CN108063636B

CN108063636B - 一种双模可见光通信方法和系统

Info

Publication number: CN108063636B
Application number: CN201711219280.5A
Authority: CN
Inventors: 余冰雁; 程强
Original assignee: China Academy of Information and Communications Technology CAICT
Current assignee: China Academy of Information and Communications Technology CAICT
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-08-23
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN108063636A

Abstract

本申请公开了一种双模可见光通信方法和系统，方法包含以下步骤：将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号；根据多电平信号对第二原始数据脉宽进行调制产生RS‑VPPM符号信号；每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS‑VPPM符号信号；将所述UPWM符号信号转换为光信号；用欠采样方式接收所述光信号，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据；用卷帘快门成像方式，得到每一个RS‑VPPM符号的条纹图像，恢复第二原始数据；根据所述条纹图像计算RS‑VPPM信号的占空比，恢复第一原始数据。装置包含符号映射模块、UPWM调制和解调模块、RS‑VPPM调制和解调模块、摄像头、数据恢复模块等。本发明兼顾较高的传输性能、灵活的应用场景与低复杂度特点。

Description

一种双模可见光通信方法和系统

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及一种可见光通信的方法和系统。

背景技术

可见光通信是一种利用照明LED作为信号发射机的无线通信手段。由于LED可高速调制的特性以及LED照明系统的广泛普及，可见光通信在近期受到广泛关注。基于摄像头的可见光通信又被称为可见光成像通信，它利用广泛存在摄像头作为LED光信号的接收机，具有应用成本低、推广阻力小的优势。

随着智能手机、平板电脑等智能设备的普及，普通用户已经基本拥有了消费级摄像头，这使得基于消费级摄像头的成像通信是最容易被推广的可见光通信应用。

目前市面上绝大部分的消费摄像头出于兼顾性能与成本的考虑，采用了卷帘快门(Rolling shutter)的快门方式和最大30-60fps的帧率。基于卷帘快门的成像通信系统由于其在摄像头每帧图像中可以实现多个符号的传输，因此可以实现相对UPWM较高的通信速率。但它存在通信距离要求较近、解调算法相对较复杂的缺点。

UPWM是一种利用欠采样技术实现低速可见光成像通信的调制方式。UPWM利用脉冲宽度承载发送信号，但脉冲频率远大于摄像头帧率。由于摄像头每次曝光成帧可视为一次采样，因此接收端采样频率小于发射脉冲频率，即为“欠采样”通信方式。但UPWM的传输速率较慢，它的符号速率等于摄像头帧率。即使考虑到高阶调制，其最终的传输速率也仅为100bps量级，应用范围较为受限。

发明内容

本发明提出了一种双模可见光通信方法和系统，同时支持UPWM通信模式和RS-VPPM通信模式，接收端可以灵活的接收任意一种模式的信号或者全部接收。

本申请实施例提供一种双模可见光通信方法，包含以下步骤：将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号，每一电平维持的时间为符号周期；根据所述多电平信号的电平对第二原始数据的脉宽进行调制，产生RS-VPPM符号信号；连续产生多个UPWM符号信号，每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS-VPPM符号信号，在一个UPWM符号周期内，相邻的两个RS-VPPM符号信号的平均电平互补；将所述UPWM符号信号转换为光信号。

进一步地，本申请实施例提供一种双模可见光通信方法，进一步包含以下步骤：用摄像头采集光信号；用欠采样方式接收所述光信号，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据。

可选择地，本申请实施例提供的双模可见光通信方法，还包含以下步骤：用摄像头采集光信号；用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据；进一步地，根据所述条纹图像计算RS-VPPM信号的占空比，根据所述占空比随时间的变化恢复第一原始数据。

本申请实施例还提供一种双模可见光通信系统，包括符号映射模块、UPWM调制模块、RS-VPPM调制模块、电光转换模块；所述符号映射模块，用于将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号，每一电平维持的时间为符号周期；所述RS-VPPM调制模块，用于根据所述多电平信号的电平对第二原始数据的脉宽进行调制，产生RS-VPPM符号信号；所述UPWM调制模块，连续产生多个UPWM符号信号，每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS-VPPM符号信号，在一个UPWM符号周期内，相邻的两个RS-VPPM符号信号的平均电平互补；所述电光转换模块，用于将所述UPWM调制模块的输出信号转换为光信号。

进一步地，本申请实施例的双模可见光通信系统还包含摄像头、UPMW解调模块、第一数据恢复模块；所述摄像头，用于采集光信号；所述UPMW解调模块，用欠采样方式接收，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；所述第一数据恢复模块，根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据。

进一步地，或者可选择地，本申请实施例的双模可见光通信系统，包含摄像头、RS-VPPM解调模块、第二数据恢复模块；所述摄像头，用于采集光信号；所述RS-VPPM解调模块，用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；所述第二数据恢复模块，用于根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

作为本申请进一步优化的实施例，所述双模可见光通信系统中，所述第二数据恢复模块，还用于根据所述条纹图像计算RS-VPPM信号的占空比，根据所述占空比随时间的变化恢复第一原始数据。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

基于UPWM和基于卷帘快门的利用消费级摄像头实现的可见光成像通信方式各有所长但又各自存在不利于推广应用的缺点。本发明提出了一种双模可见光成像通信系统，系统可以同时实现两种通信模式，接收端可以灵活的选择接收任意一种模式的信号或者全部接收，具有兼顾较高的传输性能、灵活的应用场景与低复杂度的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为UPWM系统原理示意图；

图2为基于卷帘快门的成像通信原理示意图；

图3为UPWM和RS-VPPM联合调制工作原理示意图；

图4是本发明双模可见光通信方法实施例流程图；

图5是本发明双模可见光通信装置实施例示意图；

图6是本发明双模可见光通信装置的另一实施例示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提出了一种基于消费级摄像头的双模可见光通信系统，即可同时支持欠采样脉冲宽度调制(Undersampled pulse width modulation，UPWM)与可变脉冲位置调制(Variable pulse position modulation，VPPM)两种通信模式、实现同时兼容高速与低速可见光成像通信的系统。具体地，本发明提出了系统发射端高速VPPM模式与低速UPWM模式的信号联合调制方式，提出了接收端对双模信号的接收方式，定义了三种接收端工作模式。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为UPWM系统原理示意图。图1中画出了两次摄像头曝光时段内的信号格式与采样过程。LED发送的UPWM信号由PWM脉冲组成，脉宽用于承载信息，每个脉冲的持续周期为Tp。摄像头每次成帧的曝光持续时间为Te，Te>Tp意味着摄像头在曝光持续时间内能探测到多个脉冲信号，最终成帧图像的平均亮度是曝光时间内信号强度的积分。Tc是摄像头帧率的倒数，即接收机的采样周期。为了实现欠采样的通信方式，多个相同的PWM脉冲组成UPWM符号，符号周期Ts＝Tc。摄像头每次采样获得的信号是多个相同PWM信号的积分，通过成像结果的平均亮度即可推算出PWM脉宽，继而实现解调获取信息。通过将多个高速PWM信号组合、构造与摄像头帧率对应的UPWM符号，可以通过摄像头的成像亮度解调、实现慢速的信号传输。

但UPWM的传输速率较慢，它的符号速率等于摄像头帧率。即使考虑到高阶调制，其最终的传输速率也仅为100bps量级，应用范围较为受限。

图2为基于卷帘快门的成像通信原理示意图，表示摄像头一帧图像利用卷帘快门逐行曝光成像的过程。LED发送速率较快的符号，如图2中左侧下方所示的开关信号。由于摄像头成帧的过程是在一段时间内逐行依次进行曝光，如图2中左侧上方所示，因此每一行曝光周期内探测到的信号均不完全相同。如果整帧图像的曝光周期覆盖了多个LED发送符号周期，那么在获得的图像帧中将会得到与LED发送信号相对应的明暗条纹，进而通过对图像明暗条纹的处理可以实现信号恢复和解调。这种通信系统中可以选用多种调制方式，如OOK、PWM、PPM等。VPPM是PPM调制的一种，在VPPM中，脉冲位置用于承载信息但脉冲宽度可变。这里我们称基于卷帘快门的VPPM方式为RS-VPPM方式。利用摄像头卷帘快门的“果冻效应”实现的数据传输可以实现较高的传输速率。基于卷帘快门的成像通信利用了摄像头逐行扫描成像的特点，能够在一帧图像中实现多个符号的传输。

基于卷帘快门的成像通信系统由于其在摄像头每帧图像中可以实现多个符号的传输，因此可以实现相对UPWM较高的通信速率。但它存在通信距离要求较近、解调算法相对较复杂的缺点。

图3是UPWM和RS-VPPM联合调制工作原理示意图。发射端为上层应用提供两个数据接口——第一原始数据和第二原始数据。第一原始数据对应UPWM调制方式，是慢速数据传输接口，第二原始数据对应RS-VPPM调试方式，是快速数据传输接口。

本发明提出的UPWM与RS-VPPM联合的信号调制方式原理如下：信号调制过程，首先根据UPWM的符号规则将第一原始数据进行符号映射，每一个原始符号用一个电平值表示，多个符号就对应多电平信号；然后根据UPWM符号的电平值确定RS-VPPM信号的脉冲宽度，对第二原始数据进行RS-VPPM调制；最后将RS-VPPM调制信号和UPWM符号联合调制为最终的双模信号。

具体地，图4中UPWM以4-PWM为例，第一原始数据的比特“00”，“01”，“10”，“11”经过符号映射后分别映射为20％、40％、60％、80％电平的UPWM多电平信号。根据UPWM符号内各符号的电平，确定RS-VPPM符号的脉冲宽度。再根据第二原始数据的比特数据，生成高速的RS-VPPM符号信号。图4中以“0101”比特为例展示了RS-VPPM符号信号组成UPWM中高频脉冲符号的原理，RS-VPPM符号信号的脉宽与UPWM脉冲符号的电平匹配。最后，用RS-VPPM符号信号填充UPWM符号信号，具体方法为：UPWM在符号成型后进行“符号互补”，保证在每个UPWM符号内的平均强度相同。在进行符号互补后，每个UPWM符号信号内包含多个电平(指平均电平)值互补的时段，确保每个UPWM符号周期内平均发光功率均为50％，例如，20％电平信号中分时段加入80％电平信号；40％电平信号中分时段加入60％电平信号；…；而每一个时段内都包含与电平值相对应的RS-VPPM符号信号，例如20％电平信号的时段由占空比20％的RS-VPPM符号信号构成；80％电平信号的时段由占空比80％的RS-VPPM符号信号构成。

需要说明的是，“符号互补”是为了保证LED发送信号对人眼不会产生闪烁效应。

经过上述过程，UPWM与RS-VPPM信号即完成联合调制。在调制信号中的每一个时段，UPWM信号的电平由RS-VPPM的脉宽决定。每一个时段对应摄像头曝光区间；每个UPWM符号周期内的脉冲中包含多个RS-VPPM符号，使得第二原始数据可以通过RS-VPPM实现更高速率的传输。

图4是本发明双模可见光通信方法实施例流程图。

其中，信号调制发送方法包含以下步骤：

步骤101、将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号，每一电平维持的时间为符号周期；

步骤102、根据所述多电平信号的电平对第二原始数据的脉宽进行调制，产生RS-VPPM符号信号；

步骤103、连续产生多个UPWM符号信号，每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS-VPPM符号信号，在一个UPWM符号周期内，相邻的两个RS-VPPM符号信号的平均电平互补；

步骤104、将所述UPWM符号信号转换为光信号。

接续步骤104，信号接收解调方法包含以下步骤：

步骤201、用摄像头采集光信号；

步骤202、用欠采样方式接收所述光信号，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；

需要说明的是，当采用UPWM符号互补技术时，在每个UPWM符号周期内，存在两类电平互补的时段(例如，电平20％的时段和电平80％的时段)，用欠采样方式接收时，摄像头曝光区间位于其中一类时段(例如电平20％的时段)，该时段的电平值就是原始符号所对应的电平值。

步骤203、根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据。

进一步地，接续步骤203，信号接收解调方法还可以包含以下步骤：

步骤204、用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；

步骤205、根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

接续步骤104，信号接收解调方法还可以包含以下步骤：

步骤301、用摄像头采集光信号；

步骤302、用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；

步骤303、根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

进一步地，接续步骤303，信号接收解调方法还可以包含以下步骤：

步骤304、根据所述条纹图像计算RS-VPPM信号的占空比，根据所述占空比随时间的变化恢复第一原始数据。

以上实施例，为从调制信号中同时获得第一原始数据和第二原始数据，可以按照由步骤201～205组成的方法，由步骤201～203、301～303组成的方法或者由步骤301～304组成的方法。

图4中包含了由步骤201～205组成的方法和由步骤301～304组成的方法，待箭头的虚线表示可选择的方式。

需要说明的是，接收端对双模信号的接收方式：对于联合调制信号中RS-VPPM部分，接收端消费级摄像头应将卷帘快门的每行曝光时间设置为小于VPPM的最窄脉宽，确保VPPM信号可以在摄像头成像中形成条纹。通过对摄像头成像的简单处理(一种可行的方法例如图像横向积分等)，可以将条纹状图像转化为线性信号。进而通过VPPM解调可实现对第二原始数据的恢复。

对于联合调制信号中UPWM部分，接收端消费级摄像头可选用两种方式中任一种进行接收。第一种方式，摄像头对联合调制信号“欠采样”接收，通过图像平均亮度进行信号恢复。第二种新型接收方法中，与RS-VPPM类似将摄像头卷帘快门的每行曝光时间设置为小于VPPM的最窄脉宽(等效于图3中最后一行RS-VPPM符号中占空比的宽度。例如，假设RS-VPPM符号长度为1，最小占空比为20％，则VPPM最窄脉宽为0.2)，在获取VPPM的条纹信号后，直接计算VPPM信号占空比即可恢复UPWM信号。第二种接收方法可与RS-VPPM连接接收，通过对图像的一次处理即可同时恢复两路信号，可实现高效的双模通信。

图5是本发明双模可见光通信装置实施例示意图。

双模可见光通信系统的调制发射端，包括符号映射模块1、UPWM调制模块2、RS-VPPM调制模块3、电光转换模块4；所述符号映射模块，用于将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号，每一电平维持的时间为符号周期；所述RS-VPPM调制模块，用于根据所述多电平信号的电平对第二原始数据的脉宽进行调制，产生RS-VPPM符号信号；所述UPWM调制模块，连续产生多个UPWM符号信号，每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS-VPPM符号信号，在一个UPWM符号周期内，相邻的两个RS-VPPM符号信号的平均电平互补；所述电光转换模块，用于将所述UPWM调制模块的输出信号转换为光信号。

双模可见光通信系统的解调接收端，包含摄像头51、UPMW解调模块6、第一数据恢复模块7；所述摄像头，用于采集光信号；所述UPMW解调模块，用欠采样方式接收，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；所述第一数据恢复模块，根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据。

进一步地，双模可见光通信系统的调制接收端，还包含RS-VPPM解调模块8、第二数据恢复模块91；所述RS-VPPM解调模块，用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；所述第二数据恢复模块91，根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

图6是本发明双模可见光通信装置的另一实施例示意图。双模可见光通信系统的调制发射端与图5所示实施例相同；双模可见光通信系统的解调接收端，包含摄像头52、RS-VPPM解调模块8、第二数据恢复模块92；所述摄像头，用于采集光信号；所述RS-VPPM解调模块，用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；所述第二数据恢复模块92，用于根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据；所述第二数据恢复模块92，还用于根据所述条纹图像计算RS-VPPM信号的占空比，根据所述占空比随时间的变化恢复第一原始数据。

需要说明的是，本发明定义了三种接收端工作模式。本发明定义如下三种接收端工作模式：一、接收端只接收UPWM信号，即只恢复第一原始数据，这种模式被称为低速模式；二、接收端只接收RS-VPPM信号，即只恢复第二原始数据，这种模式被称为高速模式；三、接收端同时接收UPWM和RS-VPPM信号，即同时恢复两路原始数据，这种模式被称为混合模式。

对仅支持低速模式的消费级摄像头，没有最小曝光时间的要求，对接收设备的性能要求较低。对支持高速模式和混合模式的消费级摄像头，有最小曝光时间的要求，卷帘快门的单行最小曝光时间应小于VPPM的最小脉宽。对支持高速模式的接收设备的性能要求一般，对支持混合模式的设备性能要求较高。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种双模可见光通信系统，其特征在于，包括符号映射模块、欠采样脉冲宽度调制(UPWM)调制模块、可变脉冲位置调制(RS-VPPM)调制模块、电光转换模块、摄像头、UPMW解调模块、第一数据恢复模块、RS-VPPM解调模块、第二数据恢复模块；

所述符号映射模块，用于将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号，每一电平维持的时间为符号周期；

所述RS-VPPM调制模块，用于根据所述多电平信号的电平对第二原始数据的脉宽进行调制，产生RS-VPPM符号信号；

所述UPWM调制模块，连续产生多个UPWM符号信号，每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS-VPPM符号信号，在一个UPWM符号周期内，相邻的两个RS-VPPM符号信号的平均电平互补；

所述电光转换模块，用于将所述UPWM调制模块的输出信号转换为光信号；所述摄像头，用于采集光信号；

所述UPMW解调模块，用欠采样方式接收，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；

所述第一数据恢复模块，根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据；

所述RS-VPPM解调模块，用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；

所述第二数据恢复模块，根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

2.一种双模可见光通信系统，其特征在于，包括符号映射模块、欠采样脉冲宽度调制(UPWM)调制模块、可变脉冲位置调制(RS-VPPM)调制模块、电光转换模块、摄像头、RS-VPPM解调模块、第二数据恢复模块；

所述电光转换模块，用于将所述UPWM调制模块的输出信号转换为光信号；

所述摄像头，用于采集光信号；

所述第二数据恢复模块，用于根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据；所述第二数据恢复模块，还用于根据所述条纹图像计算RS-VPPM信号的占空比，根据所述占空比随时间的变化恢复第一原始数据。

3.一种双模可见光通信方法，其特征在于，包含以下步骤：

将第一原始数据对应的符号转化为多电平信号，每一电平维持的时间为符号周期；

根据所述多电平信号的电平对第二原始数据的脉宽进行调制，产生可变脉冲位置调制(RS-VPPM)符号信号；

连续产生多个欠采样脉冲宽度调制(UPWM)符号信号，每个UPWM符号周期内包含多个连续的RS-VPPM符号信号，在一个UPWM符号周期内，相邻的两个RS-VPPM符号信号的平均电平互补；

将所述UPWM符号信号转换为光信号。

4.如权利要求3所述双模可见光通信方法，其特征在于，进一步包含以下步骤：

用摄像头采集光信号；

用欠采样方式接收所述光信号，得到每个UPWM符号周期内的平均亮度值；

根据所述平均亮度值随时间的变化，恢复第一原始数据。

5.如权利要求3所述双模可见光通信方法，其特征在于，还包含以下步骤：

用摄像头采集光信号；

用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；

根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

6.如权利要求4所述双模可见光通信方法，其特征在于，还包含以下步骤：

用卷帘快门成像方式，得到每一个RS-VPPM符号的条纹图像；

根据所述条纹图像随时间的变化，恢复第二原始数据。

7.如权利要求5所述双模可见光通信方法，其特征在于，还包含以下步骤：

根据所述条纹图像计算RS-VPPM信号的占空比，根据所述占空比随时间的变化恢复第一原始数据。