CN107395275A - 一种led可见光点对点通信的led响应均衡方法和系统 - Google Patents
一种led可见光点对点通信的led响应均衡方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡方法和系统，所述方法中，光接收端处理步骤包括：接收可见光信号并进行光电转换；对光电转换获取的电信号采用频域均衡器进行信号均衡补偿；通过频域放大器将经均衡补偿处理过的信号进行放大；将信号解调，获取数据。其中频域均衡器响应函数通过LED传递函数来确定。本发明提出的LED响应均衡方法和系统可以在保证误码性能的前提下，更大的扩展LED可见光点对点通信系统的调制带宽，能够获得更快的信息传输速率。
Description
技术领域
本发明专利涉及可见光通信领域，涉及一种提升LED可见光通信系统调制带宽的均衡方法。
背景技术
LED由于具有效率高、价格低和寿命长等优点正在取代白炽灯和日光灯，广泛应用于照明、显示等领域。LED能够同时用于照明与通信，使得可见光通信VLC成为近年来电子通信领域理论研究与产品研发的热点。相比于其他的无线通信技术，VLC具有如下的优点：频谱无需授权即可使用；具有更大的数据传输速率；无电磁污染，绿色环保，且安全性好、保密性高。
一般LED的重要指标-调制带宽为3MHz，LED可见光通信系统的信号传输速率受限于LED的低调制带宽。在低带宽基带通信信道中，采用多进制调制等复杂的调制方式可以改善系统的传输速率。相比于多进制调制等复杂的调制方式，非归零开关键控调制(OOK-NRZ)和曼彻斯特编码调制(Manchester Encoding)可以使信号的发送与接收更简单，因为复杂的调制方式在发送端和接收端都需要精度更高与时延更长的信号处理。然而测试结果表明，LED可见光通信系统的信号传输速率受限于LED调制带宽。LED调制带宽窄的缺点严重限制了信号的传输速率，这也成为制约可见光通信系统信息传输速率提升的瓶颈。
在LED通信低速率实验电路系统的构建中，大多采用均衡器进行电路均衡，均衡器分为频域均衡器和时域均衡器，由电路或代码实现。频域均衡器是从校正系统的频率特性出发，时域均衡器则是直接对响应波形进行校正。目前传统的数字均衡器，大部分只能改善码间串扰与信道衰落的影响，不能提高通信系统的传输带宽与信息的传输速率。另外，均衡器虽然在一定程度上提高了系统的调制带宽，但是电路设计比较复杂，缺乏灵活性，抗干扰能力弱，不适用于高速率点对点可见光信号的传输。常用的VLC系统的电路均衡如图3所示，采用RC元件和宽带运算放大器，由两个无源均衡器(passive equalizer)PEQ1与PEQ2、一个有源均衡器(active equalizer)AEQ三部分组成。其中，PEQ1与PEQ2用来衰减低频信号的幅度，而AEQ用来补偿高频信号的幅度。该均衡方法最高能将系统的3dB调制带宽由原先的3MHz提升到了20MHz,但信号的幅度整体下降了约10dB，使接收端的信噪比有所下降。现有电路均衡方法虽然能够在一定程度上增加了系统的调制带宽，但是仍然存在很大的局限性：1)电路存在时间抖动、抗干扰能力弱、带宽受限等缺点，不适用于高速率信号的传输；2)缺乏灵活性，电路参数的调整需要更换元件，使得调试与改进很不灵活。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明专利提出了一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡方法和系统，本发明的方法和系统能够扩展与提高LED可见光通信系统的调制带宽，提升VLC系统的基带信息传输速率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡方法，光接收端处理步骤包括：
接收可见光信号并进行光电转换；
对光电转换获取的电信号采用频域均衡器进行信号均衡补偿；
通过频域放大器将经均衡补偿处理过的信号进行放大；
将信号解调，获取数据。
其中，所述频域均衡器频域响应为：
其中ωc为LED的3dB截止频率，并且Tr是LED响应上升时间，Tf是LED响应下降时间，p是角频率与绝对频率的转换参数；
所述频域放大器频域响应为：
其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
作为本发明的进一步改进，光发射端的处理步骤包括：对信源数据进行编码调制，然后经放大器放大，再经LED驱动电路发出光信号，调制了信息的光信号在自由空间传播。
作为本发明的进一步改进，所述频域均衡器基于FPGA设计。通过FPGA芯片实现频域均衡器的频域响应，相比于电路均衡更简单，而且可以极大程度地提高系统的调制带宽，获得加倍的传输速率。
作为本发明的进一步改进，可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm。
本发明的另一目的在于提供一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡系统。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡系统，光接收端包括：
PD元件，用于接收可见光信号；
PD接收电路，用于将可见光信号进行光电转换；
频域均衡器，用于将光电转换获取的电信号进行信号均衡补偿；
频域放大器，用于将经均衡补偿处理过的信号放大；
解调器，用于信号解调，获取数据；
其中，所述频域均衡器频域响应为：
其中ωc为LED的3dB截止频率，并且Tr是LED响应上升时间，Tf是LED响应下降时间，p是角频率与绝对频率的转换参数；
所述频域放大器频域响应为：
其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
作为本发明的进一步改进，系统的光发射端包括：
调制器，用于对信源数据进行编码调制；
放大器，用于将调制的信源数据信号进行放大；
LED驱动电路，用于发射光信号；
LED发光二极管，将调制了信息的光信号在自由空间传播。
作为本发明的进一步改进，所述频域均衡器基于FPGA设计。
作为本发明的进一步改进，可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm。
本发明区别于传统电路均衡的均衡器设计方法，通过LED传递函数的确定，来设计频域均衡器响应函数，通过FPGA芯片实现新型均衡器的频域响应。达到了扩展LED可见光通信系统调制带宽的目的，进而实现LED可见光通信系统传输速率的提高。
此外，本发明的方法和系统中，先对LED频率响应特性(LED频率调制带宽)进行均衡补偿，再对信号进行放大，本发明经研究发现，在实际开发与应用中，如果接收信号先由放大器进行功率放大，再进入频域均衡补偿器件，那样的话，大功率信号将给均衡器带来过高的功率负荷，同时放大器到均衡器之间的电路需要设计成能承受大功率信号的电路，明显提高了均衡器电路的功耗与成本，不利于本专利产品的小型化设计，更不利于该产品的开发和推广。另外，区别于传统电路均衡的均衡器设计方法，本发明的均衡器采用频域均衡器，并且其响应函数基于LED传递函数来确定，达到了扩展LED可见光通信系统调制带宽的目的，进而实现LED可见光通信系统传输速率的提高。
本发明通过LED传递函数来设计新型频域均衡器响应函数，相比于电路均衡更简单，而且可以极大程度地提高系统的调制带宽，获得加倍的传输速率。加入均衡后的系统调制带宽由原来的3MHz提高到了50MHz。NRZ-OOK调制编码方式的最大数据传输速率从40Mbit/s增加到了80Mbit/s；曼彻斯特调制编码方式的最大数据速率从20Mbit/s增加到40Mbit/s，系统的误码率能够保持低于10-6，系统获得了很好的误码性能。由此可以看出，相比于传统的电路均衡方法，本发明提出的LED响应均衡方法和系统可以在保证误码性能的前提下，更大的扩展LED可见光点对点通信系统的调制带宽，能够获得更快的信息传输速率。
附图说明
图1是本发明系统结构图；
图2是LED脉冲响应波形图；
图3是现有技术的电路均衡原理图；
图4是LED频域响应波形图；
图5是均衡器频域响应波形图；
图6是放大器频域响应波形图。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明的技术方案做进一步描述。
实施例1
本实施例对本发明的方法作进一步描述。
本发明的方法，光发送端的处理步骤包括：对信源数据进行编码调制，然后经放大器放大，再经LED驱动电路发出光信号，调制了信息的光信号在自由空间传播；光接收端处理步骤包括：接收可见光信号并进行光电转换；对光电转换获取的电信号采用频域均衡器进行信号均衡补偿；通过频域放大器将经均衡补偿处理过的信号进行放大；将信号解调，获取数据。
其中，频域均衡器频域响应通过LED的传递函数确定。
图2所示为本实施例采用的LED光学测量响应图，由短电流脉冲驱动时，LED响应类似于低通响应，因此其传递函数等同于一阶RC滤波器。由图可见，LED响应上升时间Tr和下降时间Tf分别近似为25ns和135ns，因此，LED的总响应时间约为160ns。显然，LED传递函数的脉冲响应公式表示为：
其中，ωc为LED的3dB截止频率，t为连续时间变量，并且p是角频率与绝对频率的转换参数。
经拉普拉斯变换后，S域中的LED传递函数表示为：
其中，ω为连续频率变量。
可以得到LED传递函数频域响应波形，如图4所示，由图可以看出，LED的3dB截止带宽为3MHz。
则本发明的方法所述频域均衡器频域响应为：
从LED频域响应波形图4与均衡器频域响应波形图5可以看出，均衡器的频域响应对LED的频域响应进行了补偿，提高了高频率频段的功率响应，从而扩展LED可见光通信系统的调制带宽。
所述频域放大器频域响应为：
其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
由图6可见，带宽最大可以达到50MHz，即为本实施例方法响应均衡后的系统调制带宽。
本实施例中，所述频域均衡器基于FPGA设计，可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm。
实施例2
本实施例对本发明的系统作进一步描述。
如图1所示，一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡系统，
光发射端包括：调制器，用于对信源数据进行编码调制；放大器，用于将调制的信源数据信号进行放大；LED驱动电路，用于发射光信号；LED发光二极管，将调制了信息的光信号在自由空间传播。
光接收端包括：PD元件，用于接收可见光信号；PD接收电路，用于将可见光信号进行光电转换；频域均衡器，用于将光电转换获取的电信号进行信号均衡补偿；频域放大器，用于将经均衡补偿处理过的信号放大；解调器，用于信号解调，获取数据；
其中，所述频域均衡器频域响应为：
其中ωc为LED的3dB截止频率，并且Tr是LED响应上升时间，Tf是LED响应下降时间，p是角频率与绝对频率的转换参数；
所述频域放大器频域响应为：
所述频域放大器频域响应为：
其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
本实施例中，所述频域均衡器基于FPGA设计，可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm。
Claims (8)
1.一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡方法，其特征在于，光接收端处理步骤包括：
接收可见光信号并进行光电转换；
对光电转换获取的电信号采用频域均衡器进行信号均衡补偿；
通过频域放大器将经均衡补偿处理过的信号进行放大；
将信号解调，获取数据；
其中，所述频域均衡器频域响应为：
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其中ωc为LED的3dB截止频率，并且Tr是LED响应上升时间，Tf是LED响应下降时间，p是角频率与绝对频率的转换参数；
所述频域放大器频域响应为：
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其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光发射端的处理步骤包括：对信源数据进行编码调制，然后经放大器放大，再经LED驱动电路发出光信号，调制了信息的光信号在自由空间传播。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频域均衡器基于FPGA设计。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm。
5.一种LED可见光点对点通信的LED响应均衡系统，其特征在于，光接收端包括：
PD元件，用于接收可见光信号；
PD接收电路，用于将可见光信号进行光电转换；
频域均衡器，用于将光电转换获取的电信号进行信号均衡补偿；
频域放大器，用于将经均衡补偿处理过的信号放大；
解调器，用于信号解调，获取数据；
其中，所述频域均衡器频域响应为：
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其中ωc为LED的3dB截止频率，并且Tr是LED响应上升时间，Tf是LED响应下降时间，p是角频率与绝对频率的转换参数；
所述频域放大器频域响应为：
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其中ωl为频域放大器3dB截止频率。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，系统的光发射端包括：
调制器，用于对信源数据进行编码调制；
放大器，用于将调制的信源数据信号进行放大；
LED驱动电路，用于发射光信号；
LED发光二极管，将调制了信息的光信号在自由空间传播。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述频域均衡器基于FPGA设计。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171124 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |