CN106452602B - 一种可见光通信的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信的调制方法：步骤1，编码：a)将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列；b)将序列从低位开始划分；c)对步骤b)中的每一组，取前L_A位S_iA、后L_B位S_iB；L_A＝log_NM*L_B，L＝L_A+L_B；d)将序列S_iA使用N进制编码得到S_A，将子序列S_iB用M进制编码得到S_B；e)将S_A与S_B按位组合成新的序列；f)转到步骤c)，直到所有S_i都处理完成；g)将所有步骤e)中生成的序列按顺序排列得到组合编码后的序列；步骤2，调制：a)取编码对A_jB_j,b)设置可见光的亮度等级、信号的频率；d)根据LED灯的闪烁亮度K与频率等级F的值生成需要的波形；e)重复步骤b‑步骤d，直到编码对处理完成。本发明将幅移与频移键控结合，有效提升了可见光通信中信息的传输速率；同时有效节约带宽。

Description

一种可见光通信的调制方法

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种可见光通信的调制方法。

背景技术

可见光通信(VLC)是一种利用肉眼看不到的高速明暗闪烁的光信号来传输信息的无线光通信的技术。该技术提供对几百THz的授权频谱的接入、对电磁干扰的抗扰性、以及与射频(RF)系统的互不干涉。VLC技术还通过仅允许特定用户接收传输信号来提供附加安全性，并提供对来自可见光基础设施现有服务(例如，照明、显示、指示、装饰等)进行增强和补充的通信。

传统的照明光通信装置适用于具有发光二极管(LED)作为光源的照明器具，并且被配置为对照明光的强度进行调制以发送信号。

在通信技术中，数据通信速率的表示方式一般有两种：码元速率(波特率)和信息速率(比特率)。其中码元速率(下文用RB表示，)为每秒钟传送的码元数，单位为波特/ 秒(Baud/s)；信息速率(下文用Rb表示)为每秒传送的信息量，单位为比特/秒 (bit/s)。

比特率、波特率、和信号编码级数(M)的关系如下：

Rb＝RB*log₂M

调制是一种通信中的技术。是一种将信号注入载波，以此信号对载波加以调制的技术，以便将原始信号转变成适合传送的电波信号，调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理，其主要性能指标是频谱宽度和抗干扰性。

现有的可见光通信的调制方法主要有以下两种：

1、数字频率调制。

数字频率调制又称频移键控(FSK)，二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频F₁，而符号“0”对应于载频F₂(与F₁不同的另一载频)的已调波形，而且F₁与F₂之间的改变是瞬间完成的。如图1所示。

2、幅移键控调制。

以控制载波的幅度变化的调制方式称为幅移键控(ASK)，又称数字调幅。数字调制信号的每一特征状态都用正弦振荡幅度的一个特定值来表示的调制。幅移键控是通过改变载波信号的振幅大小来表示数字信号“1”和“0”的，以载波幅度A1表示数字信号“1”，用载波幅度A2表示数字信号“0”而载波信号的ω和φ恒定。如图2所示。

由上可见，无论是二进制频移键控调制(2FSK)还是二进制幅移键控调制(2ASK)，每位调制符号都只能传输两位信息(0或1)，编码级数M固定为2，因此根据以上公式，在给定波特率(RB)的条件下，比特率(Rb)也是一定的。上述方法每个码元只能传输1比特的信息，极大地限制了可见光通信的通信速率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的可见光通信的调制技术中，每位符号传输的信息少。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种可见光通信的调制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，编码：

11:将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列S_origin；

12:将序列S_origin从低位开始划分，每L位分为一组，记为S₁,S₂…S_i…,S_n；其中，n为划分得到的组数；最后不足L位时在高位补0；

13:对步骤12中的每一组S_i，取其前L_A位记为子序列S_iA，取后L_B位记为子序列S_iB；其中L_A＝log_NM*L_B，L＝L_A+L_B；

14:将子序列S_iA使用N进制重新编码得到S_A，将子序列S_iB使用M进制重新编码得到S_B；记序列S_A为A₁A₂A₃…A_j…A_m,记序列S_B为＝B₁B₂B₃…B_j…B_m；其中A_i为S_A中每一位的数值，B_i为S_B中每一位的数值；

15:将S_A与S_B按位组合成新的序列S_codei，S_codei＝A₁B₁A₂B₂A₃B₃…A_jB_j…A_mB_m；每一组A_jB_j称为一个编码对；使得每个编码对对应后续调制过程中的亮度等级和频率等级；

16:转到步骤13，直到所有S_i都处理完成；

17:将所有步骤15中生成的序列S_codei按顺序排列在一起，组合成新的序列S_code，S_code即为编码后的序列；

步骤2，调制，包括如下步骤：

21:对步骤1中生成的编码后的序列S_code，从高位开始依次取编码对A_jB_j,

22:根据A_j的数值，通过单片机设置可见光的亮度等级，置可见光信号的亮度等级为 K＝A_j；

23:根据B_j设置可见光信号的频率；可见光信号的频率即为单片机产生方波信号的宽度；

24:根据LED灯的闪烁亮度K与频率等级F的值生成需要的波形；

25:重复步骤22-步骤24，直到S_code中所有的编码对处理完成。

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤1：编码，包括如下步骤：

步骤101：将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列；

步骤102：将序列从低位开始划分，每18位分为一组，记为S₁,S₂…S_i…,S_n；其中， n为划分得到的组数；最后不足18位时在高位补0；

步骤103：对步骤102中的每一组S_i，取其前11位记为子序列S_iA，取后7位记为子序列S_iB；

步骤104：将子序列S_iA使用3进制重新编码得到S_A，将子序列S_iB记为S_B；记序列S_A为A₁A₂A₃…A₇,记序列S_B为＝B₁B₂B₃…B₇；其中A_i为S_A中每一位的数值，B_i为S_B中每一位的数值；

步骤105：将S_A与S_B按位组合成新的序列S_codei，S_codei＝A₁B₁A₂B₂A₃B₃…A₇B₇；每一组A_jB_j称为一个编码对；

步骤106：转到步骤103，直到所有S_i都处理完成；

步骤107：将所有步骤105中生成的序列S_codei按顺序排列在一起，组合成新的序列S_code，S_code即为编码后的序列；

步骤2：调制；包括如下步骤：

步骤201：对步骤1中生成的编码后的序列，从高位开始依次取编码对；

步骤202：读取一个编码对的第一位，若为0，则设置LED灯的亮度等级为K＝K1；若为1，则设置LED灯的亮度等级为K＝K2；

步骤203：读取编码组的第二位；若为0，则设置LED灯的频率等级为F＝F1；若为 1，则设置LED灯的频率等级为F＝F2；

步骤204：根据LED灯的闪烁亮度K与LED灯的频率等级F的值生成需要的波形；

步骤205：重复步骤202-步骤204，直到步骤1生成的编码后的序列中所有编码对读取完毕。

与传统的可见光通信的调制技术相比，本发明将幅移键控与频移键控相结合，有效提升了可见光通信中信息的传输速率；同时，能够有效节约带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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，下面描述中涉及的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1是本发明的实施例的二进制频移键控(2FSK)的示例图。

图2是本发明的实施例的二进制幅移键控(2ASK)的示例图。

图3是本发明的实施例中结合了AS与PSK的调制方法的示意图。图中表示两种频率与两种幅度所组合的四个信息。

图4是使LED灯产生不同亮度的电路图。

图5是本发明的实施例中使用手机CMOS摄像头拍摄到的可见光信号。

图6为对图5进行解码处理后的示意图。

具体实施方式

本发明的设计思路是采用FSK与ASK结合，使每位符号传输多位信息，以解决可见光通信中2PSK和2ASK中存在的每位符号传输信息量少的缺陷。

本发明的一种可见光通信的调制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，编码：

11：将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列S_origin；该步骤用于在编码前将待发送的数据进行标准化，便于后续处理。

12：将序列S_origin从低位开始划分，每L位分为一组，记为S₁,S₂…S_i…,S_n；其中，n为划分得到的组数；最后不足L位时在高位补0；

13：对步骤12中的每一组S_i，取其前L_A位记为子序列S_iA，取后L_B位记为子序列S_iB；其中L_A＝log_NM*L_B，L＝L_A+L_B；该步骤用于保证步骤K中重新编码过后的SA和SB序列长度相同。

14：将子序列S_iA使用N进制重新编码得到S_A，将子序列S_iB使用M进制重新编码得到S_B(步骤13中L_A与L_B的数量关系决定了S_A与S_B的位数相同或相近)；记序列S_A为 A₁A₂A₃…A_j…A_m,记序列S_B为＝B₁B₂B₃…B_j…B_m；其中A_i为S_A中每一位的数值，B_i为S_B中每一位的数值。

15：将S_A与S_B按位组合成新的序列S_codei，S_codei＝A₁B₁A₂B₂A₃B₃…A_jB_j…A_mB_m；每一组A_jB_j称为一个编码对；使得每个编码对对应后续调制过程中的亮度等级和频率等级；

16：转到步骤13，直到所有S_i都处理完成；

17：将所有步骤15中生成的序列S_codei按顺序排列在一起，组合成新的序列S_code，S_code即为编码后的序列；

步骤2，调制

21：对步骤1中生成的编码后的序列S_code，从高位开始依次取编码对A_jB_j,

22：根据A_j的数值，通过单片机设置可见光的亮度等级，置可见光信号的亮度等级为 K＝A_j；其中，使用单片机及控制可见光信号的亮度等级的方法参见专利申请“一种新的可见光通信方法”(一种基于可见光的通信方法及可见光发射装置，申请号：2015109674220)；步骤22和步骤23是本发明的关键步骤，它们是增加传输速率的根本原因；

23：根据B_j设置可见光信号的频率；可见光信号的频率即为单片机产生方波信号的宽度；

24：根据LED灯的闪烁亮度K与频率等级F的值生成需要的波形；

25：重复步骤22-步骤24，直到S_code中所有的编码对处理完成。

实施例1

本发明的可见光通信的调制方法，包括用于发送端的编码和调制方法，以及适用于接收端的接收和解码方法。其中：

一、发送端的编码和调制方法：

步骤1：编码。包括如下步骤：

步骤101：将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列S_origin；

步骤102：将序列S_origin从低位开始划分，每18位分为一组，记为S₁,S₂…S_i…,S_n；其中，n为划分得到的组数；最后不足18位时在高位补0；

步骤103：对步骤102中的每一组S_i，取其前11位记为子序列S_iA，取后7位记为子序列S_iB；

步骤104：将子序列S_iA使用3进制重新编码得到S_A，将子序列S_iB记为S_B(使用2进制重新编码仍为本身)；记序列S_A为A₁A₂A₃…A₇,记序列S_B为＝B₁B₂B₃…B₇；其中A_i为S_A中每一位的数值，B_i为S_B中每一位的数值；

步骤105：将S_A与S_B按位组合成新的序列S_codei，S_codei＝A₁B₁A₂B₂A₃B₃…A₇B₇；每一组A_jB_j称为一个编码对；

步骤106：转到步骤103，直到所有S_i都处理完成；

步骤107：将所有步骤105中生成的序列S_codei按顺序排列在一起，组合成新的序列S_code，S_code即为编码后的序列；

此处选用的编码组的方式，是为了匹配下文中所用的A1F1、A1F2、A2F1、A2F2的四种组合方式。

上述编码过程结束后，需要对得到的编码组进行调制得到可见光信号波。假设二进制幅移键控中的变化的两种幅度为A1、A2，二进制频移键控中变化的两种频率为F1、F2。则通过组合，共有A1F1、A1F2、A2F1、A2F2四种组合方式。步骤1得到的编码组共有四种可能的情况：00，01，10，11。正好对应两种幅度与两种频率的四种组合方式。为了将得到的编码组转换为要发送的可见光信号波，我们使用单片机作为转换器，使得每位符号可以传输4bits信息。如图3所示。

在可见光通信中，信号的幅度表现为发送的可见光信号的亮度，信号的频率表示为可见光信号明暗闪烁的频率。本发明使用单片机作为控制模块，用来控制可见光信号的亮度与频率。为了得到不同频率的可见光信号，只需控制单片机输出端信号的频率即可，采用如下方式实现：

由单片机产生的方波1、方波2控制的两路电源，同时作为LED灯的电源，通过协调控制两路电源的通断，达到控制LED灯的亮度的目的。

参见图4，实现上述步骤的转换电路包括第一电路和第二电路，其中，第一电路包括电阻R1、电阻R2、第一三极管和第一放大器；第二电路包括电阻R3、电阻R4、第二三极管和第二放大器。

上述转换电路的工作原理：

1、方波1控制的三极管的状态为通，方波2控制的三极管的状态为断，则此时LED灯两端的电压为15V，此时亮度为L1；

2、方波1控制的三极管的状态为断，方波2控制的三极管的状态为通，则此时LED灯两端的电压为12V，此时亮度为L2。

基于上述转换电路，发送端的调制过程如下：

步骤2：调制。具体是指对步骤1得到的编码组进行调制，得到信号波形。具体包括如下步骤：

步骤201：对步骤1中生成的编码后的序列，从高位开始依次取编码对；

步骤202：读取编码对的第一位，若为0，则设置LED灯的亮度等级为K＝K1；若为 1，则设置LED灯的亮度等级为K＝K2；

步骤203：读取编码组的第二位；若为0，则设置LED灯的频率等级为F＝F1；若为 1，则设置LED灯的频率等级为F＝F2；

步骤204：根据LED灯的闪烁亮度K与LED灯的频率等级F的值生成需要的波形；

步骤205：重复步骤202-步骤204，直到步骤1生成的编码后的序列中所有编码对读取完毕。

二、接收端数据接收及解码方法：

使用手机的CMOS摄像头作为信号传输的接收器。

由于CMOS摄像头的卷帘快门的特性，使用手机摄像头拍摄发射的明暗闪烁的可见光信息时，能够在照片中看到清晰的明暗相间的条纹(如图5所示)，其中每一条条纹代表一位传输的信号：条纹的亮度代表可见光信号的亮度，条纹的宽度代表可见光信号的频率。由此，通过解析得到的照片获得可见光信息。

图6为对图5进行解码处理后的示意图，从图中可以明显识别出亮度(直方图的高度，)与频率(直方图的宽度，较窄宽度记为F0,较宽宽度记为F1)的不同组合。解码对应的关系如下：

0：亮度1与F0的组合；

1：亮度2与F1的组合；

2：亮度1与F0的组合；

3：亮度2与F1的组合。

由此通过图5解码得出的信息为：3100231202131002310023120213100231002312021310002

需要说明的是：上述实施例提供的一种基于可见光的调制方法的实施例，仅作为该可见光通信方法在实际应用中的说明，还可以根据实际需要而将上述可见光调制方法在其他应用场景中使用，其具体实现过程类似于上述实施例，这里不再赘述。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中得先后顺序。以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可见光通信的调制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，编码：

11：将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列S_origin；

12：将序列S_origin从低位开始划分，每L位分为一组，记为S₁,S₂…S_i…,S_n；其中，n为划分得到的组数；最后不足L位时在高位补0；

13：对步骤12中的每一组S_i，取其前L_A位记为子序列S_iA，取后L_B位记为子序列S_iB；其中L_A＝log_NM*L_B，L＝L_A+L_B；

14：将子序列S_iA使用N进制重新编码得到S_A，将子序列S_iB使用M进制重新编码得到S_B；记序列S_A为A₁A₂A₃…A_j…A_m,记序列S_B为＝B₁B₂B₃…B_j…B_m；其中A_i为S_A中每一位的数值，B_i为S_B中每一位的数值；

15：将S_A与S_B按位组合成新的序列S_codei，S_codei＝A₁B₁A₂B₂A₃B₃…A_jB_j…A_mB_m；每一组A_jB_j称为一个编码对；使得每个编码对对应后续调制过程中的亮度等级和频率等级；

16：转到步骤13，直到所有S_i都处理完成；

17：将所有步骤15中生成的序列S_codei按顺序排列在一起，组合成新的序列S_code，S_code即为编码后的序列；

步骤2，调制，包括如下步骤：

21：对步骤1中生成的编码后的序列S_code，从高位开始依次取编码对A_jB_j,

22：根据A_j的数值，通过单片机设置可见光的亮度等级，置可见光信号的亮度等级为K＝A_j；

23：根据B_j设置可见光信号的频率；可见光信号的频率即为单片机产生方波信号的宽度；

24：根据LED灯的闪烁亮度K与频率等级F的值生成需要的波形；

25：重复步骤22-步骤24，直到S_code中所有的编码对处理完成。

2.如权利要求1所述的可见光通信的调制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：编码，包括如下步骤：

步骤101：将待发送的数据转换为二进制编码，得到序列；

步骤102：将序列从低位开始划分，每18位分为一组，记为S₁,S₂…S_i…,S_n；其中，n为划分得到的组数；最后不足18位时在高位补0；

步骤103：对步骤102中的每一组S_i，取其前11位记为子序列S_iA，取后7位记为子序列S_iB；

步骤104：将子序列S_iA使用3进制重新编码得到S_A，将子序列S_iB记为S_B；记序列S_A为A₁A₂A₃…A₇,记序列S_B为＝B₁B₂B₃…B₇；其中A_i为S_A中每一位的数值，B_i为S_B中每一位的数值；

步骤105：将S_A与S_B按位组合成新的序列S_codei，S_codei＝A₁B₁A₂B₂A₃B₃…A₇B₇；每一组A_jB_j称为一个编码对；

步骤106：转到步骤103，直到所有S_i都处理完成；

步骤107：将所有步骤105中生成的序列S_codei按顺序排列在一起，组合成新的序列S_code，S_code即为编码后的序列；

步骤2：调制；包括如下步骤：

步骤201：对步骤1中生成的编码后的序列，从高位开始依次取编码对；

步骤202：读取一个编码对的第一位，若为0，则设置LED灯的亮度等级为K＝K1；若为1，则设置LED灯的亮度等级为K＝K2；

步骤203：读取编码组的第二位；若为0，则设置LED灯的频率等级为F＝F1；若为1，则设置LED灯的频率等级为F＝F2；

步骤204：根据LED灯的闪烁亮度K与LED灯的频率等级F的值生成需要的波形；

步骤205：重复步骤202-步骤204，直到步骤1生成的编码后的序列中所有编码对读取完毕。