CN110445539B - 一种可见光亮度控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种可见光亮度控制方法及系统，涉及可见光通信和智慧照明应用领域，发送端从LACO‑OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取(2x‑2x‑p)个子载波并分成P层，将P层子载波对应时域信号的符号取值分成2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率。发送端与接收端首先约定子载波分组情况和信号所采用的符号组合；发送端逐层调制每层子载波，将得到的时域信号设定符号后相加输出，经转换后加上直流偏置电压点亮LED；接收端根据约定逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。通过设置LACO‑OFDM各层子载波对应的时域信号的正负，控制总输出信号的幅度，从而调整可见光照明亮度，同时满足通信和照明调光的需求。

Description

一种可见光亮度控制方法及系统
技术领域
本发明涉及可见光通信和智慧照明应用领域，一种可见光亮度控制方法及系统。
背景技术
由于移动设备的广泛使用，无线通信的数据量呈指数增加，目前已超过有线通信的数据量。由于现有的可用无线频谱紧张，人们开始使用其他电磁频段，可能的替代通信波段包括可见光、红外光等。可见光通信由于频带资源宽、不受电磁干扰且无需授权，被考虑用于下一代室内高速通信。LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为第四代照明光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，已被广泛用于指示和照明。由于LED作为半导体光源易于实现高速调制，基于LED的可见光通信技术近年来日益成熟，在室内短距离小覆盖的场景中可兼顾照明和高速接入，是下一代光通信的重点研究方向。
在可见光通信中，通常采用低成本的强度调制/直接检测方案，为了在照明LED的有限带宽(<20MHz)内实现高速传输，可见光通信较多采用多载波调制方式以实现高频谱效率。因此提出了多种输出信号为正值的调制格式，比如PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲振幅调制)、DCO-OFDM(Direct Current Biased Optical-Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，直流偏置光正交频分复用)、ACO-OFDM(Asymmetrically ClippedOptical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，非对称裁剪光正交频分复用)等。一种改进的LACO-OFDM(Layered Asymmetrically Clipped Optical-OrthogonalFrequency Division Multiplexing分层的非对称裁剪光正交频分复用)方案被提出，其技术要点是基于ACO-OFDM编码中子载波的截波干扰有规律的落在其他信道上的特点，在接收端先将无叠加干扰的部分子载波解码出来，减掉这部分信号及其负值置零带来的干扰，剩余无叠加干扰的子载波。重复上述解码处理的过程，可以将所有子载波逐层解码而不受负值置零的影响。LACO-OFDM分层编解码的方法将原来ACO-OFDM中空置的部分子载波也放置了信息，大大提高了谱效率。研究表明LACO-OFDM方案能实现接近DCO-OFDM的频谱效率，但由于较小的偏置电流，能在相同发光强度下达到更好的信号质量，因此光器件能调制更高调制深度的信号，光信号也可传得更远。
LACO-OFDM实现了高谱效率和高能效传输信息，但系统输出信号的平均幅值总保持稳定，因此加上偏置电压后照明亮度也保持一定，无法实现照明控制，不能同时满足通信和照明需求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可见光亮度控制方法及系统，通过设置LACO-OFDM各层子载波对应的时域信号的正负，控制总输出信号的幅度，从而调整可见光照明亮度，同时满足通信和照明调光的需求。
为达到以上目的，一方面，采取的一种可见光亮度控制方法，包括：
S1、发送端从LACO-OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取其中(2x-2x-P)个子载波并分成P层，将P层子载波对应时域信号的符号取值分为2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率，发送端与接收端约定子载波分组情况和所采用的符号组合；
S2、发送端基于LACO-OFDM编码逐层调制每层子载波，将得到的时域信号设定符号后相加输出，输出的信号经转换后加上直流偏置电压点亮LED；
S3、接收端接收LED光信号，基于LACO-OFDM解码，根据与接收端各层符号的约定，逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。
优选的，所述步骤S1中，第m层的子载波序号为2m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，1≤m≤P，m层与m+1层的子载波数量比例为2:1。
优选的，所述步骤S2中对每层子载波分别调制的过程包括：将待发送的频域数据按子载波填充，依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将每层子载波的时域信号变成功率档位所对应的符号。
优选的，所述步骤S3包括：将全部接收信号进行FFT变换得到其频域数据，抽取每层数据根据功率档位对应的该层符号进行设置，再将频域数据符号依据调制格式解码成对应的bit，对该层数据依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将该层子载波的时域信号按功率档位设置对应的符号，从接收信号中删除该层数据，再进行下一层数据的解码，直至所有层数据解码完成。
优选的，发送端通过保留信道与接收端传递约定，所述保留信道是独立于用户数据的管理信息通道，或者是预留给管理信息的部分带宽或时隙。
另一方面，提供一种可见光亮度控制系统，包括发送端和接收端，发送端包括LED，所述发送端包括：
符号分配模块，用于从LACO-OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取其中(2x-2x-P)个子载波并分成P层，将P层子载波对应时域信号的符号取值分成分为2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率，还用于与接收端约定子载波分组情况和所采用的符号组合；
第一编码调制模块，基于LACO-OFDM编码对待发送数据的每层子载波逐层进行调制，将得到的时域信号设定符号后相加输出；
数模转换模块，用于将第一编码调制模块输出的数字信号变成模拟信号；
加法器，用于将数模转换模块输出的模拟信号加上直流偏置电压点亮LED；
所述接收端包括：
光探测器，用于探测LED发出的可见光信号并变为电信号；
模数转换模块，用于实现电信号从模拟信号到数字信号的转换；
解码解调模块，用于实现LACO-OFDM解码过程，根据所述约定逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。
优选的，所述符号分配模块通过保留信道传递所述约定给接收端，所述保留信道是独立于用户数据的管理信息通道，或者是预留给管理信息的部分带宽或时隙。
优选的，所述编码调制模块包括：
希尔伯特变换单元，用于在子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭；
IFFT单元，用于将待发送的频域数据变换成时域信号；
负值置零单元，用于将时域信号中的负值置零，得到非负的时域信号；
第一符号设置单元，用于将各层子载波的时域信号都设置成所需功率档位所对应的符号。
优选的，所述解码解调模块包括解调模块、第二编码调制模块和减法器，所述解调模块包括：
FFT单元，用于接收端收到的信号经FFT变换得到频域数据；
第二符号设置单元，用于将每层子载波上的数据根据功率档位对应的该层符号进行设置；
解码单元，用于将第二符号设置单元得到的数据符号依据调制格式解码成对应的bit；
所述第二编码调制模块用于该层数据依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将该层子载波的时域输出变成功率档位所对应的符号；
所述减法器用于从接收信号中减去第二编码调制模块编码后的该层数据。
优选的，所述发送端中，第m层的子载波序号为2m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，1≤m≤P，m层与m+1层的子载波数量比例为2:1。
上述技术方案具有如下有益效果：
在基于LACO-OFDM的可见光通信系统中，通过设置LACO-OFDM各层子载波对应的时域信号的正负，控制总输出信号的幅度，从而调整输出可见光的强度，基于LACO-OFDM系统自身的子载波分组特性，对应不同的正负号组合设置不同的输出幅度，同时满足了通信和照明调光的需求。
附图说明
图1为可见光亮度控制方法实施例流程图；
图2为可见光亮度控制方法实施例中子载波分配示意图；
图3为可见光亮度控制方法实施例中发送端调制编码的示意图；
图4为可见光亮度控制方法实施例中接收端解调解码的示意图；
图5为可见光亮度控制系统实施例示意图；
图6为本发明实施例中各层子载波符号取值的组合。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为一种可见光亮度控制方法的实施例，其包括如下步骤：
S1、发送端从LACO-OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取其中(2x-2x-P)个子载波并分成P层用于传输，将P层子载波对应时域信号的符号取值分成2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率。发送端还用于与接收端约定子载波分组情况和所采用的符号组合，使接收端根据P组子载波所采用的符号组合，可以通过查表确定各组子载波对应的符号，进而完成解码。
如图2所示，为子载波的分层示意图，LACO-OFDM系统共2x个子载波，按频率从低到高取其中(2x-2x-P)个子载波并分成P层，其中，x通常大于7，对应OFDM系统中多个子载波，如128、256或512等；P通常为2或者3，也可以选择大于3的数值。第m层的子载波序号为2m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，m为LACO-OFDM系统设置的解码层数，1≤m≤P。由于第m层与第m+1层的子载波数量比例为2:1，变换到时域信号时，第m层对输出幅值的影响也不同。基于此，第1层至第P层子载波的时域信号分别取正负号共有2P种组合，对应2P种不同的输出功率。图2中子载波一共有3层，第1层子载波序号为2n+1，n＝{0,1,2,3,…}；第2层子载波序号为4n+2，n＝{0,1,2,3,…}；第3层子载波序号为8n+4，n＝{0,1,2,3,…}。
在实际用户数据传输开始之前，发送端接收用户的调光设置，根据输出功率到各分层符号组合的映射，将用户设置转化成各分层的符号组合，并同步发送到发送端和接收端。
发送端通过保留信道与接收端传递约定，保留信道是独立于用户数据的管理信息通道，或者是预留给管理信息的部分带宽或时隙。
S2、发送端基于LACO-OFDM编码，对每层子载波逐层调制，根据步骤S1中输出功率的功率档位所对应的符号设置确定各层输出时域信号的正负值，将多层子载波的时域信号相加输出，输出的信号经转换后加上直流偏执电压点亮LED。其中，发送端各种不同的符号组合对应不同的平均输出电压，输出的正值电流大，输出电压大，则输出功率大，LED更亮，但是各功率档位(例如1-8档)对应的输出功率并不是线性变化的。
如图3所示，具体的，将待发送的频域数据按子载波填充后，进行希尔伯特变换，在子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭；然后进行IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅里叶逆变换)，将频域数据变换成时域信号，由于进行了希尔伯特变换，因此IFFT之后得到的时域信号全部为实数。再对IFFT之后的数据进行负值置零，将时域信号中的负值部分置为零，得到非负的时域信号。最后进行符号设置，将每层子载波的输出的时域信号变成功率档位所对应的符号。
S3、接收端接收来自LED的可见光信号，并基于LACO-OFDM解码，根据与接收端各层符号的约定，逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。其中，解码过程中可以通过查表确定各组子载波对应的符号。
如图4所示，接收端逐层进行解调解码，以第m层为例，将全部接收信号进行FFT变换得到其频域数据，抽取第m层数据，根据功率档位对应的第m层符号(正号或负号)进行设置，再将频域数据符号依据调制格式解码成对应的bit，将解码完成的数据再次按照发送端的方式重新调制到时域上，即，依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将该层子载波的时域信号变成功率档位所对应的符号。然后将上述第m层子载波的时域分量从总的接收信号中删除，这样只剩下第m+1至第P层的各层信号的集合，按照上述过程进行第m+1层的解码，所有P层重复上述过程，直至所有层数据解码完成，得出所有数据。
如图5所示，还提供一种可见光亮度控制系统，包括发送端和接收端，发送端包括符号分配模块、第一编码调制模块、数模转换模块、加法器和至少一个LED。
符号分配模块用于从LACO-OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取其中(2x-2x-P)个子载波并分成P层，将P层子载波对应时域信号的符号取值分成分为2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率。发送端中，x一般取x>7，对应OFDM系统中128/256/512多个子载波，P一般为2或3；第m层的子载波序号为2m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，1≤m≤P，m层与m+1层的子载波数量比例为2:1。
符号分配模块还用于与接收端约定子载波分组情况和所采用的符号组合，在实际用户数据传输开始之前，发送端接收用户的调光设置，根据输出功率的功率档位到各分层符号组合的映射，将用户设置转化成各分层的符号组合，并同步发送到发送端的第一编码调制模块以及发送到接收端的解码解调模块，具体的，符号分配模块通过保留信道与接收端传递约定，该保留信道为独立于用户数据的管理信息通道，也可以是预留给管理信息的部分带宽或时隙，其具体实现方式依通信系统的上下行通道的实现而定。
以一个32子载波的LACO-OFDM系统为例，取其中16个子载波(编号为2n+1,n＝{0,1,…15})构成第1层，取其中8个子载波(编号为4n+2,n＝{0,1,…7})构成第2层，取其中4个子载波(编号为8n+4,n＝{0,1,…3})构成第3层。这样所有3层子载波取符号共有8种组合，对应8种不同的电压/电流输出，也就相当于具有8个功率档位。如图6所示，为3层子载波取符号的组合示意图，符号包括正号和符号。
第一编码调制模块基于LACO-OFDM编码，对待发送数据的每层子载波逐层进行调制，将得到的时域信号设定符号后相加输出。
数模转换模块，用于将第一编码调制模块输出的数字信号变成模拟信号。
加法器，用于将数模转换模块输出的模拟信号加上直流偏置电压点亮LED，使LED最终发出携带信号的可见光。
如图4所示，接收端包括光探测器、模数转换模块和解码解调模块。
光探测器，用于探测LED发出的可见光信号，并转变为电信号。
模数转换模块，用于实现电信号从模拟信号转换到数字信号，便于后续数字信号处理。
解码解调模块，用于实现LACO-OFDM解码过程，根据所述约定逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。
具体的，为了实现图3中的过程，上述第一编码调制模块进一步包括希尔伯特变换单元、IFFT单元、负值置零单元和第一符号设置单元。
希尔伯特变换单元，用于在子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭。IFFT单元，用于将待发送的频域数据变换成时域信号。负值置零单元，用于将时域信号中的负值置零，得到非负的时域信号。第一符号设置单元，用于将各层子载波的时域信号都设置成所需功率档位所对应的符号。
为了实现图4中的过程，解码解调模块包括解调模块、第二编码调制模块和减法器，上述解调模块包括FFT单元、第二符号设置单元和解码单元。
FFT单元，用于对接收端收到的信号经FFT变换得到频域数据。
第二符号设置单元，用于将每层子载波上的数据根据功率档位对应的该层符号进行设置。
解码单元，用于将第二符号设置单元得到的数据符号依据调制格式解码成对应的bit。
上述第二编码调制模块用于该层数据依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将该层子载波的时域输出变成功率档位所对应的符号；
上述减法器用于从接收信号中减去第二编码调制模块编码后的该层数据。
通过上述模块和单元，进行下一层数据解码，直至所有层的数据都被解码。
本发明通过设置LACO-OFDM各层子载波对应的时域信号的正负，控制总输出信号的功率，从而调整可见光照明亮度，同时满足通信和照明调光的需求。
本发明不局限于上述实施方式，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之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种可见光亮度控制方法，其特征在于，包括：
S1、发送端从LACO-OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取其中(2x-2x-P)个子载波并分成P层，将P层子载波对应时域信号的符号取值分为2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率，发送端与接收端约定子载波分组情况和所采用的符号组合；
S2、发送端基于LACO-OFDM编码逐层调制每层子载波，将得到的时域信号设定符号后相加输出，输出的信号经转换后加上直流偏置电压点亮LED；
S3、接收端接收LED光信号，基于LACO-OFDM解码，根据与接收端各层符号的约定，逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。
2.如权利要求1所述的可见光亮度控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，第m层的子载波序号为2m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，1≤m≤P，m层与m+1层的子载波数量比例为2:1。
3.如权利要求1所述的可见光亮度控制方法，其特征在于，所述步骤S2中对每层子载波分别调制的过程包括：将待发送的频域数据按子载波填充，依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将每层子载波的时域信号变成功率档位所对应的符号。
4.如权利要求3所述的可见光亮度控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：将全部接收信号进行FFT变换得到其频域数据，抽取每层数据根据功率档位对应的该层符号进行设置，再将频域数据符号依据调制格式解码成对应的bit，对该层数据依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将该层子载波的时域信号按功率档位设置对应的符号，从接收信号中删除该层数据，再进行下一层数据的解码，直至所有层数据解码完成。
5.如权利要求1所述的可见光亮度控制方法，其特征在于：发送端通过保留信道与接收端传递约定，所述保留信道是独立于用户数据的管理信息通道，或者是预留给管理信息的部分带宽或时隙。
6.一种可见光亮度控制系统，包括发送端和接收端，发送端包括LED，其特征在于，所述发送端包括：
符号分配模块，用于从LACO-OFDM系统共2x个子载波中，按频率从低到高取其中(2x-2x -P)个子载波并分成P层，将P层子载波对应时域信号的符号取值分成分为2P种组合，每种组合对应一种信号输出功率，还用于与接收端约定子载波分组情况和所采用的符号组合；
第一编码调制模块，基于LACO-OFDM编码对待发送数据的每层子载波逐层进行调制，将得到的时域信号设定符号后相加输出；
数模转换模块，用于将第一编码调制模块输出的数字信号变成模拟信号；
加法器，用于将数模转换模块输出的模拟信号加上直流偏置电压点亮LED；
所述接收端包括：
光探测器，用于探测LED发出的可见光信号并变为电信号；
模数转换模块，用于实现电信号从模拟信号到数字信号的转换；
解码解调模块，用于实现LACO-OFDM解码过程，根据所述约定逐层恢复数据并设置符号，解码出各层数据。
7.如权利要求6所述的可见光亮度控制系统，其特征在于：所述符号分配模块通过保留信道传递所述约定给接收端，所述保留信道是独立于用户数据的管理信息通道，或者是预留给管理信息的部分带宽或时隙。
8.如权利要求6所述的可见光亮度控制系统，其特征在于，所述编码调制模块包括：
希尔伯特变换单元，用于在子载波对应的负频位置填充待传输数据的共轭；
IFFT单元，用于将待发送的频域数据变换成时域信号；
负值置零单元，用于将时域信号中的负值置零，得到非负的时域信号；
第一符号设置单元，用于将各层子载波的时域信号都设置成所需功率档位所对应的符号。
9.如权利要求8所述的可见光亮度控制系统，其特征在于，所述解码解调模块包括解调模块、第二编码调制模块和减法器，所述解调模块包括：
FFT单元，用于接收端收到的信号经FFT变换得到频域数据；
第二符号设置单元，用于将每层子载波上的数据根据功率档位对应的该层符号进行设置；
解码单元，用于将第二符号设置单元得到的数据符号依据调制格式解码成对应的bit；
所述第二编码调制模块用于该层数据依次进行希尔伯特变换、IFFT变换和负值置零，得到非负的时域信号，再将该层子载波的时域输出变成功率档位所对应的符号；
所述减法器用于从接收信号中减去第二编码调制模块编码后的该层数据。
10.如权利要求6所述的可见光亮度控制系统，其特征在于：所述发送端中，第m层的子载波序号为2m-1(2n+1),n＝{0,1,2,3,…}，1≤m≤P，m层与m+1层的子载波数量比例为2:1。
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