CN108400821A - 基于ppm调制的智能交通系统及智能交通系统 - Google Patents

基于ppm调制的智能交通系统及智能交通系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于PPM调制的智能交通系统通信方法及智能交通系统，方法包括发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号；接收端接收接收信号，采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对接收信号进行恢复以得到恢复信号；接收端对恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；接收端根据PPM调制信号和解调信号计算智能交通系统的误码率。实施本发明实施例，将盲似然检测算法应用到了带有帧头的PPM调制的可见光通信系统中，在保证室外远距离高速传输的同时抑制了大气湍流对信号产生的影响，准确地恢复出了原始信号。

Description

基于PPM调制的智能交通系统及智能交通系统
技术领域
本发明涉及城市交通技术领域，具体涉及一种基于PPM调制的智能交通系统通信方法及智能交通系统。
背景技术
可见光通信是以LED灯作为发射机、将信号调制到LED等上进行信息传递的方式，具有绿色环保、容易部署、发射功率好、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射、保密性好以及节约能源等优点。可见光通信能同时实现照明和通信的双重功能，只要有光，就可以进行通信，且没有通信盲区，方便快捷。
目前，可见光通信的研究主要集中在室内高速无线接入和室内定位等应用场景，已经较为成熟和完备，其调制技术多样且传输距离已经达到Gb级别。但对于可见光通信的室外研究，仅限于实现室外短距离低速传输。主要原因是：在远距离的通信的过程中由于大气中存在各种微粒分子，可见光通信系统经过大气信道后，受到大气湍流中光强闪烁现象引起的光强起伏的影响，引起光功率的损失，最终导致在接收端接收的可见光信号的强度忽高忽低，影响信号检测的精度。为了一直大气湍流引起的信号起伏带来的影响，通常需要采取性能较高的检测算法。进一步地，在可见光通信室外场景的研究中，调制技术包括PPM(pulse position modulation，脉位调制)和OOK(Open the key control modulation，开关键控调制)等。当可见光通信采用PPM调制技术时，由于PPM调制技术中脉冲个数远远低于OOK调制技术，一般的序列检测算法很难准确的估计出原始信号，因此现有的检测算法主要应用于OOK调制的自由空间光通信，但是OOK的传输速率，容量和效率远远低于PPM，大大降低了通信质量。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于PPM调制的智能交通系统通信方法及智能交通系统，以将盲似然检测算法应用到带有帧头的PPM调制的可见光通信系统中，能在保证室外远距离高速传输的同时抑制大气湍流对信号产生的影响，准确地恢复出原始信号。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于PPM调制的智能交通系统通信方法，所述智能交通系统包括发射端以及接收端，所述通信方法包括：
所述发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号；
所述接收端接收接收信号，采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号，所述接收信号由所述PPM调制信号经过所述大气湍流信道传输所得；
所述接收端对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述接收端根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
作为本申请一种优选的实施方式，所述PPM调制信号包括帧头和信息位，所述发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号之前，所述通信方法还包括：
所述发射端接收用户的操作以设置所述PPM调制信号的帧头和信息位；
所述接收端接收用户的操作以设置所述检测数据块长度。
作为本申请一种优选的实施方式，所述接收端对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号具体包括：
所述接收端对所述接收信号进行分块以得到多个接收数据块；
所述接收端按块对多个接收数据块进行数值以及对应位置信息的存储；
所述接收端按照存储的位置对多个接收数据块进行译码，以得到所述恢复信号。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于PPM调制的智能交通系统，包括发射端以及接收端，所述发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号；
所述接收端接收接收信号，采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号，所述接收信号由所述PPM调制信号经过所述大气湍流信道传输所得；
所述接收端对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述接收端根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
作为本申请一种优选的实施方式，所述发射端包括信源端、PPM调制器以及LED交通灯，所述信源端产生原始信号，所述PPM调制器将所述原始信号调制到所述LED交通灯以得到所述PPM调制信号。
作为本申请一种优选的实施方式，所述PPM调制信号包括帧头和信息位，所述PPM调制器接收用户的操作以设置所述PPM调制信号的帧头和信息位。
作为本申请一种优选的实施方式，所述接收端包括光电探测器以及处理器，所述光电探测器接收所述接收信号，所述处理器采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号；
所述处理器对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述处理器根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
作为本申请一种优选的实施方式，所述处理器对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号具体包括：
所述处理器对所述接收信号进行分块以得到多个接收数据块；
所述处理器按块对多个接收数据块进行数值以及对应位置信息的存储；
所述处理器按照存储的位置对多个接收数据块进行译码，以得到所述恢复信号。
作为本申请一种优选的实施方式，所述处理器接收用户的操作以设置所述检测数据块长度。
实施本发明实施例，接收端采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对接收信号进行恢复以得到恢复信号，对恢复信号进行PPM解调以得到解调信号，盲似然检测算法的应用可以抑制大气湍流对PPM调制信号传输的影响，可以准确地恢复出原始信号；即，实施本发明实施例，将盲似然检测算法应用到了带有帧头的PPM调制的可见光通信系统中，在保证室外远距离高速传输的同时抑制了大气湍流对信号产生的影响，准确地恢复出了原始信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明第一实施例提供的基于PPM调制的智能交通系统通信方法的示意流程图；
图2是盲似然检测算法的示意流程图；
图3a是强湍流下三种检测算法的误码率比较图，三种检测算法包括固定阈值检测算法、盲似然检测算法以及均值检测算法；
图3b是中等湍流下三种检测算法的误码率比较图；
图3c是弱湍流下三种检测算法的误码率比较图；
图4是实际交通路口的仿真图；
图5是本发明第一实施例提供的基于PPM调制的智能交通系统的结构示意图；
图6是图5所示发射端的结构示意图；
图7是图5所示接收端的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
请参考图1，是本发明第一实施例提供的基于PPM调制的智能交通系统通信方法，如图所示，该通信方法可以包括以下步骤：
S101，发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号。
在执行步骤S101之前，需要对待发送的PPM调制信号进行设置。具体地，用户(可以是实验室的操作人员)对发射端进行操作以完成PPM调制信号的设置。该PPM调制信号是由32个时隙的帧头(包括4个脉冲)和256个时隙的信息位构成一帧。其中，帧头用于PPM解调时确定信息位的到来，实现同步的功能。待设置完成后，启动发射端，可通过大气湍流信道发送PPM调制信号。
S102，接收端接收接收信号。
具体地，接收端可包括光电探测器，光电探测器接收该接收信号。该接收信号由PPM调制信号经过大气湍流信道传输所得，且受到了大气湍流信道的影响。
S103，接收端采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对接收信号进行恢复以得到恢复信号。
需要说明的是，为了保证接收信号中有脉冲，在本实施例中，先将接收到的接收信号进行分块，再预设检测数据块长度为PPM一帧的长度，即288个时隙。由于每一帧中有5个脉冲，因此，在接收端的每一个接收数据块中脉冲的数目为5。
为了更好地理解本实施例，现对盲似然检测算法做如下说明：
盲似然检测算法是对将接收端若干个符号组成的观察窗同时进行判决。
接收信号关于发射信号、信道的条件概率密度函数为：
s为发射信号，r为接收到的信号，H为信道增益，Pd是发送数据信号的功率，L表示数据块长度，n为噪声向量，假设每一个噪声分量为零均值，方差为的高斯随机变量。
令概率密度函数最大的序列表达式为:
等效为令欧式距离最小，即
上述公式中S为平方和函数，Rs为排序后接收信号前S项次序统计量之和。ri为接收端接收的信号。
在现有盲似然检测算法中，每个数据块中含有脉冲信号(“1”)，在本实施例中，鉴于前述对PPM调制信号的设置，将现有盲似然检测算法中“1”的个数设置为5，采样这样的处理方式，在采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对接收信号进行恢复以得到恢复信号过程中，既减少了分块排序和计算的复杂度，也提高了准确度。
具体地，请参考图2，步骤S103包括：
接收端先对接收信号进行分块以得到m个接收数据块，每个数据块的长度设置为L，再按块对m个接收数据块进行数值以及对应的位置信息的存储，接着执行分块排序和分块译码步骤，得到排序后分别计算出当脉冲“1”的个数S＝1，……，5时接收信号前S项次序统计量之和Rm与S的比值RS，搜索最大值Rmax及位置y，得到脉冲“1”的估计值最后根据按照存储的位置对多个接收数据块进行译码，以得到所述恢复信号。
S104，接收端对恢复信号进行PPM解调以得到解调信号。
S105，接收端根据PPM调制信号和解调信号计算智能交通系统的误码率。
具体地，接收端比对PPM调制信号和解调信号，以得到智能交通系统的误码率。
进一步地，为了更好地描述本发明实施例所提供的通信方法的实验效果，设定以下场景：大气湍流条件下，LED交通灯与车辆之间的通信方式。信源共有1024个码元，经过PPM调制后变为128×289阵列形式。LED交通灯模型呈环形阵列分布，每环相距0.01m,每个LED灯直径为0.005m，单个发光强度为2500mcd，第一环到第六环分别有1个、4个、10个、16个、22个、28个LED灯。给定参数M×M＝200×200个采样点。交通灯与发光面的距离设置为D＝0.05m。大气湍流采用随机相位屏模拟信号经过湍流之后的变化。其中内尺度l0＝0.01m，外尺度L0＝10m，相位屏宽度D1＝2m，设置M×M高斯复随机矩阵C的方差为1，均值为0，每次使用相位屏都需要重新生成，保证模拟大气湍流的真实性。设置接收端的分块长度L＝289,平方和函数S＝5。使用MATLAB软件分别仿真了固定阈值检测、均值检测、盲似然检测算法在强湍流(C0＝10-13m-2/3)、中等湍流(C0＝10-15m-2/3)和弱湍流(C0＝10-17m-2/3)下PPM调制系统的误码性能。仿真结果如图3a、3b以及3c所示，图中横轴表示信噪比，纵轴表示误码率。由图3a、3b以及3c可以看出，在同一湍流强度下，随着信噪比的增加，三种检测算法的误码率逐渐降低，并且误码率下降最快的为盲似然检测，其次是均值检测，误码率最高的为固定阈值检测算法。由于强湍流的影响，接收端接收的信号波动幅度大，判决条件难以确定，因此三种检测算法的误码率相差不多，但是仍可间断使用，盲似然检测算法的系统误码率是最低的。随着湍流强度的逐渐减弱，三种检测算法误码性能明显下降，但是盲似然检测的误码率远远低于均值检测和固定阈值检测，在弱湍流时甚至达到了10-9。因此可以看出，不同的检测算法导致系统的误码性能也大不相同，可见检测算法的不同对湍流抑制的效果也不同，值得注意的是，无论在哪种湍流强度下，使用盲似然检测算法的系统性能最好。
然而，在实际的交通路口时，车辆与LED交通灯的距离是实时变化的，仿真图如图4所示，图中横轴表示传输距离，纵轴表示误码率。从图4中可以看出，随着传输距离的增大，均值检测算法和盲似然检测算法的系统误码率逐渐升高，但盲似然检测算法的系统误码率始终低于均值检测算法。
综上，实施本发明实施例的通信方法，接收端采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对接收信号进行恢复以得到恢复信号，对恢复信号进行PPM解调以得到解调信号，盲似然检测算法的应用可以抑制大气湍流对PPM调制信号传输的影响，可以准确地恢复出原始信号；即，实施本发明实施例，将盲似然检测算法应用到了带有帧头的PPM调制的可见光通信系统中，在保证室外远距离高速传输的同时抑制了大气湍流对信号产生的影响，准确地恢复出了原始信号。
在上述基于PPM调制的智能交通系统通信方法的基础上，本发明实施例还提供了一种基于PPM调制的智能交通系统。如图5所示，该智能交通系统包括发射端100以及接收端200，发射端100将PPM调制信号经大气湍流信道传输至接收端200。
进一步地，如图6所示，发射端100包括信源端10、PPM调制器11以及LED交通灯12，所述信源端10产生原始信号，所述PPM调制器11将所述原始信号调制到所述LED交通灯12以得到所述PPM调制信号。
具体地，所述PPM调制信号包括32时隙的帧头和256时隙的信息位，所述PPM调制器12接收用户的操作以设置所述PPM调制信号的帧头和信息位。
进一步地，如图7所示，接收端200包括光电探测器20以及处理器21，所述光电探测器20接收所述接收信号，所述处理器21采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号；
所述处理器21对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述处理器21根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
优选地，在本实施例中，所述处理器21对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号具体包括：
所述处理器21对所述接收信号进行分块以得到多个接收数据块；
所述处理器21按块对多个接收数据块进行数值以及对应位置信息的存储；
所述处理器21按照存储的位置对多个接收数据块进行译码，以得到所述恢复信号。
此外，处理器21还用于接收用户的操作以设置检测数据块长度。
需要说明的是，本实施例中智能交通系统的具体工作流程，请参考前述方法实施例部分的描述，在此不再赘述。
实施本发明实施例的智能交通系统，接收端采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对接收信号进行恢复以得到恢复信号，对恢复信号进行PPM解调以得到解调信号，盲似然检测算法的应用可以抑制大气湍流对PPM调制信号传输的影响，可以准确地恢复出原始信号；即，实施本发明实施例，将盲似然检测算法应用到了带有帧头的PPM调制的可见光通信系统中，在保证室外远距离高速传输的同时抑制了大气湍流对信号产生的影响，准确地恢复出了原始信号。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于PPM调制的智能交通系统通信方法，所述智能交通系统包括发射端以及接收端，其特征在于，所述通信方法包括：
所述发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号；
所述接收端接收接收信号，采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号，所述接收信号由所述PPM调制信号经过所述大气湍流信道传输所得；
所述接收端对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述接收端根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述PPM调制信号包括帧头和信息位，所述发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号之前，所述通信方法还包括：
所述发射端接收用户的操作以设置所述PPM调制信号的帧头和信息位；
所述接收端接收用户的操作以设置所述检测数据块长度。
3.如权利要求1或2所述的通信方法，其特征在于，所述接收端对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号具体包括：
所述接收端对所述接收信号进行分块以得到多个接收数据块；
所述接收端按块对多个接收数据块进行数值以及对应位置信息的存储；
所述接收端按照存储的位置对多个接收数据块进行译码，以得到所述恢复信号。
4.一种基于PPM调制的智能交通系统，包括发射端以及接收端，其特征在于，所述发射端通过大气湍流信道发送PPM调制信号；
所述接收端接收接收信号，采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号，所述接收信号由所述PPM调制信号经过所述大气湍流信道传输所得；
所述接收端对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述接收端根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
5.如权利要求4所述的智能交通系统，其特征在于，所述发射端包括信源端、PPM调制器以及LED交通灯，所述信源端产生原始信号，所述PPM调制器将所述原始信号调制到所述LED交通灯以得到所述PPM调制信号。
6.如权利要求5所述的智能交通系统，其特征在于，所述PPM调制信号包括帧头和信息位，所述PPM调制器接收用户的操作以设置所述PPM调制信号的帧头和信息位。
7.如权利要求6所述的智能交通系统，其特征在于，所述接收端包括光电探测器以及处理器，所述光电探测器接收所述接收信号，所述处理器采用预设的检测数据块长度以及盲似然检测算法对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号；
所述处理器对所述恢复信号进行PPM解调以得到解调信号；
所述处理器根据所述PPM调制信号和解调信号计算所述智能交通系统的误码率。
8.如权利要求7所述的智能交通系统，其特征在于，所述处理器对所述接收信号进行恢复以得到恢复信号具体包括：
所述处理器对所述接收信号进行分块以得到多个接收数据块；
所述处理器按块对多个接收数据块进行数值以及对应位置信息的存储；
所述处理器按照存储的位置对多个接收数据块进行译码，以得到所述恢复信号。
9.如权利要求4-8任一项所述的智能交通系统，其特征在于，所述处理器接收用户的操作以设置所述检测数据块长度。
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