CN107342812B - 人眼不可感知vlc装置及方法 - Google Patents

人眼不可感知vlc装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种人眼不可感知VLC装置，该装置的上行通信链路中，B光电二极管检测环境光照度并将其传输给B处理器，B处理器通过B驱动电路驱动BLED光源发射PPM调制光脉冲信号并根据环境光照度调节PPM光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度；天花板上的A光电二极管接收BLED光源发射的PPM调制光脉冲信号并将其传输给A微分器进行微分处理，A处理器对微分处理后的结果进行解码得到终端设备传输的数据并将其传输到网络接入点。本发明利用极窄PPM调制光脉冲信号进行上行通信，令人眼无法感知，拓宽了VLC系统应用范围，同时极窄脉冲低占空比调制极大降低了上行通信的电能消耗，令其更适用于终端设备。

Description

人眼不可感知VLC装置及方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，涉及一种极窄脉冲低占空比PPM实现令人眼不可感 知的VLC装置及方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)相对于白炽灯和荧光灯具有光效高、功耗低、 无辐射、安全性好、寿命长、可靠性高等特点，被称为“绿色照明”从而得到了迅猛发展。 除了照明优势外，LED还具备高速调制和响应时间短等特性，所以LED能够同时兼顾照明 和数据通信的功能。这种在波长380～780nm的可见光谱段进行数据通信的技术为可见光通 信(Visible Light Communications，VLC)技术。
“大数据”时代日益紧张的射频(Radio Frequency，RF)频带资源，建设成本、安全等 问题受到了广泛的关注。相对于射频通信，VLC技术的优势明显：1，可见光波段不受无线电管制法管制，其波段的使用无须申请。2，作为照明光源的可见光辐射不会对人体造成伤害。3，调制解调不需要复杂计算的特点适用于物联网(Internet of Things，IoT)设备。4，由于可见光不能穿透不透明物体，其防监听的安全性能突出。5，成本较低，不需要昂贵的射频单元。6，可与现有的电力线通信(Power Line Communications，PLC)相结合，重复利用室内照明设备及线路。7，可见光不会对以射频为基础的其他系统产生干扰影响，因而VLC可满足飞机、医院等电磁波敏感场所对无线通信的需求。但是，VLC依赖室内灯光使其应 用受到了极大的限制，不需要灯光时无法应用VLC进行通信。目前，VLC的研究主要关注 的是下行通信，上行通信采用红外辐射(Infrared Radiation，IR)或者RF技术。若上行采用 VLC技术，LEDs光源高低明暗变化的光强会刺激人眼。值得注意的是，通常用的IR射线 的波长介于780nm和950nm之间，这个波段的IR射线能够穿过人眼的角膜对视网膜产生热 损伤。另外，应用VLC上行通信时会令终端设备电量高速消耗。
VLC调制技术分为单载波脉冲调制和多载波调制两类，单载波脉冲调制是将数据比特编 码成脉冲宽度、脉冲位置、脉冲幅度或光偏振。目前广泛使用的技术是开关键控(On-Off Keying，OOK)和脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)技术，为了提高数据编 码效率，大量研究对PPM进行了改进。如MPPM(Multipulse PPM)由多个脉冲共同表示 一个符号，可增大数据速率。DPPM(Differential PPM)把数据编码进相邻脉冲之间的空时 隙内，以消除PPM的空余时隙。多载波调制如正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技术能够提供更高的数据传输速率，但同时需要更复杂的硬件设备。 这些调制技术多用于VLC下行通信，但是可消除人眼不适，令人眼不可感知的VLC调制技 术较少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可用于VLC上行通信与下行通信的人眼不可感知 VLC装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明的人眼不可感知VLC装置包括上行通信链路、下行通 信链路；其特征在于所述的上行通信链路包括天花板上安装的A光电二极管、A微分器、A处理器和终端设备安装的BLED光源、B光电二极管、B微分器、B处理器、B驱动电路； B光电二极管检测环境光照度并将其传输给B处理器，B处理器通过B驱动电路驱动BLED 光源发射PPM调制光脉冲信号并根据B光电二极管检测的环境光照度调节PPM光脉冲信号 的脉冲瞬时辐照强度；天花板上的A光电二极管接收BLED光源发射的PPM调制光脉冲信 号并将其传输给A微分器进行微分处理，A处理器对微分处理后的结果进行解码得到终端 设备传输的数据并将其传输到网络接入点。
进一步，本发明还包括天花板上安装的ALED光源和A驱动电路；ALED光源、A光电二极管、A微分器、A处理器、A驱动电路和终端设备安装的B光电二极管、B微分器、B 处理器构成下行通信链路；A光电二极管检测环境光照度并将其传输给A处理器，A处理器 通过A驱动电路驱动ALED光源发射PPM调制光脉冲信号并根据A光电二极管检测的环境 光照度调节PPM光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度；终端设备的B光电二极管接收ALED光 源发射的PPM调制光脉冲信号并将其传输给B微分器进行微分处理，B处理器对微分处理 后的结果进行解码得到网络接入点传输的数据。
本发明的人眼不可感知VLC方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：利用终端设备的B光电二极管实时检测环境光照度I；
步骤二：设环境光照度为I；当50lx≤I＜1000lx时，B处理器利用式(4)计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；当I＜50lx时，利用式(3)计算PPM调制光脉冲信号的辐照 强度Pt；
其中10cm≤d≤30cm，Cweber、Ccattell均为大于0小于1的常数，m是LED光源灯珠 的朗伯光源阶数，K是光视效能；Pth＝0.1mW；
步骤三：B处理器根据式(5)计算PPM调制光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度X(t)；
R为占空比，R＝tON/tsymbol，tON为PPM调制光脉冲信号的一个脉冲时长,tsymbol为符号长 度，1/tsymbol＞120Hz，并且tsymbol＝NTs，N＝2L，L为二进制调制数据的位数；Ts为PPM调制的时隙长度，tON≤Ts；在PPM调制下，L位二进制数据映射于N＝2L个时隙组成的时间 段，不同的二级制数据映射于该时间段内不同的时隙；
步骤四：B处理器根据步骤三计算出的脉冲瞬时辐照强度X(t)并通过B驱动电路驱动 BLED光源发射PPM调制光脉冲信号；
步骤五：A光电二极管接收环境光和BLED光源发射的PPM调制光脉冲信号并转换成电 信号，A微分器对A光电二极管采测的电信号进行求导，A处理器利用上升沿检测，对A微分器的微分结果进行解码获得终端设备的数据信息。
本发明的人眼不可感知VLC方法，其特征在于还包括下述步骤：
步骤一：利用布置在天花板上的A光电二极管实时检测环境光照度I；
步骤二：设环境光照度为I；当50lx≤I＜1000lx时，A处理器利用式(4)计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；当I＜50lx时，利用式(3)计算PPM调制光脉冲信号的辐照 强度Pt；
其中10cm≤d≤30cm，Cweber、Ccattell均为大于0小于1的常数，m是LED光源灯珠 的朗伯光源阶数，K是光视效能；Pth＝0.1mW；
步骤三：A处理器根据式(5)计算PPM调制光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度X(t)；
R为占空比，R＝tON/tsymbol，tON为PPM调制光脉冲信号的一个脉冲时长,tsymbol为符号长 度，1/tsymbol＞120Hz，并且tsymbol＝NTs，N＝2L，L为二进制调制数据的位数；Ts为PPM调制的时隙长度，tON≤Ts；在PPM调制下，L位二进制数据映射于N＝2L个时隙组成的时间 段，不同的二级制数据映射于该时间段内不同的时隙；
步骤四：A处理器根据步骤三计算出的脉冲瞬时辐照强度X(t)并通过A驱动电路驱动 ALED光源发射PPM调制光脉冲信号；
步骤五：B光电二极管接收环境光和ALED光源发射的PPM调制光脉冲信号并转换成电 信号，B微分器对B光电二极管采测的电信号进行求导，B处理器利用上升沿检测，对B微分器微分结果进行解码获得网络接入点的数据信息。
由于现有VLC系统因刺激人眼而在上行链路应用受限，本发明采用基于极窄脉冲PPM (占空比不大于0.001)的VLC系统，利用心理物理学定律，达到人眼不可感知的效果。
本发明为基于极窄脉冲PPM的人眼不可感知VLC系统提供了量化模型，令人眼无法感觉到 LED光源发出的波长380～780nm白光光线。同时，光电二极管(Photodiode，PD)因与人 眼感光机制不同，利用上升沿检测可以解调出通信信息数据。与传统VLC系统相比，本发明能够应用于终端设备(包括监控装置和移动终端设备等)，同时令上行通信人眼不可感知， 为VLC上行通信提供了一种可行思路，拓宽了VLC系统应用范围。同时极窄脉冲低占空比 调制极大降低了上行通信的电能消耗，令其更适用于终端设备。本发明结合心理物理学定律 和光学定律，定量地给出了在某一环境光照度下，LED光源所发射的令人眼不可感知的最 大平均辐照强度，从而可以利用本发明调整LED光源发射的PPM调制光脉冲信号的占空比和 脉冲瞬时辐照强度，令VLC人眼不可感知。本发明可适用于日间、夜晚等不同环境光照度 的室内环境。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是应用本发明的可见光通信链路示意图。
图2是网络接入点的VLC装置结构框图。
图3是本发明的人眼不可感知VLC方法流程图。
图4是接收端信号检测中利用上升沿检测示意图。
图5是韦伯比曲线。
图6是卡特尔定律曲线。
图7是韦伯比和卡特尔定律曲线之间阴影部分示意图。
图8是最大发射光辐照强度P受环境光照度I和距离d影响的三维图像。
图9是d＝20cm时，最大发射光辐照强度P受环境光照度I影响的曲线。
具体实施方式
如图1、2所示，应用本发明的可见光通信链路包括上行通信链路、下行通信链路；天 花板1上安装有网络接入点的ALED光源11、A光电二极管12、A微分器、A处理器、A 驱动电路；终端设备安装有BLED光源21、B光电二极管22、B微分器、B处理器、B驱 动电路。上行通信链路中，终端设备作为发射端，网络接入点作为接收端；B光电二极管22 检测环境光照度并将其传输给B处理器，B处理器通过B驱动电路驱动BLED光源21发射 PPM调制光脉冲信号并根据B光电二极管22检测的环境光照度调节光脉冲信号的脉冲瞬时 辐照强度；网络接入点的A光电二极管12接收BLED光源21发射的PPM调制光脉冲信号 并将其传输给A微分器进行微分处理，A处理器对微分处理后的结果进行解码得到终端设 备传输的数据；下行通信链路中，网络接入点作为发射端，终端设备作为接收端；A光电二 极管12检测环境光照度，A处理器根据A光电二极管12检测的环境光照度调节ALED光 源11的光信号脉冲瞬时辐照强度并通过A驱动电路驱动ALED光源11发射调制光脉冲信 号，终端设备的B光电二极管22接收ALED光源11发射的PPM调制光脉冲信号并将其传 输给B微分器进行微分处理，B处理器对微分处理后的结果进行解码得到网络接入点传输的 数据。
如图3所示：本发明的人眼不可感知VLC方法具体如下：
步骤一：利用终端设备的B光电二极管22以及布置在天花板1上的A光电二极管12实时检测环境光照度I；
步骤二：设环境光照度为I；当50lx≤I＜1000lx时，根据国际照明委员会照明标准(S008-2001)，此区间为合理的室内工作、阅读照度；此时A处理器和B处理器利用式(4) 计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度；当I＜50lx时，此场景多在阴天，傍晚或夜晚室内， 并且不开启照明设备，此时利用式(3)计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；(如图4 中的(b)所示，ON段代表环境光照度为50lx≤I＜1000lx，OFF段代表环境光照度为 I＜50lx)；
其中I为环境光照度，d＝20cm，Cweber、Ccattell均为大于0小于1的常数，根据经验优选Cweber＝0.05,Ccattel＝0.3536，m和K均为固定参数，m是LED光源灯珠的朗伯光源阶数， K是光视效能。
一般情况下，人使用终端设备(包括手机、监视器、环境传感器等)的距离在10～30cm 之间，因此10cm≤d≤30cm，本发明选择d＝20cm时计算LED平均辐照强度，能够满足令人眼不能感知的要求。
Pth为发射辐照强度下限，可根据发射端与接收端距离，LED光源参数，光电二极管(PD) 参数计算得出，(此部分为VLC已有理论)，因本发明采用的占空比较低，Pth值较小，本发 明中Pth＝0.1mW。
步骤三：A处理器和B处理器根据式(5)计算合理的PPM调制光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度X(t)。
如图4中的(a)所示，以8位二级制数据为例，在PPM调制下，8位二进制数据映射 于256个时隙组成的时间段，映射于不同时隙内的PPM调制光脉冲信号代表不同的二级制数据。例如，映射于时隙2内的PPM调制光脉冲信号代表00000010，映射于时隙253内的PPM 调制光脉冲信号代表11111101。将图中符号长度定义为tsymbol，时隙长度定义为Ts，则 tsymbol＝NTs＝256Ts。在发射端(网络接入点或终端设备)，LED光源在传输数据时会周期性地 经历“ON”和“OFF”两个状态。此时，LED光源的亮度受两个因素影响：ON态的瞬时辐 照强度和占空比R，这里R＝tON/tsymbol，其中tON为ON态的时长(即PPM调制光脉冲信号 的一个脉冲时长)。这样通过减小脉冲瞬时辐照强度以及减小占空比便可达到减小LED亮度 的目的。本发明中tON≤Ts，tON的下限值根据LED反应时间、PD的反应时间确定。tsymbol越 大，占空比越小，但与此同时也会降低链路速率，也可能导致闪烁效应(f＝1/tsymbol小于120 Hz人眼会有所感知)。所以，在f＝1/tsymbol大于120Hz的基础上，令PPM调制光脉冲信号 的脉冲瞬时辐照强度X(t)满足式(5)，LED光信号PPM调制光脉冲信号就可不可感知。
步骤四：A处理器和B处理器根据步骤三计算出的脉冲瞬时辐照强度X(t)分别通过A驱 动电路驱动ALED光源11、通过B驱动电路驱动BLED光源21发射PPM调制光脉冲信号(参见图4中的(c))。
步骤五：A光电二极管12和B光电二极管22分别接收环境光和ALED光源11、BLED光源21发射的PPM调制光脉冲信号并将其转换成电信号，A微分器和B微分器分别对A光电 二极管12和B光电二极管22采测的电信号进行求导，A处理器和B处理器利用上升沿检测， 分别对A微分器和B微分器微分结果进行解码获得网络接入点和终端设备的数据信息。
如图4(d)所示，利用微分器对光电二极管检测的环境光不断求导数，一个信号周期 (NTs)内导数最大的时刻所在时隙为脉冲信号所在时隙。再利用PPM编码映射关系可对检测出的信号进行解码。由于环境光变化率比信号脉冲变化率小，所以环境噪声在一个信号 周期内的导数也小于脉冲信号的导数，从而上升沿检测能有效消除环境干扰。
在心理物理学领域，感知理论发展了近两百年，早期的韦伯比描述差别阈与刺激强度的 比值为常数，在其基础上学者对其作出若干改进尝试，1892年福勒尔顿和卡特尔(Fullerton &Cattell)提出差别阈与刺激强度的平方根成反比。1914年武德沃斯(Woodworth)发现差 别阈的实验数据都落到由卡特尔定律和韦伯定律的数值之间，所以二者为差别阈的极限。 1932年吉尔福德(Guilford)通过实验建议直接从实验数据凑试出一个他称之为“普适的心 理物理学定律”，差别阑与刺激强度的n次幂成正比，刺激的性质不同，n也不同，其为一 个小于1的正数。现代心理物理学认为，差别阈不应该是一个确定值，而是一个统计值，从 而提出了心理物理学定律的统计学表达。
(1)韦伯比(Weber Ratio)：
其中，i为刺激强度，这里i＝f(x)物理刺激x的强度，Δ(i)为差别阈，定义为人或动物 恰好注意到刺激差别(just noticeably different)的刺激强度差。c为常数。这里以i为自变量， Δ(i)的函数图形应为斜率为c的一条射线，如图6所示：
(2)福乐尔顿-卡特尔(Fullerton&cattell)定律：
特尔定律曲线如图7所示。
(3)伍德沃兹(Woodworth)对大量实验数据进行研究，观察到差别阈实验数据一般落 在韦伯比和卡特尔定律曲线之间，如图8所示的阴影部分。
差别阈大于阴影区域上边缘，就一定能够感知。差别阈小于阴影区域下边缘，就一定不 可感知。即在强刺激下差别阈小于卡特尔定律曲线、在弱刺激下差别阈小于韦伯比定律曲线， 则人眼不可感知。
如果满足下式，就可以判定VLC不可感知：
Pt为PPM调制光脉冲信号的辐照强度。本发明采用位置调制方式，在PPM调制下，将L位二进制数据映射到N＝2L个时隙组成的时间段，即不同的数据映射到该时间段不同的时隙。辐照强度Pt应为：
可见Pt与PPM调制光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度X(t)和占空比R有关，同时和PPM调制 的时隙长度Ts有关。NTs为PPM调制的符号长度。脉冲瞬时辐照强度X(t)与最大瞬时辐照强 度、LED的响应时间、驱动电路的性能有关。
Pth为LED光信号的辐照强度下限，可根据发射端与接收端距离，LED参数，PD参数计算得出，(此部分为VLC已有理论)，因本发明采用的占空比较低，Pth值较小，本发明中 Pth＝0.1mW。
式(3)、(4)上限部分根据以下推导得出：
心理物理学定律--韦伯比和卡特尔定律在亮度感知的应用可描述为：
ΔI＝CweberI (6)
这里，差别阈ΔI为照度差，在VLC中应为LED光源光信号的脉冲平均照度，I为环境光照 度，这里Cweber、Ccattell均为大于0小于1的常数。
根据光学理论，光辐照强度和光照度的关系：
I＝K·P/A (8)
其中，K为光视效能，P为辐射通量(W)，A为接收面积(m2)
根据朗伯光源下室内VLC信道光辐照强度模型：
信道增益与距离d，发射角φ，接收角接收面积A有关。具体地：
其中m为朗伯光源的阶数，发射角和接收角都为0°时，信道增益最大，最易感知，为了 保证LED光源在任何角度都不可感知，感知模型应该按照发射角与接收角为0°时构建，这 时，信道增益可以表示为：
PPM下不可感知的VLC上限情况表达式为：
由式(12-13)可见，由于光源为白光LED，光视效能K、朗伯光源阶数m均为LED灯 珠参数，所以，最大发射光辐照强度P受环境光照度I和距离d影响。最大发射光辐照强度 P受环境光照度I和距离d影响的三维图像如图9所示。

Claims (5)

1.一种人眼不可感知VLC装置，包括上行通信链路、下行通信链路；其特征在于所述的上行通信链路包括天花板(1)上安装的A光电二极管(12)、A微分器、A处理器和终端设备安装的BLED光源(21)、B光电二极管(22)、B微分器、B处理器、B驱动电路；B光电二极管(22)检测环境光照度并将其传输给B处理器，B处理器通过B驱动电路驱动BLED光源(21)发射PPM调制光脉冲信号并根据B光电二极管(22)检测的环境光照度调节PPM光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度；天花板(1)上的A光电二极管(12)接收BLED光源(21)发射的PPM调制光脉冲信号并将其传输给A微分器进行微分处理，A处理器对微分处理后的结果进行解码得到终端设备传输的数据并将其传输到网络接入点。
2.根据权利要求1所述的人眼不可感知VLC装置，其特征在于还包括天花板(1)上安装的ALED光源(11)和A驱动电路；ALED光源(11)、A光电二极管(12)、A微分器、A处理器、A驱动电路和终端设备安装的B光电二极管(22)、B微分器、B处理器构成下行通信链路；A光电二极管(12)检测环境光照度并将其传输给A处理器，A处理器通过A驱动电路驱动ALED光源(11)发射PPM调制光脉冲信号并根据A光电二极管(12)检测的环境光照度调节PPM光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度；终端设备的B光电二极管(22)接收ALED光源(11)发射的PPM调制光脉冲信号并将其传输给B微分器进行微分处理，B处理器对微分处理后的结果进行解码得到网络接入点传输的数据。
3.一种利用如权利要求1所述的人眼不可感知VLC装置实现人眼不可感知的VLC方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：利用终端设备的B光电二极管(22)实时检测环境光照度I；
步骤二：设环境光照度为I；当50lx≤I＜1000lx时，B处理器利用式4计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；当I＜50lx时，利用式3计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；
其中10cm≤d≤30cm，Cweber、Ccattell均为大于0小于1的常数，m是LED光源灯珠的朗伯光源阶数，K是光视效能；Pth＝0.1mW；
步骤三：B处理器根据式5计算PPM调制光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度X(t)；
R为占空比，R＝tON/tsymbol，tON为PPM调制光脉冲信号的一个脉冲时长,tsymbol为符号长度，1/tsymbol＞120Hz，并且tsymbol＝NTs，N＝2L，L为二进制调制数据的位数；Ts为PPM调制的时隙长度，tON≤Ts；在PPM调制下，L位二进制数据映射于N＝2L个时隙组成的时间段，不同的二级制数据映射于该时间段内不同的时隙；
步骤四：B处理器根据步骤三计算出的脉冲瞬时辐照强度X(t)并通过B驱动电路驱动BLED光源(12)发射PPM调制光脉冲信号；
步骤五：A光电二极管(12)接收环境光和BLED光源(21)发射的PPM调制光脉冲信号并转换成电信号，A微分器对A光电二极管(12)采测的电信号进行求导，A处理器利用上升沿检测，对A微分器的微分结果进行解码获得终端设备的数据信息。
4.根据权利要求3所述的人眼不可感知的VLC方法，其特征在于还包括下述步骤：
步骤一：利用布置在天花板(1)上的A光电二极管(12)实时检测环境光照度I；
步骤二：设环境光照度为I；当50lx≤I＜1000lx时，A处理器利用式4计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；当I＜50lx时，利用式3计算PPM调制光脉冲信号的辐照强度Pt；
其中10cm≤d≤30cm，Cweber、Ccattell均为大于0小于1的常数，m是LED光源灯珠的朗伯光源阶数，K是光视效能；Pth＝0.1mW；
步骤三：A处理器根据式5计算PPM调制光脉冲信号的脉冲瞬时辐照强度X(t)；
R为占空比，R＝tON/tsymbol，tON为PPM调制光脉冲信号的一个脉冲时长,tsymbol为符号长度，1/tsymbol＞120Hz，并且tsymbol＝NTs，N＝2L，L为二进制调制数据的位数；Ts为PPM调制的时隙长度，tON≤Ts；在PPM调制下，L位二进制数据映射于N＝2L个时隙组成的时间段，不同的二级制数据映射于该时间段内不同的时隙；
步骤四：A处理器根据步骤三计算出的脉冲瞬时辐照强度X(t)并通过A驱动电路驱动ALED光源(11)发射PPM调制光脉冲信号；
步骤五：B光电二极管(22)接收环境光和ALED光源(11)发射的PPM调制光脉冲信号并转换成电信号，B微分器对B光电二极管(22)采测的电信号进行求导，B处理器利用上升沿检测，对B微分器微分结果进行解码获得网络接入点的数据信息。
5.根据权利要求3或4所述的人眼不可感知的VLC方法，其特征在于Cweber＝0.05,Ccattel＝0.3536。
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