CN106130637A - 一种基于led的可见光通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于LED的可见光通信系统和方法，其由发射装置、光学天线和接收装置组成。光学天线包括光学发射天线和光学接收天线。发射装置包括发射主控模块、N‑nDPAPM编码调制模块、N个LED恒流驱动模块和N个LED光源。接收装置包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数转换模块、N‑nDPAPM解码解调模块和接收主控模块。本发明采用N‑nDPAPM调制技术，将脉冲幅度调制(MPAM)和n维脉冲位置调制(nDPPM)这两者相结合，既降低了系统对带宽的要求，提高了信息传输速率，又增强了系统可靠性。相对于单输入单输出(SISO)系统而言，该系统可增大信道容量。

Description

一种基于LED的可见光通信系统和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于LED的可见光通信系统和方法。

背景技术

与传统的照明设备相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、易驱动、绿色环保等优点，被视为第四代节能环保型照明产品。由于照明LED的一般工作功率都大于10W，因而为可见光通信提供了很好的保障条件。可见光通信(VLC)以LED为光源，以可见光为信息载体，大气为信道，光电检测模块(PD)为接收机，实现了LED照明兼通信双重功能。VLC的安全性高，保密性好，尤其适合应用在射频(RF)敏感区域，是对现有RF通信系统的有效补充。

采用何种调制方法将待传送信息加载到可见光上，以及何种解调方法将待传送信息从可见光中分离出来，对于可见光通信的性能产生至关重要的影响。典型的强度调制/直接检测(IM-DD)技术较为简单，易实现，但抗噪声性能差。脉冲幅度调制(PAM)可有效利用带宽，但增加了系统对接收机的要求。传统脉冲位置调制(PPM)技术有较高的功率利用率，但增加了系统对带宽的要求。

发明内容

本发明所要解决的是现有调制解调方法无法保证可见光的可靠性和有效性的问题，提供一种基于LED的可见光通信系统和方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于LED的可见光通信系统，由发射装置、光学天线和接收装置组成。上述光学天线包括光学发射天线和光学接收天线。上述发射装置包括发射主控模块、N-nDPAPM编码调制模块、N个LED恒流驱动模块和N个LED光源；发射主控模块的输出端连接N-nDPAPM编码调制模块的输入端，N-nDPAPM编码调制模块的N个输出端各与一个LED恒流驱动模块的输入端连接，N个LED恒流驱动模块的输出端分别连接N个LED光源的输入端，LED光源的输出端连接光学发射天线的输入端。上述接收装置包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数转换模块、N-nDPAPM解码解调模块和接收主控模块；光学接收天线的输出端连接光电检测模块，光电检测模块的输出端连接跨阻放大模块的输入端，跨阻放大模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接N-nDPAPM解码解调模块的输入端，N-nDPAPM解码解调模块的输出端连接接收主控模块的输入端。上述N和n均为大于1的正整数。

上述方案中，N-nDPAPM编码调制模块包括信道编码模块、N个n维PPM映射模块、N个n维PPM调制模块、N个MPAM映射模块和N个MPAM调制模块。信道编码模块的输入端构成N-nDPAPM编码调制模块的输入端；信道编码模块的输出端分为N路，每一路依次连接1个n维PPM映射模块、1个n维PPM调制模块、1个MPAM映射模块和1个MPAM调制模块；N个MPAM调制模块的输出端构成N-nDPAPM编码调制模块的N个输出端；上述M为大于1的正整数。

上述方案中，N-nDPAPM解码解调模块包括MPAM解调模块、n维PPM解调模块、n维PPM解映射模块、对数最大似然估计模块和信道解码模块。MPAM解调模块的输入端构成N-nDPAPM解码解调模块的输入端；MPAM解调模块的输出端连接n维PPM解调模块的输入端，n维PPM解调模块的n个输出端连接n维PPM解映射模块的n个输入端，n维PPM解映射模块的输出端连接对数最大似然估计模块的输入端，对数最大似然估计模块的输出端连接信道解码模块的输入端；信道解码模块的输出端构成N-nDPAPM解码解调模块的输出端；上述M为大于1的正整数。

上述方案中，LED光源为白光LED。

上述方案中，光学发射天线为扩束光学透镜，光学接收天线为滤光片组和聚光透镜。

一种基于LED的可见光通信方法，包括如下步骤：

步骤1，发射主控模块将外网信息处理为二进制码元输入到N-nDPAPM编码调制模块；

步骤2，N-nDPAPM编码调制模块完成对信息的n维PPM调制和MPAM调制；

步骤3，LED恒流驱动模块完成对LED光源的恒流驱动；

步骤4，LED光源向外发出可见光；

步骤5，光电检测模块完成N路并行光信号的接收和光电转换；

步骤6，跨阻放大模块完成对光电检测模块输出的微弱电信号的放大；

步骤7，模数转换模块完成对上级输出信号的模数转换；

步骤8，N-nDPAPM解码解调模块完成MPAM解调和n维PPM信号解调；

步骤9，接收主控模块将解码出的信息进行显示；

上述N和n均为大于1的正整数。

上述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1，信道编码后分帧；

步骤2.2，对每路信号进行n维脉冲位置映射；

步骤2.3，对n维PPM映射信息进行n维PPM调制；

步骤2.4，调制后信号进行脉冲幅度调制映射；

步骤2.5，对映射信息进行MPAM调制；MPAM调制模块为LED光源提供M个不同的驱动电压级；

上述M为大于1的正整数。

上述步骤2.1中，发送主控模块送来的源数据经信道编码后，每N×n个二进制码划分为一帧，每一帧数据分为N组，每一组数据有n位源数据。

上述步骤2.2中，n维脉冲位置映射规则为：每路串行输入的n位数据分别映射为1组并行的n维PPM映射信息；

上述步骤8具体包括如下步骤：

步骤8.1，解调MPAM信号；

步骤8.2，解调n维PPM信号；

步骤8.3，对数最大似然估计解码；

步骤8.4，解码信号后进行信道解码。

与现有技术相比，本发明采用N-nDPAPM调制技术，将脉冲幅度调制(MPAM)和n维脉冲位置调制(nDPPM)这两者相结合，既降低了系统对带宽的要求，提高了信息传输速率，又增强了系统可靠性。相对于单输入单输出(SISO)系统而言，该系统可增大信道容量。

附图说明

图1为一种基于LED的可见光通信系统框图。

图2为2-4DPAPM编码调制方法图。

图3为4维PPM调制的基函数。

图4为2路4DPAPM信号。

图5为4维PPM解调方法图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实例和附图对本发明做进一步的描述。

一种基于LED的可见光通信系统，如图1所示，由发射装置、光学天线和接收装置组成。

上述光学天线包括光学发射天线和光学接收天线。光学发射天线为扩束光学透镜(expanding telescope)，能有效减少发射光束的发散角。光学接收天线为滤光片组和聚光透镜，能增强照射到光电检测模块表面的光强。

上述发射装置包括发射主控模块、N-nDPAPM编码调制模块、N个LED恒流驱动模块和N个LED光源。发射主控模块的输出端连接N-nDPAPM编码调制模块的输入端，N-nDPAPM编码调制模块的N个输出端各与一个LED恒流驱动模块的输入端连接，N个LED恒流驱动模块的输出端分别连接N个LED光源的输入端，LED光源的输出端连接光学发射天线的输入端。LED光源为白光LED。发射主控模块将外网信息处理为二进制码元输入到N-nDPAPM编码调制模块；N-nDPAPM编码调制模块完成对数据的n维PPM调制和MPAM调制；LED恒流驱动模块完成对LED光源的恒流驱动；LED光源经由光学发射天线向外发出可见光。

N-nDPAPM编码调制模块包括信道编码模块、N个n维PPM映射模块、N个n维PPM调制模块、N个MPAM映射模块和N个MPAM调制模块。信道编码模块的输入端构成N-nDPAPM编码调制模块的输入端。信道编码模块的输出端分为N路，每一路依次连接1个n维PPM映射模块、1个n维PPM调制模块、1个MPAM映射模块和1个MPAM调制模块，即信道编码模块的一个输出端连接1个n维PPM映射模块的输入端，该n维PPM映射模块的n个输出端连接1个n维PPM调制模块的n个输入端，该n维PPM调制模块的输出端连接1个MPAM映射模块的输入端，该MPAM映射模块的输出端连接1个MPAM调制模块的输入端，该MPAM调制模块的输出端连接1个MPAM调制模块的输入端。N个MPAM调制模块的输出端构成N-nDPAPM编码调制模块的N个输出端。在本发明优选实施例中，信道编码模块、n维PPM映射模块、n维PPM调制模块和MPAM映射模块在FPGA中实现。MPAM调制为硬件电路实现，多比特MPAM映射信息并行输入，控制LED恒流驱动电路中LED两端M个不同的偏置电压值，进而输出M个不同光强的可见光信号。

上述接收装置包括光电检测(PD)模块、跨阻放大(TIA)模块、模数转换(ADC)模块、N-nDPAPM解码解调模块和接收主控模块。光学接收天线的输出端连接光电检测模块，光电检测模块的输出端连接跨阻放大模块的输入端，跨阻放大模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接N-nDPAPM解码解调模块的输入端，N-nDPAPM解码解调模块的输出端连接接收主控模块的输入端。光电检测模块位于聚光透镜焦点处，完成N路并行光信号的接收和光电转换；TIA模块完成对光电检测模块输出的微弱电信号的放大；模数转换模块完成对N-nDPAPM调制信号的模数转换；N-nDPAPM解码解调模块完成MPAM硬解调和n维PPM信号软解调；接收主控模块将信息显示在上位机界面，便于用户查看。

N-nDPAPM解码解调模块包括MPAM解调模块、n维PPM解调模块、n维PPM解映射模块、对数最大似然估计模块和信道解码模块。MPAM解调模块的输入端构成N-nDPAPM解码解调模块的输入端。MPAM解调模块的输出端连接n维PPM解调模块的输入端，n维PPM解调模块的n个输出端连接n维PPM解映射模块的n个输入端，n维PPM解映射模块的输出端连接对数最大似然估计模块的输入端，对数最大似然估计模块的输出端连接信道解码模块的输入端。信道解码模块的输出端构成N-nDPAPM解码解调模块的输出端。在本发明优选实施例中，n维PPM解调模块、n维PPM解映射模块、对数最大似然估计模块和信道解码模块在FPGA中实现。所述MPAM解调为硬件电路实现，通过ADC模块和多级比较器判决解调MPAM信号。

上述N、n和M均为大于1的正整数。N由信道编码决定，一帧数据分成N路并行传输，每路传输不同的数据，接收端组合起来就是源码，可提高传输速率。n是维数即时隙数。M为PAM调制的电平数。当N＝2，n＝M＝4时，为2-4DPPM-4PAM(2-4DPAPM)编码调制。

上述系统所实现的一种基于LED的可见光通信方法，包括如下步骤：

步骤1，发射主控模块将外网信息处理为二进制码元输入到N-nDPAPM编码调制模块。

步骤2，N-nDPAPM编码调制模块完成对数据的n维PPM软调制和MPAM硬调制。参见图2。所述N-nDPAPM编码调制步骤包括：(1)信道编码后分帧；(2)对每路信号进行n维脉冲位置(PPM)映射；(3)对n维PPM映射信息进行n维PPM调制；(4)对调制信号进行脉冲幅度调制(MPAM)映射；(5)对映射信息进行MPAM调制。

步骤2.1，信道编码后分帧。

发送主控模块送来的源数据经信道编码后，每N·n个二进制码划分为一帧，每一帧数据分为N组，每一组数据有n位源数据，分别进入N路编码调制单元中。

步骤2.2，对每路信号进行n维脉冲位置(PPM)映射。

信道编码后的数据输入到n维PPM映射模块中，定义映射规则为：每路串行输入的n位数据映射为并行的n维PPM映射信息，即每路串行输入n个码元周期的数据，并行输出1个码元周期的n维PPM映射信息。输出在1个T_s内包含有n bit信息。

步骤2.3，对n维PPM映射信息进行n维PPM调制。

n维PPM映射信息进入n维PPM调制模块中，与图3所示的n维PPM基函数相乘并相加后转为n维PPM信号。

步骤2.4，调制后信号进行脉冲幅度调制(MPAM)映射。

n维PPM信号输入到MPAM映射模块中，需根据后级MPAM调制模块的设计定义映射规则。M＝4时，设计MPAM调制模块为3bit信息并行输入，输出可控制4个不同的LED偏置电压值。此时，4PAM映射模块将每2bit串行信息映射成3bit信息并行输出，定义映射规则为“0”“0”→“000”，“0”“1”→“001”，“1”“0”→“011”，“1”“1”→“111”。

步骤2.5，对映射信息进行MPAM调制。

MPAM调制模块由比较器模块和放大模块组成，为LED光源提供M个不同的驱动电压级。M＝4时，设计MPAM调制模块输出为“000”→V₁，“001”→V₂，“011”→V₃，“111”→V₄，其中，电压V₄>V₃>V₂>V₁。此时，4PAM映射模块将输入的每2bit串行信息映射成3bit信息并行输出，映射规则为“0”“0”→“000”，“0”“1”→“001”，“1”“0”→“011”，“1”“1”→“111”。参见图4。

步骤3，LED恒流驱动模块完成对LED光源的恒流驱动。

步骤4，LED光源向外发出可见光。

步骤5，光电检测模块完成N路并行光信号的接收和光电转换。

步骤6，跨阻放大模块完成对光电检测模块输出的微弱电信号的放大。

步骤7，模数转换模块完成对上级输出信号的模数转换。

步骤8，N-nDPAPM解码解调模块完成MPAM硬解调和n维PPM信号软解调。所述N-nDPAPM解码解调步骤包括：(1)采用硬件电路解调MPAM信号；(2)软解调n维PPM信号；(3)对数最大似然估计解码；(4)解码后进行信道解码。

步骤8.1，MPAM信号解调。

MPAM解调模块利用ADC模块和多级比较器判决解调MPAM信号。

步骤8.2，n维PPM信号解调。

n维PPM解调模块中，每个码元周期内的n bit信号与n维PPM基函数相乘并经积分器或匹配滤波器后，送入对数最大似然估计模块。

每路信息与n维PPM基函数相乘后记为矩阵Q_ij，其中j为矩阵的列数即码元周期的个数，i＝1,2,3,...n；与n维PPM基函数相乘后，相邻两个码元周期的n位并行信息分别在一个码元周期内积分，为

步骤8.3，对数最大似然估计解码。

对数最大似然估计模块利用对数最大似然估计准则解调出原信号。定义接收端接收到的信号为r_i(i＝1,2,3,...n)，发射端n维PPM并行信号为s_i(i＝1,2,3,...n)，s₀为发射信号参考星座点；根据接收到的信号幅值信息估计源二进制数据，即为最大后验概率准则，为：

$LLR\left(s_i\right)=log\[\frac{P\left(s_i\right|r_i)}{P\left(s_0\right|r_i)}\],$

利用贝叶斯公式展开：

$LLR\left(s_i\right)=\log \[\frac{P\left(r_i\right|s_i)P\left(s_i\right)/P\left(r\right(k\left)\right)}{P\left(r_i\right|s_0)P\left(s_0\right)/P\left(r\right(k\left)\right)}\]=\log \[\frac{P\left(r_i\right|s_i)P\left(s_i\right)}{P\left(r_i\right|s_0)P\left(s_0\right)}\]=\log \[\frac{P\left(r_i\right|s_i)}{P\left(r_i\right|s_0)}\]+\log \[\frac{P\left(s_i\right)}{P\left(s_0\right)}\]$

通常发送端发送“1”“0”码元概率相同，且s₀不会影响估计结果，故上式可写对数最大似然估计准则形式为：

LLR(s_i)＝log[P(r_i|s_i)]。

步骤8.4，解码信号后进行信道解码。

解调出的信号输入到信道解码模块中进行信道解码，将解码后数据送于上位机人机交互界面。

步骤9，接收主控模块将信息显示在上位机界面，便于用户查看。

所述系统的信息传输速率为OOK的Nnlog₂(M)倍，可实现LED照明与通信双重功能。

下面通过一个具体实例对发送装置的编码调制过程和接收装置的解码解调过程作进一步详细说明：

发送端2-4PAPM编码调制过程如图2所示。

此时，设帧信号为A＝[a₀a₁a₂a₃a₄a₅a₆a₇]＝01100011。

经信道编码后，图2中112处信息为C₁＝[B₁₁ B₁₂ B₁₃ B₁₄]，图中113处信息为C₂＝[B₂₁ B₂₂ B₂₃ B₂₄]。

经4维PPM映射后，4bit串行信息映射为4bit并行信息。图中114处为D₁＝[0 1 10]^T，图中115处为D₂＝[0 0 1 1]^T，其中，码元“1”的幅值为1。

经4维PPM调制后，同一T_s内有4bit信息分别与Φ_i(t)相乘。n维PPM调制基函数为：

${\mathrm{\Φ}}_i\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{T_s/n}}rect\[\frac{t-(i-1)T_s/n}{T_s/n}\],i=1,2,3...n,$

其中，rect(t)为矩形函数，

4维PPM基函数如图3所示，为

图中116处为E₁＝[0110]，E₁占用1个码元周期，码元“1”处幅值为同理，图中117处为E₂＝[0011]。

经4PAM映射模块后，每2bit串行信息映射为3bit并行信息，定义映射为：“0”“0”→“000”，“0”“1”→“001”，“1”“0”→“011”，“1”“1”→“111”。图中118处为F₁占用T_s/2个码元周期，码元“1”处幅值为同理，图中119处为

经4PAM调制模块后，为LED光源提供4种电平级驱动电压，设计输出为“000”→V₁，“001”→V₂，“011”→V₃，“111”→V₄。其中，电压值V₄>V₃>V₂>V₁。

接收端4维PPM解调过程如图5所示。

经4PAM正确解调后的信号分为两路，图中122处数据均为P₁＝E₁＝[0110]，码元“1”的幅值为同理，图中123处数据均为P₂＝E₂＝[0011]。

与PPM基函数Φ_i(t)相乘后，码元“1”的幅值为4/T_s。图中124处输出矩阵为图中125输出矩阵为

对Q₁和Q₂矩阵分别在一个码元周期内积分，输出为：

$\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\∫}_0^{T_s}{Q}_{1i}dt\]={\left[\begin{array}{cccc}{\∫}_0^{T_s/4}0dt& {\∫}_{T_s/4}^{T_s/2}\frac{4}{T_s}dt& {\∫}_{T_s/2}^{3T_s/4}\frac{4}{T_s}dt& {\∫}_{3T_s/4}^{T_s}0dt\end{array}\right]}^T={\[0110\]}^T,$

其中，码元“1”的幅值为1。

故图中126处为K₁＝[0110]^T，同理，图中127处为K₂＝[0011]^T，后进入n维PPM解映射中，将4bit并行信息转为串行信息，即完成n维PPM解调。

Claims (10)

1.一种基于LED的可见光通信系统，由发射装置、光学天线和接收装置组成；其特征在于：

上述光学天线包括光学发射天线和光学接收天线；

上述发射装置包括发射主控模块、N-nDPAPM编码调制模块、N个LED恒流驱动模块和N个LED光源；发射主控模块的输出端连接N-nDPAPM编码调制模块的输入端，N-nDPAPM编码调制模块的N个输出端各与一个LED恒流驱动模块的输入端连接，N个LED恒流驱动模块的输出端分别连接N个LED光源的输入端，LED光源的输出端连接光学发射天线的输入端；

上述接收装置包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数转换模块、N-nDPAPM解码解调模块和接收主控模块；光学接收天线的输出端连接光电检测模块，光电检测模块的输出端连接跨阻放大模块的输入端，跨阻放大模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接N-nDPAPM解码解调模块的输入端，N-nDPAPM解码解调模块的输出端连接接收主控模块的输入端；

上述N和n均为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于LED的可见光通信系统，其特征在于：N-nDPAPM编码调制模块包括信道编码模块、N个n维PPM映射模块、N个n维PPM调制模块、N个MPAM映射模块和N个MPAM调制模块；

信道编码模块的输入端构成N-nDPAPM编码调制模块的输入端；信道编码模块的输出端分为N路，每一路依次连接1个n维PPM映射模块、1个n维PPM调制模块、1个MPAM映射模块和1个MPAM调制模块；N个MPAM调制模块的输出端构成N-nDPAPM编码调制模块的N个输出端；

上述M为大于1的正整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于LED的可见光通信系统，其特征在于：N-nDPAPM解码解调模块包括MPAM解调模块、n维PPM解调模块、n维PPM解映射模块、对数最大似然估计模块和信道解码模块；

MPAM解调模块的输入端构成N-nDPAPM解码解调模块的输入端；MPAM解调模块的输出端连接n维PPM解调模块的输入端，n维PPM解调模块的n个输出端连接n维PPM解映射模块的n个输入端，n维PPM解映射模块的输出端连接对数最大似然估计模块的输入端，对数最大似然估计模块的输出端连接信道解码模块的输入端；信道解码模块的输出端构成N-nDPAPM解码解调模块的输出端；

上述M为大于1的正整数。

4.根据权利要求1所述的一种基于LED的可见光通信系统，其特征在于：LED光源为白光LED。

5.根据权利要求1所述的一种基于LED的可见光通信系统，其特征在于：光学发射天线为扩束光学透镜，光学接收天线为滤光片组和聚光透镜。

6.一种基于LED的可见光通信方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，发射主控模块将外网信息处理为二进制码元输入到N-nDPAPM编码调制模块；

步骤2，N-nDPAPM编码调制模块完成对信息的n维PPM调制和MPAM调制；

步骤3，LED恒流驱动模块完成对LED光源的恒流驱动；

步骤4，LED光源向外发出可见光；

步骤5，光电检测模块完成N路并行光信号的接收和光电转换；

步骤6，跨阻放大模块完成对光电检测模块输出的微弱电信号的放大；

步骤7，模数转换模块完成对上级输出信号的模数转换；

步骤8，N-nDPAPM解码解调模块完成MPAM解调和n维PPM信号解调；

步骤9，接收主控模块将解码出的信息进行显示；

上述N和n均为大于1的正整数。

7.根据权利要求6所述的一种基于LED的可见光通信方法，其特征是，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1，信道编码后分帧；

步骤2.2，对每路信号进行n维脉冲位置映射；

步骤2.3，对n维PPM映射信息进行n维PPM调制；

步骤2.4，调制后信号进行脉冲幅度调制映射；

步骤2.5，对映射信息进行MPAM调制；MPAM调制模块为LED光源提供M个不同的驱动电压级；

上述M为大于1的正整数。

8.根据权利要求7所述的一种基于LED的可见光通信方法，其特征是，步骤2.1中，发送主控模块送来的源数据经信道编码后，每N×n个二进制码划分为一帧，每一帧数据分为N组，每一组数据有n位源数据。

9.根据权利要求7所述的一种基于LED的可见光通信方法，其特征是，步骤2.2中，n维脉冲位置映射规则为：每路串行输入的n位数据分别映射为1组并行的n维PPM映射信息。

10.根据权利要求6所述的一种基于LED的可见光通信方法，其特征是，步骤8具体包括如下步骤：

步骤8.1，解调MPAM信号；

步骤8.2，解调n维PPM信号；

步骤8.3，对数最大似然估计解码；

步骤8.4，解码信号后进行信道解码。