CN105281836A - 一种基于预加重电路的可见光通信系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预加重电路的可见光通信系统与方法，属于可见光通信技术领域。本发明的可见光通信系统，包括2组RGB-LED发光器件、发射端与接收端。信号发射端的预加重电路通过对高频分量信号幅度进行人为的提升，扩展了系统的带宽，改善了可见光通信系统的性能；放大电路通过对相同颜色不同支路的数字信号进行不同级别的放大，实现了PAM调制。信号接收端的解调模块通过设定三个门限值，实现PAM的解调。本发明可以通过对高频分量的信号幅度进行人为的提升，扩展系统带宽，同时加入了PAM调制与波分复用技术，实现可见光通信系统性能的有效提升，解决了现有通用白色LED灯高频特性差、可见光通信系统传输速率低的问题。

Description

一种基于预加重电路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，尤其涉及一种基于预加重电路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，LED具有较强的低通频率选择特性，典型LED灯在1MHz处的响应要比100MHz处的响应高了20dB左右，这种特性导致了可见光通信系统的低频部分和高频部分信道相应差异较大，使得系统的带宽较小，很大程度上限制了可见光通信系统的通信速率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于预加重电路的可见光通信系统与方法。本发明通过提升高频分量信号的幅度，扩展了系统的带宽，改善了可见光通信系统的性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于预加重电路的可见光通信系统，包括RGB-LED发光器件、信号发射端和信号接收端，

所述RGB-LED发光器件的组数为N，每组RGB-LED发光器件包括红色LED、绿色LED和蓝色LED，所述的N为自然数，且N根据RGB-LED发光器件中光电转换模块的性能以及调制与解调复杂程度所确定；

所述信号发射端用于产生伪随机序列，并将伪随机序列经过串并转换得到3N路并行的数字信号，数字信号经D/A变换和预加重后均分为三组预加重信号，将属于同一组不同路的预加重信号进行不同级别的放大后分别驱动N组RGB-LED发光器件产生混合光信号；

所述信号接收端用于将混合光信号通过三种相应波长的滤光片后进行光电转换分为独立的三路PAM信号，对三路PAM信号分别进行A/D变换和解调得到3N路并行的数字信号，将3N路数字信号经并串转换后输出伪随机序列。

其中，所述信号发射端包括：

控制模块，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伪随机序列，并将伪随机序列输出至串并变换模块；所述的伪随机序列的序列周期为2ⁿ-1，其中，n为线性移位寄存器的级数；

串并变换模块，用于将伪随机序列变为3N路并行数字信号后输出到D/A变换模块；

D/A变换模块，用于将3N路并行数字信号进行数模变换，得到3N路模拟信号并输出到预加重电路；

预加重电路，用于将3N路模拟信号中的高频分量幅度进行提升，得到3N路预加重信号，均分成三组后分别输出至第一至第三放大电路；

第一至第三放大电路，用于将接收到的同组不同路的预加重信号进行不同级数的放大，并将放大后的信号一一对应输出至RGB-LED发光器件。

其中，所述信号的接收端包括：

第一至第三滤光片，用于将三种不同波长的混合光信号进行分离，得到三种不同波长的独立光信号并一一对应输出至第一至第三光电转换模块；

第一至第三光电转换模块，用于获取独立光信号，并将所述独立光信号转换为PAM信号后一一对应输出至第一至第三A/D模块；

第一至第三A/D模块，用于将PAM信号进行模数变换，得到三路数字PAM信号并一一对应输出至第一至第三解调模块；

第一至第三解调模块，用于设定(2^N-1)种不同的门限值，对所述三路数字PAM信号的幅值大小与门限值进行比较输出3N路并行的数字信号，并输出至并串变换模块；

并串变换模块，所述并串转换模块用于将所述3N路并行的数字

信号转换为伪随机序列后输出。

其中，所述光电转换模块为光电倍增管。

其中，所述RGB-LED发光器件的组数为2。

其中，所述的预加重电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和第三级射极跟随器，模拟信号经第一级放大电路和第二级放大电路进行电压放大后输出至第三级射极跟随器，放大后的信号经第三级射极跟随器进行电流放大后输出至放大电路。

一种基于预加重电路的可见光通信方法，包括以下步骤：

信号发射端：

(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经串并变换和D/A变换后转换为3N路并行模拟信号；其中，N为自然数；

(3)将所述的3N路并行模拟信号中的高频分量幅度进行提升，得到3N路预加重信号；

(4)将3N路预加重信号均分为三组，将属于一组的每路预加重信号经不同级别放大后分别驱动N组RGB-LED发光器件，形成三组不同波长的混合光信号；

信号接收端：

(5)三组不同波长的混合光信号一一对应透过三种不同波长的滤光片后经光电倍增管，将光信号转为电信号，从而获得三路PAM信号；

(6)解调模块通过设置(2^N-1)种不同的门限值，对所述三路数字PAM信号的幅值大小与门限值进行比较判决，输出3N路并行的数字信号；

(7)3N路并行的数字信号经过并串变换后得到伪随机序列。

本发明相比背景技术的有益效果在于：

(1)本发明使用了预加重电路，通过对高频分量的幅度进行人为的提升，扩展了系统的带宽，从而改善了可见光通信系统的性能；

(2)本发明使用了RGB三色LED灯，等效于三条互不干扰的信道，在不使用复杂调制方式的基础上，提升了可见光系统的传输速率。

(3)本发明中通过在发射端添加放大电路，实现了三路并行PAM调制，成倍提升了可见光通信系统的传输速率。

附图说明

图1是本发明信号发射端的结构示意图。

图2是本发明的预加重电路的原理图。

图3是本发明的基于放大电路PAM实现的原理图。

图4是本发明信号接收端的结构示意图。

具体实施方式

下面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预加重电路的可见光通信系统，包括两个RGB-LED灯组，包括两个红色LED、两个绿色LED和两个蓝色LED，信号发射端和信号接收端。

图1所示为信号发射端的结构示意图。信号发射端包括控制模块，用于控制信号发送的开始以及发射端各模块的复位；信号产生模块，利用FPGA产生伪随机序列，序列周期为2ⁿ-1，n为线性移位寄存器的级数；串并变换模块，将一路串行信号变为6路并行OOK信号，然后经过预加重电路。

图2所示为预加重电路的电路原理图。预加重电路采用两级放大电路和一级射极跟随器。第一级放大电路，C₁的作用是滤除交流信号中的直流分量，R₁和R₂的作用是通过分压设置Q₁的静态工作点，R₃、R_4、R₅和C₂的作用是设置第一级放大的增益，频率响应可记为：

$A_{V1}\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{R_3}{R_4//(R_5+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2})}$

幅频特性为：

$\left|A_{V1}\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{R_3}{R_4}(1+\frac{{\mathrm{\ωR}}_4{C}_2}{\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}_5^2{C}_2^2}})$

设计预加重电路的目的是增大高频分量的幅度，因此R₅要远比R₄小，可计算3dB带宽为：

${\mathrm{\ω}}_{-3dB}\≈\frac{0.414}{R_4{C}_2}$

可通过设置R₄和C₂的值来确定3dB带宽的值。

第二级放大电路，C₃的作用是滤除交流信号中的直流分量，R₆和R₇的作用是通过分压设置Q₂的静态工作点，R₈、R₉、R₁₀和C₄的作用是设置第二级放大的增益，计算公式可参考第一级放大电路的计算公式。

可根据实际需要设置第一级放大电路和第二级放大电路的3dB带宽值，使得整个3dB频段内幅频特性趋向平滑曲线。

第三级射极跟随器，C₅的作用是滤除交流信号中的直流分量，R₁₁和R₁₂的作用是通过分压设置Q₃的静态工作点，R₁₃值较小，其作用是提高驱动负载能力。

6路并行数字信号经过预加重电路以后，进入放大电路。为了能够实现4-PAM调制，我们需要解决如何区分发送10和01的问题。因为可见光通信为强度调制，发送10和01时叠加强度均为1。于是我们设计了放大电路，将发送相同颜色的两路信号经过不同比例的放大，原理如图3所示。以两个红灯为例，经过放大电路以后，LED2发送1时的信号幅度是LED1发送1时的幅度2倍，从而在接收端根据发送端的信号强度以及信号在传输过程中的衰减情况，设定三个大小不同的门限值即可实现4种幅值的判定，即4-PAM的解调。PAM调制有效提升了可见光通信系统的传输速率。考虑到光电转换模块的性能限制以及调制的复杂程度，4-PAM对于可见光通信系统无疑是一个最佳的选项。这也是我们选择RGB-LED组数定为2的原因。

最后，6路放大后的信号分别驱动2组RGB-LED发光，在这里我们使用波分复用技术(WDM)，三种颜色灯之间相互干扰极小，形成了三个相互独立的传输信道，提升了系统的传输速率。相同颜色的LED发光器件发射的光信号在传播过程中发生光强叠加，形成三组不同波长的混合的PAM可见光信号。

图4为信号接收端，三种相对应波长的滤光片将混合信号分为了独立的三路，其中，滤光片是根据RGB-LED发出的光的波长选定，保证三条光路相互之间的干扰尽可能的小，三路独立信号分别经过光电倍增管放大以后，接收到的信号一一对应进入A/D模块，所述A/D模块对接收到的模拟信号分别进行采样和量化，最终连续输出8bit数字信息，解调模块通过设定三种不同的门限值对8bit数字信息进行判定，从而实现PAM的解调，最终经过并串变换模块，将6路并行的数字信号转换为所述信源信号。

一种基于预加重电路的可见光通信方法，包括以下步骤：

信号发射端：

(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经串并变换和D/A变换后转换为6路并行模拟信号；

(3)将所述的6路并行模拟信号中的高频分量幅度进行提升，得到6路预加重信号；

(4)将6路预加重信号分为三组，将属于一组的每路预加重信号经不同级别放大后分别驱动2组RGB-LED发光器件，形成三组不同波长的混合光信号；

信号接收端：

(5)三组不同波长的混合光信号一一对应透过三种不同波长的滤光片后经过光电倍增管，将光信号转为电信号，从而获得三路PAM信号；

(6)解调模块通过设置三种不同的门限值，对所述三路数字PAM信号的幅值大小与门限值进行比较判决，输出6路并行的数字信号；

(7)6路并行的数字信号经过并串变换后得到伪随机序列。

Claims (7)

1.一种基于预加重电路的可见光通信系统，包括RGB-LED发光器件、信号发射端和信号接收端，其特征在于：

所述RGB-LED发光器件的组数为N，每组RGB-LED发光器件包括红色LED、绿色LED和蓝色LED，所述的N为自然数；

所述信号发射端用于产生伪随机序列，并将伪随机序列经过串并转换得到3N路并行的数字信号，数字信号经D/A变换和预加重后均分为三组预加重信号，将属于同一组不同路的预加重信号进行不同级别的放大后分别驱动N组RGB-LED发光器件产生混合光信号；

所述信号接收端用于将混合光信号通过三种相应波长的滤光片后进行光电转换分为独立的三路PAM信号，对三路PAM信号分别进行A/D变换和解调得到3N路并行的数字信号，将3N路数字信号经并串转换后输出伪随机序列。

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

控制模块，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伪随机序列，并将伪随机序列输出至串并变换模块；所述的伪随机序列的序列周期为2ⁿ-1，其中，n为线性移位寄存器的级数；

串并变换模块，用于将伪随机序列变为3N路并行数字信号后输出到D/A变换模块；

D/A变换模块，用于将3N路并行数字信号进行数模变换，得到3N路模拟信号并输出到预加重电路；

预加重电路，用于将3N路模拟信号中的高频分量幅度进行提升，得到3N路预加重信号，均分成三组后分别输出至第一至第三放大电路；

第一至第三放大电路，用于将接收到的同组不同路的预加重信号进行不同级数的放大，并将放大后的信号一一对应输出至RGB-LED发光器件。

3.根据权利要求1所述的一种基于预加重电路的可见光通信系统，其特征在于：所述信号的接收端包括：

第一至第三滤光片，用于将三种不同波长的混合光信号进行分离，得到三种不同波长的独立光信号并一一对应输出至第一至第三光电转换模块；

第一至第三光电转换模块，用于获取独立光信号，并将所述独立光信号转换为PAM信号后一一对应输出至第一至第三A/D模块；

第一至第三A/D模块，用于将PAM信号进行模数变换，得到三路数字PAM信号并一一对应输出至第一至第三解调模块；

第一至第三解调模块，用于设定(2^N-1)种不同的门限值，对所述三路数字PAM信号的幅值大小与门限值进行比较输出3N路并行的数字信号，并输出至并串变换模块；

并串变换模块，所述并串转换模块用于将所述3N路并行的数字信号转换为伪随机序列后输出。

4.根据权利要求3所述的一种基于预加重电路的可见光通信系统，其特征在于：所述光电转换模块为光电倍增管。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于预加重电路的可见光通信系统，其特征在于：所述RGB-LED发光器件的组数为2。

6.根据权利要求2所述的一种基于预加重电路的可见光通信系统，其特征在于：所述的预加重电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和第三级射极跟随器，模拟信号经第一级放大电路和第二级放大电路进行电压放大后输出至第三级射极跟随器，放大后的信号经第三级射极跟随器进行电流放大后输出至放大电路。

7.一种基于预加重电路的可见光通信方法，其特征在于包括以下步骤：

信号发射端：

(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经串并变换和D/A变换后转换为3N路并行模拟信号；其中，N为自然数；

(3)将所述的3N路并行模拟信号中的高频分量幅度进行提升，得到3N路预加重信号；

(4)将3N路预加重信号均分为三组，将属于一组的每路预加重信号经不同级别放大后分别驱动N组RGB-LED发光器件，形成三组不同波长的混合光信号；

信号接收端：

(5)三组不同波长的混合光信号一一对应透过三种不同波长的滤光片后经光电倍增管，将光信号转为电信号，从而获得三路PAM信号；

(6)解调模块通过设置(2^N-1)种不同的门限值，对所述三路数字PAM信号的幅值大小与门限值进行比较判决，输出3N路并行的数字信号；

(7)3N路并行的数字信号经过并串变换后得到伪随机序列。