CN106130638A

CN106130638A - 用于可见光通信的pam与mppm双重调制方法及系统

Info

Publication number: CN106130638A
Application number: CN201610697975.3A
Authority: CN
Inventors: 文尚胜; 宁沛明; 关伟鹏; 陈家乐; 陈昊
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-08-20
Filing date: 2016-08-20
Publication date: 2016-11-16

Abstract

本发明公开了用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制方法及系统。系统包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，所述发射子系统包括第一可编程门阵列、PAM调制模块、MPPM调制模块、LED驱动电路和LED灯具；所述传输子系统用于把LED灯具发出的可见光信号传输给光电检测器件；所述接收子系统包括第一光电检测器件、第二光电检测器件、MPPM解调模块、PAM解调模块、数据合并器和第二可编程门阵列。本发明在不增加LED带宽情况下，成倍提高通信的质量与数据传输效率。

Description

用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制方法及系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种脉冲幅度调制（PAM）与多脉冲位置调制（MPPM）技术相结合的双重调制方法及系统。

背景技术

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体照明技术迅速发展。LED具有效率高、价格低、寿命长、绿色环保等优点将取代白炽灯等传统照明光源，被广泛用于照明、显示等领域。与此同时，白光LED更具有调制性能好、响应灵敏度高等特性，可以将信号以人眼无法识别的高频加载到LED灯具上进行传输。使白光LED从照明领域扩展到通信领域，进而催生出一门能够实现照明与通信一体化的新兴无线通信技术一可见光通信技术。

与传统的红外和无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、无需申请频谱资源和信息的保密性等优点。然而，可见光通信中仍然面临着不少的问题，其中最大的挑战之一是LED有限的调制带宽。一般的荧光粉LED调制带宽只有几兆赫兹，VLC数据传输速率受到限制。为了提升传输速率，除了从LED的结构、驱动电路的设计上拓展带宽；还可以通过不同的调制方式来提高系统整体带宽。然而却大大地增加了可见光通信系统的复杂程度。

另外，白光LED主要有两类，分为单芯和多芯，两类的实现技术是不同的。单芯片技术采用单色波段的LED，其光源是蓝光LED或紫

外LED，将此发光光源激励黄色或者红色和绿色混合的荧光粉发出混合的光，形成白光。多芯片的白光LED采用的是三基色光形成白光。目前，由于价格以及功率等要求，大多数白光LED采用的是单芯片的结构。

对于单芯片的LED，蓝色光源由电驱动，响应速度比较快，带宽很高，而荧光粉属于二次驱动，响应速度慢，带宽较窄，因此，不同光谱的光在响应速度上存在差异。若采用白光通信则速率受限于荧光粉的响应时间，限制了系统的数据传输速率；若采用滤光片滤去黄光部分，针对快速响应的蓝光进行通信，则限制了系统的通信距离。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于基于简

单的基带调制技术，提出使用一个4*4的COB封装的LED灯具，实现PAM与MPPM相结合的双重调制技术，在不增加器件带宽前提下，成倍提高无线通信的质量与数据传输速率。同时采用滤光片分出不同的光谱信号，分为两个接收通道接收，实现不同的两路数据信息在不同光谱上的并行传输，进一步优化了可见光通信系统信道功能。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其包括：发射子系统、传输子系统和接收子系统，所述发射子系统包括第一可编程门阵列、PAM调制模块、MPPM调制模块、LED驱动电路和LED灯具；所述传输子系统用于把LED灯具发出的可见光信号传输给光电检测器件；所述接收子系统包括第一光电检测器件、第二光电检测器件、MPPM解调模块、PAM解调模块、数据合并器和第二可编程门阵列；所述第一可编程门阵列、PAM调制模块、LED驱动电路、LED灯具、光电检测器件依次连接；所述MPPM调制模块与LED灯具连接；所述光电检测器件包括所述第一光电检测器件与第二光电检测器件，第一光电检测器件与MPPM解调模块连接，第二光电检测器件与PAM解调模块连接；所述第一可编程门阵列将视频信号转换为二进制数字信号；所述PAM调制模块输出4路并行的二进制码流序列传输给LED驱动电路，所述4路并行二进制码流序列驱动LED灯具进行16级光强度调制；所述MPPM调制模块产生MPPM数据流，所述MPPM数据流传输到LED灯具中控制电源的通断；所述LED灯具发射可见光信号给光电检测器件；所述第一光电检测器件通过蓝色滤光片获得蓝光信号，所述蓝光信号经过MPPM解调模块还原成二进数据流；所述第二光电检测器件通过黄色滤光片获得黄光信号，所述黄光信号经过PAM解调模块还原成二进制数据流；所述的二进制数据流经数据合并器形成最终获得信号。

进一步地，LED灯具的每块LED芯片由相应的LED驱动电路来独立控制；所述LED驱动电路由参考电源、电阻、LED恒流驱动器、驱动电源组成；所述LED恒流驱动器的输入极与电阻相连，输出极与LED负极相连；所述参考电源与电阻相连，所述驱动电源与LED正极相连，所述LED恒流驱动器的使能级与开关信号相连，控制LED的亮灭。

进一步地，所述MPPM调制模块包括串并转换模块、寄存器、MPPM编码器、并串转换模块与时钟系统；所述串并转换模块、寄存器、MPPM编码器与并串转换模块依次连接；所述时钟系统分别与所述串并转换模块、寄存器、MPPM编码器和并串转换模相连接；所述的二进制码流映射成码长为n个时隙的二进制比特流；在所述的n个时隙的二进制比特流中m个时隙上发送光脉冲，得到已调的MPPM信号。

进一步地，所述PAM调制模块包括编码器、交织器、串/并转换器。

进一步地，所述PAM解调模块的原理为所述PAM调制模块的逆过程;所述MPPM解调模块的原理为所述MPPM调制模块的逆过程。

进一步地，所述发射子系统还包括第一液晶显示器和摄影机，所述接收子系统还包括第二液晶显示器；所述的第一液晶显示器和摄影机均与第一可编程门阵列连接，第二液晶显示器与第二可编程门阵列连接，第二可编程门阵列和数据合并器连接；所述的摄影机将视频信号传输给第一可编程门阵列；所述第一可编程门阵列把视频信号传输给第一液晶显示器；所述数据合并器把最终信号传输给；所述把视频信号传输给第二液晶显示器。

用于所述一种PAM与MPPM的双重调制的可见光通信系统的可见光通信方法，其包括以下步骤：

步骤1. 第一可编程门阵列将信源发出的视频信号转换为二进制数字信号；

步骤2.所述二进制数字信号分别经过PAM调制模块与MPPM调制模块得到PAM信号与MPPM信号；

步骤3.传输子系统为传输光信号的自由空间；所述光信号由LED灯具发射； LED灯具由所述PAM信号与MPPM信号同步控制，PAM信号通过控制LED灯具内部LED阵列实现对光强幅度的调控；MPPM信号控制LED灯具电源的通断；

步骤4. 接收子系统中存在两个接收通道；所述光信号通道分为蓝光接收通道和黄光接收通道；所述黄光接收通道通过黄色滤光片得到黄光信号；所述黄光信号经过PAM解调模块处理后得到PAM解调信号；所述蓝光接收通道通过蓝色滤光片得到蓝光信号；所述蓝光信号通过MPPM解调模块后得到MPPM解调信号；所述PAM解调信号与MPPM解调信号经数据合并器形成最终获得的信号。

进一步地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11、第一可编程门阵列对信源所发出的每帧视频信号的红、绿和蓝分量分别进行数模转换量化处理，形成原始像素数字信号；

步骤12、第一可编程门阵列把原始像素数字信号转换成8位二

进制数字信号，并经过并/串转换形成二进制数字信号。

进一步地，所述PAM调制模块的调制中，二进制数字信号经过编码器，交织器，串/并转换器输出4路并行码流序列；所述的4路并行码流序列的速率变为所述二进制码流的四分之一；所述的4路二进制码流分别输入1、2、4、8位LED阵列中，控制LED阵列的亮灭，其中，1代表亮，0代表灭，进而实现16级光强的调制，使所述LED灯具具有16级光强变化，所述16级光强变化即16级脉冲幅度调制。

进一步地，所述MPPM调制模块的调制中，将所述的二进制数字信号经过编码，交织，映射成码长为n个等间距时隙的二进制比特流，其中，n为整数；在所述的n个时隙的二进制比特流中m个时隙上发送光脉冲，得到已调的MPPM信号，其中，m为正整数。

PAM脉冲幅度调制就是将二进制数字信号转换为4路二进制码流序列，分别输入1、2、4、8位LED矩阵中控制LED矩阵的亮灭，其中，1代表亮，0代表，进而实现16级光强变化，所述的16级光强变化即为16级脉冲幅度调制。然而随着调制阶数的增加，光强的相邻级光强变化会越来越小，使得级间干扰变得越来越大，最终导致的

结果是整个系统解调的难度增加，系统的抗干扰性能下降。所以，虽然理论上增加PAM调制阶数可以提高信息传输速率，但是因为误码率的增加而使通信质量下降，从而使PAM的调制阶数受到了限制。

MPPM多脉冲位置振幅调制采用的是光学组编码形式，增加系统的功率利用率，抗干扰性强，其编码器上的窄脉冲形成器可以限制MPPM脉冲的带宽从而减小该MPPM脉冲对相邻频带内信号造成的干扰，即降低码间干扰；同时，也可以通过在相邻脉冲间插入延时时隙可以减弱码间干扰对系统带来的影响。

脉冲幅度调制是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式，具有开关损耗低、控制简单、系统效率高等特点，然而随着调制阶数的增加，信号点间的幅度差会越来越小，使得码元符号间干扰变得越来越大，进而限制了脉冲幅度调制的调制阶数；而多脉冲位置调制其功能利用率高，频带利用率好，抗干扰性强，通过在相邻脉冲间插入延时时隙可以减弱码间干扰对系统带来的影响。

故此本发明在接收子系统中采用两个接收通道分别接收黄光信号与蓝光信号。实现了在不增加LED带宽情况下，成倍提高通信的质量与数据传输效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明基于简单的基带调制技术，比起传统的使用OFDM调制、DMT调制技术等，大大简化了系统的复杂程度，且可以不增加LED器件带宽的前提下，成倍地提高了无线通信的质量及信道

的容量。

（2）本发明通过使用一个4*4的LED阵列，实现16级的脉冲振幅调制。比起传统的使用OOK调控的可见光通信系统，可以将系统

数据传输速率提升4倍

（3）本发明通过使用光强检测来实现脉冲振幅调控，不会产生传统的多输入多输出调制所带来的码间干扰等问题。提高了信道稳定性。

（4）本发明可以有效的利用单芯LED响应缓慢的黄光部分，避免了采用滤片滤去黄色部分而影响系统数据的传输距离。

附图说明

图1为本发明实现PAM与MPPM双重调制方法的可见光通信系统

的示意图。

图2a为本发明实现PAM调制原理框图。

图2b为本发明实现PAM解调原理框图。

图3a为本发明实现MPPM调制原理框图。

图3b为本发明实现MPPM解调原理框图。

图4为本发明所使用灯具内部的4×4的LED阵列。

图5为 LED驱动电路的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，包括：发射子系统、传输子系统、接收子系统。二进制数字信号经过PAM与MPPM调制后通过LED灯具发送光信号；接收系统分开两路分别接收蓝光信号与黄光信号，分别进行解调处理，并将解调信号进行合并得到最终数据实现通信。

所述发射子系统包括摄影机、第一可编程门阵列、第一液晶显示器、PAM调制模块、MPPM调制模块、LED驱动电路、COB封装LED灯具组成，进一步地，所述LED驱动电路由电容与电感等电学元件，所述COB封装LED灯具具有16块LED芯片，16块LED芯片通过COB封装技术封装在PCB板上。

所述传输子系统为自由空间传输光信号；所述光信号由PAM与MPPM双重调制的结果产生；所述光信号的时间轴上表示MPPM调制的

信号；所述光信号的幅度轴上表示PAM调制的信号。由于LED光谱的蓝光部分响应速度快，其对应的光信号主要反映MPPM调制；黄光部分由于响应速度慢，其对应的光信号只反映PAM调制，进而实现了蓝光部分与黄光部分的PAM与MPPM信号并行传输。

所述接收子系统包括光电检测器件、ADC模数转换器、PAM解调模块、MPPM解调模块、数据合并器、第二可编程门阵列和第二液晶显示器。

在发射子系统中，第一可编程门阵列将图像信号转换成二进制数字信号；所述二进制数字信号经过PAM调制模块处理后，通过LED驱动电路来驱动LED灯具发射光信号；所述二进制数字信号经过MPPM调制模块处理后，通过脉冲开关控制LED灯具的电源的通断。

本实例的可见光通信方法，包括以下步骤：

所述步骤1包括以下步骤：

步骤12、第一可编程门阵列把原始像素数字信号转换成8位二

进制数字信号，并经过并/串转换形成二进制数字信号。

如图2a所示，为PAM调制模块原理框图，二进制数字信号经过编码器，交织器，串/并转换器输出4路并行码流序列；所述的4路并行码流序列的速率变为所述二进制码流的四分之一；所述的4路二进制码流分别输入1、2、4、8位LED阵列中，控制LED阵列的亮灭，其中，1代表亮，0代表灭，进而实现16级光强的调制，使所述LED灯具具有16级光强变化，所述16级光强变化即16级脉冲幅度调制。

如图3a所示，为MPPM调制模块原理框图，二进制数字信号经过编码，交织，映射成码长为n个等间距时隙的二进制比特流，其中，n为整数；在所述的n个时隙的二进制比特流中m个时隙上发送光脉冲，得到已调的MPPM信号，其中，m为正整数。

如图5所示，为LED驱动电路的示意图，LED灯具由PAM与MPPM两个信号实施同步控制，PAM信号控制LED驱动电路的使能级的通断，MPPM信号控制LED灯具电源的通断。如图4所示，为COB封装的LED灯具与LED驱动电路的示意图，该COB封装的LED灯具为一个4×4的LED阵列，16块芯片通过COB封装技术封装在PCB电路板上。

光信号通过传输子系统后，经光电检测器件转换为电信号进入接收子系统，接收子系统中信号处理的通道分为蓝色接收通道与黄色接收通道；所述蓝色接收通道经过蓝色滤光片获得白光LED的蓝色部分，所述蓝色部分经过第一光电检测器件得到蓝色信号，所述蓝色信

号经过MPPM解调模块得到MPPM解调信号并传输到数据合并模块；所述黄色接收通道经过黄色滤光片得到白光LED的黄色部分，所述黄色部分经过第二光电检测器件得到黄色信号，所述黄色信号经过PAM解调模块得到PAM解调信号最后再传输到数据合并模块；所述PAM解调信号与MPPM解调信号在数据合并器作用下得到最终获得信号。

上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其包括：发射子系统、传输子系统和接收子系统，其特征在于，所述发射子系统包括第一可编程门阵列、PAM调制模块、MPPM调制模块、LED驱动电路和LED灯具；所述传输子系统用于把LED灯具发出的可见光信号传输给光电检测器件；所述接收子系统包括第一光电检测器件、第二光电检测器件、MPPM解调模块、PAM解调模块、数据合并器和第二可编程门阵列；所述第一可编程门阵列、PAM调制模块、LED驱动电路、LED灯具、光电检测器件依次连接；所述MPPM调制模块与LED灯具连接；所述光电检测器件包括所述第一光电检测器件与第二光电检测器件，第一光电检测器件与MPPM解调模块连接，第二光电检测器件与PAM解调模块连接；所述第一可编程门阵列将视频信号转换为二进制数字信号；所述PAM调制模块输出4路并行的二进制码流序列传输给LED驱动电路，所述4路并行二进制码流序列驱动LED灯具进行16级光强度调制；所述MPPM调制模块产生MPPM数据流，所述MPPM数据流传输到LED灯具中控制电源的通断；所述LED灯具发射可见光信号给光电检测器件；所述第一光电检测器件通过蓝色滤光片获得蓝光信号，所述蓝光信号经过MPPM解调模块还原成二进数据流；所述第二光电检测器件通过黄色滤光片获得黄光信号，所述黄光信号经过PAM解调模块还原成二进制数据流；所述的二进制数据流经数据合并器形成最终获得信号。

2.根据权利要求1所述的用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其特征在于：LED灯具的每块LED芯片由相应的LED驱动电路来独立控制；所述LED驱动电路由参考电源、电阻、LED恒流驱动器、驱动电源组成；所述LED恒流驱动器的输入极与电阻相连，输出极与LED负极相连；所述参考电源与电阻相连，所述驱动电源与LED正极相连，所述LED恒流驱动器的使能级与开关信号相连，控制LED的亮灭。

3.根据权利要求1所述的用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其特征在于，所述MPPM调制模块包括串并转换模块、寄存器、MPPM编码器、并串转换模块与时钟系统；所述串并转换模块、寄存器、MPPM编码器与并串转换模块依次连接；所述时钟系统分别与所述串并转换模块、寄存器、MPPM编码器和并串转换模相连接；所述的二进制码流映射成码长为n个时隙的二进制比特流；在所述的n个时隙的二进制比特流中m个时隙上发送光脉冲，得到已调的MPPM信号。

4.根据权利要求1所述的用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其特征在于，所述PAM调制模块包括编码器、交织器、串/并转换器。

5.根据权利要求1所述的用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其特征在于，所述PAM解调模块的原理为所述PAM调制模块的逆过程;所述MPPM解调模块的原理为所述MPPM调制模块的逆过程。

6.根据权利要求1所述的用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统，其特征在于，所述发射子系统还包括第一液晶显示器和摄影机，所述接收子系统还包括第二液晶显示器；所述的第一液晶显示器和摄影机均与第一可编程门阵列连接，第二液晶显示器与第二可编程门阵列连接，第二可编程门阵列和数据合并器连接；所述的摄影机将视频信号传输给第一可编程门阵列；所述第一可编程门阵列把视频信号传输给第一液晶显示器；所述数据合并器把最终信号传输给；所述把视频信号传输给第二液晶显示器。

7.用于权利要求1~6任一项所述用于可见光通信的PAM与MPPM双重调制系统的可见光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的可见光通信方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤12、第一可编程门阵列把原始像素数字信号转换成8位二

进制数字信号，并经过并/串转换形成二进制数字信号。

9.根据权利要求7所述的可见光通信方法，其特征在于，所述PAM调制模块的调制中，二进制数字信号经过编码器，交织器，串/并转换器输出4路并行码流序列；所述的4路并行码流序列的速率变为所述二进制码流的四分之一；所述的4路二进制码流分别输入1、2、4、8位LED阵列中，控制LED阵列的亮灭，其中，1代表亮，0代表灭，进而实现16级光强的调制，使所述LED灯具具有16级光强变化，所述16级光强变化即16级脉冲幅度调制。

10.根据权利要求7所述的可见光通信方法，其特征在于，所述MPPM调制模块的调制中，将所述的二进制数字信号经过编码，交织，映射成码长为n个等间距时隙的二进制比特流，其中，n为整数；在所述的n个时隙的二进制比特流中m个时隙上发送光脉冲，得到已调的MPPM信号，其中，m为正整数。