CN105281833A - 可见光信号传输方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光通信领域，公开了一种可见光信号传输方法及其系统。本发明中，通过在接收端采用多个接收机接收发射端的发射光信号，对多个接收机的接收光信号进行合并处理，并对合并后的信号解调得到发射信号的估计值；由于充分利用了多条路径中的信号能量，因此可以使得接收端的信噪比得以提高，有效增强接收信号，降低误码率，提高传输效率。

Description

可见光信号传输方法及其系统

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，特别涉及一种可见光信号传输方法及其系统。

背景技术

白光LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)作为一种固态光源具有发光效率高、尺寸小、寿命长等优点，将取代传统的照明设备成为下一代环保照明光源。作为一种半导体光子器件，白光LED的快速响应特性使其具有高速调制的特点，可以将信号以人眼无法感知的速度调制到LED光源上进行数据传输。基于LED的上述特点，产生了一种深度耦合照明与数据传输的新技术，即可见光通信技术(VisibleLightCommunication,简称VLC)。VLC技术作为一种光无线通信技术具有发射功率高、无需频谱申请、带宽高、无电磁干扰并且安全可靠等优点，可以作为频谱日益紧张的无线射频通信技术的补充。

实现可见光LED通信的基本原理是以传送数据对所发光进行某种调制，比如脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，简称为PWM)、脉冲位置调制(PulsePositionModulation,简称为PPM)，或者脉冲幅度调制(PulseAmplitudeModulation，简称为PAM)。这种调制的光能量通过空间信道传输并被目标装置上的光电探测器(传感器)接收，光电探测器将光信号转换为电信号后经过后续处理再解调出所发送的数据。可以是在设计上附加有这种功能的普通便携设备，如手机、数码相机、笔记本电脑等。但是，可见光通信中的可见光传输信道中存在散射、漫射等，使得在利用可见光进行通信时存在由多径传播造成的码间串扰、光强衰弱等影响，而且也存在环境光(背景噪声)的影响，上述调制方式不能克服码间串扰，其频谱利用率也不高，很难实现高速(比如，大于每秒100兆比特的信息传输速率)通信。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光信号传输方法及其系统，使得接收端的信噪比得以提高，有效增强接收信号，降低误码率，提高传输效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可见光信号传输方法，包含以下步骤：

在接收端，通过至少两个接收机采用分集技术接收来自发射端的发射光信号，得到至少两路相互独立的接收光信号；其中，不同接收机位于接收端在空间上存在差异的位置；

对所有所述接收光信号进行合并处理，得到所述所有接收光信号的加权和；

对所述所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号的估计值。

本发明还提供了一种可见光信号传输系统，包含：发射端和接收端；所述接收端包含：至少两个接收机，合并模块，解调模块；

所述至少两个接收机用于在接收端采用分集技术接收来自所述发射端的发射光信号，得到至少两路相互独立的接收光信号；其中，不同接收机位于接收端在空间上存在差异的位置；

所述合并模块用于对所有所述接收光信号进行合并处理，得到所述所有接收光信号的加权和；

所述解调模块用于将所述所有接收光信号的加权和进行解调，得到所述发射信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在接收端采用多个接收机接收发射端的发射光信号，对多个接收机的接收光信号进行合并处理，并对合并后的信号解调得到发射信号的估计值；由于充分利用了多条路径中的信号能量，因此可以使得接收端的信噪比得以提高，有效增强接收信号，降低误码率，提高传输效率。

另外，在所述对所有所述接收光信号进行合并处理的步骤中，可以采用最大比合并、等增益合并或选择合并中的任意一种。在不同的应用环境中，可以采用不同的合并方式将多路信号相结合，以达到提高信噪比的目的。

另外，在所述采用最大比合并对所有所述接收光信号进行合并处理的步骤中，采用以下方法之一确定最大比合并中各支路的权重：

通过频谱图中信号功率比噪声功率的比值确定；

或者，通过在发射端采用通断键控调制OOK，发送训练序列，计算接收端的有效信号与噪声的比例来获得每个接收机的信噪比。

提供多种计算各支路的权重的方法，保证了实施方式的可实现性。

另外，所述发射端的发射光信号为同一发射光源发射的光信号。采用这种单输入多输出系统，可以提高通信可靠性，降低误码率，从而提高传输效率。

另外，所述发射端的发射光信号为至少两个发射光源发射的光信号。采用这种多输入多输出(MIMO)系统，可以增加信道的容量，提高通信的速度，从而提高传输效率。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的可见光信号传输方法的仿真系统示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的可见光信号传输方法的仿真系统中发射信号示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的可见光信号传输方法的仿真系统中一路接收信号示意图；

图4是根据本发明第一实施方式的可见光信号传输方法的仿真系统中另一路接收信号示意图；

图5是根据本发明第一实施方式的可见光信号传输方法的仿真系统中最大比合并信号示意图；

图6是根据本发明第三实施方式的可见光信号传输系统的结构示意图；

图7是根据本发明第四实施方式的可见光信号传输系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种可见光信号传输方法，该方法在接收端，通过至少两个接收机采用分集技术接收来自发射端的发射光信号，得到至少两路相互独立的接收光信号；接着，对所有接收光信号进行合并处理，得到所有接收光信号的加权和；并对所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号的估计值；其中，不同接收机位于接收端在空间上存在差异的位置，比如接收机位于手机的上端或下端有差异的两个位置。

在对所有接收光信号进行合并处理的步骤中，可以采用最大比合并、等增益合并或选择合并中的任意一种。在不同的应用环境中，可以采用不同的合并方式将多路信号相结合，以达到提高信噪比的目的。以下以最大比合并为例来说明将多路信号合并的方法。

假定发射端的发射光信号为同一发射光源发射的光信号，那么接收端每一个接收机接收的光信号理论上应该是相同的，且与发射光信号只存在强度差异，但由于光的散射、衍射以及环境光的影响，使得实际每一个接收机接收的光信号除了强度差异之外，还存在一些噪声。采用最大比合并(MRC)可将各路接收光信号按照权重相加得到输出信号，通过对加权因子的选择使输出的信噪比最大，因此是以最大合并信噪比输出为准则来选取合并系数。最大比合并方案在接收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发射端的原始信息。

具体地说，最大比合并(maximal-ratiocombining，MRC)输出的是各支路信号的加权和，其中，最大比合并中各支路的权重可以采用以下方法之一确定：

通过频谱图中信号功率比噪声功率的比值确定；

或者，通过在发射端采用通断键控调制OOK，发送训练序列，计算接收端的有效信号与噪声的比例来获得每个接收机的信噪比确定。

在可见光通信中，OOK是最简单，最容易实现的方法。以下说明OOK方法的具体计算方法。对每个接收机，平均信噪比定义为接收信号与总噪声的比值，当噪声源主要为散粒噪声时，信噪比与接收范围成正比。测量信噪比为：

${S=\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\ξ}}^2\left(n_{\mathrm{Rx}}\right)P_{\mathrm{rsignal}}^2$

信号接收功率P_rsignal为:

$P_{\mathrm{rsignal}}=\underset{0}{\overset{1}{\∫}}(\mathrm{\Σ}{h}_i\left(t\right)\⊗P_i\left(t\right))\mathrm{dt}$

其中：η为光探测器的灵敏度(A/W)；P_i(t)为瞬时输入功率；为卷积符号；h(t)为脉冲相应；ξ(n_Rx)为性能变化的平衡因素。

时域的平均传输光功率为：

$P_t=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{2T}\underset{-T}{\overset{T}{\∫}}{P}_i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：P_i(t)≥0：信道输入功率必须为非负值。

我们假设OOK信号为连续发送的矩形脉冲信号。高斯噪声的总方差为N₀，是散粒噪声、热噪声和光程差造成的码间干扰(ISI)的总和。

$N_0={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{shot}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{thermal}}^2+{\mathrm{\η}}^2{P}_{\mathrm{rISI}}^2$

因此，SNR可表示为：

$\mathrm{SNR}=\frac{{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\ξ}}^2\left(\mathrm{nRx}\right)H^2\left(0\right){P_t}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{shot}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{thermal}}^2+{\mathrm{\η}}^2{P}_{\mathrm{rISI}}^2}$

BER可表示为：

$\mathrm{BER}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{\sqrt{\mathrm{SNR}}}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-y^2/2}\mathrm{dy}$

其中：是信道直流增益。

码间串扰的接收功率P_rISI可表示为：

$P_{\mathrm{rISI}}=\underset{T}{\overset{\∞}{\∫}}(\mathrm{\Σ}{h}_i\left(t\right)\⊗P_i\left(t\right))\mathrm{dt}$

散粒噪声方差可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{shot}}^2=2\mathrm{q\η}(P_{\mathrm{rsignal}}+P_{\mathrm{rISI}})B_{\mathrm{en}}+2q{I}_{\mathrm{bg}}{I}_2{B}_{\mathrm{en}}$

其中：q是电子电荷，B_en是等效噪声带宽，I_bg是背景电流，I₂是噪声带宽。

热噪声方差可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{thermal}}^2=\frac{8\mathrm{\π}{\mathrm{kT}}_k}{G}\mathrm{\δ}{\mathrm{AI}}_2{B}_{\mathrm{en}}^2+\frac{16{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{kT}}_{k}E}{g_m}{\mathrm{\δ}}^2{A}^2{I}_3{B}_{\mathrm{en}}^3$

其中：k是玻尔兹曼常数，T_k是绝对温度，G是开环电压增益，δ是光探测器单位面积的电容量，E是场效应晶体管的信道噪声系数，g_m是场效应晶体管的跨导(转移电导，与电导单位相同)。

此外，值得说明的是，MRC适用于任意调制方式，比如，二相频移键控BPSK、正交幅度调制QAM等常见的调制方式，那么，在对所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号的步骤中，解调的方式应为与调制方式对应的解调方式，比如，BPSK或QAM的解调。

为了验证本实施方式的可见光信号传输方法，建立了如图1所示的仿真系统，其中，FFT将时域信号变为频域信号，同时引入信道衰落；仿真中QAM调制部分采用了实部和虚部的同时传输。以两个接收机为例来说，若发射端发射信号如图2所示，信噪比为14.9135，误码率为0.0099一个支路的接收信号如图3所示，信噪比为18.8929误码率为2.4089×10^-4另一个支路的接收信号如图4所示，MRC合并后的合并信号(即两个支路的加权和)如图5所示，由图3至图5可见，MRC加权合并后，接收信号的误码率比较优信道的信号误码率降低一个数量级，说明采用MRC加权合并后，可以有效增强接收信号。

此外，本领域技术人员可以理解，等增益合并即是对每一支路赋予相同的权重之后，求取各支路的加权和；选择性合并即选取信噪比最大的支路作为接收信号；在此不再一一赘述。在不同的应用环境中，可以采用不同的合并方式将多路信号相结合，以达到提高信噪比的目的。

本发明的第二实施方式涉及一种可见光信号传输方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，发射端的发射光信号为同一发射光源发射的光信号。而在本发明第二实施方式中，发射端的发射光信号为至少两个发射光源发射的光信号。采用这种多输入多输出(MIMO)系统，可以增加信道的容量，提高通信的速度，从而提高传输效率。

具体地说，利用MIMO(多输入多输出)技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

目前可见光通信最高离线速率可达到3.7Gbps，其信道容量可通过MIMO技术进一步提高。在可见光系统中，LED光路的漫反射和散射等问题都会产生多径效应。多径引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。在VLC-MIMO系统，在发射端采用LED阵列，接收端使用多个光电检测器进行探测。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流c_i(k)(i＝1，……，N)。这N个子流由N个LED调制成N路可见光信号并发射出去，经空间信道后由M个光电检测器接收。在接收端使用MRC算法进行最大比合并。

MIMO技术可以用于室内短距离可见光通信，是可见光通信突破Gbit的有效方案。在移动无线电通信中使用MIMO技术，是利用接收端的空间分集来减轻衰减的影响。而衰减对短距离的可见光通信而言，是可以忽略的。因而可见光通信采用MIMO技术，利用数据的并行传输来提高系统的信息速率，提高系统性能。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种可见光信号传输系统，包含：发射端和接收端；其中，接收端包含：至少两个接收机，合并模块，解调模块；至少两个接收机用于在接收端采用分集技术接收来自发射端的发射光信号，得到至少两路相互独立的接收光信号；其中，不同接收机位于接收端在空间上存在差异的位置；合并模块用于对所有接收光信号进行合并处理，得到所有接收光信号的加权和；解调模块用于将所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号。

请参阅图6所示，发射端包含一个发射光源，用于发射一路光信号。具体地说，待发射数据经过低通滤波器之后，被电放大器放大，和直流信号一起作为偏置树的输入，然后驱动LED灯发出信号，将电信号转换成为光信号，并在空间中传播。信号经过透镜聚焦和滤光镜之后被LED接收机接收，然后对所接收到的每一路信号进行信道估计，得出信道的信息，再根据所得到的信道的信息来进行合并处理，最后得到信号的输出。其中，合并模块可以采用最大比合并、等增益合并或选择式合并中的任意一种对所有接收光信号进行合并处理。合并模块在对所有接收光信号进行合并处理时，通过频谱图中信号功率比噪声功率的比值确定最大比合并中各支路的权重；或者，通过在发射端采用通断键控调制OOK，发送训练序列，计算接收端的有效信号与噪声的比例来获得每个接收机的信噪比确定最大比合并中各支路的权重。

此外，值得说明的是，图6中的光路传输中采用了透镜和滤光镜，但这些器件并不是必须的。长距离传输时，透镜可以起到聚光作用，利于信号传输；但对短距离传输而言，加不加透镜影响不大。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第四实施方式涉及一种可见光信号传输系统。第四实施方式与第三实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第三实施方式中，发射端包含一个发射光源。而在本发明第四实施方式中，发射端包含至少两个发射光源，用于发射至少两路光信号。如图7所示，可以在发射端采用LED阵列，接收端使用多个光电检测器进行探测。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种可见光信号传输方法，其特征在于，包含以下步骤：

在接收端，通过至少两个接收机采用分集技术接收来自发射端的发射光信号，得到至少两路相互独立的接收光信号；其中，不同接收机位于接收端在空间上存在差异的位置；

对所有所述接收光信号进行合并处理，得到所述所有接收光信号的加权和；

对所述所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号的估计值。

2.根据权利要求1所述的可见光信号传输方法，其特征在于，在所述对所有所述接收光信号进行合并处理的步骤中，采用最大比合并、等增益合并或选择合并中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的可见光信号传输方法，其特征在于，在所述对所有所述接收光信号进行合并处理的步骤中，采用以下方法之一确定最大比合并中各支路的权重：

通过频谱图中信号功率比噪声功率的比值确定；

或者，通过在发射端采用通断键控调制OOK，发送训练序列，计算接收端的有效信号与噪声的比例来获得每个接收机的信噪比。

4.根据权利要求1所述的可见光信号传输方法，其特征在于，所述发射端的发射光信号为同一发射光源发射的光信号。

5.根据权利要求1所述的可见光信号传输方法，其特征在于，所述发射端的发射光信号为至少两个发射光源发射的光信号。

6.根据权利要求1所述的可见光信号传输方法，其特征在于，在所述对所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号的步骤中，所述解调的方式为正交幅度调制QAM的解调。

7.一种可见光信号传输系统，其特征在于，包含：发射端和接收端；所述接收端包含：至少两个接收机，合并模块，解调模块；

所述至少两个接收机用于在接收端采用分集技术接收来自所述发射端的发射光信号，得到至少两路相互独立的接收光信号；其中，不同接收机位于接收端在空间上存在差异的位置；

所述合并模块用于对所有所述接收光信号进行合并处理，得到所述所有接收光信号的加权和；

所述解调模块用于将所述所有接收光信号的加权和进行解调，得到发射信号的估计值。

8.根据权利要求7所述的可见光信号传输系统，其特征在于，所述合并模块采用最大比合并、等增益合并或选择合并中的任意一种对所有所述接收光信号进行合并处理。

9.根据权利要求8所述的可见光信号传输系统，其特征在于，所述合并模块在对所有所述接收光信号进行合并处理时，通过频谱图中信号功率比噪声功率的比值确定最大比合并中各支路的权重；

或者，通过在发射端采用通断键控调制OOK，发送训练序列，计算接收端的有效信号与噪声的比例来获得每个接收机的信噪比确定最大比合并中各支路的权重。

10.根据权利要求7所述的可见光信号传输系统，其特征在于，所述发射端包含一个发射光源，用于发射一路光信号。

11.根据权利要求7中所述的可见光信号传输系统，其特征在于，所述发射端包含至少两个发射光源，用于发射至少两路光信号。