CN109462437A - 一种基于空间合成调制的可见光通信系统及实现方法 - Google Patents

一种基于空间合成调制的可见光通信系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间合成调制的可见光通信系统及实现方法。其系统主要包括发射机和接收终端；其中发射机部分包括信息前向编码模块、直流平衡编码模块、空间合成调制模块和LED发射前端，信息前向编码模块采用无比率编码方式对输入信息进行编码，并分割信息产生编码后的数据包，直流平衡编码模块对各个数据包二次编码，以确保各个数据包总功率平衡，避免因数据通信引起灯光闪烁，空间合成调制模块对数据包进行调制生成对应的数据符号，并产生数字控制信号控制LED发射模块发送信息。接收终端用于接收发射端发送的信息，主要包括光电接收器，前置交流耦合调理电路，模数转换模块和数字信号处理单元。

Description

一种基于空间合成调制的可见光通信系统及实现方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，尤其涉及基于空间合成调制技术的可见光通信系统及其实现方法，系统利用普通照明LED灯具，实现高速率的无线数据通信服务。
背景技术
随着社会的发展，人们对无线数据服务的需求急剧增加。一方面，传统基于无线射频信号的通信系统，例如WiFi，已不能很好地满足在高人群密度下的数据通信；另一方面，基于LED的室内照明系统的广泛使用，为基于普通白光LED的可见光通信系统提供了很好的布置基础。因为可见光通信系统可以复用现有照明设置，同时实现数据通信和照明功能。
作为5G可能的接入技术之一，无论是学术界还是工业界，对可见光通信(又称LiFi)，都有着广泛的研究。现有的技术方案，大多采用专用蓝光LED、复杂的编解码算法和复杂而昂贵的LED驱动前端以达到合适的通信速率。但是现有的方案很难适用在基于普通照明白光LED的低成本照明系统上，主要有以下三种原因：1)普通照明白光LED灯通信带宽有限，根据相关研究，普通白光LED的工作频率(即带宽)低于10MHz，如果想要提高带宽必须使用昂贵且普通照明系统不具备的蓝光透镜；2)普通白光LED有很强的非线性性，需要复杂的编解码算法，例如各种预编码和均衡算法，以实现最大光功率传输，因此极大地增加了系统成本和复杂度，不适合用于低成本且广泛存在的普通室内照明系统；3)在传统的可见光通信系统中，均使用模拟电流或电压驱动LED灯，以实现对可见光进行幅度调制，因此必须使用数模转换器(ADC)和复杂功放电路，对模拟信号进行功率放大和调理，进一步增加了硬件成本和系统复杂度。综合上述原因，虽然很多研究机构和公司都在对可见光通信系统开展研究，但是却少有实际商用可见光通信系统应用于人们的实际生活中。
基于以上分析，现有的可见光通信系统，主要存在必须使用专用LED灯具、系统复杂、成本高昂且不易部署等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于普通白光LED灯，低成本、基于空间调制的可见光通信系统及其实现方法。
本发明解决其技术问题所采用的基于空间调制的可见光通信系统，包括发射机和接收终端两部分；其中发射机主要由信息前向编码模块、直流平衡编码模块、空间合成调制模块和LED阵列发射前端组成，接收终端主要包括光电接收器、前置交流耦合调理电路、模数转换模板和数字信号处理单元构成。所述信息前向编码模块用于对待发送信息进行编码，并生产待发送数据包，以对抗传输中的可能数据丢包，一般可采用无比率编码方式，如Raptor编码；所述直流平衡编码模块用于对待发送数据包进行编码，以保证在数据传输时不产生任何闪烁；所述空间合成调制模块对已编码数据包进行数据符号映射，并把待发送数据符号转换为后续LED阵列发射前端可识别的数字信号；所述LED阵列发射前端用于接收前序数字控制信号并直接产生不同亮度的调制光，实现数字信号与光的直接转换和信号传输；所述光电接收器用于接收自由空间的可见光并把光信号转换为电信号，一般为光电二极管或光电三极管及其阵列；所述前置交流耦合调理电路用于耦合光电接收器输出的电信号，并对信号进行放大、滤波等调理以驱动后继模数转换模块；所述数字信号处理单元用于处理模数转换器输出的数字信号，并对信号进行数字解调和解码，还原被传输信息，实现数据传输和通信。
进一步的是，在信息前向编码模块中，采用无比率编码方式，如Raptor编码；
进一步的是，在直流平衡编码模块中，采用互补编码方式，即拆分原数据为原数据和其补码的数据对；
进一步的是，所述LED阵列发射前端，由多个LED群组构成，各个群组LED数量为2的幂次方，并呈同心圆或同心多边形排列；
进一步的是，所述光电接收器为单个或多个光敏传感器阵列；
进一步的是，所述前置交流耦合调理电路为采用交流耦合方式，连接光电接收器和放大和或滤波电路；
进一步的是，所述模数转换模块优选为高速模数转换器，或微处理器自带模数转换器；
进一步的是，所述数字信号处理单元为微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)或现场可编程阵列(FPGA)或专用数字信号处理芯片(ASIC)；
进一步的是，所述发射机可以单独或多个协同；
进一步的是，所述接收终端为固定或移动接收终端。
本发明解决其技术问题所采用的基于空间合成调制的可见光通信系统实现方法，包括以下步骤
A.待发送信息先经过信息前向编码，并分割原始数据形成可识别码的数据包；数据包再进行直流平衡编码，数据包内部数据按照拟采用的空间调制阶数分解为若干数据元组，各数据元组按照互补编码方式，编码原数据元组为元数据元组和其补码的配对形式；
B.空间合成调制模块对编码后的数据进行数据符号映射，并产生相应的数字控制信号，直接控制LED阵列发射前端；
C.接收终端中的光电接收器接收自由空间中的光信号并输出电信号，后继前置交流耦合调理电路对信号进行放大、滤波处理，模数转换模块把模拟电信号转换为数字信号处理单元可识别的数字信号；
D.数字信号处理单元首先对数字信号进行数字滤波，并识别数组包头；随后数字信号处理单元解调数据符号，得到数据符号流，并进一步地利用平衡编码特性，对数据符号流进行校验；校验后的数据符号被进一步的转换为二进制数据，并得到原始数据包；在收到足够数据包后，根据前向编码对应的解码方式，还原被发射的信息。
本发明的有益效果是实用性强、成本较低、传输速率高，具体为：(1)通过空间编码方式，可有效克服普通照明LED灯带宽低的缺点，提高调制阶数从而提高通信速率；(2)采用LED分组阵列排列方式，实现了仅用数字信号直接控制LED灯，从而避免LED灯非线性对发送数据的衰减和干扰；(3)由于可实现数字信号对LED灯的直接控制，因此在本发明设计的发射机中没有传统可见光通信系统中的数模转换器，可以有效的避免因数模转换带来的转换误差和降低成本；(4)由于采用了直流平衡编解码，可以抑制数据通信对照明功能的影响，并且可以利用直流平衡编码的特性，实现对接收数据的校验，可以减低误码率，提高通信的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的结构框图；
图2为本发明的一个实施例涉及的数据包结构示意图；
图3为本发明涉及的空间合成调制模块与LED阵列发射前端的连接结构示意图；
图4为本发明涉及的LED阵列发射前端的一个实施例的LED排布示意图；
图5为本发明涉及的接收终端解调解码某一数据包的流程示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。
如图1至图5所示，本发明基于空间调制的可见光通信系统，包括发射机1和接收终端2两部分；其中发射机主要由信息前向编码模块10、直流平衡编码模块11、空间合成调制模块12和LED阵列发射前端13组成，接收终端主要包括光电接收器20、前置交流耦合调理电路21、模数转换模板22和数字信号处理单元23构成。所述信息前向编码模块10用于对待发送信息进行编码，并生产待发送数据包，以对抗传输中的可能数据丢包，一般可采用无比率编码方式，如Raptor编码；图2展示了本发明实施例中可以使用的数据包结构，数据包由包头、序列号、有效数据和停止位四部分组成。所述直流平衡编码模块11用于对待发送数据包进行编码，以保证在数据传输时不产生任何闪烁；所述空间合成调制模块12对已编码数据包进行数据符号映射，并把待发送数据符号转换为后续LED阵列发射前端13可识别的数字控制信号；所述LED阵列发射前端13用于接收前序数字控制信号并直接产生不同亮度的调制光，实现数字信号与光的直接转换；所述光电接收器20用于接收自由空间的可见光并把光信号转换为电信号，一般为光电二极管或光电三极管及其阵列；所述前置交流耦合调理电路21用于耦合光电接收器输出的电信号，并对信号进行放大、滤波等处理以驱动后继模数转换模块22；所述数字信号处理单元23用于处理模数转换器输出的数字信号，并对信号进行数字解调和解码，还原被传输信息，实现数据传输和通信。
为了实现低成本、低带宽普通白光LED的高速通信，所述发射机1利用空间合成调制方式完成由数据到光幅度的转换，具体是由空间合成调制模块12和LED阵列发射前端13完成，LED阵列发射前端13采用分组控制和特殊的空间排布，可以在不同时刻点亮不同数量和不同位置的LED灯，因此其叠加亮度不同，从而实现数据到输出光强的直接转换，特别的是，本发明采用2的幂次方布局LED阵列，可以实现数字比特与控制信号的一一对应，即一个字节(8bits)的数据，可仅用8个数字控制信号控制8组LED灯。如图3所示实施例，一个包含3组7个LED灯的LED阵列发射前端13，仅需要3个控制信号，即可完成3bits的数据传输，而不是需要8个控制信号分别控制每个LED，从而可以降低LED阵列发射前端13的控制复杂度。更进一步，为了提高输出光强的线性变换度，本发明实施例采用同心圆布局结构如图4所示，即第一组LED灯130位于LED阵列发射前端13中心，第二组LED灯131和第三组LED灯132按照同心圆结构包围在第一组LED灯130的周围，可以很好的实现光输出的线性变化，并且提高照明输出的稳定性。
如上文所述，本发明接收终端2中的数字信号处理单元23负责解调解码由模数转换模块22输出的数字信号，图5具体地展示了数字信号处理单元23的工作流程图；数字信号处理单元首先开始搜索数据包头231，如果包头存在软件执行符号检索步骤233，否则退回继续搜索包头；直到检索到数据包停止位，如果停止位存在，执行步骤235利用本发明所提出的平衡码进行符号校验，如果所有数据符号满足校验规则，则完成数据解调和解码输出完整数据包238，停止本次数据检测，完成数据通信。从上述步骤可以看出，本发明在编码时采用直流平衡编码可以保证发射机的输出功率稳定，防止由于数据发射时引起灯光闪烁；而在接收终端解调解码时，再次利用平衡码的特性(即原数据符号和补码配对)，提高数据包的正确率，从而提高数据传输的可靠性。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于，包括发射机(1)和接收终端(2)；所述发射机(1)由信息前向编码模块(10)、直流平衡编码模块(11)、空间合成调制模块(12)和LED阵列发射前端(13)组成；所述接收终端(2)包括光电接收器(20)、前置交流耦合调理电路(21)、模数转换模块(22)和数字信号处理单元(23)；
所述发射机(1)用于编码待发送信息，首先由信息前向编码模块(10)对信息进行前项编码得到数据包，直流平衡编码模块(11)对数据包进行再次编码，而后由空间合成调制模块(12)根据前序模块编码生产的数据包生成对应的符号流并产生数字控制信号，数字控制信号直接控制LED阵列发射前端(13)中的各个LED灯组发出调制光，实现信息发送。
所述接收终端(2)用于接收自由空间带有信息的调制光，其中首先由光电接收器(20)把光信号转化为模拟电信号，经后级前置交流耦合调理电路(21)对模拟电信号进行放大和滤波后，模数转换模块(22)把调理后的电信转换为数字信号，最后数字信号处理单元(23)完成对数字信号的解调和解码，从而还原发送信息实现信息通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述直流平衡编码模块(11)采用原数据与其补码配对的编码方式对数据进行编码。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述空间合成调制模块(12)完成对数据进行符号映射，并产生数字控制信号以控制LED阵列发射前端(13)中的LED灯组。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述LED阵列发射前端(13)中LED灯组按照2的幂次方数量排列，且其灯组布局为同心圆形或多边形。
5.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述光电接收器(20)为多个或单个光敏二极管和或光敏三极管。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述前置交流耦合调理电路(21)采用交流耦合方式与光电接收器(20)连接，其内部包括放大和或滤波等电路。
7.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述数字信号处理单元(23)为微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)或现场可编程阵列(FPGA)或专用处理芯片(ASIC)，其内部包括数字信号解调器和解码器。
8.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述发射机(1)的数目为一个或多个，每个所述发射机可单独发射或协同发射。
9.根据权利要求1所述的一种基于空间合成调制的可见光通信系统，其特征在于：所述接收终端(2)的数目为一个或多个，每个所述接收终端可单独或协同工作。
10.一种基于空间合成调制的可见光通信系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤
A.信息前向编码模块(10)首先对待发送信息进行分割和编码形成包含识别码的数据包；数据包再经由直流平衡编码模块(11)进行平衡编码，即数据包内部数据按照拟采用的空间调制阶数分解为若干数据元组，各数据元组按照互补编码方式，编码原数据元组为元数据元组和其补码的配对形式；
B.空间合成调制模块(12)对编码后的数据进行数据符号映射，并产生相应的数字控制信号，直接控制LED阵列发射前端(13)中的各个LED灯组；
C.接收终端(2)中的光电接收器(20)接收自由空间中的光信号并将其转换为模拟电信号，后继前置交流耦合调理电路(21)对信号进行放大、滤波处理，模数转换模块(22)把模拟电信号转换为数字信号处理单元(23)可识别的数字信号；
D.数字信号处理单元(23)首先对数字信号进行数字滤波，并识别数组包头；随后数字信号处理单元(23)解调数据符号，得到数据符号流，并利用平衡编码特性对数据符号流进行校验；校验后合格的数据符号被进一步的转换为二进制数据，并得到原始数据包；在收到足够数据包后，采用与信息前向编码模块(10)中采用的编码方式对应的解码方式解码，还原被发射的信息。
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