CN105245277A - 一种基于Turbo码的可见光通信系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Turbo码的可见光通信系统与方法，涉及可见光通信技术领域。本发明通信系统的发射端包括Turbo码编码模块和OFDM调制模块，接收端包括OFDM解调模块、译码迭代控制模块和Turbo码译码模块。本发明的通信方法中首先对伪随机序列进行Turbo码编码和OFDM调制后驱动LED光源产生可见光信号；然后将可见光信号转换为电信号分为两路，一路进行模数变换和OFDM解调，另一路根据可见光信号强度生成译码迭代控制信号，最后在译码迭代控制信号的控制下将OFDM解调信号进行译码得到信源数据。本发明利用Turbo码的编码增益，提升系统的抗干扰性能；并能根据信号光强的变化，实时调整译码迭代次数，提升了系统的可靠性，在降低系统接收门限的同时节约了系统的资源开销。

Description

一种基于Turbo码的可见光通信系统与方法

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于Turbo码的可见光通信系统与方法。

背景技术

可见光通信技术是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中传输光信号的通信方式。LED灯作为室内照明设备，具有使用寿命长、调制性能好、相应灵敏度高、发射功率大等优点。作为可见光通信系统的光源，LED灯的迅速普及大大推动了可见光通信技术的发展。

由于越来越多移动数字终端的使用，尤其是用户对视频服务需求的不断增长，使得无线频谱资源日趋紧张，而可见光通信的引入是对通信频谱的一次巨大扩展。可见光具有380nm-780nm的巨大带宽(相当于405THz)，可以缓解无线频谱资源即将耗尽的燃眉之急。同时，可见光通信技术利用LED灯可以高速调制的特性，在实现照明和上网通信的同时，还可以实现对家用电器以及安全防范设备等终端的智能控制。此外，由于可见光通信无电磁污染，因此可以作为现有无线通信的有效补充，具有广阔的应用场景。可以应用于机关、医院、工业控制等射频敏感领域；也可以用于智能家居、智能交通等领域。

然而，可见光信号极易受到障碍物的遮挡，导致可见光通信系统在进行应用时，系统的信号强度会因为障碍物的遮挡程度不同而经常变化，在很大程度上限制了可见光通信系统的可靠性和传输速率。

发明内容

本发明的目的在于避免背景技术中的不足之处而提供一种基于Turbo码的可见光通信系统与方法。本发明通过在系统中加入Turbo编码，并在接收端根据信号光强的变化，实时调整译码迭代次数，提升了系统的可靠性，在降低系统接收门限的同时节约了系统的资源开销。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种基于Turbo码的可见光通信系统，包括信号发射端和信号接收端，

所述信号发射端用于将信源数据进行Turbo码编码和OFDM调制，并驱动LED光源产生可见光信号；

所述信号接收端用于对接收的可见光信号进行模数变换和解调，并根据接收的可见光信号的强度控制解调后的信号进行Turbo码译码迭代的次数，最终输出信源数据。

其中，所述信号发射端包括：

控制模块，用于发送使能信号和复位信号到信号产生模块；

信号产生模块，用于在使能信号的控制下产生信源数据，并将信源数据输出至Turbo码编码模块；所述的信源数据是序列周期为2ⁿ-1的伪随机序列，其中，n为信号产生模块的线性移位寄存器的级数；

Turbo码编码模块，用于将信源数据进行Turbo码编码后，将编码数据输出至OFDM调制模块；

OFDM调制模块，用于将编码数据进行OFDM调制后，将调制数据输出至驱动电路；

驱动电路，用于将调制数据转换为驱动LED光源的电流信号；

LED光源，用于将电流信号转换为可见光信号。

其中，所述信号接收端包括：

光电探测器，用于接收可见光信号，将可见光信号转换为电信号后分为两路，并分别输出至译码迭代控制模块和A/D模块；

A/D模块，用于将电信号转换为数字信号后输出至OFDM解调模块；

OFDM解调模块，用于将数字信号解调得到Turbo编码信号后，输出至Turbo码译码模块；

译码迭代控制模块，用于根据电信号的大小估计可见光信号的强度，并根据可见光信号的强度生成译码迭代控制信号后，将译码迭代控制信号输出至Turbo码译码模块；所述的译码迭代控制信号用于控制Turbo码的译码迭代次数；

Turbo码译码模块，用于在译码迭代控制信号的控制下将Turbo编码信号进行译码得到信源数据。

其中，所述的译码迭代控制模块包括控制模块、比较器和ROM模块，

ROM模块，用于存储可见光信号的强度与迭代次数的映射对照表；

比较器，根据接收的电信号的大小对可见光信号的强度进行估计，得出估计结果，将估计结果输出至控制模块；

控制模块，用于根据比较器的估计结果，并通过查映射对照表生成译码迭代控制信号，将译码迭代控制信号输出至Turbo码译码模块。

一种基于Turbo码的可见光通信方法，包括以下步骤：

发射端：

(1)信号产生模块在使能信号的控制下产生序列周期为2ⁿ-1的伪随机序列；其中，n为线性移位寄存器的级数；

(2)将产生的伪随机序列进行Turbo码编码，将编码后的数据进行OFDM调制得到OFDM调制信号；

(3)用OFDM调制信号驱动LED光源产生可见光信号；

接收端：

(4)将可见光信号转为电信号，将电信号分为两路，一路信号用于估计可见光信号的强度，并根据可见光信号的强度生成译码迭代控制信号；另一路信号经模数变换和OFDM解调后得到OFDM解调信号；

(5)在译码迭代控制信号的控制下将OFDM解调信号进行Turbo译码，得到信源数据。

本发明相比背景技术的有益效果在于：

(1)本发明使用Turbo码编码，利用Turbo码的编码增益，提升系统的抗干扰性能；

(2)本发明在接收端的Turbo码的译码迭代次数由信号强度决定，在提高系统抗干扰性能的同时，能够有效节约系统的资源开销，避免系统资源的浪费；

(3)本发明采用了OFDM调制方式，在LED光源有限的调制带宽下提升了可见光通信系统的传输速率。

附图说明

图1是本发明的可见光通信系统的信号发射端的结构示意图；

图2是本发明的Turbo码编码模块的结构示意图；

图3是本发明的可见光通信系统的信号接收端的结构示意图；

图4是本发明的译码迭代控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种基于Turbo码的可见光通信系统，包括信号发射端和信号接收端。

图1所示为信号发射端，包括控制模块，用于发送使能和复位信号，控制发射端工作和复位状态；信号产生模块，利用FPGA产生伪随机序列，作为信源数据，该序列的周期为2ⁿ-1，n为线性移位寄存器的级数；Turbo码编码模块，对信源数据进行编码；OFDM调制模块对编码后的数据进行OFDM调制；最后利用驱动电路将通信信号加载的LED光源上，得到可见光信号。

图2所示为Turbo码编码模块结构图，系统采用并行级联的Turbo码对信源数据进行编码，采用两个相同的子编码器对信源数据与交织后的信源数据进行编码，由于交织器的存在，使得输入子编码器2的信源数据的顺序被打乱，能够有效降低两个子编码器输出的序列之间的相关性。

图3所示为信号接收端，包括光电探测器，用于接收可见光信号将其转换为电信号；A/D模块用于将电信号转换为数字信号；OFDM解调模块，对信号进行OFDM解调操作；译码迭代控制模块，估计可见光信号的强度并对Turbo码译码模块的迭代次数进行控制；最后由Turbo码译码模块将解调序列进行译码得到信源数据。

图4所示为Turbo码译码迭代次数控制模块内部结构图，该模块由控制模块、比较器和ROM模块组成，ROM模块用于存储信号光强与迭代次数的映射对照表，该表由系统使用环境的光源布局、墙面反射系数等因素决定；比较器根据接收的电流强度信号对可见光信号的强度进行估计，得出结果；控制模块则根据比较器的估计结果，并通过查表生成译码迭代控制信号。

一种基于Turbo码的可见光通信方法，包括以下步骤：

发射端：

(1)信号产生模块在使能信号的控制下产生序列周期为2ⁿ-1的伪随机序列；其中，n为线性移位寄存器的级数；

系统所用序列为小m序列，在FPGA中设计n个线性移位寄存器，并通过相应的反馈系数，得到反馈信号，从而按时序产生周期为2ⁿ-1的伪随机序列；

(2)将产生的伪随机序列进行Turbo码编码，将编码后的数据进行OFDM调制得到OFDM调制信号；

采用并行级联的Turbo码对信源数据进行编码操作，编码模块使用两个相同的子编码器，其中一个对原始的信源数据进行编码，另一个则需要对经过交织后的信源数据进行编码，这样做可以有效降低两个子编码器输出序列之间的相关性，提升系统的抗干扰性能，将两个子编码器输出的序列进行合并后进行OFDM调制。OFDM调制过程通过离散傅里叶变换来实现，首先将编码序列进行串并变换，将串行序列变换为64路并行序列，利用IDFT操作来实现OFDM的调制过程，得到已调信号；

(3)用OFDM调制信号驱动LED光源产生可见光信号；

完成信号的OFDM调制之后，利用驱动电路将通信信息加载到可见光信号上，驱动电路根据已调信号控制LED光源中电流的幅值就能够实现可见光信号的强度调制；

接收端：

(4)将可见光信号转为电信号，将电信号分为两路，一路信号用于估计可见光信号的强度，并根据可见光信号的强度生成译码迭代控制信号；另一路信号经模数变换和OFDM解调后得到OFDM解调信号；

译码迭代控制模块根据电信号强度对可见光信号强度进行估计，根据估计结果查询信号光强与译码迭代控制表可以生成译码迭代控制信号，译码迭代控制信号用于控制译码模块的迭代次数，从而在保证系统性能的条件下，降低系统资源的开销。其中译码迭代控制表由系统应用环境的光源布局和墙面反射系数等因素决定；

(5)在译码迭代控制信号的控制下，采用软输出Viterbi译码算法将OFDM解调信号进行Turbo译码，得到信源数据。

Claims (5)

1.一种基于Turbo码的可见光通信系统，其特征在于：包括信号发射端和信号接收端，

所述信号发射端用于将信源数据进行Turbo码编码和OFDM调制，并驱动LED光源产生可见光信号；

所述信号接收端用于对接收的可见光信号进行模数变换和解调，并根据接收的可见光信号的强度控制解调后的信号进行Turbo码译码迭代的次数，最终输出信源数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于Turbo码的可见光通信系统，其特征在于，所述信号发射端包括：

控制模块，用于发送使能信号和复位信号到信号产生模块；

信号产生模块，用于在使能信号的控制下产生信源数据，并将信源数据输出至Turbo码编码模块；所述的信源数据是序列周期为2ⁿ-1的伪随机序列，其中，n为信号产生模块的线性移位寄存器的级数；

Turbo码编码模块，用于将信源数据进行Turbo码编码后，将编码数据输出至OFDM调制模块；

OFDM调制模块，用于将编码数据进行OFDM调制后，将调制数据输出至驱动电路；

驱动电路，用于将调制数据转换为驱动LED光源的电流信号；

LED光源，用于将电流信号转换为可见光信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于Turbo码的可见光通信系统，其特征在于，所述信号接收端包括：

光电探测器，用于接收可见光信号，将可见光信号转换为电信号后分为两路，并分别输出至译码迭代控制模块和A/D模块；

A/D模块，用于将电信号转换为数字信号后输出至OFDM解调模块；

OFDM解调模块，用于将数字信号解调得到Turbo编码信号后，输出至Turbo码译码模块；

译码迭代控制模块，用于根据电信号的大小估计可见光信号的强度，并根据可见光信号的强度生成译码迭代控制信号后，将译码迭代控制信号输出至Turbo码译码模块；所述的译码迭代控制信号用于控制Turbo码的译码迭代次数；

Turbo码译码模块，用于在译码迭代控制信号的控制下将Turbo编码信号进行译码得到信源数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于Turbo码的可见光通信系统，其特征在于，所述的译码迭代控制模块包括控制模块、比较器和ROM模块，

ROM模块，用于存储可见光信号的强度与迭代次数的映射对照表；

比较器，根据接收的电信号的大小对可见光信号的强度进行估计，得出估计结果，将估计结果输出至控制模块；

控制模块，用于根据比较器的估计结果，并通过查映射对照表生成译码迭代控制信号，将译码迭代控制信号输出至Turbo码译码模块。

5.一种基于Turbo码的可见光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

发射端：

(1)信号产生模块在使能信号的控制下产生序列周期为2ⁿ-1的伪随机序列；其中，n为线性移位寄存器的级数；

(2)将产生的伪随机序列进行Turbo码编码，将编码后的数据进行OFDM调制得到OFDM调制信号；

(3)用OFDM调制信号驱动LED光源产生可见光信号；

接收端：

(4)将可见光信号转为电信号，将电信号分为两路，一路信号用于估计可见光信号的强度，并根据可见光信号的强度生成译码迭代控制信号；另一路信号经模数变换和OFDM解调后得到OFDM解调信号；

(5)在译码迭代控制信号的控制下将OFDM解调信号进行Turbo译码，得到信源数据。