CN112511227B - 基于led阵列的mimo可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统，包括发射装置、光学天线和接收装置；其中，所述发射装置包括信号输入模块以及和信号输入模块相连的多个LED；所述光学天线包括一个凸透镜和一个凹透镜，放置在接收装置前，并且凹透镜位于凸透镜和接收装置之间；所述接收装置包括多个光电探测器组成的阵列和信号处理模块。本发明提出的系统是基于MIMO技术，多个LED共同发送数据，有效提高系统的传输速率；本发明使用凸透镜与凹透镜结合，与常用的菲涅尔透镜或单透镜相比，抑制光束间干扰效果显著，更适用于高速数据传输。

Description

基于LED阵列的MIMO可见光通信系统
技术领域
本发明涉及室内可见光通信领域，尤其涉及一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统。
背景技术
可见光通信是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼无法辨明的高速明暗闪烁信号来传输信息，由此同时实现数据传输与照明功能的技术。与现有的射频(RF)通信技术相比，可见光通信有很好的保密性并且能够实现更高的数据传输速率。
为了提高信息传输速率，可见光通信往往与多输入多输出(Multiple InMultiple Out，MIMO)技术相结合。MIMO是指在发射端将要传输的信息通过多个天线进行预处理和同步传输，在接收端利用多个天线进行接收，通过空分复用提高可达速率的技术。
但由于可见光通信系统要兼顾照明功能，使用的LED发散角大，因此不同LED发射出的光线会出现光路重叠，导致信号相互干扰，严重影响信号传输质量。因此，如何抑制信号间干扰，高质量传输信息是一个亟待解决的问题。
现有的通信系统常使用不同颜色LED传输不同信号，并使用滤光片滤出所需色光。但这一方法会损耗光功率，降低传输效率。并且对于多个相同颜色光同时传输的系统，滤光片不再有效，常使用复杂的光学系统分离光线，或是信号处理方法对已经产生干扰的信号进行分离。
故亟需一种可有效抑制阵列信号间的干扰的MIMO可见光通信系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于LED的MIMO可见光通信系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统，包括发射装置、光学天线和接收装置；其中，
所述发射装置包括信号输入模块以及和信号输入模块相连的多个LED；
所述光学天线包括一个凸透镜和一个凹透镜，放置在接收装置前，并且凹透镜位于凸透镜和接收装置之间；
所述接收装置包括多个光电探测器组成的阵列和信号处理模块。
其中，所述发射装置包含NT个LED，NT为大于等于2的整数。
其中，所述多个LED中的每个LED均包括LED灯和LED驱动电源。
其中，所述信号输入模块还包括功率放大电路，所述功率放大电路用于将微弱的输入信号放大，便于后续处理。
其中，所述信号输入模块还包括预编码装置，所述预编码装置用于结合信道状态对信号进行预编码，在装置移动造成干扰的情况下，提高信道容量；所述信号处理模块需要增加对应的解码装置。
其中，所述信号处理模块包括信号放大器和解调电路。
其中，确定了所述发射装置和接收装置二者之间的相对位置后，凸透镜和凹透镜之间的焦距通过双光组焦距计算公式计算得到。
其中，所述双光组焦距计算公式为：
Figure BDA0002822937660000021
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为凸透镜的前焦距，f2为凹透镜的前焦距，f1′为凸透镜的后焦距；按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为凸透镜与凹透镜的空间间距。
其中，所述光电探测器的数量为NR，NR为大于等于NT的整数，即每个LED光发射端至少对应一个光接收端。
其中，所述MIMO可见光通信系统的通信过程包括：
待传输信号首先被传至信号输入模块，其中的调制电路对信号进行调制后，输出NT路独立信号流；
NT路独立信号流分别被加载在LED上，并以光信号的形式发出；
光线依次通过凸透镜和凹透镜，不同光源发出的光线得到了有效分离；
光电探测器感应到光信号并将其转化为电信号，送入信号处理模块；
信号进入信号处理模块后，先由信号放大器对微弱电信号进行放大，再进行解调步骤，还原出原始信息，使得用户成功接收。
基于上述技术方案可知，本发明的MIMO可见光通信系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
1.本发明提出的系统是基于MIMO技术，多个LED共同发送数据，有效提高系统的传输速率；
2.本发明使用凸透镜与凹透镜结合，与常用的菲涅尔透镜或单透镜相比，抑制光束间干扰效果显著，更适用于高速数据传输；
3.本发明提出的双透镜结构，可以使用现有的单透镜进行组合，相比于部分发明提出的光学天线设计方案，结构简单，制造方便，无需特殊工艺。
附图说明
图1是本发明的基于LED阵列的MIMO可见光通信系统框图；
图2是本发明较佳实例提供的基于LED阵列的MIMO可见光通信系统示意图；
图3是基于图2所示实例的LED阵列分布图；
图4是基于图2所示实例的光学透镜结构图；
图5是基于图2所示实例的光电探测器分布图；
图6是基于图2所示实例在光电探测器接收平面得到的光束成像图样。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的目的在于提供一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统，以解决现有技术不同光源发射信号间干扰严重的问题，提高信噪比，从而提高信号传输质量。
本发明公开了一套MIMO可见光通信系统，有效抑制阵列信号间的干扰且结构简单。使用凹凸曲面透镜的组合系统，使得不同光源发射的光线得到分离，抑制了信号间干扰。
具体的，本发明公开了一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统，包括发射装置、光学天线和接收装置；其中，
所述发射装置包括信号输入模块以及和信号输入模块相连的多个LED；
所述光学天线包括一个凸透镜和一个凹透镜，放置在接收装置前，并且凹透镜位于凸透镜和接收装置之间；
所述接收装置包括多个光电探测器组成的阵列和信号处理模块。
需要说明的是，上述接收装置前是根据光的传播方向进行定义的，具体为光入射到接收装置的一侧。
其中，所述发射装置包含NT个LED，NT为大于等于2的整数。
其中，所述多个LED中的每个LED均包括LED灯和LED驱动电源。
其中，所述信号输入模块还包括功率放大电路，所述功率放大电路用于将微弱的输入信号放大，便于后续处理。
其中，所述信号输入模块还包括预编码装置，所述预编码装置用于结合信道状态对信号进行预编码，在装置移动造成干扰的情况下，提高信道容量；所述信号处理模块需要增加对应的解码装置。
其中，所述信号处理模块包括信号放大器和解调电路。
其中，确定了所述发射装置和接收装置二者之间的相对位置后，凸透镜和凹透镜之间的焦距通过双光组焦距计算公式计算得到。
其中，所述双光组焦距计算公式为：
Figure BDA0002822937660000041
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为凸透镜的前焦距，f2为凹透镜的前焦距，f1′为凸透镜的后焦距；按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为凸透镜与凹透镜的空间间距。
其中，所述光电探测器的数量为NR，NR为大于等于NT的整数，即每个LED光发射端至少对应一个光接收端。
其中，所述MIMO可见光通信系统的通信过程包括：
待传输信号首先被传至信号输入模块，其中的调制电路对信号进行调制后，输出NT路独立信号流；
NT路独立信号流分别被加载在LED上，并以光信号的形式发出；
光线依次通过凸透镜和凹透镜，不同光源发出的光线得到了有效分离；
光电探测器感应到光信号并将其转化为电信号，送入信号处理模块；
信号进入信号处理模块后，先由信号放大器对微弱电信号进行放大，再进行解调步骤，还原出原始信息，使得用户成功接收。
本发明公开了一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统，如图1所示，由发射装置、光学天线、接收装置组成。
发射装置包括信号输入模块以及和信号输入模块相连的NT个LED。其中，LED部分包括LED灯和LED驱动电源。首先将待传输信号传至信号输入模块，调制电路对信号进行调制后，在预编码模块对信号编码，输出NT路独立信号流。之后将信号流分别加载在LED上，并以光的形式发出。
可选的，发射装置和接收装置的阵列可以为任意形状，包括但不限于圆形、矩形等。
可选的，信号输入模块中可以加入功率放大电路，目的是将微弱的输入信号放大，便于后续处理。
可选的，信号输入模块中还可以加入预编码装置，作用是结合信道状态对信号进行预编码，在装置移动造成干扰的情况下，可以提高信道容量。此时，接收端的信号处理模块需要增加对应的解码装置。
可选的，信号调制方式包括但不限于OOK等；信道编码方式包括但不限于LDPC等。
在图2所示的发明实例中，发射装置使用了16个LED，其大小和排布方式如图3所示。
光学天线部分包括一个凸透镜和一个凹透镜，其中凹透镜放置在凸透镜和接收装置之间。特别地，在确定收发装置的相对位置之后，凹凸透镜的焦距可以通过双光组焦距计算公式确定。其中，双光组焦距计算公式为：
Figure BDA0002822937660000061
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为凸透镜的前焦距，f2为凹透镜的前焦距，f1′为凸透镜的后焦距；按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为凸透镜与凹透镜的空间间距。
可选的，凸透镜形状可以为平凸、双凸等任意形状；凹透镜形状可以为平凹、双凹等任意形状。
在图2所示的发明实例中，使用了凹凸透镜均为非球面透镜，其面型表达式为z＝ar2，其中z为面型矢高，
Figure BDA0002822937660000062
表示柱坐标系下透镜的径向坐标。a为透镜系数，对于不同的透镜面型，a取不同数值。在该实例中，两个透镜的结构及前后表面系数如图4所示。
接收装置包括NR个光电探测器组成的阵列和信号处理模块。其中，信号处理模块包括信号放大器和解调电路。NR为大于等于NT的整数，也就是，每个LED光发射端至少对应一个光接收端。光电探测器的作用是接收光信号并将其转化为电信号，送入信号处理模块。之后，先由信号放大器对微弱电信号进行放大，再进行解码及解调步骤，还原出原始信息，使得用户成功接收。
在图2所示的发明实例中，接收装置使用了16个光电探测器，其大小和排布方式如图5所示。
对于图2所示的发明实例，其光电探测器接收平面所成光斑图样如图6所示。可以看出，来自16个LED的光线被明显分开，有效抑制了信号间干扰。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LED阵列的MIMO可见光通信系统，其特征在于，包括发射装置、光学天线和接收装置；其中，
所述发射装置包括信号输入模块以及和信号输入模块相连的多个LED；
所述光学天线包括一个凸透镜和一个凹透镜，放置在接收装置前，并且凹透镜位于凸透镜和接收装置之间；
其中，所述凹透镜和所述凸透镜均为非球面透镜，其面型表达式为z＝ar2，其中z为面型矢高，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示柱坐标系下透镜的径向坐标，a为透镜系数，对于不同的透镜面型，a取不同数值；所述凸透镜的前表面系数为0.036，后表面系数为0.007，所述凹透镜的前表面系数为-0.08，后表面系数为0.05；
所述接收装置包括多个光电探测器组成的阵列和信号处理模块。
2.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述发射装置包含NT个LED，NT为大于等于2的整数。
3.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述多个LED中的每个LED均包括LED灯和LED驱动电源。
4.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述信号输入模块还包括功率放大电路，所述功率放大电路用于将微弱的输入信号放大，便于后续处理。
5.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述信号输入模块还包括预编码装置，所述预编码装置用于结合信道状态对信号进行预编码，在装置移动造成干扰的情况下，提高信道容量；所述信号处理模块需要增加对应的解码装置。
6.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述信号处理模块包括信号放大器和解调电路。
7.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，确定了所述发射装置和接收装置二者之间的相对位置后，凸透镜和凹透镜之间的焦距通过双光组焦距计算公式计算得到。
8.根据权利要求7所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述双光组焦距计算公式为：
Figure FDA0003394250160000021
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为凸透镜的前焦距，f2为凹透镜的前焦距，f′1为凸透镜的后焦距；按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为凸透镜与凹透镜的空间间距。
9.根据权利要求1所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述光电探测器的数量为NR，NR为大于等于NT的整数，即每个LED光发射端至少对应一个光接收端。
10.根据权利要求1-9任一项所述的MIMO可见光通信系统，其特征在于，所述MIMO可见光通信系统的通信过程包括：
待传输信号首先被传至信号输入模块，其中的调制电路对信号进行调制后，输出NT路独立信号流；
NT路独立信号流分别被加载在LED上，并以光信号的形式发出；
光线依次通过凸透镜和凹透镜，不同光源发出的光线得到了有效分离；
光电探测器感应到光信号并将其转化为电信号，送入信号处理模块；
信号进入信号处理模块后，先由信号放大器对微弱电信号进行放大，再进行解调步骤，还原出原始信息，使得用户成功接收。
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