CN106160857A - 一种可见光的数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可见光的数据传输方法和系统，包括：对输入的m个信息数据流进行CDMA调制和扩频，并生成电信号，其中m大于等于2；进行直流偏置；将经过直流偏置处理后的电信号通过LED阵列转换成光信号，并进行发送；其中，所述LED阵列包括m个LED，且每一个所述LED都被控制工作在截止区或饱和区；接收LED阵列发送的光信号，并将其转换成电信号；进行CDMA解调制和解扩频，从而还原成为的m个信息数据流。本发明可有效抑制LED的非线性特性的影响，提供高速的传输速率；同时，可通过调整可见光信息的动态范围和直流偏置光强，控制LED阵列的发射光强，提高LED的使用寿命。

Description

一种可见光的数据传输方法及系统

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域和可见光通信技术领域，涉及一种可见光CDMA系统中数据传输方法，特别是涉及一种基于LED阵列的可见光的数据传输方法及系统。

背景技术

随着移动互联网的快速发展，当前无线数据量程指数倍增长。另一方面，频谱资源的稀缺也制约着无线通信数据传输速率。目前可见光通信系统由于使用可见光频谱资源而受到广泛关注。可见光通信系统有很大潜力可提供较高的传输速率，例如使用RGB三色传输可获得4.2Gbit/s的传输速率。同时可见光通信系统具有安全性，无电干扰，成本低，易安装和改造等优点。

随着半导体照明技术的发展，micro-LED阵列得到快速发展。常用的白光LED灯的3dB带宽仅有15～50MHz。而是用A1InGaN allay结构的micro-LED阵列可获得高达400MH在的可见光系统传输带宽。使用micro-LED阵列可见光通信系统可达到1Gbit/s的传输速率(未使用补偿算法)。通过LED材料和设计上的改进可进一步提高可见光通信系统的传输速率。

在可见光通信系统中，LED灯的非线性特性和频率特性响应限制了可见光通信系统传输性能的进一步提高。LED灯的非线性特性曲线带来向量误差，LED的频率特性响应降低可见光通信系统的传输带宽，从而限制了系统传输速度。对于LED的非线性器件来说，线性程度和功率效率为负相关关系，LED器件容易出现非线性截止现象当LED驱动于满功率饱和点，降低BER和EVM系统性能。功率回退可保证可见光通信系统工作于线性区间，但是降低了功率效率。改善LED器件的线性度和功率效率的方法有很多种，最常用的方法是采用线性化技术。使用线性化技术可以在较少的牺牲功率效率的条件下提高LED器件的线性度。典型的线性化技术有负反馈，前反馈，预失真，后失真等方法。使用单比特OOK(on-off keying)和VPPM(variable pulse position modulation)调制方法可有效的抑制LED非线性特性。但是，该调制方法的频谱效率较低只有1bit/Hz，并不适合高速无线通信数据传输。使用sigma-delta调制器将多级输入信号转换二进制输入信号,有效抑制LED非线性失真影响。

而现有LED灯的非线性特性和频率特性响应限制了可见光通信系统传输性能的进一步提高。LED灯的非线性特性曲线带来向量误差，LED的频率特性响应降低可见光通信系统的传输带宽，从而限制了系统传输速度。对于LED的非线性器件来说，线性程度和功率效率为负相关关系，LED器件容易出现非线性截止现象当LED驱动于满功率饱和点，降低BER和EVM系统性能。使用单比特OOK(on-off keying)和VPPM(variable pulse position modulation)调制方法可有效的抑制LED非线性特性。但是，该调制方法的频谱效率较低只有1bit/Hz，并不适合高速无线通信数据传输。

因此，如何提供一种基于微LED阵列的可见光数据传输方法及系统，以解决现有技术中的LED器件容易出现非线性截止现象当LED驱动于满功率饱和点，使用单比特开关键控调制方法和变量脉冲位置调制方法的频谱效率较低，且只有1bit/Hz，并适合高速无线通信数据传输等种种缺陷，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于CDMA系统的可见光的数据传输方法及系统，用于解决现有技术中LED器件容易出现非线性截止现象当LED驱动于满功率饱和点，使用单比特开关键控调制方法和变量脉冲位置调制方法的频谱效率较低，且只有1bit/Hz，并不适合高速无线通信数据传输的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可见光的数据传输方法，包括：步骤S10，对输入的m个信息数据流进行CDMA调制和扩频，并生成电信号；其中m大于等于2；步骤S20，对步骤S10生成的电信号进行直流偏置；步骤S30，将经过直流偏置处理后的电信号通过LED阵列转换成光信号，并进行发送；其中，所述LED阵列包括m个LED，且每一个所述LED都被控制工作在截止区或饱和区；步骤S40，接收所述LED阵列发送的光信号，并将其转换成电信号；步骤S50，对步骤S40中转换的电信号进行CDMA解调制和解扩频，从而还原成为步骤S10的m个所述信息数据流。

可选地，所述步骤S50中，对步骤S40转换的电信号进行CDMA解调制和解扩频是与步骤S10的CDMA调制和扩频相对应的。

可选地，所述LED阵列的m个所述LED采用微LED或RGB LED。

可选地，经过步骤S10调制扩频后的电信号为+1或-1；经过步骤S20的直流偏置后的电信号为+1+δ或-1+δ；其中，δ表示直流偏置。

可选地，在步骤S30中，当经过直流偏置处理后的电信号为-1+δ时，所述LED被控制工作在截止区，标识传输的数字信息为0；当经过直流偏置处理后的电信号为1+δ时，所述LED被控制工作在饱和区，标识传输的数字信息为1。

可选地，每一个所述LED使用最大辐射光强发光信息为1，每一个所述LED暂停发光信息为0。

本发明还公开了一种可见光的数据传输系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括调制扩频模块、直流偏置模块、LED阵列和m个LED驱动模块；其中，其中，m大于等于2；所述调制扩频模块用于对输入的m个信息数据流进行CDMA调制扩频，并生成电信号发送给所述直流偏置模块；所述直流偏置模块用于对所述调制扩频模块生成的电信号进行直流偏置处理，并将处理后的电信号发送至所述LED阵列；所述LED阵列包括m个LED，用于将所述直流偏置模块处理好的电信号转换为光信号，并向所述接收端发送；所述LED阵列的每一个所述LED下安装一个所述LED驱动模块，用于控制所述LED工作于饱和区或截止区；所述接收端用于接收所述LED阵列发送的光信号，并将其还原为m个所述信息数据流。

可选地，所述LED模块的所述LED采用微LED或RGB LED。

可选地，接收端包括m个光电转换模块和解调解扩频模块，其中，所述光电转换模块用于接收所述LED阵列发出的光信号，并转换为电信号发送至所述解调解扩频模块；所述解调解扩频模块用于将接收到的电信号进行CDMA解调制和解扩频，从而还原m个所述信息数据流。

可选地，所述光电转换模块为光电二极管。

如上所述，本发明的可见光数据传输方法及系统，具有以下有益效果：

1、本发明的可见光数据传输方法及系统采用数字控制的LED阵列传输CDMA信号，可有效抑制LED的非线性特性的影响，提供了高速的传输速率。

2、同时本发明的可见光数据传输方法及系统可通过调整可见光信息的动态范围和直流偏置光强，控制LED阵列的发射光强，提高LED的使用寿命。

附图说明

图1显示为本发明的可见光的数据传输方法的流程示意图。

图2显示为本发明的可见光的数据传输系统的结构示意图。

元件标号说明

S10～S50 步骤

100 可见光的数据传输系统

110 发送端

111 调制扩频模块

112 直流偏置模块

113 LED阵列

1131 LED

114 LED驱动模块

120 接收端

121 光电转换模块

122 解调解扩频模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种应用于CDMA通信系统的可见光的数据传输方法，采用数字控制的LED阵列来控制阵列中的每一个LED传输0或1，使每一个LED都工作在饱和区或截止区；从而有效避免了LED的非线性对数据传输的影响。

如图1所示，本实施例的可见光的数据传输方法包括：

步骤S10，对输入的m个信息数据流进行CDMA调制和扩频，并生成电信号；其中m大于等于2；

本实施例的可见光的数据传输方法服务m个用户，那么将m个用户的信息数据流d₁ d₂ … d_m分别经过CDMA调制和扩频，生成电信号e₁ e₂ … e_m。并且，每一个用户的信息数据d_i经过CDMA的调制或扩频后均生成+1或-1的电信号，即e_i＝±1，i＝1,...,m。

步骤S20，对步骤S10生成的电信号e₁ e₂ … e_m进行直流偏置，得到x₁ x₂ … x_m，且x_i＝e_i+δ，i＝1,...,m；其中，δ表示直流偏置：

当e_i＝+1时，直流偏置后的x_i＝+1+δ；

当e_i＝-1时，直流偏置后的x_i＝-1+δ。

步骤S30，将经过直流偏置处理后的电信号x₁ x₂ … x_m通过LED阵列转换成光信号，并进行发送；

在本实施例中，电信号x₁ x₂ … x_m是通过LED阵列来完成电光转换的。

其中，由于本实施例的可见光的数据传输方法服务m个用户，因此LED阵列就包括m个LED，并且，LED既可以选用微LED，也可以采用RGB LED。

进一步地，为了有效消除微LED的非线性特性，因此，将LED阵列中的每一个LED的工作状态都控制在截止区或饱和区，产生数字基带信号；本步骤S30还包括将LED阵列中原有模拟信号转换成数字基带信号。

当电信号x_i＝-1+δ时，则需控制LED工作在截止区，标识传输的数字信息为0；当电信号x_i＝+1+δ时，则需控制LED工作在饱和区，标识传输的数字信息为0。这也就是说，每一个LED都表示单比特(0，1)信号：使用最大辐射光强表示信息1，LED暂停发光表示信息0。LED阵列的每一个LED仅传输一个码子，服务一个用户。使用这种方法，可有效消除LED的非线性特性，同时提供高速的速率传输。

步骤S40，接收LED阵列发送的光信号，并将其转换成电信号；

步骤S50，对步骤S40中转换的电信号进行CDMA解调制和解扩频，从而还原成为步骤S10的m个信息数据流：

其实，步骤S50是步骤S10的逆过程。步骤S50中的CDMA解调制和解扩频是与步骤S10中的CDMA调制和扩频相对应的。

上面方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

实施例2

本实施例公开了一种有效避免了LED的非线性对数据传输的影响的可见光的数据传输系统100，如图2所示，其主要应用在CDMA通信系统当中。

本实施例的可见光的数据传输系统100包括用于将数据信息流转换成光信号发送端110和用于接收光信号并将其还原成为数据信息流的接收端120。

发送端110包括调制扩频模块111、直流偏置模块112、LED阵列113和m个LED驱动模块114；其中，其中，m大于等于2。

调制扩频模块111用于对输入的m个信息数据流d₁ d₂ … d_m进行CDMA调制扩频，并生成电信号e₁ e₂ … e_m发送给直流偏置模块112；

直流偏置模块112用于对调制扩频模块111生成的电信号e₁ e₂ … e_m进行直流偏置处理，并将处理后的电信号x₁ x₂ … x_m发送至LED阵列113；其中，x_i＝e_i+δ，且i＝1,...,m；其中，δ表示直流偏置。

LED阵列113包括m个LED1131，用于将直流偏置模块112处理好的电信号x₁ x₂ … x_m转换为光信号，并向接收端发送。在本实施例中，LED1131既可以选用微LED，也可以采用RGB LED。

LED驱动模块114是安装在LED阵列113的每一个LED1131下方的，用于控制对应的LED1131的工作状态：饱和区或截止区。LED驱动模块114还用于将LED阵列113中原有模拟信号转换成数字基带信号。

在本实施例中，当电信号x_i为-1+δ时，控制LED工作在截止区，标识传输的数字信息为0；当电信号x_i为1+δ时，控制LED工作在饱和区，标识传输的数字信息为1。

接收端120包括m个光电转换模块121和解调解扩频模块122。其中，

光电转换模块121用于接收LED阵列113发出的光信号，并将光信号转换为电信号发送至解调解扩频模块122。接收端120的光电转换模块121的信号处理过程是发送端110的LED阵列113的信号处理过程的逆过程：LED阵列113是将电信号转换为相应的光信号；光电转换模块121是将光信号转换为相应的电信号。在本实施例中，光电转换模块121采用的是光电二极管。由于光电转换技术已经比较成熟，本发明的光电转换模块121并不仅限于采用光电二极管一种方式，只要能够实现相应的光电转换功能都包括在本发明的保护范围内，在本发明中不再赘述。d_m

解调解扩频模块122用于将接收到的电信号进行CDMA解调制和解扩频，从而还原m个信息数据流d₁ d₂ … d_m。同样地，接收端120的解调解扩频模块122信号处理过程是发送端110的调制扩频模块111的信号处理过程的逆过程：调制解调模块111将信息数据流进行CDMA的调制和扩频；解调解扩频模块122则将电信号进行CDMA的解调制和解扩频，从而获得信息数据流。

此外，为了突出本发明的创新部分，本实施例中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的模块。

不难发现，本实施例为与第一实施例相对应的系统实施例，本实施例可与第一实施例互相配合实施。第一实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在第一实施例中。

综上所述，本发明的可见光数据传输方法及系统采用数字控制的LED阵列传输CDMA信号，可有效抑制LED的非线性特性的影响，提供了高速的传输速率。同时，本发明的可见光数据传输方法及系统可通过调整可见光信息的动态范围和直流偏置光强，控制LED阵列的发射光强，提高LED的使用寿命。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可见光的数据传输方法，其特征在于，所述可见光的数据传输方法包括：

步骤S10，对输入的m个信息数据流进行CDMA调制和扩频，并生成电信号；其中m大于等于2；

步骤S20，对步骤S10生成的电信号进行直流偏置；

步骤S30，将经过直流偏置处理后的电信号通过LED阵列转换成光信号，并进行发送；其中，所述LED阵列包括m个LED，且每一个所述LED都被控制工作在截止区或饱和区；

步骤S40，接收所述LED阵列发送的光信号，并将其转换成电信号；

步骤S50，对步骤S40中转换的电信号进行CDMA解调制和解扩频，从而还原成为步骤S10的m个所述信息数据流。

2.根据权利要求1所述的可见光的数据传输方法，其特征在于：所述步骤S50中，对步骤S40转换的电信号进行CDMA解调制和解扩频是与步骤S10的CDMA调制和扩频相对应的。

3.根据权利要求1所述的可见光的数据传输方法，其特征在于：所述LED阵列的m个所述LED采用微LED或RGB LED。

4.根据权利要求1所述的可见光的数据传输方法，其特征在于：经过步骤S10调制扩频后的电信号为+1或-1；经过步骤S20的直流偏置后的电信号为+1+δ或-1+δ；其中，δ表示直流偏置。

5.根据权利要求4所述的可见光的数据传输方法，其特征在于：在步骤S30中，当经过直流偏置处理后的电信号为-1+δ时，所述LED被控制工作在截止区，标识传输的数字信息为0；当经过直流偏置处理后的电信号为1+δ时，所述LED被控制工作在饱和区，标识传输的数字信息为1。

6.根据权利要求5所述的可见光的数据传输方法，其特征在于：每一个所述LED使用最大辐射光强发光信息为1，每一个所述LED暂停发光信息为0。

7.一种可见光的数据传输系统，其特征在于：所述可见光的数据传输系统包括发射端和接收端；

所述发射端包括调制扩频模块、直流偏置模块、LED阵列和m个LED驱动模块；其中，其中，m大于等于2；

所述调制扩频模块用于对输入的m个信息数据流进行CDMA调制扩频，并生成电信号发送给所述直流偏置模块；

所述直流偏置模块用于对所述调制扩频模块生成的电信号进行直流偏置处理，并将处理后的电信号发送至所述LED阵列；

所述LED阵列包括m个LED，用于将所述直流偏置模块处理好的电信号转换为光信号，并向所述接收端发送；

所述LED阵列的每一个所述LED下安装一个所述LED驱动模块，用于控制所述LED工作于饱和区或截止区；

所述接收端用于接收所述LED阵列发送的光信号，并将其还原为m个所述信息数据流。

8.根据权利要求7所述的可见光的数据传输系统，其特征在于：所述LED模块的所述LED采用微LED或RGB LED。

9.根据权利要求7所述的可见光的数据传输系统，其特征在于：接收端包括m个光电转换模块和解调解扩频模块，其中，

所述光电转换模块用于接收所述LED阵列发出的光信号，并转换为电信号发送至所述解调解扩频模块；

所述解调解扩频模块用于将接收到的电信号进行CDMA解调制和解扩频，从而还原m个所述信息数据流。

10.根据权利要求9所述的可见光的数据传输系统，其特征在于：所述光电转换模块为光电二极管。