CN105915283B - 基于双极性信号的可见光通信方法与装置 - Google Patents

基于双极性信号的可见光通信方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双极性信号的可见光通信方法与装置，方法包括步骤：将待传输信号的负数部分置零，保留正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留负数部分得到负极性信号；将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频和滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送；将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频和滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。本发明具有如下优点：利用不同的LED灯簇实现双极性信号的可见光通信，突破可见光通信对信号单极性的限制，消除非对称限幅的噪声影响，扩大可见光通信信号动态范围、提高接收信号质量。

Description

基于双极性信号的可见光通信方法与装置
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种基于双极性信号的可见光通信方法与装置。
背景技术
VLC(Visible Light Communication，可见光通信)是一种在LED照明的基础上实现无线通信的技术手段，利用光源发出肉眼无法察觉的高频信号来传输信息。以其频谱宽、绿色节能、深度覆盖、可与照明有机结合的特点而具有良好的发展前景。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，以其频谱效率高、抗多径干扰能力强、系统实现的复杂度低，同时可以根据信道特性进行比特功率分配、最大化传输速率等优点，在可见光通信中得到了广泛应用。
然而，OFDM信号是一种双极性信号，因为光强不能出现负值，对于传统的强度调制-直接探测的光通信系统，双极性信号是无法采用的。通常的解决方法是，在电光信号转换的时候为OFDM加上直流偏置，使得双极性信号变为单极性信号，从而可以在光上传输，这种方法叫做直流偏置光正交频分复用系统(DC biased Optical OFDM)，简称DCO-OFDM。采用DCO-OFDM系统，会增大输出光信号的平均功率，降低系统的功率效率。另一种方法是，采用非对称限幅光正交频分复用系统(Asymmetrically Clipped Optical OFDM)，简称ACO-OFDM。ACO-OFDM系统通过设计一种数据结构，使得传输时域信号具有一定关联性，然后直接在时域将原OFDM信号中小于0的部分截去，只保留正值，在接收机进行解调。ACO-OFDM具有调制深度高的优点，然而由于非对称限幅的噪声影响，接收端解调后得到的信号幅值为原来的一半。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于双极性信号的可见光通信方法。
本发明的第二个目的在于提出一种基于双极性信号的可见光通信装置。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于双极性信号的可见光通信方法，包括以下步骤：S1：将待传输信号的负数部分置零，保留所述待传输信号的正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留所述待传输信号的负数部分得到负极性信号；S2：将所述正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频和滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送；以及S3：将所述负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频和滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。
根据本发明实施例的基于双极性信号的可见光通信方法，利用不同的LED灯簇实现双极性信号的可见光通信，突破可见光通信对信号单极性的限制，可以消除非对称限幅的噪声影响，扩大可见光通信信号动态范围、提高接收信号质量。
另外，根据本发明上述实施例的基于双极性信号的可见光通信方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述待传输信号为从电力线上耦合通过电力线通信技术传输的双极性信号。
进一步地，所述待传输信号的来源为ACO-OFDM、PAM-DMT或者HACO-OFDM信号非对称限幅前的双极性信号。
进一步地，所述待传输信号的来源为CP-OFDM、ZP-OFDM或者TDS-OFDM双极性信号。
进一步地，所述第一LED灯簇和第二LED灯簇为同一LED灯内部分或全部灯珠的集合、或不同LED灯部分或全部灯珠的集合。
进一步地，所述第一放大因子和所述第二放大因子相等，且所述第一放大因子或所述第二放大因子的确定准则为使时域信号切顶比例达到一定数值，或使可见光通信信号功率与切顶畸变功率和噪声功率之和的比值最大。
进一步地，所述直流偏置的值数模变换后不大于可见光线性区间的最大电流。
进一步地，所述第一可见光通信信号与所述第二可见光通信信号时间上完全同步，同步方法是由同一晶振产生时钟同时驱动。
进一步地，所述第一可见光通信信号与所述第二可见光通信信号时间上完全同步，同步方法是由供电交流电的工频信号进行同步。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于双极性信号的可见光通信装置，包括：信号产生模块：用于将待传输信号的负数部分置零，保留所述待传输信号正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留所述待传输信号负数部分得到负极性信号；正极性信号发送模块：用于将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频、滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送；以及负极性信号发送模块：用于将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频、滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。
根据本发明实施例的基于双极性信号的可见光通信装置，利用不同的LED灯簇实现双极性信号的可见光通信，突破可见光通信对信号单极性的限制，可以消除非对称限幅的噪声影响，扩大可见光通信信号动态范围、提高接收信号质量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于双极性信号的可见光通信方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的待传输信号、正极性信号与负极性信号示意图；
图3是本发明一个实施例的基于双极性信号的可见光通信装置的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的基于双极性信号的可见光通信方法。
请参考图1和图2，一种基于双极性信号的可见光通信方法，包括以下步骤：
S1：将待传输信号的负数部分置零，保留待传输信号的正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留待传输信号的负数部分得到负极性信号。
在本发明的一个实施例中，待传输信号为从电力线上耦合通过电力线通信技术传输的双极性信号。
在本发明的另一个实施例中，待传输信号的来源为ACO-OFDM、PAM-DMT或者HACO-OFDM信号非对称限幅前的双极性信号。
在本发明的另一个实施例中，待传输信号的来源为CP-OFDM、ZP-OFDM或者TDS-OFDM双极性信号。
S2：将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频和滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送。
S3：将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频和滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。
在本发明的一个实施例中，直流偏置的值数模变换后不大于可见光线性区间的最大电流。
在本发明的一个实施例中，待传输信号的来源为CP-OFDM、ZP-OFDM或者TDS-OFDM双极性信号。
在本发明的一个实施例中，第一放大因子和第二放大因子相等，且第一放大因子或第二放大因子的确定准则为使时域信号切顶比例达到一定数值，或使可见光通信信号功率与切顶畸变功率和噪声功率之和的比值最大。
在本发明的一个实施例中，第一可见光通信信号与第二可见光通信信号时间上完全同步，同步方法是由同一晶振产生时钟同时驱动。
在本发明的另一个实施例中，第一可见光通信信号与第二可见光通信信号时间上完全同步，同步方法是由供电交流电的工频信号进行同步。
根据本发明实施例的基于双极性信号的可见光通信方法，利用不同的LED灯簇实现双极性信号的可见光通信，突破可见光通信对信号单极性的限制，可以消除非对称限幅的噪声影响，扩大可见光通信信号动态范围、提高接收信号质量。
为了是本领域技术人员进一步理解本申请，将通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
一种基于双极性信号的可见光通信方法，该方法包括：
S1：将待传输信号的负数部分置零，保留待传输信号正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留待传输信号负数部分得到负极性信号，具体为：
从电力线上耦合通过电力线通信技术传输得到待传输信号x，其中，待传输信号为ACO-OFDM调制信号非对称限幅前的双极性信号。
对双极性信号进行非对称限幅，以将双极性信号的负数部分置零，并保留双极性信号的正数部分，得到正极性信号x+。
对双极性信号进行非对称限幅，以将双极性信号的正数部分置零，并保留双极性信号的负数部分，得到负极性信号x-。
S2：将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第一LED灯簇的电流，并得到第一可见光通信信号后发送，具体为：
根据确定准则，使时域信号切顶比例达到一定数值1％，确定第一放大因子β1。
将正极性信号x+乘以第一放大因子β1得到β1x+，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第一LED灯簇的电流，并得到第一可见光通信信号后发送。
S3：将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第二LED灯簇的电流，并得到第二可见光通信信号后发送，具体为：
根据确定准则，使时域信号切顶比例达到一定数值1％，确定第二放大因子β2，满足β2＝β1。
将负极性信号x-乘以第二放大因子β2得到β2x-，加上直流偏置即可见光线性区间的最大电流IH，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第二LED灯簇的电流，并得到第二可见光通信信号后发送。
其中，第一LED灯簇和第二LED灯簇为不同LED灯内全部灯珠的集合。第一可见光通信信号与第二可见光通信信号时间上完全同步，其同步方法是由供电交流电的工频信号进行同步。
实施例2
一种基于双极性信号的可见光通信方法，该方法包括：
S1：将待传输信号的负数部分置零，保留待传输信号正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留待传输信号负数部分得到负极性信号，具体为：
从电力线上耦合通过电力线通信技术传输得到待传输信号x，其中，待传输信号为CP-OFDM、ZP-OFDM或者TDS-OFDM调制的双极性信号。
对双极性信号进行非对称限幅，以将双极性信号的负数部分置零，并保留双极性信号的正数部分，得到正极性信号x+。
对双极性信号进行非对称限幅，以将双极性信号的正数部分置零，并保留双极性信号的负数部分，得到负极性信号x-。
S2：将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第一LED灯簇的电流，并得到第一可见光通信信号后发送，具体为：
根据确定准则，使时域信号切顶比例达到一定数值1％，确定第一放大因子β1。
将正极性信号x+乘以第一放大因子β1得到β1x+，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第一LED灯簇的电流，并得到第一可见光通信信号后发送。
S3：将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第二LED灯簇的电流，并得到第二可见光通信信号后发送，具体为：
根据确定准则，使时域信号切顶比例达到一定数值1％，确定第二放大因子β2，满足β2＝β1。
将负极性信号x-乘以第二放大因子β2得到β2x-，加上直流偏置即可见光线性区间的最大电流IH，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第二LED灯簇的电流，并得到第二可见光通信信号后发送。
其中，第一LED灯簇和第二LED灯簇为同一LED灯内部分灯珠的集合。第一可见光通信信号与第二可见光通信信号时间上完全同步，其同步方法是由同一晶振产生时钟同时驱动。
实施例3
一种基于双极性信号的可见光通信方法，该方法包括：
S1：将待传输信号的负数部分置零，保留待传输信号正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留待传输信号负数部分得到负极性信号，具体为：
从电力线上耦合通过电力线通信技术传输得到待传输信号x，其中，待传输信号为ACO-OFDM、PAM-DMT或者HACO-OFDM调制信号非对称限幅前的双极性信号。
对双极性信号进行非对称限幅，以将双极性信号的负数部分置零，并保留双极性信号的正数部分，得到正极性信号x+。
对双极性信号进行非对称限幅，以将双极性信号的正数部分置零，并保留双极性信号的负数部分，得到负极性信号x-。
S2：将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第一LED灯簇的电流，并得到第一可见光通信信号后发送，具体为：
根据确定准则，使可见光通信信号功率P信号与切顶畸变功率P畸变和噪声功率P噪声之和的比值最大，确定第一放大因子其中
将正极性信号x+乘以第一放大因子β1得到β1x+，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第一LED灯簇的电流，并得到第一可见光通信信号后发送。
S3：将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第二LED灯簇的电流，并得到第二可见光通信信号后发送，具体为：
根据确定准则，使可见光通信信号功率P信号与切顶畸变功率P畸变和噪声功率P噪声之和的比值最大，确定第二放大因子其中
将负极性信号x-乘以第二放大因子β2得到β2x-，加上直流偏置即可见光线性区间的最大电流IH，进行数模变换、变频、滤波等操作后，控制第二LED灯簇的电流，并得到第二可见光通信信号后发送。
其中，第一LED灯簇和第二LED灯簇为不同LED灯内全部灯珠的集合。第一可见光通信信号与第二可见光通信信号时间上完全同步，其同步方法是由供电交流电的工频信号进行同步。
以下将结合附图描述根据本发明实施例的基于双极性信号的可见光通信装置。
请参考图3，一种基于双极性信号的可见光通信装置，包括信号产生模块410、正极性信号发送模块420和负极性信号发送模块430
其中，信号产生模块410用于将待传输信号的负数部分置零，保留待传输信号正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留待传输信号负数部分得到负极性信号。
正极性信号发送模块420用于将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频、滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送。
负极性信号发送模块430用于将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频、滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。
另外，本发明实施例的基于双极性信号的可见光通信方法与装置的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待传输信号的负数部分置零，保留所述待传输信号的正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留所述待传输信号的负数部分得到负极性信号；
S2：将所述正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频和滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送；以及
S3：将所述负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频和滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。
2.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述待传输信号为从电力线上耦合通过电力线通信技术传输的双极性信号。
3.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述待传输信号的来源为ACO-OFDM、PAM-DMT或者HACO-OFDM信号非对称限幅前的双极性信号。
4.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述待传输信号的来源为CP-OFDM、ZP-OFDM或者TDS-OFDM双极性信号。
5.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述第一LED灯簇和第二LED灯簇为同一LED灯内部分或全部灯珠的集合、或不同LED灯部分或全部灯珠的集合。
6.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述第一放大因子和所述第二放大因子相等，且所述第一放大因子或所述第二放大因子的确定准则为使时域信号切顶比例达到一定数值，或使可见光通信信号功率与切顶畸变功率和噪声功率之和的比值最大。
7.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述直流偏置的值数模变换后不大于可见光线性区间的最大电流。
8.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述第一可见光通信信号与所述第二可见光通信信号时间上完全同步，同步方法是由同一晶振产生时钟同时驱动。
9.根据权利要求1所述的基于双极性信号的可见光通信方法，其特征在于，所述第一可见光通信信号与所述第二可见光通信信号时间上完全同步，同步方法是由供电交流电的工频信号进行同步。
10.一种基于双极性信号的可见光通信装置，其特征在于，包括：
信号产生模块：用于将待传输信号的负数部分置零，保留所述待传输信号正数部分得到正极性信号；将待传输信号的正数部分置零，保留所述待传输信号负数部分得到负极性信号；
正极性信号发送模块：用于将正极性信号乘以第一放大因子，进行数模变换、变频、滤波后，控制第一LED灯簇的电流，得到第一可见光通信信号后发送；以及
负极性信号发送模块：用于将负极性信号乘以第二放大因子，加上直流偏置，进行数模变换、变频、滤波后，控制第二LED灯簇的电流，得到第二可见光通信信号后发送。
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