CN113037380B - 基于多通道pam的可见光成像通信方法及系统 - Google Patents

基于多通道pam的可见光成像通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法及系统。待发送的二进制比特数据并分成六个数据流，前三个数据流采用NRZ‑OOK调制驱动第一个RGB‑LED的红、绿、蓝灯珠；第四，五个数据流采用RZ‑OOK调制驱动第二个RGB‑LED的红、绿灯珠；第六个数据流作为灰度校准数据流，仍然采用NRZ‑OOK调制驱动第二个RGB‑LED的蓝色灯珠，两个LED的光信号经过同一个灯罩融合发射。在接收端，CMOS图像传感器接收到光信号之后，分通道逐帧提取图像，使用多阈值算法进行解码，解码后的数据依序排列组合，还原出原始的数据。避免了复杂硬件电路的同时，相比于传统的基于OOK调制的白光成像通信系统，显著提高了数据速率，具有广阔的应用前景。

Description

基于多通道PAM的可见光成像通信方法及系统
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法及系统。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communicaton, VLC) 已成为解决射频(RF)频谱资源短缺问题的一种很有前途的技术。近年来，基于发光二极管 (LED) 的VLC技术得到了广泛的应用，它利用低功耗、低成本的LED光源实现高速数据传输。与使用红外 (IR) 或紫外线 (UV) 的VLC相比，基于LED的VLC系统可以同时用于通信和照明，具有丰富的应用场景和更高的实用价值。
在基于LED的VLC系统中，现有的系统中通常采用光电二极管（PD）作为光电探测器来捕获信号。而近年来随着CMOS技术的发展，CMOS图像传感器已经被广泛地用于各种电子产品，这推动了一项特殊的可见光通信技术 —— 可见光成像通信 (Optical CameraCommunication, OCC) 的发展。OCC技术大大降低了通信系统的建设成本和布网复杂度，也极大地增加了系统的灵活性。OCC可以用作回传网络，部分支持已经到来的5G技术的需求。
然而，数据速率是限制OCC技术发展的一大障碍，不断增大的数据速率会使得接收端捕获的条纹宽度不断变窄，使得阈值难以跟踪剧烈波动的像素，造成判决误差；同时，过窄的条纹也会给同步造成困难，严重的情况下，误码率会高于所能容忍的数值。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法及系统。
本发明的技术方案如下：一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法，包括以下步骤：
步骤1：将两个RGB-LED置于同一灯罩下，在发射端，将待发送的二进制比特数据并分成六个数据流，前三个数据流采用NRZ-OOK调制驱动第一个RGB-LED的红、绿、蓝灯珠；第四、第五个数据流采用RZ-OOK调制驱动第二个RGB-LED的红、绿灯珠；第六个数据流作为灰度校准数据流，仍然采用NRZ-OOK调制驱动第二个RGB-LED的蓝色灯珠，两个RGB-LED的光信号经过同一个灯罩融合后发射；
步骤2：在接收端，CMOS传感器摄像头接收到光信号之后，分通道逐帧提取图像，选取一块合适的待解码区域，进行信号降噪和图像预处理；
步骤3：对所选取的待解码区域使用多阈值算法进行解码，解码后的数据依序排列组合，还原出原始的数据。
进一步地，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：首先将待发送的高速比特数据分割成多个一定长度的有效数据片段，接下来为每一个有效数据片段添加头部，形成数据包，再将数据包分成六路，形成六个数据流；
步骤1.2：前三个数据流按照NRZ-OOK调制构成基带信号码型，第四、第五个数据流按照RZ-OOK调制构成基带信号码型，第六个数据流按照NRZ-OOK调制构成基带信号码型，由控制器控制LED驱动电路分别驱动RGB-LED的灯珠发出光信号。
进一步地，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：对所述CMOS传感器摄像头采集到的视频进行分帧，获得每一帧的图像；
步骤2.2：接下来对所获取的每一帧图像分通道处理，得到红色、绿色、蓝色三种通道的图像，并对这三个通道的图像分别做灰度转换；
步骤2.3：以图像的中心列为中心，左右各取30列，共计61列作为待解码区域；
步骤2.4：对待解码区域做高斯滤波降噪处理，用以消除因噪声带来的像素值突变；
步骤2.5：对每一张图像的待解码区域进行直方图均衡化。
进一步地，所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：在待解码区域，对于一个码元周期所占据的像素行，计算其像素行灰度值的总和，根据不同码元符号像素和的差异即可判断出条纹所表示的不同符号；
步骤3.2：将识别的比特数据依序排列组合，查找数据包的头部，最后根据头部还原所发送的原始数据。
本发明还提供一种基于多通道PAM的可见光成像通信系统，包括发射端以及接收端，所述发射端包括：发射端计算机、电源适配器、数据线、控制器、LED驱动电路以及两个RGB-LED，两个RGB-LED位于同一灯罩内下，所述发射端计算机包括编码模块，原始比特数据在发射端计算机中通过编码模块进行分流、编码，再将编码后的数据流传送给所述控制器，控制器根据此数据控制RGB-LED的亮灭，生成相应的混合光信号；
所述接收端包括接收器以及接收端计算机，所述接收端计算机包括解码模块，所述接收端计算机通过多阈值算法对所述接收器捕获的条纹进行解码。
进一步地，所述接收器为CMOS传感器摄像头。
进一步地，所述控制器的型号为STM32。
采用上述方案，本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明将PAM技术引入RGB-LED，多通道的PAM可以显著提高OCC系统的数据速率，同时，基于像素行灰度值的总和的多阈值算法可以有效地区分不同的符号，相比于传统的基于OOK调制的OCC技术，提高了系统的鲁棒性，能够在保证较低误码率和良好通信质量的前提下，提升OCC通信的通信速率。
（2）本发明中，将两个RGB-LED置于同一灯罩下，利用两个RGB-LED光信号的重叠表示不同级别的电平，这样可以大大降低发射机电路的复杂度，为高速OCC系统的建设提供了一个易于实现的方案。
附图说明
图1为本发明基于多通道PAM的可见光成像通信系统示意图。
图2为本发明发射端编码方式的示意图。
图3为本发明接收端多阈值算法的解码示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
请参阅图1至图3，本发明提供一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法，包括以下步骤：
步骤1：将两个RGB-LED置于同一灯罩下，在发射端，将待发送的二进制比特数据并分成六个数据流，前三个数据流采用NRZ-OOK调制驱动第一个RGB-LED的红、绿、蓝灯珠；第四、第五个数据流采用RZ-OOK调制驱动第二个RGB-LED的红、绿灯珠；第六个数据流作为灰度校准数据流，仍然采用NRZ-OOK调制驱动第二个RGB-LED的蓝色灯珠，两个RGB-LED的光信号经过同一个灯罩融合后发射。具体地，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：首先将待发送的高速比特数据分割成多个一定长度的有效数据片段，接下来为每一个有效数据片段添加头部，形成数据包，再将数据包分成六路，形成六个数据流；
步骤1.2：所述六个数据流分别按照特定的调制方式（NRZ-OOK调制或RZ-OOK调制）构成基带信号码型，具体地，前三个数据流按照NRZ-OOK调制构成基带信号码型，第四、第五个数据流按照RZ-OOK调制构成基带信号码型，第六个数据流按照NRZ-OOK调制构成基带信号码型，由控制器控制LED驱动电路分别驱动RGB-LED的灯珠发出光信号。
步骤2：在接收端，CMOS传感器摄像头接收到光信号之后，分通道逐帧提取图像，选取一块合适的待解码区域，进行信号降噪和图像预处理。具体地，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：对所述CMOS传感器摄像头采集到的视频进行分帧，获得每一帧的图像；
步骤2.2：接下来对所获取的每一帧图像分通道处理，得到红色、绿色、蓝色三种通道的图像，并对这三个通道的图像分别做灰度转换；
步骤2.3：以图像的中心列为中心，左右各取30列，共计61列作为待解码区域；
步骤2.4：对待解码区域做高斯滤波降噪处理，用以消除因噪声带来的像素值突变；
步骤2.5：对每一张图像的待解码区域进行直方图均衡化。
步骤3：对所选取的待解码区域使用多阈值算法进行解码，解码后的数据依序排列组合，还原出原始的数据。具体地，所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：在待解码区域，对于一个码元周期所占据的像素行，计算其像素行灰度值的总和，根据不同码元符号像素和的差异即可判断出条纹所表示的不同符号；
步骤3.2：将识别的比特数据依序排列组合，查找数据包的头部，最后根据头部还原所发送的原始数据。
本发明还提供一种基于多通道PAM的可见光成像通信系统，包括发射端以及接收端。所述发射端包括：发射端计算机、电源适配器、数据线、控制器、LED驱动电路以及两个RGB-LED，两个RGB-LED位于同一灯罩内下。所述发射端计算机包括编码模块，原始比特数据在发射端计算机中通过编码模块进行分流、编码，再将编码后的数据流传送给所述控制器，控制器根据此数据控制RGB-LED的亮灭，生成相应的混合光信号。在本实施例中，所述控制器的型号为STM32。
所述接收端包括接收器以及接收端计算机，所述接收器为日常使用设备（包括智能手机、笔记本电脑、多媒体设备、可穿戴设备、监控设备或其他类型的终端设备）所携带的CMOS传感器摄像头，其中，所述CMOS传感器摄像头具有卷帘效应，高频高频调制的光源在卷帘效应的逐行曝光下表现为暗亮交替的条纹图像。所述接收端计算机包括解码模块，所述接收端计算机通过多阈值算法对所述接收器捕获的条纹进行解码。
综上所述，本发明提出的一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法及系统，是一种改进型的可见光成像通信技术，作为现有可见光成像通信技术的补充技术，在保证良好误码性能和简洁的硬件电路设计的同时可以极大地提高数据传输速率。本发明简单可行，可通过改造现有的灯具结合各种携带CMOS传感器摄像头的终端设备实现，可以用于室内定位、端到端通信、水下无线通信等场合，具有广阔的应用前景。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多通道PAM的可见光成像通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将两个RGB-LED置于同一灯罩下，在发射端，将待发送的二进制比特数据并分成六个数据流，前三个数据流采用NRZ-OOK调制驱动第一个RGB-LED的红、绿、蓝灯珠；第四、第五个数据流采用RZ-OOK调制驱动第二个RGB-LED的红、绿灯珠；第六个数据流作为灰度校准数据流，仍然采用NRZ-OOK调制驱动第二个RGB-LED的蓝色灯珠，两个RGB-LED的光信号经过同一个灯罩融合后发射；
步骤2：在接收端，CMOS传感器摄像头接收到光信号之后，分通道逐帧提取图像，选取一块合适的待解码区域，进行信号降噪和图像预处理；
步骤3：对所选取的待解码区域使用多阈值算法进行解码，解码后的数据依序排列组合，还原出原始的数据；
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：首先将待发送的高速比特数据分割成多个一定长度的有效数据片段，接下来为每一个有效数据片段添加头部，形成数据包，再将数据包分成六路，形成六个数据流；
步骤1.2：前三个数据流按照NRZ-OOK调制构成基带信号码型，第四、第五个数据流按照RZ-OOK调制构成基带信号码型，第六个数据流按照NRZ-OOK调制构成基带信号码型，由控制器控制LED驱动电路分别驱动RGB-LED的灯珠发出光信号；
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：对所述CMOS传感器摄像头采集到的视频进行分帧，获得每一帧的图像；
步骤2.2：接下来对所获取的每一帧图像分通道处理，得到红色、绿色、蓝色三种通道的图像，并对这三个通道的图像分别做灰度转换；
步骤2.3：以图像的中心列为中心，左右各取30列，共计61列作为待解码区域；
步骤2.4：对待解码区域做高斯滤波降噪处理，用以消除因噪声带来的像素值突变；
步骤2.5：对每一张图像的待解码区域进行直方图均衡化；
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：在待解码区域，对于一个码元周期所占据的像素行，计算其像素行灰度值的总和，根据不同码元符号像素和的差异即可判断出条纹所表示的不同符号；
步骤3.2：将识别的比特数据依序排列组合，查找数据包的头部，最后根据头部还原所发送的原始数据。
2.一种基于多通道PAM的可见光成像通信系统，其特征在于，包括发射端以及接收端，所述发射端包括：发射端计算机、电源适配器、数据线、控制器、LED驱动电路以及两个RGB-LED，两个RGB-LED位于同一灯罩内下，所述发射端计算机包括编码模块，原始比特数据在发射端计算机中通过编码模块进行分流、编码，再将编码后的数据流传送给所述控制器，控制器根据此数据控制RGB-LED的亮灭，生成相应的混合光信号；
所述接收端包括接收器以及接收端计算机，所述接收端计算机包括解码模块，所述接收端计算机通过多阈值算法对所述接收器捕获的条纹进行解码；所述可见光成像通信系统应用至权利要求1所述的可见光成像通信方法中；
所述接收器为CMOS传感器摄像头。
3.根据权利要求2所述的多通道PAM的可见光成像通信系统，其特征在于，所述控制器的型号为STM32。
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