CN106301564B

CN106301564B - 一种基于调光累加的可见光通信系统和方法

Info

Publication number: CN106301564B
Application number: CN201610628200.0A
Authority: CN
Inventors: 陈名松; 郭洁; 黄增盛; 王策; 王伟光; 周信玲; 董适
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2036-08-03
Also published as: CN106301564A

Abstract

本发明公开一种基于调光累加的可见光通信系统，包括发送端和接收端。发送端和接收端通过无线光通信连接。发送端包括数据编码模块、脉冲位置调制模块、光源驱动模块、调光模块、RGB LED光源。接收端包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数采样模块、脉冲位置判决模块、脉冲位置解调模块和数据译码模块。本发明在发送端采用联合调光方法合成白光，在不同的环境下选用合适的光路进行信息传递，在实现白光照明的同时完成空间远距离通信或水下通信；在接收端采用累计比较判决方法，对采样得到的信号进行判决，减小了错误判决的情况，提高了系统的可靠性。

Description

一种基于调光累加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，具体涉及一种基于调光累加的可见光通信系统和方法。

背景技术

目前的可见光通信(VLC)系统中，所用的白光光源大多数是由蓝光LED混合荧光粉来产生所需的白光。由于在驱动LED发光时首先驱动的是蓝光光源其次再是荧光粉，而蓝光的驱动响应速度要比荧光粉快很多，因此会出现调制带宽变小的情况，甚者可能导致颜色差异。

此外，现有可见光通信系统中采用的判决方式，大多数与数字通信系中的判决方式相似，即将接收端信号与设定的门限值进行对比判决，当接收端信号大于门限值判决为一个值，小于此判决值判为另一个值。然而，这种设定固定门限值的判决方式，往往容易导致数据的误判，从而严重影响了系统的通信效率。因此，考虑到通信系统的可靠性，给接收系统提供一个较大的信号动态范围，保证接收端信号的稳定性，致力于判决方式的研究也越来越备受关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有可见光通信存在可靠性不佳的问题，提供一种基于调光累加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：

一种基于调光累加的可见光通信系统，包括发送端和接收端。发送端和接收端通过无线光通信连接。所述发送端包括数据编码模块、脉冲位置调制模块、光源驱动模块、调光模块、RGB LED光源。上述RGB LED光源由红色LED光源、绿色LED光源和蓝色LED光源组成；数据编码模块的输入端接入传输数据，数据编码模块的输出端连接脉冲位置调制模块的输入端；脉冲位置调制模块的输出端与光源驱动模块的输入端连接；光源驱动模块的输出端与其中一种颜色的LED光源连接；调光模块的输出端与三种颜色的LED光源的调光端连接。所述接收端包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数采样模块、脉冲位置判决模块、脉冲位置解调模块和数据译码模块。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采样模块的输入端，模数采样模块的输出端连接脉冲位置判决模块的输入端，脉冲位置判决模块的输出端连接脉冲位置解调模块的输入端，脉冲位置解调模块的输出端连接数据译码模块的输入端，数据译码模块的输出端送出传输数据。

上述可见光通信系统还进一步包括光学透镜；该光学透镜包括设置在RGB LED光源后的发射端前置透镜和设置在光电检测模块前的接收端前置透镜。

基于可见光通信系统的一种基于调光累加的可见光通信方法，包括如下步骤：

步骤1，发送端的数据编码模块和脉冲位置调制模块对传输数据进行编码和调制，获得编码调制数据；

步骤2，光源驱动模块加载调制编码后的数据到RGB LED光源的一路光源；

步骤3，调光模块固定RGB LED光源中加载有编码调制数据的那一种颜色LED光源的光强，并通过调节RGB LED光源的其他颜色光源的光强，使得RGB LED光源整体合成白光；

步骤4，RGB LED光源将加载有编码调制数据的合成白光向接收端输出；

步骤5，接收端的光电检测模块对发送端送来的合成白光进行光电检测，由光信号转换为电信号；

步骤6，跨阻放大模块对电信号进行放大；

步骤7，模数采样模块对放大后的电信号进行采样；

步骤8，脉冲位置判决模块对采样后的电信号进行判决；

步骤9，脉冲位置解调模块和数据译码模块对脉冲位置判决模块判决出的信号进行解调和译码，还原出传输数据。

上述步骤8的判决过程具体为：

步骤8.1，将每次采样输出的数据不断的送入脉冲位置判决模块的累加存储器中，记为ai；

步骤8.2，当累加存储器中的采样点数达到k时,则依次将每相邻的k个值进行累加，并将累加值存入累加存储器中，记为A_i；

步骤8.3，将累加存储器的值不断的以至少三个为一组送入到比较存储器中，在比较存储器中将累加值与相邻的前后的累加值分别比较，也就是将A_i与A_i+1比较，将A_i与A_i-1比较；当A_i-A_i-1≥0且A_i-A_i+1≥0时，则将累加值A_i及其采样时刻i进行保留到寄存器中；反之，则继续继续进行下一次采样时刻累加值的比较，直至将所有累加存储器中所有的累加值比较完毕；

步骤8.4，将寄存器中所保留的采样时刻判决为该累加区间宽度内光脉冲出现的位置，并继续下一累加区间宽度累加值的比较，直至数据传输完毕；

上述k为采样间隔的倍数。

上述步骤8.4中，所述累加区间宽度为采样间隔的k倍。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、采用联合调光方法合成白光，在不同的环境下选用合适的光路进行信息传递，在实现白光照明的同时完成空间远距离通信或水下通信；

2、RGB LED光源合成的白光显色性好并且光效比较高，并且还可以对三种颜色的光路分别调制或者选择几路进行调制，也就是将数据信息可以加载到任何光路上进行传输；

3、采用累计比较判决方法，对采样得到的信号进行判决，减小了错误判决的情况，提高了系统的可靠性；

4、光学透镜的使用，可以对准发射光束并聚焦接收光束从而增强接收光信号的强度，为远距离通信提供一定的保障；

附图说明

图1为一种基于调光累加的可见光通信系统系统框图。

图2为采用累计比较判决方式进行PPM信号恢复的流程图。

具体实施方式

一种基于调光累加的可见光通信系统，如图1所示，包括发送端、光学透镜和接收端。

所述发送端包括数据编码模块、脉冲位置调制模块、光源驱动模块、调光模块和RGB LED光源。上述RGB LED光源由三基色LED光源即红色LED光源、绿色LED光源和蓝色LED光源构成。数据编码模块的输入端接入传输数据，数据编码模块的输出端连接脉冲位置调制模块的输入端。脉冲位置调制模块的输出端与光源驱动模块连接。光源驱动模块与其中的一种颜色的光源连接。调光模块的输出端与三基色LED光源的调光端连接。

RGB LED光源具有可调光特性，并且通过调节这三种光的光通量能够得到显色性好色温范围广的的白光。通过分析红光在大气中衰减较慢吸收损耗小的特征，在自由空间进行通信时，脉冲位置调制模块的输出端连接光源驱动模块，光源驱动模块连接RGB LED光源的其中红色光源，调光模块的输出端连接RGB LED光源的红绿蓝三色光源。发射端单元采用固定红光光源，而调节另外两种颜色的光源来合成满足照明要求的白光，与此同时将调制信息加载到红光光路上完成高达100米以上的通信，以此实现自由空间中既可以进行白光照明又能够实现远距离通信的目的。通过分析蓝光在水下吸收损耗小的特征，在水下进行通信时，脉冲位置调制模块的输出端连接光源驱动模块，光源驱动模块输出端连接RGBLED光源的其中蓝色光源，调光模块的输出端连接RGB LED光源的红绿蓝三色光源。发射端单元采用固定蓝光光源，而调节另外两种颜色的光源来合成满足照明要求的白光，与此同时将调制信息加载到蓝光光路上完成水下通信，以此实现水下既可以进行白光照明又能够实现通信的目的。

光源驱动模块连接RGB LED光源三路中其中一路光源，用于驱动加载调制信息到RGB LED光源的一色LED光源。调光模块固定一路光源改变另外两路发光二极管光源的直流偏置的电平，合成白光。调节光信号时，光信号强度的变化要大于人眼所能观察到的最大闪烁时间。在光发射数据帧一个周期内的脉冲持续时间的平均比小于50％时，则数据帧中信号电平是小于50％的非均匀信号，由于产生了小于50％的非均匀信号频率，则可能会导致一些信息不能发送出去或者系统的传输速率降低，然而调光技术的使用可以很好的避开以上问题，调光对于可见光通信系统的功率以及能量的节省都非常的有用。通过上述调光方式，从而使得合成的白光光更强更稳定。通过分析光的吸收损耗、衰减程度等特性得知红光在大气中衰减程度最小，因此在自由空间通信时，将信号加载到红光光路上发射出去，与此在调光模块中固定红光光源的发光强度调节蓝光与绿光光源的发光强度的大小使得光源合成白光，最后完成自由空间的远距离通信与白光照明。经过分析光在水下传播时吸收损耗比较大，只有在波长480nm±30nm的蓝绿光波段范围内的光在水中的衰减系数最小、穿透能力最强，因此在水下通信时，将信号加载到蓝光光路上发射出去，与此在调光模块中固定蓝光光源的发光强度调节红光与绿光光源的发光强度合成白光，最后完成水下通信与白光照明。

数据编码模块和脉冲位置调制模块对待传送的数据信息进行分组编码与调制，以便能够加载到RGB LED光源上。在本发明优选实施例中，数据编码模块采用具有纠错功能的编码方式，脉冲位置调制模块采用脉冲位置调制方式，数据编码模块和脉冲位置调制模块由FPGA实现。

发送端的工作过程如下：信号源模块将数据信息发送给FPGA信号处理模块。在FPGA信号处理模块中对信号进行编码与调制，调制将编码后的信号变成脉冲位置信号，然后驱动加载到三基色光源的一路光源，调节另外两路光源电路中直流偏置的电平，调节三基色光源合成白光。将脉冲位置信号加载到红光光路上发射出去，完成自由空间的远距离通信与照明，水下通信时将脉冲位置信号加载到蓝光光路上发射出去，完成水下通信与照明，因此该调光合成白光可见光的方法可同时应用于自由空间白光照明与通信与水下白光照明与通信。

所述接收端包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数采样模块、脉冲位置判决模块、脉冲位置解调模块和数据译码模块。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采样模块的输入端，模数采样模块的输出端连接脉冲位置判决模块的输入端，脉冲位置判决模块的输出端连接脉冲位置解调模块的输入端，脉冲位置解调模块的输出端连接数据译码模块的输入端，数据译码模块的输出端送出传输数据。

由于光电检测送出的电信号经过TIA放大也就是跨阻放大的信号仍然具有模拟信号的形态，因此模数采样模块的作用是对接收端接收到的信号进行采样，以更加精准的方式抽样量化出经过跨阻放大模块之后的信号。通过采样的信号在判决之前能够将信号划分的更加详细，最终用累计比较的方法判定出光脉冲的位置，这样使得判决更加准确，从一定程度上减小了码元出错的情况，提高了系统的可靠性。在本发明优选实施例中，模数采样模块包括电压转换电路与AD采样芯片。由于经过跨阻放大模块后得到的电压信号的电压不一定能够满足AD采样芯片的需要，因此在进行采样之前使用电压转换电路，将电压信号转换成AD采样芯片所需要的电压范围，然后再对合适的信号进行采样。

接收端的工作过程如下：光电检测模块将光信号转化成电信号，该电信号为微弱的电流信号又经过TIA电路的放大并转化成电压信号，为了能够满足采样芯片的电压要求，在AD采样电路中将经过跨阻放大的信号进行采样之前首先进行一下电压转换，转换成采样芯片所要求的电压范围，然而由于送入采样芯片之前的信号仍然具有模拟信号的形态，因此可以对信号进行抽样与量化，通过采样的信号在判决之前能够将信号划分的更加详细，将采样得到的信号送入到脉冲位置判决模块，在脉冲位置判决模块中对信号进行对采样值累计求和比较的方法找出光脉冲所在的位置，恢复出PPM信号，最后再经过解调与译码最终恢复出原始的信号完成通信。

光学透镜包括发射端前置透镜和接收端前置透镜。在远距离光通信中，对光学的设计很有必要，其不仅要考虑远聚焦情况下造成的光汇聚效率低的情况，而且也要考虑近聚焦光源尺寸造成的发散角大的情况。在本发明优选实施例中，发射端前置透镜为聚光透镜，置于发射端RGB LED光源前端由支架固定。接收端前置透镜为菲涅尔透镜，置于接收端光电检测模块前端由支架固定。虽然在发射端的光源前采用了聚光透镜，但是光信号由于光束发散变得越来越微弱，与此同时光束的对准变得越来越困难，因此根据光线通过菲涅尔透镜在透镜的每个凹槽上经过反复的反射折射，将光线聚集到一处，形成中心焦点的原理，因此在接收端的光电检测模块前采用菲涅尔透镜。通过计算与实验将经过菲涅尔透镜的光线刚好聚焦到光电检测模块所在的焦点的位置，能够很好的实现聚光。从而在发射端与接收端使用透镜可以为远距离通信提供更深层次的保障。

基于上述系统所实现的一种基于调光累加的可见光通信方法，具体包括如下步骤：

(1)在发送端采用调光方式合成白光可见光。

步骤1，发送端的数据编码模块和脉冲位置调制模块对传输数据进行编码和调制，获得编码调制数据。

步骤2，光源驱动模块驱动加载调制编码后的数据到RGB LED光源的一路光源。

步骤3，调光模块固定三基色LED光源中加载有编码调制数据的那一种颜色LED光源的光强，并通过调节三基色LED光源的其他颜色LED光源的光强，使得三基色LED光源整体合成白光。

如在自由空间通信时，采用红光光源加载数据，此时在调光模块中固定红光光源的发光强度，改变绿光和蓝光光源发光强度的大小，在红光光路能够以最强的状态下信息加载到红光光源上发射出去。如在水下通信时，采用蓝光光源加载数据，此时在调光模块中固定蓝光光源的发光强度，改变红光和蓝光光源发光强度的大小，在蓝光光路能够以最强的状态下信息加载到蓝光光源上发射出去。

在本发明优选实施例中，对LED光源的光强调节采用的是调节LED光源的直流偏置的电平来实现的。

步骤4，RGB LED光源将加载有编码调制数据的合成白光向接收端输出。

(2)在接收端采用累计比较判决方式进行PPM信号恢复。

步骤5，光电检测模块对发送端送来的白光进行光电检测，由光信号转换为电信号。

步骤6，跨阻放大模块对电信号进行放大。

步骤7，模数采样模块对放大后的电信号进行采样。

步骤8，脉冲位置判决模块对采样后的电信号进行判决。参见图2。

步骤8.1，每次采样输出的数据不断的送入脉冲位置判决模块的累加存储器中，记为ai。

步骤8.2，当送入到累加存储器中的采样点数达到k时，则依次将每相邻的k个值进行累加，并将累加值存入累加存储器中，记为A_i。其中采样频率为n，且与码元宽度、时钟频率相符，一位PPM信号的脉冲宽度为k*(1/n)，k为整数。

步骤8.3，当累加的次数大于等于三时，将累加存储器的值不断的以至少三个为一组不断的送入到比较存储器中，在比较存储器中将累加值与其相邻的前后累加值分别比较，也就是将A_i与A_i+1比较，将A_i与A_i-1比较。

当A_i-A_i-1≥0且A_i-A_i+1≥0时，则将累加值A_i及其采样小时刻i进行保留到寄存器中。

反之，则继续继续进行下一次采样时刻累加值的比较，直至将所有累加存储器中所有的累加值比较完毕。

其中设定的累加区间宽度需满足为k*(1/n)。那么根据累加区间宽度内的采样值输出的数量k，进行按位移动，从当前的小时刻移位k-1次，则得到k次前的小时刻，那么脉冲的宽度就是当前小时刻值减去k次前小时刻值的差值，脉冲的幅度就为k*A_i。

步骤8.4，将寄存器中所保留的采样时刻判决为该累加区间宽度内光脉冲出现的位置，并继续下一周期区间宽度累加值的比较，直至数据传输完毕。

下面以采样频率为8MHz为例，脉冲持续时间为1us，实现过程如下：在1us内采样8次，每采样一次输出一个值那么1us内采样模块输出的值有8个，每次采样持续时间为0.125us，那么将每一次采样的输出值不断的存入到FPGA中的寄存器1，那么存储器1中存放的是每次采样输出的值a₁，a₂一直到a_n，对存储器1中相邻的8次值进行累加求和，那么每8次值都进行累加求和所求的和值以每三个和值为一组放入到寄存器2，然后再对所求的存储器2中的和值每相邻的三个进行比较，那么假设在该串数据的第10个采样时刻时，那么所比较的和值是A₁₀与A₉以及A₁₀与A₁₁也就是a₃+a₄+...+a₁₀的累加和值与a₂+a₃+...+a₉的累加和值的比较，a₃+a₄+...+a₁₀的累加和值与a₄+a₅+...+a₁₁的累加和值的比较，然后比较这8次和值A₁₀与前8次和值A₉的大小以及后8次和值A₁₁的大小，如果这8次和值大于等于前8次和值并且大于等于后8次的和值，那么就保留这个和值，并且记录出数据的该采样时刻，将这个状态存入到存储器3，则可以判定为光脉冲出现的时刻与位置，根据采样的时刻，进行向前移位8次则就可以判断出光脉冲的位置，则光脉冲出现的位置是第2个采样时刻一直持续到第10个采样时刻，脉冲的幅值为8*A₁₀，然后在进行接下来的8个和值与当前的8个和值的比较，重复上述过程；如果当前的和值小于前一时刻的和值或者当前的和值大于前一时刻的和值但是当前时刻值小于零，则不进行保留和值以及不保留时刻的记录，然后再进行和值比较，直到最后全部判决完所有的光脉冲信号恢复出PPM信号。通过上述判决方法与判决过程所判决出的信号，在很大程度上避免了信号判决的出错，提高了整个通信系统的可靠性。

步骤9，脉冲位置解调模块和数据译码模块对脉冲位置判决模块判决出的信号进行解调和译码，还原出传输数据。在本发明优选实施例中，脉冲位置解调模块采用的是脉冲位置解调方式。

综上所述，本发明利用选用光源的可调光特性，采用调光的方法合成满足照明所需的白光，能够适用于自由空间与水下通信照明需求；接收端采用的累计比较判决方式，为判决光脉冲的位置提供了精确地判断，很大程度上避免了信号判决出错的情况，提高了系统的可靠性。

Claims

1.一种基于调光累加的可见光通信系统，包括发送端和接收端；其特征在于：

所述发送端包括数据编码模块、脉冲位置调制模块、光源驱动模块、调光模块、RGB LED光源；上述RGB LED光源由红色LED光源、绿色LED光源和蓝色LED光源组成；数据编码模块的输入端接入传输数据，数据编码模块的输出端连接脉冲位置调制模块的输入端；脉冲位置调制模块的输出端与光源驱动模块的输入端连接；光源驱动模块的输出端与其中一种颜色的LED光源连接；调光模块的输出端与三种颜色的LED光源的调光端连接，调光模块固定RGBLED光源中加载有编码调制数据的那一种颜色LED光源的光强，并通过调节RGB LED光源的其他颜色光源的光强，使得RGB LED光源整体合成白光；

所述接收端包括光电检测模块、跨阻放大模块、模数采样模块、脉冲位置判决模块、脉冲位置解调模块和数据译码模块；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采样模块的输入端，模数采样模块的输出端连接脉冲位置判决模块的输入端，脉冲位置判决模块的输出端连接脉冲位置解调模块的输入端，脉冲位置解调模块的输出端连接数据译码模块的输入端，数据译码模块的输出端送出传输数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于调光累加的可见光通信系统，其特征在于：还进一步包括光学透镜；该光学透镜包括设置在RGB LED光源后的发射端前置透镜和设置在光电检测模块前的接收端前置透镜。

3.基于权利要求1所述可见光通信系统的一种基于调光累加的可见光通信方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤6，跨阻放大模块对电信号进行放大；

步骤7，模数采样模块对放大后的电信号进行采样；

步骤8，脉冲位置判决模块对采样后的电信号进行判决；

4.根据权利要求3所述的一种基于调光累加的可见光通信方法，其特征是，步骤8的判决过程具体为：

步骤8.2，当累加存储器中的采样点数达到k时,则依次将每相邻的k个值进行累加，并将累加值存入累加存储器中，记为A_i；步骤8.3，将累加存储器的值不断的以至少三个为一组送入到比较存储器中，在比较存储器中将累加值与相邻的前后的累加值分别比较，也就是将A_i与A_i+1比较，将A_i与A_i-1比较；当A_i-A_i-1≥0且A_i-A_i+1≥0时，则将累加值A_i及其采样时刻i进行保留到寄存器中；反之，则继续继续进行下一次采样时刻累加值的比较，直至将所有累加存储器中所有的累加值比较完毕；

上述k为采样间隔的倍数；其中采样频率为n，且与码元宽度、时钟频率相符，一位PPM信号的脉冲宽度为k*(1/n)，k为整数；设定的累加区间宽度需满足为k*(1/n)。