CN107979414A - 一种协同编码调制式无线光通信控制方法 - Google Patents

一种协同编码调制式无线光通信控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种协同编码调制式无线光通信控制方法，采用VPPM‑CSK编码调制方式，在兼具照明功能，保证了输出稳态的白光的同时，能够有效保证了输出稳态白光，并在改变白光亮度的同时，实现高速通信速率，提高带宽利用率实现高效、可靠、绿色环保的通信方式。

Description

一种协同编码调制式无线光通信控制方法
技术领域
本发明涉及一种协同编码调制式无线光通信控制方法，属于无线光通信技术领域。
背景技术
使用照明LED的无线光通信已有许多研究成果，与诸如荧光灯或白炽灯的常规照明方法相比，LED通信具有明显的优势，因为其具有效率高，功耗低，环保，对人眼睛安全性高，辐射低，保密性高等优点。因此，LED的应用在显示器背光单元(BLU)，汽车灯，室内照明等领域都引起了极大的关注。由于LED与我们的生活密切相关，因此控制照明功能及通信功能的模块是实现无线光通信所需的重要手段。
由于调制带宽受到LED的响应速度限制，而响应速率又与半导体内少子的寿命有关，所以以LED作为信号源的无线光通信系统的最大数据传输速率也将受到限制。因此为了尽最大可能的提高无线光通信系统的数据传输速率，我们需要额外采用一些别的方法来优化光通信系统的带宽，受系统内物理器件限制的影响。而这些可以有效的优化方法、缓解技术可以集中总结为采用效率更高的调制技术，也就是使光通信系统所传输的一个发送符号内可以尽可能多的携带信息。目前适合LED照明功能以及通信功能的主要编码方法有：开关键控(OOK)；脉冲位置调制(PPM)；多脉冲位置调制(VPPM)；脉冲宽调制(PWM)以及多载波技术。
(1)OOK开关键控，在无通信需求时，通过增加冗余时隙可有效控制平均光功率及光照明暗的变化；如果增加补偿时隙，光的亮度就会提高，但是，补偿的时隙愈多，有效数据位就会减少；(2)PPM脉冲调制，利用改变脉冲位置调制和脉冲宽度调制的特点来满足无闪烁照明要求和亮度调节功能，提供了恒定的数据速率，变化的帧长度范围，但是有效性下降；(3)多载波技术，通过改变偏置直流的大小，从而改变输出光功率的强度以调节亮度，虽然不会改变数据传输速率，但是提高了发射端功率以及接收端解码时的误码率。
上述的调制方法既要满足传输信息的要求，还要满足室内照明功能。若采用传统的单一OOK、PPM等，是以牺牲码元带宽为代价，降低信号所占带宽，减小信号对照明的影响，但是这种编码方式能量利用率低，并且在传输速率较低时，会存在LED闪烁现象，即LED出光不稳。综上，这些方法都存在一个弊端，通信速率会随着照明强度需求的改变，导致通信速率不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种协同编码调制式无线光通信控制方法，引入高效、稳定的编码-调制方法，能够有效保证通信速率的稳定。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种协同编码调制式无线光通信控制方法，包括如下步骤：
步骤A.针对待发送数据进行平均划分，获得三组子待发送数据，并进入步骤B；
步骤B.针对三组子待发送数据，分别采用VPPM多脉冲位置编码方式进行编码，更新三组子待发送数据，然后进入步骤C；
步骤C.将三组子待发送数据一一对应、分别发送至对应于RGB型LED的R、G、B三色发光二极管中，由R、G、B三色发光二极管分别产生对应光信号进行发送，并在光路传输过程中进行混合，获得混合光信号，同时采用CSK调制方式，针对R、G、B三色发光二极管进行控制，使得R、G、B三色发光二极管满足如下关系，然后进入步骤D；
式中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别表示R、G、B三色发光二极管所对应光信号颜色的坐标；p1、p2、p3分别表示R、G、B三色发光二极管所对应光信号颜色的平均光功率；(x,y)表示R、G、B三色发光二极管所混合光信号颜色的坐标；P表示R、G、B三色发光二极管所混合光信号颜色的平均光功率；
步骤D.采用与所述R、G、B三色发光二极管规格相对应、具有分光功能的RGB光电检测器，接收混合光信号，并分离获得R、G、B三路光信号，然后进入步骤E；
步骤E.针对R、G、B三路光信号，分别采用VPPM多脉冲位置解码方式进行解码，获得三组子接收数据，然后进入步骤F；
步骤F.根据步骤A中的划分顺序，针对三组子接收数据进行组合，获得接收数据。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，采用串并转换分组方式，针对待发送数据进行平均划分，获得三组子待发送数据。
本发明所述一种协同编码调制式无线光通信控制方法的应用系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计协同编码调制式无线光通信控制方法，采用VPPM-CSK编码调制方式，在兼具照明功能，保证了输出稳态的白光的同时，能够有效保证了输出稳态白光，并在改变白光亮度的同时，实现高速通信速率，提高带宽利用率实现高效、可靠、绿色环保的通信方式。
附图说明
图1是本发明协同编码调制式无线光通信控制方法的框架示意图；
图2是VPPM多脉冲位置编码方式的波形示意图；
图3是本发明设计中VPPM-CSK联合调制的原理框图；
图4是CSK坐标图；
图5是VOOK、VPPM、MPPM、N-VPPM-CSK在不同亮度值下的带宽利用率比较示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明中提出的VPPM-CSK联合调制的原理即，在三色LED的RGB三个发光二极管上分别加载数据源信息，每个发光二极管视为独立的一条通路，则每条通路上的数据源信息都经过VPPM编码，每条通路上的VPPM编码都不同，使得每条通路上的信号占空比也不同，这样可以使得每条通路上的输出功率都不一样，最终根据RGB的混色得到稳态白光，VPPM-CSK联合调制原理如图3所示。最终，得到本发明的无线光通信调制方法，既可通过改变RGB三条通路的输出功率，从而改变最终混色的白光的亮度，又可以通过VPPM编码，在数据源编码上提高有效性。
本发明中的CSK调制在电气与电子工程师协会(IEEE)所颁布的IEEE802.15.7标准中，给出了CSK(Color Shit Key)即色移键控调制方式的概述：CSK是一种基于颜色域的新型的调制方法，这种调制方法主要是针对红(Red)、绿(Green)和蓝(Blue)三基色(或更多基色LED)光源组成的无线光通信系统所提出的，CSK通过对红绿蓝三色发光二极管(也可以多色)进行调制，在空间中混合出稳定的白光进行信息的传输，该调制系统混出的白光为最终的稳态输出，实际上从瞬态上来看，每个信号的颜色都不一样，每一种颜色即为一个符号。通过改变每个发光二极管的输出功率，可以实现最终输出不同亮度的白光的目的。根据混色理论，若三色发光二极管可以混出n种颜色，那么每种颜色所携带的信息的比特数为log2n，故相比于传统的开关键控OOK，脉冲位置调制PPM等调制方式，CSK调制方式的数据传输速率能够高于1bit/clock。因此，本发明中的CSK调制可以实现兼顾照明功能以及通信功能。
本发明中VPPM编码结合了PWM和2-PPM的特点，在通信时，采用2-PPM来传输信号；在调光控制时，使用PWM控制信号中高电平脉冲的占空比来实现调节系统信号整体的输出功率，如图2中，几种VPPM信号的占空比分别为：20％、40％、60％以及80％，其信号输出功率也小到大逐步递增。VPPM同时也考虑到了闪烁缓解等功能，但是同样的，其数据传输速率也要受到发光二极管的开关速度的限制，当明暗控制范围过大，也就是调光系数要求的精度过高时，系统的通信效率就会大幅度降低，从而导致数据的传输速率也将减小，所以VPPM的无线光通信系统，需要在数据传输速率和调光系数的精确度之间进行综合考虑。因此，本发明提出VPPM-CSK联合调制的方法，使得输出不同亮度的稳态白光的同时，有效的提高通信速率。
如图1所示，本发明所设计一种协同编码调制式无线光通信控制方法，实际应用中，具体包括如下步骤：
步骤A.采用串并转换分组方式，针对待发送数据进行平均划分，获得三组子待发送数据，并进入步骤B。
步骤B.针对三组子待发送数据，分别采用VPPM多脉冲位置编码方式进行编码，更新三组子待发送数据，然后进入步骤C。
步骤C.将三组子待发送数据一一对应、分别发送至对应于RGB型LED的R、G、B三色发光二极管中，由R、G、B三色发光二极管分别产生对应光信号进行发送，并在光路传输过程中进行混合，获得混合光信号，同时采用CSK调制方式，针对R、G、B三色发光二极管进行控制，使得R、G、B三色发光二极管满足如下关系，然后进入步骤D；
式中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别表示R、G、B三色发光二极管所对应光信号颜色的坐标；p1、p2、p3分别表示R、G、B三色发光二极管所对应光信号颜色的平均光功率；(x,y)表示R、G、B三色发光二极管所混合光信号颜色的坐标；P表示R、G、B三色发光二极管所混合光信号颜色的平均光功率。
采用CSK调制方式，针对R、G、B三色发光二极管进行控制，使得R、G、B三色发光二极管满足上述关系，即保证获得如图4所示的CSK坐标图，则可以保证光信号在传输过程当中，能够输出稳态的白光。
步骤D.采用与所述R、G、B三色发光二极管规格相对应、具有分光功能的RGB光电检测器，接收混合光信号，并分离获得R、G、B三路光信号，然后进入步骤E。
步骤E.针对R、G、B三路光信号，分别采用VPPM多脉冲位置解码方式进行解码，获得三组子接收数据，然后进入步骤F。
步骤F.根据步骤A中的划分顺序，针对三组子接收数据进行组合，获得接收数据。
本发明中所设计协同编码调制式无线光通信控制方法中的调光功能主要是通过控制VPPM波形中的高电平脉冲的占空比来实现的。定义RGB型LED的截止频率为ω0，则在调光过程中需要保证任何时刻都满足以下条件：
公式(2)中的tH，tL分别为VPPM调制波形中的高电平时间和低电平时间，它们需满足以下关系：
tH＝γ·τ (3)
tL＝(1-γ)·τ (4)
tH+tL＝τ (5)
公式(3)(4)(5)中的γ是调光级数；τ是VPPM的符号周期。
定义：当tH＝ω0时，调光系数γ＝0；当tL＝ω0时，调光系数γ＝1。
得到调光系数的关系式：
通过这种重新定义调光级数算法的方式，本发明满足了公式(2)的要求，保证了CSK-VPPM联合调制无线光通信系统的调光功能。
本发明实施方式通过仿真不同LED亮度下，几种调制方案的带宽利用率作对比，来验证本发明的有效增益。
本发明的VPPM中，信号带宽利用率：
Rb为信号传输速率，B是信号带宽。
本发明的VPPM中，根据公式(3)(4)的tH，tL，信号的带宽为：
将公式(8)带入公式(7)中，得到VPPM的带宽利用率为：
本发明的CSK-VPPM联合调制来说，一个符号周期同VPPM一样仍为τ。而此联合了VPPM与CSK调制的通信系统在每个符号周期内传输的比特数为：1+log2N。信息传输速率为：
其中，h＝log2N，代表了CSK调制中一个符号周期传输的比特数。N代表进制数。在VPPM-CSK中，它的带宽和单独的VPPM相同：
现在我们将公式(11)和(10)带入公式(7)中，就可以得到CSK-VPPM联合调制通信系统的带宽利用率为：
通过MATLAB对上述VPPM-CSK带宽利用率进行仿真计算，并与VOOK、VPPM、MPPM几种常见调制方式作了对比。结果如图5所示，通过仿真发现，本发明的CSK-VPPM联合调制在调光系数为0.5的时候具有最高的带宽利用率，其带宽利用率达到了2bps。此外，可以发现本发明的VPPM-CSK联合调制方法，相较于其他传统的VOOK、VPPM、MPPM调制方式，无论在亮度值为多少，VPPM-CSK的带宽利用率最高，证明了本发明的有益效果。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。

Claims (2)

1.一种协同编码调制式无线光通信控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.针对待发送数据进行平均划分，获得三组子待发送数据，并进入步骤B；
步骤B.针对三组子待发送数据，分别采用VPPM多脉冲位置编码方式进行编码，更新三组子待发送数据，然后进入步骤C；
步骤C.将三组子待发送数据一一对应、分别发送至对应于RGB型LED的R、G、B三色发光二极管中，由R、G、B三色发光二极管分别产生对应光信号进行发送，并在光路传输过程中进行混合，获得混合光信号，同时采用CSK调制方式，针对R、G、B三色发光二极管进行控制，使得R、G、B三色发光二极管满足如下关系，然后进入步骤D；
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式中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别表示R、G、B三色发光二极管所对应光信号颜色的坐标；p1、p2、p3分别表示R、G、B三色发光二极管所对应光信号颜色的平均光功率；(x,y)表示R、G、B三色发光二极管所混合光信号颜色的坐标；P表示R、G、B三色发光二极管所混合光信号颜色的平均光功率；
步骤D.采用与所述R、G、B三色发光二极管规格相对应、具有分光功能的RGB光电检测器，接收混合光信号，并分离获得R、G、B三路光信号，然后进入步骤E；
步骤E.针对R、G、B三路光信号，分别采用VPPM多脉冲位置解码方式进行解码，获得三组子接收数据，然后进入步骤F；
步骤F.根据步骤A中的划分顺序，针对三组子接收数据进行组合，获得接收数据。
2.根据权利要求1所述一种协同编码调制式无线光通信控制方法，其特征在于：所述步骤A中，采用串并转换分组方式，针对待发送数据进行平均划分，获得三组子待发送数据。
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