CN105634602A - 一种远距离可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远距离可见光通信系统，包括信号调制控制设备、一定发射功率和束散角的LED探照灯、接收天线、光探测器、信号处理电路和显示终端；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED探照灯是单色的LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输。

Description

一种远距离可见光通信系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种远距离可见光通信系统。
背景技术
可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。可见光通信技术可以分为室内可见光通信(IndoorVisibleLightCommunication)和室外可见光通信(OutdoorVisibleLightCommunication)。室内可见光通信一般在办公室、公共场所等室内条件下，而研究的重点在高速近距离传输，传输距离近，易于定位、发射、接收，目前日本研究机构已经完成室内1Gbps速率传输；室外可见光通信一般用于智能交通系统中，用来传递道路状况信息以及机动车信息辨别等。这些年，道路交通智能通信系统的应用领域得到不断的拓展和延伸，出现了道路交通信号灯、若干个机动车的LED灯所组成的道路交通信号灯与机动车和机动车前灯至机动车尾灯这两类系统。
在室外可见光通信系统当中，可见光通信是以大气为信道进行传输的，所以它的传输特性会受到各种不同的天气条件的影响，其中由雨、雪、雾霾等引起的大气衰减效应是影响可见光通信性能的关键因素。大气衰减主要表现为光能量在传输过程中的损耗减少，造成大气衰减的原因有很多，其中影响比较大的包括大气中的分子与气溶胶的吸收和散射效应。天气情况、光源波长、传输距离、光通过的空气的密度、以及大气层厚度影响着大气衰减的程度。
发明内容
本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种将基带信号调制在LED发出的可见光上，以大气为信道传输，接收端使用CCD进行接收的远距离可见光通信系统。
为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：
一种远距离可见光通信系统，包括信号调制控制设备、一定发射功率和束散角的LED探照灯、接收天线(镜头)、光探测器、信号处理电路和示波器或其他显示终端；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED探照灯是白光LED，也可以是其他单色的LED；所述光探测器采用可见光波段响应较好的CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，例如CCD光探测器，所述信号处理电路用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率(接收信号强度指示RSSI的变化；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；由于RSSI电平与接收光功率(信号功率加噪声功率)存在一定的映射关系，通过示波器对RSSI电平的采集和显示，可以得到接收光功率随时间的变化(包括慢变化和快变化)情况。所述CCD感光器件有参数灰度值，用来表示光强度的大小，通过相机配套软件，可以通过电脑等终端采集数据，得到光强度的变化。
所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频(100fps以上)、高灵敏度、高响应度CCD相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。
所述调制方式是OOK调制方式；OOK带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1。其中，″亮″状态用″1″表示，″灭″状态用″0″表示，
所述发射模块采用白光LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到4W，束散角为5.3°。
所述接收端采用CCD相机接收，以100fps为例，相机在1秒钟之内等间距拍摄100张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。
所述光接收天线是一组光学镜头，与CCD相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。
所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对LED发来的信号光的采集处理。该程序以MFC为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。
所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1T，保护间隔2T；速率识别码发送时间3T；保护间隔4T；数据同步时间；最后进行数据传输。
所述远距离可见光通信系统具体包括：
调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如OOK调制、PPM调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的51单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择FPGA等。
LED驱动，用于将电信号转化为光信号。LED驱动模块用于完成对LED光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到LED光源上。如51单片机，其触发方式是TTL触发，完成对LED光源驱动。
LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光LED光源。此外，选择阵列形式LED光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。
LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。
大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。
相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。
CCD相机，CCD是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。
CCD相机需能够匹配光源的速率，CCD相机能够完成高帧频采集。
CCD相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。
成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。
显示终端：可以在示波器、电脑或者以文件形式对结果进行显示、存储。
该发明的有益效果：
本发明的远距离可见光通信系统，在发射端采用了OOK调制方式，OOK带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1；使得发射端成本合理；在接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频(100fps以上)、高灵敏度、高响应度CCD相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。选择CCD作为光探测器，其灵敏度和响应度比传统的PIN光电二极管高很多。对比于传统光电二极管，采用CCD相机可以使光源的位置可以在图像中清晰的显示出来，这样，只要能够判断出信号的位置，将来可以使用多个光源，在接收端的接受能力之内，成倍的提高传输速率。并且CCD作为光探测器还可以同时用于APT通信系统当中。
附图说明
图1是本发明的远距离可见光通信系统装置设备示意图；
图2是本发明的远距离可见光通信系统功能模块原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种远距离可见光通信系统作进一步详尽描述；
如图1所示，一种远距离可见光通信系统，包括信号调制控制设备、一定发射功率和束散角的LED探照灯、接收天线(镜头)、光探测器、信号处理电路和示波器或其他显示终端；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED探照灯是白光LED，也可以是其他单色的LED；所述光探测器采用可见光波段响应较好的CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，例如CCD光探测器，所述信号处理电路用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率(接收信号强度指示RSSI的变化；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；由于RSSI电平与接收光功率(信号功率加噪声功率)存在一定的映射关系，通过示波器对RSSI电平的采集和显示，可以得到接收光功率随时间的变化(包括慢变化和快变化)情况。所述CCD感光器件有参数灰度值，用来表示光强度的大小，通过相机配套软件，可以通过电脑等终端采集数据，得到光强度的变化。
优选地，所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用CCD作为光探测器，硬件设备使用高帧频(100fps以上)、高灵敏度、高响应度CCD相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。
优选地，所述调制方式是OOK调制方式；OOK带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1。其中，″亮″状态用″1″表示，″灭″状态用″0″表示，
优选地，所述发射模块采用白光LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到4W，束散角为5.3°。
优选地，所述接收端采用CCD相机接收，以100fps为例，相机在1秒钟之内等间距拍摄100张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。
优选地，所述光接收天线是一组光学镜头，与CCD相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。
优选地，所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对LED发来的信号光的采集处理。该程序以MFC为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。
优选地，所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1T，保护间隔2T；速率识别码发送时间3T；保护间隔4T；数据同步时间；最后进行数据传输。
如图2所示，所述远距离可见光通信系统具体包括：
调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如OOK调制、PPM调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的51单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择FPGA等。
LED驱动，用于将电信号转化为光信号。LED驱动模块用于完成对LED光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到LED光源上。如51单片机，其触发方式是TTL触发，完成对LED光源驱动。
LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光LED光源。此外，选择阵列形式LED光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。
LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。
大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。
相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。
CCD相机，CCD是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。
CCD相机需能够匹配光源的速率，CCD相机能够完成高帧频采集。
CCD相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。采集存储之后，需要对图像进行信息提取处理。以100fps为例，分辨率常采用480*320，分辨率是图像精密程度的衡量标准。若分辨率为480*320，则共有153600个像素，而一张图片就是由这153600个点组成。像素是CCD上的基本单位，由多个像素构成一幅图像，像素的大小通常用灰度来衡量。在采用黑白相机的前提下，像素值有8位、12位等。这里像素选用8位，则每个像素值的范围是0～255，越接近0，这一点越接近于黑色；越接近255，这一点越接近白色。在黑白图像中，像素值这个概念其实就是灰度值，而灰度值指图像中点的色调深度，在8位条件下，值的大小从0到255，最高为255，最低为0，分别对应白色和黑色。利用这个特性，相机对准光源后，如果光源是″亮″状态，相机拍摄后图像的灰度值就相应高；如果是″灭″状态，灰度值就相应低。
这样，通过相应算法设置门限，高于该门限则判断为″1″，低于该门限则判断为″0″，通过实验可以发现，在″亮″状态与″灭″状态的灰度值的差值相差很大，比较容易判断。
成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。
显示终端：可以在示波器、电脑或者以文件形式对结果进行显示、存储。

Claims (7)

1.一种远距离可见光通信系统，其特征在于，包括信号调制控制设备、一定发射功率和束散角的LED探照灯、接收天线、光探测器、信号处理电路和显示终端；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED探照灯是单色的LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于，所述远距离可见光通信系统设备分为发射端和接收端；所述发射端是OOK或PPM调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，所述光源是大功率低束散角阵列LED；采用单片机控制所述发射端，实现字符串的发送；所述接收端，采用CCD作为光探测器，相机以与光源相同帧频进行拍摄，且CCD相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。
3.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于，所述发射模块采用白光LED阵列；所述LED阵列为3*4的LED阵列，每个LED功率为4W，束散角为5.3°。
4.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于，所述光接收天线是一组光学镜头，与CCD相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。
5.根据权利要求2所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于，所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对LED发来的信号光的采集处理；所述程序以MFC为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理；当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。
6.根据权利要求2所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于，所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于，所述远距离可见光通信系统具体包括：
调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，将信息先调制成电信号；所述调制器是51单片机系列或FPGA；
LED驱动，用于将电信号转化为光信号；所述LED驱动模块用于完成对LED光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到LED光源上；所述LED驱动模块是51单片机，其触发方式是TTL触发，完成对LED光源驱动；
LED，是可见光通信系统的发射装置，所述LED光源是功率大、束散角小、白光的LED阵列；
LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能；
大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响；
相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标；为了便于和CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦；
CCD相机，CCD是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像；
所述CCD相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理；
成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收；
显示终端，用于在示波器、电脑或者以文件形式对结果进行显示、存储。
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