CN106130634B - 一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器，所述均衡器包括白光发光二极管LED、可变电阻、可变电容、MOS管、光电探测器和跨阻放大器TIA，所述白光发光二极管LED作为光源；由所述可变电阻和可变电容组成可调参的均衡器网络；所述MOS管作为驱动LED直流耦合的电子开关，用于可见光通信系统的发射端；所述光电探测器及跨阻放大器TIA作为可见光通信系统的接收前端进行光电信号转换。利用上述均衡器能够使室内接收面上多个典型位置处的光通信链路均满足要求，提高室内可见光通信系统接收端的可移动性，进而提高可见光通信系统的整体性能。

Description

一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均 衡器

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器。

背景技术

自可见光通信的概念问世，利用发光二极管(LED)作为发射端，光电探测器作为接收前端，使得LED在提供照明的同时还可以进行通信，由于LED相较于白炽灯和节能灯具有效率高、能耗低、成本低及寿命长等优点，其已大量占据照明应用的市场。而鉴于LED还具有调制性能好、响应灵敏度高的优点，因此可以将需要通信的信息调制到LED发出的可见光上进行传输。在经典的室内场景下，一般采用白光LED作为照明，因此使用白光LED进行照明通信一体化是可见光通信(VLC)技术中的重要研究方向。

作为室内可见光通信系统的重要组成部分，发射端光源LED的频率响应特性很大程度决定了系统有效带宽，进而影响VLC系统的通信传输性能，目前市场化的白光LED产品主要词用蓝光LED混合黄绿色荧光粉激发白光，由于荧光粉的响应速度较慢，导致现阶段白光LED的调制带宽均较低，不适于高速通信，因此研究者们提出了多种均衡技术对其进行补偿，其中采用传统模拟电路设计均衡器是一种常见手段。但现有技术中提出的均衡器仅考虑对LED光源响应的补偿，而实际室内可见光通信场景中还需要考虑接收端处于室内接收平面上不同位置时光信道响应情况下系统整体的调制带宽性能，因此设计一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面上位置的均衡器对研究可见光通信技术应用的可移动性是很有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器，利用该均衡器能够使室内接收面上多个典型位置处的光通信链路均满足要求，提高室内可见光通信系统接收端的可移动性，进而提高可见光通信系统的整体性能。

一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器，所述均衡器包括发射端预均衡器和接收端后向均衡器，其中：

所述发射端预均衡器包括白光发光二极管LED、可变电阻、可变电容和MOS管，用于根据当前用户所处区域对应的信道情况调整可变元件的值，利用可变电阻和可变电容的充放电效应组成高通滤波器，补偿该时刻用户与发射天线之间的信道响应造成的能量衰减；

所述接收端后向均衡器包括光电探测器、跨阻放大器和可变电阻，用于根据当前用户所处区域对应的信道情况调整可变电阻的阻值，利用可变电阻的充放电效应组成高通滤波器，补偿该时刻用户与发射天线之间的信道响应造成的能量衰减；

所述白光发光二极管LED作为光源；

所述均衡器具体根据室内不同位置处链路响应的差异以及用户在不同位置区域内的活动概率对相应区域进行重要性权值分配，优化得到一组均衡器参数，再根据室内不同位置的信道响应特性进行调整均衡补偿，最终保证室内多个典型位置处的系统联合响应均衡效果均高于误码要求的均衡器参数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用上述均衡器能够使室内接收面上多个典型位置处的光通信链路均满足要求，提高室内可见光通信系统接收端的可移动性，进而提高可见光通信系统的整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的室内场景下用户活动概率分区示意图；

图3为采用本发明实施例所提供的均衡器的可见光通信链路模拟部分系统示意图；

图4为本发明实施例提供的可见光通信系统的接收端位于室内中心时经过多次反射后的信道脉冲响应仿真结果示意图；

图5为本发明实施例提供的可见光通信系统的接收端位于靠墙位置时经过多次反射后的信道脉冲响应仿真结果示意图；

图6为本发明实施例提供的可见光通信系统的接收端位于角落位置时经过多次反射后的信道脉冲响应仿真结果示意图；

图7为本发明实施例提供的LED光源的频率特性曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的综合LED光源响应特性和三种典型位置处信道响应而分别得到的系统联合响应拟合模型曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器可称为具有一定鲁棒性的均衡器，此处的鲁棒性指该均衡器针对可见光通信系统接收端在室内接收面上多个典型位置处时的光通信链路均具有满足要求的均衡性能。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器的结构示意图，所述均衡器具体包括发射端预均衡器和接收端后向均衡器，其中：

所述发射端预均衡器包括白光发光二极管LED、可变电阻、可变电容和MOS管，用于根据当前用户所处区域对应的信道情况调整可变元件的值，利用可变电阻和可变电容的充放电效应组成高通滤波器，补偿该时刻用户与发射天线之间的信道响应造成的能量衰减；

所述接收端后向均衡器包括光电探测器、跨阻放大器和可变电阻，用于根据当前用户所处区域对应的信道情况调整可变电阻的阻值，利用可变电阻的充放电效应组成高通滤波器，补偿该时刻用户与发射天线之间的信道响应造成的能量衰减，该接收端后向均衡器中的可变元件仅针对电阻，主要作用为调整接收端的信号能量强度；

所述白光发光二极管LED作为光源；该白光发光二管LED包括：荧光粉型白光发光二极管；或红绿蓝三色组合封装型的白光发光二极管，即将单色光LED按照一定比例组合使混合产生白光；

所述均衡器根据室内不同位置处链路响应的差异以及用户在不同位置区域内的活动概率对相应区域进行重要性权值分配，优化得到一组均衡器参数，再根据室内不同位置的信道响应特性进行调整均衡补偿，最终保证室内多个典型位置处的系统联合响应均衡效果均高于误码要求的均衡器参数。

所述MOS管作为驱动LED直流耦合的电子开关，用于可见光通信系统的发射端；

所述光电探测器及跨阻放大器TIA作为可见光通信系统的接收前端进行光电信号转换。

具体实现中，上述可变电阻和可变电容的参数依据所用光源的频率特性以及室内不同位置处的链路响应特性来选取。

另外，所述光电探测器可以包括：PIN-硅光电二极管或雪崩光敏二极管。

下面再以具体的实例对上述均衡器的具体工作过程进行详细说明，首先如图2所示为本发明实施例所提供的室内场景下用户活动概率分区示意图，图2中：室内场景的尺寸设定为经典的5m×5m×3m，白光LED光源的坐标为(0,0,3)；鉴于用户在室内活动具有一定统计特性，在各个位置处活动的概率并不均匀，故将接收面按照活动概率进行分区划分(这里用户活动概率的定义并不统一，可能为在各区域停留时间，也可能为在各区域出现的概率)；如图2所示：将接收面分为三种区域，即A类、B类和C类。其中，A类区域尺寸为3m×3m，区域中心与室内区域的中心重合，在典型的应用场景下用户在A类区域活动的概率最大，设定为70％；B类区域由四部分靠墙区组成，每个部分尺寸为3m×1m，用户在B类区域活动概率次大，设定为25％(四个部分活动概率总和)；而C类区域由四个墙角位置组成，每个部分尺寸为1m×1m，用户在C类区域活动概率最小，设定为5％。在实际情况中，白光LED光源的位置不一定在室内区域的中心，用户在上述所分3个区域的活动概率也不一定如上所设，本领域技术人员能够想到的其他区域划分也是可以满足要求的。

如图3所示为采用本发明实施例所提供的均衡器的可见光通信链路模拟部分系统示意图，参考图3：该系统不考虑数字基带部分，仅包括发射端、信道传输和接收端，其输入为经过数字处理编码调制后的比特流，比特流通过光调制驱动器后对LED光源进行强度调制；光信号在自由空间传输，通过接收端透镜汇聚到光电探测器上，接收端处于不同位置时所接收到的能量组成不同，经过光电转换后对再对信号进行后续处理输出待解调解码的比特流。本发明实施例提供的均衡器可以包括发射端预均衡器和接收端后向均衡器，如图3中的虚线框所示，该均衡器使用可调参的均衡器网络，对室内不同位置的信道响应特性进行重新调整均衡补偿。

如图4、5、6所示为本发明实施例提供的可见光通信系统的接收端分别位于室内中心、靠墙及角落位置时经过多次反射后的信道脉冲响应仿真结果示意图，设定光源模型为朗伯指数为1的朗伯辐射型，位置向量(0，0，3)，单位发射方向向量(0，0，-1)；接收端视场角全角为85°，接收面积1cm²，单位接收方向向量(0，0，1)，其位置向量为分别在如图2所示的A类区域、B类区域和C类区域时的(0，0，0)，(2，0，0)和(2，2，0)；对于房间墙面反射面，假设都是理想朗伯漫反射模型，设定各个墙面的反射率分别为：0.8，0.8，0.8，0.8，0.8，0.3(地面)。

由图4、5、6可见：接收端位于室内不同位置处时可见光通信信道的冲激响应特性不尽相同，这也说明在设计均衡器的过程中将信道响应特性的影响与LED光源响应综合考虑是非常有意义的。如图7所示为本发明实施例提供的LED光源的频率特性曲线示意图，如图7所示：白光LED的10dB带宽仅有5MHz，滤光后10dB带宽也只有10MHz；另外，注意图7所示的LED频率响应特性测量时将光源与探测器尽量靠近保证仅有直射成分而没有反射成分，以确保测量结果。

如图8所示为本发明实施例提供的综合LED光源响应特性和三种典型位置处信道响应而分别得到的系统联合响应拟合模型曲线示意图，由图8可知：在一定频率范围内可以将系统联合响应近似为指数模型(在对数域上呈线性)，故可以根据设计反向线性补偿高通滤波器的方法分别对不同位置处的联合响应进行均衡器设计，从而得到适用于不同位置的一组均衡器参数，再通过优化选择最终确定能够保证在室内多个典型位置处的系统联合响应均衡效果(例如带宽增益性能)均高于误码要求的均衡器参数。

综上所述，利用本发明实施例所提供的均衡器，可见光通信系统的接收端在室内各个位置移动时虽然链路响应性能不尽相同，但都能保证通信质量，用户活动范围不再被限制在光源正下方的区域内，而是扩展在整个室内范围，提高室内可见光通信系统接收端的可移动性，进而提高可见光通信系统的整体性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种适用于室内可见光通信场景中不同接收面位置上的均衡器，其特征在于，所述均衡器包括发射端预均衡器和接收端后向均衡器，其中：

所述发射端预均衡器包括白光发光二极管LED、可变电阻、可变电容和MOS管，用于根据当前用户所处区域对应的信道情况调整可变元件的值，利用可变电阻和可变电容的充放电效应组成高通滤波器，补偿该时刻用户与发射天线之间的信道响应造成的能量衰减；其中，MOS管作为驱动LED直流耦合的电子开关，用于可见光通信系统的发射端；所述发射端预均衡器具体由一白光发光二极管LED、一可变电阻、一可变电容、一MOS管以及一阻值固定的电阻R2组成；其中，可变电阻和可变电容串联后与阻值固定的电阻R2并联，MOS管依次与并联后的电路以及白光发光二极管LED相连；

所述接收端后向均衡器包括光电探测器、跨阻放大器和可变电阻，用于根据当前用户所处区域对应的信道情况调整可变电阻的阻值，利用可变电阻的充放电效应组成高通滤波器，补偿该时刻用户与发射天线之间的信道响应造成的能量衰减；其中，所述光电探测器及跨阻放大器TIA作为可见光通信系统的接收前端进行光电信号转换；所述接收端后向均衡器具体由一光电探测器、一跨阻放大器、两个可变电阻和一电容量固定的电容组成；其中，可变电阻R1与电容量固定的电容C1并联，另一可变电阻R2作为并联后电路的输出分支，光电探测器依次与跨阻放大器以及并联后的电路相连；

其中，所述可变电阻和可变电容的参数依据所用光源的频率特性以及室内不同位置处的链路响应特性来选取；

所述白光发光二极管LED作为光源；

所述均衡器具体根据室内不同位置处链路响应的差异以及用户在不同位置区域内的活动概率对相应区域进行重要性权值分配，优化得到一组均衡器参数，再根据室内不同位置的信道响应特性进行调整均衡补偿，最终确定能够保证在室内多个典型位置处的系统联合响应均衡效果均高于误码要求的均衡器参数。

2.根据权利要求1所述均衡器，其特征在于，所述白光发光二极管LED包括：

荧光粉型白光发光二极管；或，红绿蓝三色组合封装型的白光发光二极管。

3.根据权利要求1所述均衡器，其特征在于，

所述光电探测器包括：PIN-硅光电二极管或雪崩光敏二极管。