PPM调制的电信号，进入去同步头模块，去除同步信息后进入到PPM解调模块，首先截取长度为b＝2^L的二进制数字信号，根据此所占时隙的位置，由公式1分别算出PPM解调后的扩频码信号，分别进入到相关峰值计算模块和解扩模块，在相关峰值计算模块中，由接收端扩频码产生器产生四组正交的扩频序列(与发射端扩频码产生器具有相同结构)分别与输入的扩频序列进行相关，得到4组相关峰值，比较大小后选出最大的那组扩频序列输入到解扩模块中，在解扩模块中将扩频码产生器输入的信号与PPM解调后的扩频序列进行相关运算，然后进行低通滤波，输出基带信号，完成信息的传输

各个模块输出数据如图4所示，这里L＝4，b＝16

1、正交扩频码的产生

本发明的扩频系统采用的是m序列的组合码，由同步时钟控制的两个m序列逐位进行模2加得到，其原理如图2所示，其中，寄存器长度和与运算顺序是可以变化的。这两个码发生器的周期相同，速率相同，因而两者保持一定的相位关系，这样产生的组合码与这两个子码序列的周期也相同。当改变两个m序列的相对位移时，会得到一个新的扩频码。

2、PPM调制

在数字PPM通信系统的发送端，编码器把长度为L的连续的二进制比特流映射成在b个时隙的某一个时隙放置一个脉冲的PPM符号，其中b＝2^L。

一种常用的编码映射关系可表示为：

ξ＝u₁+2u₂+…+2^L-1u_L (1)

其中：ξ表示PPM脉冲信号的位置即PPM脉冲信号在第几个时隙，(u₁,u₂,…u_L)表示L位二进制数。显然，由上式决定的映射是一一对应的。(如图3所示)。

3、驱动电路是将LED光源按照PPM的信号输出控制光的发射。

4、放大电路是将光电检测器得到的电信号进行放大，放大倍数一般在几十到几百倍。

5、去同步头是将同步信号去除后，只留下PPM信号。

6、PPM解调是上述PPM调制的逆过程，将一帧的PPM调制信号，确定出脉冲的位置，由公式(1)计算出L位二进制数，这个L位二进制数即为PPM解调后的扩频码。

7、相关峰值计算，在接收机中进行完PPM解调后，对所得到的数据分别与接收机中产生的扩频信号进行相关运算，由接收端扩频码产生器产生四组正交的扩频序列(与发射端扩频码产生器具有相同结构)分别与输入的扩频序列进行相关，得到4组相关峰值，比较大小后选出相关峰值最大的那组扩频序列输入到接收端扩频码产生器中，并由接收端扩频码产生器将相关峰值最大的那组扩频序列输入到到解扩模块中。

8、解扩是上述扩频码产生的逆过程。在解扩模块中将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行模2运算，然后进行低通滤波，输出基带信号。

现结合附图对本发明基于扩频技术+PPM调制的移动的光信号接收装置的信源切换作进一步描述：

实例1：

如图5十字路口有四个交通信号灯①②③④，机动车⑤装有接收和通信系统⑥。

四个交通信号灯产生两两正交的扩频码，计算小车和交通信号灯的相关峰值如图6的a,b,c,d，我们选择峰值最高的信号a，所以与a对应的信号灯①进行通信，当小车的位置改变时，如图7，此时，相关峰值如图8的a,b,c,d，最高的变为信号灯②，则接收的信号进行切换，由信号灯①切换至信号灯②，解决了多个发射源信号接收的切换问题。

实例2：

十字路口有四个交通信号灯①②③④，机动车⑤装有接收和通信系统⑥。

四个交通信号灯产生两两正交的扩频码，计算小车和交通信号灯的相关峰值如图6的a,b,c,d，我们选择峰值最高的信号灯①进行通信，当小车⑤前有障碍物⑦，如图9，此时，最高相关峰值的信号灯①的信号则接收不到，计算小车和交通信号灯的相关峰值如图10的a,b,c,d，此时我们接收信号灯④的信号，解决了遮挡的问题。

Claims (7)

1.一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统，其特征在于，包括扩频模块：用于将发射端产生的基带数据与发射端扩频码产生器中产生的扩频码通过扩频运算转换成扩频序列；PPM脉冲位置调制模块：用于将扩频序列转换成PPM脉冲信号；驱动电路：用于接收PPM脉冲信号使LED光源发出光信号；光电检测器：用于将光信号转换成电信号；放大电路：用于将电信号放大得到放大电信号；去同步头模块：用于将放大电信号去除同步信息；PPM解调模块：用于将去除同步信息后的放大电信号转换成PPM解调后的扩频序列；相关峰值计算模块：用于将PPM解调后的扩频序列与接收端扩频码产生器产生的扩频序列进行相关得到相关峰值，并选出相关峰值最大的那组扩频序列；解扩模块：用于将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行解扩运算，然后进行低通滤波，输出基带信号，完成信息的传输。

2.一种权利要求1所述的基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将发射端产生的基带数据与发射端扩频码产生器中产生的扩频码通过扩频运算转换成扩频序列；

步骤二：将扩频序列转换成PPM脉冲信号；

步骤三：控制PPM脉冲信号使LED光源发出光信号，然后将接收机接收到的光信号转换成电信号，并将电信号放大；

步骤四：将放大电信号去除同步信息后转换成PPM解调后的扩频序列；

步骤五：将PPM解调后的扩频序列与接收端扩频码产生器产生的扩频序列进行相关得到相关峰值，并选出相关峰值最大的那组扩频序列；

步骤六：将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行解扩运算，然后进行低通滤波，输出基带信号，完成信息的传输。

3.根据权利要求2所述的一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，其特征在于，步骤一中所述的基带数据为语音或者图像转成的二进制电信号。

4.根据权利要求2所述的一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，其特征在于，步骤一中所述的基带数据与发射端扩频码产生器中产生的扩频码为由同步时钟控制的两个m序列。

5.根据权利要求4所述的一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，其特征在于，步骤一中得到的扩频序列是将由同步时钟控制的两个m序列进行模2加得到的。

6.根据权利要求2所述的一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，其特征在于，步骤二中将扩频序列转换成PPM脉冲信号的方法为：以L位扩频序列信号为一组，由公式(1)算出PPM调制信号的输出脉冲位置，在此脉冲前加一固定帧同步头0000000100000000，从而产生一系列的PPM脉冲信号；

ξ＝u₁+2u₂+…+2^L-1u_L (1)

其中，ξ表示PPM脉冲信号的位置即PPM脉冲信号在第几个时隙，(u₁,u₂,…u_L)表示L位二进制数。

7.根据权利要求2所述的一种基于扩频技术的智能交通光信号接收系统的控制方法，其特征在于，步骤六中所述的解扩运算指将相关峰值最大的那组扩频序列与PPM解调后的扩频序列进行模2运算。