CN110166124B - 基于手机摄像头的mimo可见光通信信号提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，包括信号调制模块、信号发送模块以及信号接收和处理模块；信号调制模块用于调制不同的编码信号；信号发送模块包括LED驱动电路和LED灯组，LED灯组由多个白光LED灯珠组成；信号接收和处理模块包括手机摄像头信号接收单元和电脑端MATLAB信号处理单元；信号调制模块、LED驱动电路、LED灯组依次相连，手机摄像头信号接收单元接收信号并传输到电脑端MATLAB信号处理单元进行信号处理解调。本发明提供的信号提取方法可实现多个LED灯在同时传输不同频率、不同类型的编码信号时，能减弱信号间干扰对信号处理解调的影响。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法。
背景技术
可见光通信（VLC）作为一种光无线通信技术，是面向下一代无线通信和未来智慧家庭的关键技术之一。由于可同时用于照明和通信，利用照明的白光LED作为发射器的可见光通信系统受到了高度关注。在可系统接收端，用作接收器的器件有两种：光电二极管和图像传感器；近年来，互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器在价格和性能方面取得了重大突破，被广泛用作可见光通信接收器。为了提高基于手机摄像头的可见光通信系统的吞吐量和信道容量，将多输入多输出技术（Multiple Input Multiple Output，简称MIMO）运用在系统中，即采用多个LED进行可见光信号的传输。在系统接收端，手机摄像头接收白光LED传输的编码信号，基于其卷帘快门特性会产生不同的明暗条纹，多个LED光源产生的光照重叠区域会对信号传输产生干扰，同时在光照中心由于亮度过亮会产生高光溢出的现象，这会使明暗条纹的对比度下降，这不利于信号的解调处理，系统的性能也会受到严重影响。
在提升基于手机摄像头的可见光通信系统的吞吐量和信道容量的基础上降低系统的误码率性能，一直是可见光通信技术领域的研究热点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，包括信号调制模块、信号发送模块以及信号接收和处理模块；
所述信号调制模块用于调制不同的编码信号；
所述信号发送模块包括LED驱动电路和LED灯组，所述LED灯组由多个白光LED灯珠组成；
所述信号接收和处理模块包括手机摄像头信号接收单元和电脑端MATLAB信号处理单元；
所述信号调制模块、所述LED驱动电路和所述LED灯组依次相连，所述手机摄像头信号接收单元接收光信号并传输到所述电脑端MATLAB信号处理单元。
其中，所述信号调制模块由现场可编程门阵列组成。
其中，所述LED驱动电路是基于共射放大电路设计而成，用以接收、放大所述信号调制模块调制的编码信号，从而控制所述LED灯组的多个白光LED灯的亮灭以传输可见光信号，即二进制数字“1”表示“亮”，二进制数字“0”表示“灭”。
其中，所述手机摄像头信号接收单元是基于智能手机摄像头的卷帘快门特性接收光信号。
其中，所述电脑端MATLAB信号处理单元是运用智能手机的摄像头以拍摄LED灯珠短视频的方式接收信号。
其中，所述电脑端MATLAB信号处理单元是将手机摄像头接收的信号传输至电脑端，运用MATLAB进行信号处理；处理过程包括：图像帧提取、灰度转换、数据游标法像素选择、找到数据头、运用算法确定阈值和信号逻辑判决。
其中，所述数据游标法像素选择是采用数据游标法在LED光源中心的外围对转换得到的灰度图片的像素进行选择，即对信号进行提取。
其中，所述数据游标法像素选择的方法包括：滤波处理、数据游标法、选取参考坐标、对坐标进行曲线拟合和选取图片像素值。
其中，所述滤波处理是采用均值滤波的方法对灰度图片进行处理。
其中，所述信号提取方法可实现多个LED灯在同时传输不同频率、不同类型的编码信号时，能减弱信号间干扰对信号处理解调的影响。其中，所述MIMO（Multiple InputMultiple Output）是指多输入多输出技术，该可见光通信系统主要借鉴MIMO技术中多路信号同时实现收发的传输模式，在不增加带宽与发射功率的情况下，提高无线通信的吞吐量和信道容量。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，包括信号调制模块、信号发送模块、信号接收和处理模块；信号调制模块用于调制不同的编码信号；信号发送模块包括LED驱动电路和LED灯组；LED驱动电路接收、放大所述调制模块输出的调制信号，控制白光LED灯珠的亮灭；信号接收和处理模块包括手机摄像头信号接收单元和电脑端MATLAB信号处理单元；将手机摄像头拍摄的白光LED短视频传输到电脑端，运用MATLAB软件对其进行处理解调，其中，运用数据游标法对信号进行提取。
本发明提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，一方面，显著提高了可见光通信系统的吞吐量，可有效扩展基于手机摄像头的可见光通信系统的信道容量；另一方面，提出的数据游标法，有效避免了多输入信号间的干扰和光源中心高亮度引起的高光溢出现象，提升了信号处理的可靠性和便利性，提高了可见光通信系统的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法中电脑端MATLAB信号处理单元的过程示意图；
图3为本发明实施例提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法中数据游标法像素选择过程示意图；
图4为本发明实施例提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法中基于数据游标法的双LED信号传输的像素选择示意图；
图5为本发明实施例提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法中基于数据游标法的三LED信号传输的像素选择示意图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-信号调制模块，2-信号发送模块， 3-LED驱动电路，4-LED灯组，5-信号接收和处理模块，6-手机摄像头信号接收单元，7-电脑端MATLAB信号处理单元， 71-图像帧提取，72-灰度转换，73-数据游标法像素选择，74-找到数据头，75-运用算法确定阈值，76-信号逻辑判决，731-滤波处理，732-数据游标法，733-选取参考坐标，734-对坐标进行曲线拟合，735-选取图片像素值。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，如图1所示，包括信号调制模块1、信号发送模块2以及信号接收和处理模块5；所述信号发送模块2包括LED驱动电路3和LED灯组4，所述LED灯组4由多个白光LED灯珠组成；所述信号接收和处理模块5包括手机摄像头信号接收单元6和电脑端MATLAB信号处理单元7；所述信号调制模块2、所述LED驱动电路3和所述LED灯组4依次连接，所述手机摄像头信号接收单元6接收光信号并传输到所述电脑端MATLAB信号处理单元7。
所述信号调制模块1由现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称FPGA）组成，用于调制不同的编码信号。所述LED驱动电路3是基于共射放大电路设计而成，用以接收、放大所述信号调制模块1调制的编码信号，从而控制所述LED灯组4的多个白光LED灯的亮灭以传输可见光信号，即二进制数字“1”表示“亮”，二进制数字“0”表示“灭”；同时，调节LED驱动电路3的电源输入电压可以改变流过LED的电流，从而调节LED的发光亮度，提升实验分析的多样性。所述手机摄像头信号接收单元6是基于智能手机摄像头的卷帘快门特性接收光信号。所述电脑端MATLAB信号处理单元7是在电脑端通过MATLAB软件将手机摄像头拍摄的短视频进行离线处理，从而完成接收信号的处理解调。
所述数据游标法像素选择74是采用数据游标法在LED光源中心的外围对处理得到的灰度图片的像素进行选择，即对信号进行提取；所述滤波处理是采用均值滤波的方法对灰度图片进行处理。本发明提供的信号提取方法可实现多个LED灯在同时传输不同频率、不同类型的编码信号时，能减弱信号间干扰对信号提取的影响，提高了信号处理的可靠性和便利性。
本发明提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，电脑端MATLAB信号处理单元过程示意图如图2所示，所述MATLAB信号处理单元过程包括：图像帧提取71、灰度转换72、数据游标法像素选择73、找到数据头74、运用算法确定阈值75和信号逻辑判决76；当手机摄像头拍摄的短视频传输到电脑端后，运用MATLAB对视频进行图像帧提取71，此时短视频会被分解成一帧一帧的图片，方便我们对接收的信号进行分析；接着将提取的图像进行灰度转换72，转换成灰度图会使图片的信息量变小，方便对其进行处理；然后将转换得到的灰度图进行滤波处理，提升图片中黑白条纹的对比度，接着对图像的像素进行数据游标法像素选择73，选择合适的像素列进行分析以找到数据头74；最后运用算法确定阈值75，运用确定的阈值进行信号逻辑判决76。其中，所述滤波方式和算法根据实际经验和需要进行设计，本发明实施例不做限定。本实施例中，对图像滤波处理部分可以采用均值滤波的方法。
本发明提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，数据游标法像素选择过程示意图如图3所示，所述数据游标法像素选择结构包括滤波处理731、数据游标法732、选取参考坐标733、对坐标进行曲线拟合734和选取图片像素值735。经过灰度转换72后得到灰度图，首先对其进行滤波处理731，接着采用数据游标法732在灰度图上的选离光源中心的外围选取参考坐标733，然后对选取的参考坐标进行曲线拟合734，最后运用拟合后得到的公式，选取图片像素值735。其中，选取的参考坐标根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。
本发明提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，在进行双LED信号传输时采用数据游标法对像素进行选择的示意图如图4所示采用数据游标法进行双LED信号传输的列像素选择示意图如图4所示，在信号发射模块采用两个白光LED组成LED灯组，通过两个白光LED传输不同的编码信号，经过手机摄像头信号接收单元6接收信号，然后通过电脑端MATLAB信号处理单元7对拍摄的短视频进行图像帧提取71、灰度转换72和数据游标法像素选择73后得出的示意图。如图4所示，使用双LED进行信号传输，在光照重叠区域会产生信号干扰，同时光源中心会因光照过强而产生高光溢出现象，降低了黑白条纹的对比度，为了在不影响信号传输的基础上提升基于手机摄像头的可见光通信系统的吞吐量和信道容量，运用数据游标法对灰度图的像素进行选择，图4中箭头线段即为对参考坐标曲线拟合后得到的线段。选择图4箭头线段所示区域的像素进行后续处理分析，提高了信号处理的可靠性和便利性。
本发明提供的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，在进行三LED信号传输时采用数据游标法对像素进行选择的示意图如图5所示，在信号发射模块采用三个白光LED组成LED灯组，通过三个白光LED传输不同的编码信号，经过手机摄像头信号接收单元6接收信号，然后通过电脑端MATLAB信号处理单元7对拍摄的短视频进行图像帧提取71、灰度转换72和数据游标法像素选择73后得出的示意图。如图5所示，将两边的白光LED并联在一起传输相同的编码信号，对中间的白光LED传输不同的编码信号，由图中黑白条纹可清楚的看出两边白光LED对中间白光LED传输的信号产生了一定干扰。进一步地，运用数据游标法对灰度图的像素值进行选择，图5中的箭头线段为对参考坐标进行曲线拟合所得，即选取图5箭头线段所示区域的像素进行后续处理分析。
因此，使用数据游标法选择列像素，可以灵活的选择合适的像素列对接收到的信号进行后续分析处理，既能减少不同信号之间的干扰，又能避开光源中心的高光溢出区域，提升了信号处理的可靠性和便利性。在三个白光LED信号传输时，在信号处理过程中运用数据游标法提取信号可提升信号处理的可靠性和便利性，由此进一步扩展为多个LED同时传输不同信号即信号多输入多输出的情况下运用数据游标法提取信号亦是可行的。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，其特征在于：包括信号调制模块、信号发送模块以及信号接收和处理模块；
所述信号调制模块用于调制不同的编码信号；
所述信号发送模块包括LED驱动电路和LED灯组，所述LED灯组由多个白光LED灯珠组成；
所述信号接收和处理模块包括手机摄像头信号接收单元和电脑端MATLAB信号处理单元；
所述信号调制模块、所述LED驱动电路和所述LED灯组依次相连，所述手机摄像头信号接收单元接收光信号并传输到所述电脑端MATLAB信号处理单元；
所述电脑端MATLAB信号处理单元是将手机摄像头接收的信号传输至电脑端，运用MATLAB进行信号处理；处理过程包括：图像帧提取、灰度转换、数据游标法像素选择、找到数据头、运用算法确定阈值和信号逻辑判决；
当手机摄像头拍摄的短视频传输到电脑端后，运用MATLAB对视频进行图像帧提取，此时短视频会被分解成一帧一帧的图片，方便我们对接收的信号进行分析；接着将提取的图像进行灰度转换，转换成灰度图会使图片的信息量变小，方便对其进行处理；然后将转换得到的灰度图进行滤波处理，提升图片中黑白条纹的对比度，接着对图像的像素进行数据游标法像素选择，选择合适的像素列进行分析以找到数据头；最后运用算法确定阈值，运用确定的阈值进行信号逻辑判决；
所述数据游标法像素选择是采用数据游标法在LED光源中心的外围对转换得到的灰度图片的像素进行选择，即对信号进行提取；所述数据游标法像素选择结构包括滤波处理、数据游标法、选取参考坐标、对坐标进行曲线拟合和选取图片像素值，经过灰度转换后得到灰度图，首先对其进行滤波处理，接着采用数据游标法在灰度图上的选离光源中心的外围选取参考坐标，然后对选取的参考坐标进行曲线拟合，最后运用拟合后得到的公式，选取图片像素值。
2.根据权利要求1所述的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，其特征在于：所述信号调制模块由现场可编程门阵列组成。
3.根据权利要求1所述的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，其特征在于：所述LED驱动电路是基于共射放大电路设计而成，用以接收、放大所述信号调制模块调制的编码信号，从而控制所述LED灯组的多个白光LED灯的亮灭以传输可见光信号，即二进制数字“1”表示“亮”，二进制数字“0”表示“灭”。
4.根据权利要求1所述的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，其特征在于：所述手机摄像头信号接收单元是基于智能手机摄像头的卷帘快门特性接收光信号。
5.根据权利要求1所述的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，其特征在于：所述电脑端MATLAB信号处理单元是运用智能手机的摄像头以拍摄LED灯珠短视频的方式接收信号。
6.根据权利要求1所述的基于手机摄像头的MIMO可见光通信信号提取方法，其特征在于：所述信号提取方法可实现多个LED灯在同时传输不同 频率、不同类型的编码信号时，能减弱信号间干扰对信号处理解调的影响。
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