CN110535529A - 一种基于occ系统的二维星座辅助csk传输系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端依次连接有数据编码模块、调制模块、符号转换模块、分割处理模块、插入模块、发射信号处理模块，所述信号接收端依次连接有接收信号处理模块、解调模块；所述接收信号处理模块接收光信号，采用智能手机存储接收可见LED发射器发射的信息，实现光电转换。本发明可提高信号传输频谱效率，从而降低光学通信系统成本，在低水平照明，短距离传输以及在没有均衡的情况下，仍然可以降低误码率和提高传输速率。

Description

一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统。
背景技术
进来，光学相机通信(又称为基于相机的可见光通信)引起了人们越来越多的兴趣，由于使用智能手机的嵌入式摄像机可以实现低成本的光通信，并且智能手机的数量很多。目前，有两种正在被广泛研究的光学通信系统，一种是屏幕到摄像机之间的通信系统，另一种是利用滚动快门效应的光学相机通信系统。相比较于屏幕到摄像机之间的通信系统，基于滚动快门效应的光学相机通信（RSE-based OCC）系统本质是安全的。因为RSE-based OCC系统中的信号是光调制的，而不是显示在屏幕上的，所以人眼是无法直接看到的。此外，RSE-based OCC系统使用一些LED作为发射器，并且同时提供照明和通信，RSE-based OCC在使用LED部署的室内应用中被认为是最有前景的技术，其中包括消息广播，室内定位和加密通信。但是总的来说，由于受到手机摄像头所谓速度限制以及曝光重叠效应的影响，从而严重地限制了RSE-based OCC系统的带宽。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题，降低成本，降低误码率，提出一种低水平照明下基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，具体技术方案如下：
一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端依次连接有数据编码模块、调制模块、符号转换模块、分割处理模块、插入模块、发射信号处理模块，所述信号接收端依次连接有接收信号处理模块、解调模块；
所述数据编码模块产生二进制数据序列，所述调制模块将每个二进制数据对在YCbCr/CIElab色彩空间映射成表示不同颜色的符号，所述符号转换模块将颜色符号转换成RGB值，所述分割处理模块处理视频帧以免数据丢失，所述插入模块在每帧中插入三个逗号，实现接收机的定时和频率同步，所述发射信号处理模块包括数模转换器、LED驱动器、可见LED发射器，实现驱动可见LED发射器并将前端的信号调制至可见LED发射器上；
所述接收信号处理模块接收光信号，采用智能手机存储接收可见LED发射器发射的信息，实现光电转换，所述智能手机通过拍摄视频来捕获信号，将其作为数据矩阵读取，所述解调模块将获得的RGB值转换成YCbCr/CIElab数据并解调为二进制数据。
进一步的，所述信号接收端的接收信号处理模块还连接有同步模块，所述同步模块采用重构的方法去除逗号和实现频率同步，再连接至所述解调模块。
进一步的，所述数据编码模块由FPGA及其外围电路组成，用FPGA作为信号发生器生成随机二进制数据序列。
进一步的，所述二进制数据序列中的每个数据对[0,0]、[1,0]、[1,1]、[0,1]在YCbCr/CIElab色彩空间中分别映射成表示红色、绿色、蓝色、紫色的颜色符号。
进一步的，所述红色、绿色、蓝色、紫色的颜色符号在符号转换模块中转换成RGB数据中的[1,0,0]、[0,1,0]、[0,1,1]、[1,0,1]。
进一步的，所述分割处理模块将数据分成了多个帧，每帧具有358个符号长度，并被发送两次。
进一步的，在所述每帧中插入三个逗号，从首端以96个符号的间隔开始，依次间隔96个符号插入，一个逗号由七个连续的[1,1,1]RGB数据符号组成。
进一步的，在不需要均衡的情况下，所述解调模块通过使用阈值决策或简单聚类的方法将数据进一步解映射为YCbCr/CIElab中二维星座内的二进制数据。
进一步的，所述可见LED发射器利用LED驱动器驱动发光二极管工作并将前端的信号调制至可见LED发射器，利用光漫射器减轻晕染效果并去除背景物体。
本发明采用上述方法及装置，色移键控调制（CSK）技术对数据进行调制解调，可提高信号传输频谱效率，从而降低光学通信系统成本，易于实现，也易于与现有OCC系统结合；同时，本装置基于可见光承载并传输信号，在低水平照明，短距离传输以及在没有均衡的情况下，仍然可以降低误码率和提高传输速率（当传输距离大约是0.8m时，即使在低照度以及没有后均衡的情况下，系统仍能达到低于3.8e-3的误码率和10.74kb/s的数据速率）；最后，通过测量三维RGB颜色空间中的距离，可以容易地基于颜色辨别进行CSK解调。
附图说明
图1为本发明功能模块结构传输示意图；
图2为本发明装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例的光学相机通信（OCC）系统装置包括：（1）数据编码模块，其作用在用于信号发生器，产生数字信号；（2）发射信号处理模块，其作用在于将数字信号输入LED驱动程序中，并驱动发光二极管工作；（3）光漫射器，其作用在于减轻晕染效果并去除背景物体；（4）智能手机，其作用在于存储接收信息；（5）集成的JTAG，USB等常用通信接口，其作用在于简化与其他通信设备间的链接，易于与当前系统融合及其他系统的嵌入。
本实施例使用低档的FPGA板作为信号发生器，并通过JTAG接口与个人计算机通信，通过三个数字I/O接口，将FPGA中的数字信号输入到LED驱动程序中，用来控制高亮度的RGBW-LED中的红、绿和蓝芯片的开关状态。在接收端，用一个低成本的塑料透镜（直径2.5厘米即可）聚光，普通纸巾的小片段用作光漫射器，以减轻晕染效果并从背景物体上去除效果，随后通过用智能手机拍摄视频来接收光信号，最后将智能手机收集的信号传入电脑，用于验证本发明的使用情况。
实施例2
本实施例采用的二维星座辅助CSK传输具体设计方案主要为：
（1）YCbCr/CIElab色彩空间（其中亮度值与色值分离）用于4-CSK解调；
（2）设计可以映射到YCbCr/CIElab色彩空间中类似QPSK二维星座的4-CSK信号。本实施例中，将二进制数据序列中的每个数据对[0,0]、[1,0]、[1,1]、[0,1]在YCbCr/CIElab色彩空间中分别映射成表示红色、绿色、蓝色、紫色的颜色符号，然后在符号转换模块中将红色、绿色、蓝色、紫色的颜色符号转换成RGB数据中的[1,0,0]、[0,1,0]、[0,1,1]、[1,0,1]；
（3）为了避免视频帧丢失引起的数据丢失，我们将数据分成了多个帧。本实施例中，在分割处理模块将数据分成多个帧，每帧具有358个符号长度，并被发送两次；
（4）为了实现接收机的定时和频率同步，每个帧中插入三个逗号。在插入模块中，在每个帧中插入三个逗号，从首端以96个符号的间隔开始，依次间隔96个符号插入，一个逗号由七个连续的[1,1,1]RGB数据符号组成；在信号接收端通过同步模块采用重构的方法去除逗号和实现频率同步。
实施例3
本实施例信号发射过程：首先，数据编码模块用FPGA生成随机二进制数据序列，接着，调制模块将序列中的每个数据对( [0,0]、[1,0]、[1,1]、[0,1] )在YCbCr/CIElab色彩空间中会被映射成表示红色、绿色、蓝色、紫色的符号，其后，每个颜色符号在符号转换模块中会被转换成RGB值，即红、绿、蓝、紫色符号会被转换成RGB数据中的[1,0,0]、[0,1,0]、[0,1,1]、[1,0,1]。在使用转换的RGB数据通过FPGA的三个独立I/O通道驱动RGB-LED芯片之前，要对数据进行打包，在此过程中，为了避免视频帧丢失引起的数据丢失，我们将数据分成了多个帧，每帧具有358个符号长度，并被发送两次；此外，为了实现接收机的定时和频率同步，每个帧中插入三个逗号，从首端以96个符号的间隔开始，依次间隔96个符号插入，一个逗号由七个连续的[1,1,1]RGB数据符号组成。最后将数字信号传入发射信号处理模块，实现信号的传输。
本实施例信号接收过程：首先，通过智能手机上拍摄视频来捕获可见LED发射器发射的信号，并将其作为数据矩阵读取，其后，选择矩阵中的一列做定时同步，接着使用采样重构的方法来实现去除逗号和实现频率同步，减少符号之间的干扰。最后，在不需要均衡的情况下，通过使用阈值决策或简单聚类的方法将数据进一步解映射为YCbCr/CIElab中二维星座内的二进制数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端依次连接有数据编码模块、调制模块、符号转换模块、分割处理模块、插入模块、发射信号处理模块，所述信号接收端依次连接有接收信号处理模块、解调模块；
所述数据编码模块产生二进制数据序列，所述调制模块将每个二进制数据对在YCbCr/CIElab色彩空间映射成表示不同颜色的符号，所述符号转换模块将颜色符号转换成RGB值，所述分割处理模块处理视频帧以免数据丢失，所述插入模块在每帧中插入三个逗号，实现接收机的定时和频率同步，所述发射信号处理模块包括数模转换器、LED驱动器、可见LED发射器，实现驱动可见LED发射器并将前端的信号调制至可见LED发射器上；
所述接收信号处理模块接收光信号，采用智能手机存储接收可见LED发射器发射的信息，实现光电转换，所述智能手机通过拍摄视频来捕获信号，将其作为数据矩阵读取，所述解调模块将获得的RGB值转换成YCbCr/CIElab数据并解调为二进制数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，所述信号接收端的接收信号处理模块还连接有同步模块，所述同步模块采用重构的方法去除逗号和实现频率同步，再连接至所述解调模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，所述数据编码模块由FPGA及其外围电路组成，用FPGA作为信号发生器生成随机二进制数据序列。
4.根据权利要求3所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，所述二进制数据序列中的每个数据对[0,0]、[1,0]、[1,1]、[0,1]在YCbCr/CIElab色彩空间中分别映射成表示红色、绿色、蓝色、紫色的颜色符号。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，所述红色、绿色、蓝色、紫色的颜色符号在符号转换模块中转换成RGB数据中的[1,0,0]、[0,1,0]、[0,1,1]、[1,0,1]。
6.根据权利要求1所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，所述分割处理模块将数据分成了多个帧，每帧具有358个符号长度，并被发送两次。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，在所述每帧中插入三个逗号，从首端以96个符号的间隔开始，依次间隔96个符号插入，一个逗号由七个连续的[1,1,1]RGB数据符号组成。
8.根据权利要求1所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，在不需要均衡的情况下，所述解调模块通过使用阈值决策或简单聚类的方法将数据进一步解映射为YCbCr/CIElab中二维星座内的二进制数据。
9.根据权利要求1所述的一种基于OCC系统的二维星座辅助CSK传输系统，其特征在于，所述可见LED发射器利用LED驱动器驱动发光二极管工作并将前端的信号调制至可见LED发射器，利用光漫射器减轻晕染效果并去除背景物体。
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