CN113315575A - 自适应阈值解码的可视光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可视光通信领域，为解决可视光通信中图像传感器帧频变化导致的通信误码率高的问题，本发明旨在提出新的可视光通信方法。为此，本发明采取的技术方案是，自适应阈值解码的可视光通信方法，发送端进行数据的打包和混合相‑频移开关键控调制，然后通过双通道发射出去。接收端进行自适应的处理传感器接收的图像，根据阈值动态切换解码通道，补偿由于通信距离的增加和帧频变化而引起的光照变化，提高误码率性能。本发明主要应用于可视光通信场合。

Description

自适应阈值解码的可视光通信方法

技术领域

本发明涉及可视光通信领域，具体涉及自适应阈值解码的可视光通信方法。

背景技术

典型的可视光通信(VLC)系统由包含一个LED的发射机和一个光电二极管(PD)作为接收器的接收机组成。基于PD的VLC链路可以获得较高的数据速率，但其通信距离和抗干扰的鲁棒性是有限的。智能交通系统等应用可达到的通信距离是一个关键参数，而基于PD的VLC链路的最大通信距离为15米，为了实现更长的通信距离，基于图像传感器的接收机帧解码处理的方式已被证明可行。因此利用CMOS图像传感器作为VLC链路的接收器得到了广泛的关注。为了提高数据量需要使用高速图像传感器进行解调，但这增加了方案成本。针对低成本、低数码速率的应用，欠采样频移开关键控和欠采样相移开关键控调制并提出，但这往往没有考虑图像传感器的帧频变化现象导致的光照变化，极大地影响了误码率性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对可视光通信中图像传感器帧频变化导致的通信误码率高的问题，本发明旨在提出新的可视光通信方法。为此，本发明采取的技术方案是，自适应阈值解码的可视光通信方法，发送端进行数据的打包和混合相-频移开关键控调制，然后通过双通道发射出去。接收端进行自适应的处理传感器接收的图像，根据阈值动态切换解码通道，补偿由于通信距离的增加和帧频变化而引起的光照变化，提高误码率性能。

具体步骤如下：

1)发送端的数据打包

为了配合后续的自适应阈值解码算法，按照如下方式将数据打包，每50位数码组成一包，前4个0代表标头，接着两位是数码1和0，随后的44位数码是通讯负载；

2)发送端打包后数据的调制和发射

发送端通过相-频移开关键控将一包数据进行调制，然后通过发射端的两个发射装置L1和L2同时将数据发送出去，即两个通道发送相同的数据,但它们进行了不同的调制，具体的调制方式如下：以1KHZ的方波调制L1和L2通路的数据表示数码0，以125HZ的方波调制L1通路数据表示数码1，以相移90°的125HZ的方波调制L2通路的数据表示数码1，完成调制后，发送端通过已调方波信号控制L1和L2的开启和关闭将数据发送出去；

3)接收端的数据采集

接收端的摄像头帧频为50fps，使用时选择1/250的快门速度拍摄视频，接收发送端传送的数据，使每一帧图片的感光时间是4ms,即在每一帧的成像时间20ms中，同时也是一位数码的调制持续时长，镜头仅进行4ms的感光接收，即进行数码的欠采样；

4)接收端的自适应阈值解码

a)采样解码，1和0数码的识别方法

通过1/250的快门速度4ms进行数码一帧对应一位、20ms的欠采样，两通路都采用1KHZ的载波调制表示0，因此相机在帧频变化或不同的时刻采样时，接收端的两个通路在4ms内都会产生50％的强度，双通路都采用125HZ的调制波发射信息表示1，但L1相比L2有90°的相移，因此，接收端在进行数码1采样时，125HZ载波若在4ms内有开关的变化，则会导致和数码0相当的光照强度，引起误码。此时无论数码1或者0都转到另一个通路进行解码，以此来区分1和0，自适应的解码算法如下：

b)自适应阈值解码算法

根据数据的组包格式，以包为单位进行数据的解码选定一条通道进行数据处理，解码信息。首先检测数据包的标头，连续4帧光强为50％，即为标头，标头后紧跟着的两帧是数码1和数码0，可通过标头紧跟的两帧来确定数码对应的强度，数码1可能表示为比数码0更高的强度值，取决于采样窗口的当前位置，比较标头后紧跟的两帧的数码1和0的强度值，确定数码对应的电平，如果数码1的采样强度大于数码0的采样强度，且差值达到了设定阈值B，当前包的数据负载解码使用高强度值表示数码1，低强度值表示0；反之当数码1的采样强度小于数码0的采样强度，且差值达到了设定阈值-B，当前包的数据负载解码使用高强度值表示数码0，低强度值表示1；当两采样强度相当时，转向备用的发射通路进行解码，解码方法同上，定出数码相应的光强阈值。使用该算法确定的强度值仅适用于当前数据包，新的数据包需要重新确定数码对应的强度值。

本发明的特点及有益效果是：

本发明通过双通路及混合相频移键控调制发射数据，采用自适应阈值解码算法解码数据，可以有效地补偿距离和帧速变化引起的光强变化，增强有效的通信距离，改善译码的误码率性能。

附图说明：

图1系统结构。

图2数据包格式。

图3双通道中数码的调制。

图4数码0和1在不同时刻的采样。

图5自适应阈值解码。

具体实施方式

本发明属于可视光通信领域，尤其面向CMOS图像传感器作为接收器的可视光通信中因帧频变化引起的误码率性能和有限通讯距离的问题，设计了一种自适应阈值解码的可视光通信方法。

图1是进行消息传送的链路，进行通信时，发射机将数据组包，然后以混合相-频移开关键控调制的方式将数据发送出去；接收端通过图像传感器接收信号，然后进行自适应阈值解码得到数据，具体步骤如下：

1)发送端的数据打包

为了配合后续的自适应阈值解码算法，按照如下方式将数据打包。如图2所示，每50位数码组成一包，前4个0代表标头，接着两位是数码1和0，随后的44位数码是通讯负载。

2)发送端打包后数据的调制和发射

发送端通过相-频移开关键控将一包数据进行调制，然后通过发射端的两个发射装置(L1和L2)同时将数据发送出去。即两个通道发送相同的数据,但它们进行了不同的调制，具体的调制方式如图3所示：以1KHZ的方波调制L1和L2通路的数据表示数码0，以125HZ的方波调制L1通路数据表示数码1，以相移90°的125HZ的方波调制L2通路的数据表示数码1。完成调制后，发送端通过已调方波信号控制L1和L2的开启和关闭将数据发送出去。为了配合图像传感器的帧频接收，每一个数码的持续时间设为20ms。

3)接收端的数据采集

接收端的摄像头帧频为50fps，使用时选择1/250的快门速度拍摄视频，接收发送端传送的数据。1/250的慢快门速度增加了进光量，增大了传输距离，使每一帧图片的感光时间是4ms,即在每一帧的成像时间20ms中(同时也是一位数码的调制持续时长)镜头仅进行4ms的感光接收，即进行数码的欠采样。

4)接收端的自适应阈值解码

a)采样解码，1和0数码的识别方法

通过1/250的快门速度(4ms)进行数码(一帧对应一位，20ms)的欠采样，1和0的识别如图4所示。两通路都采用1KHZ的载波调制表示0，因此相机在帧频变化或不同的时刻采样时，接收端的两个通路在4ms内都会产生50％的强度。双通路都采用125HZ的调制波发射信息表示1，但L1相比L2有90°的相移，因此，接收端在进行数码1采样时，125HZ载波若在4ms内有开关的变化，则会导致和数码0相当的光照强度，引起误码。此时无论数码1或者0都转到另一个通路进行解码，以此来区分1和0，自适应的解码算法如下。

b)自适应阈值解码算法

根据数据的组包格式，以包为单位进行数据的解码，流程如图5所示。选定一条通道进行数据处理，解码信息。首先检测数据包的标头，连续4帧光强为50％，即为标头。标头后紧跟着的两帧是数码1和数码0，可通过标头紧跟的两帧来确定数码对应的强度。数码1可能表示为比数码0更高的强度值，取决于采样窗口(曝光时间)的当前位置。比较标头后紧跟的两帧的数码1和0的强度值，确定数码对应的电平，如果数码1的采样强度大于数码0的采样强度，且差值达到了设定阈值(B)，当前包的数据负载解码使用高强度值表示数码1，低强度值表示0；反之当数码1的采样强度小于数码0的采样强度，且差值达到了设定阈值(-B)，当前包的数据负载解码使用高强度值表示数码0，低强度值表示1；当两采样强度相当时，转向备用的发射通路进行解码，解码方法同上，定出数码相应的光强阈值。使用该算法确定的强度值仅适用于当前数据包，新的数据包需要重新确定数码对应的强度值。

本发明设计的采用混合相频移开关键控和自适应阈值解码算法的可视光通信方法可按如下方式实施：搭建整体链路，其整体结构如图1所示，包括发射机和接收机，发射机采用FPGA控制两个光信号发射器实现，每个发射器的光学前端由LED阵列组成，由FPGA通过驱动晶体管控制；接收机由基于CMOS图像传感器的摄像机和信号处理器实现。通过伪噪声序列发生器产生测试随机信息码，随后将数据组成特定的数据包格式，一包数据50位，前4位是标头，紧跟着的是数码1和0，后面的44位是数据负载。根据打包后的数据产生数码的键控调制方波信号，每个数码的持续时长都是20ms,利用FPGA产生调制方波驱动L1和L2同步发射光信号，完成数据的发射功能。

接收端使用50fps的CMOS图像传感器(尼康摄像头)接收光信号，拍摄视频。摄像头的快门调为1/250，该快门速度使一帧感光时间为4ms,即对一帧(20ms)进行欠采样，完成信号接收的同时又完成了信号的欠采样。图4a是对L1,L2通路中0的采样，其中(1)是L1和L2在4-8ms进行的采样，(2)是在12-16ms进行的采样，所对应的0的光强都是50％。图4b是对L1,L2通路中1的采样，(1)是L1,L2在4-8ms对1码进行的采样，强度分别是0和50％；(2)是L1和L2在8-12ms进行的采样，得到的强度分别是100％和50％。数码的光强信息保存在一帧图像中，多帧图像被送于处理器处理解码，获取光强信息，然后设定阈值参数B＝10，配合特殊组包格式运用自适应阈值算法解码数据。解码后的数据可以和原数据进行对比，计算误码率，以验证系统的性能。适当增加发射和接收端的距离，进行通信性能的测试。当该方法满足VLC的误码率要求时，提出的体系结构对于建立VLC链路是可行的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自适应阈值解码的可视光通信方法，其特征是，发送端进行数据的打包和混合相-频移开关键控调制，然后通过双通道发射出去。接收端进行自适应的处理传感器接收的图像，根据阈值动态切换解码通道，补偿由于通信距离的增加和帧频变化而引起的光照变化，提高误码率性能。

2.如权利要求1所述的自适应阈值解码的可视光通信方法，其特征是，具体步骤如下：

1)发送端的数据打包

为了配合后续的自适应阈值解码算法，按照如下方式将数据打包，每50位数码组成一包，前4个0代表标头，接着两位是数码1和0，随后的44位数码是通讯负载；

2)发送端打包后数据的调制和发射

发送端通过相-频移开关键控将一包数据进行调制，然后通过发射端的两个发射装置L1和L2同时将数据发送出去，即两个通道发送相同的数据,但它们进行了不同的调制，具体的调制方式如下：以1KHZ的方波调制L1和L2通路的数据表示数码0，以125HZ的方波调制L1通路数据表示数码1，以相移90°的125HZ的方波调制L2通路的数据表示数码1，完成调制后，发送端通过已调方波信号控制L1和L2的开启和关闭将数据发送出去；

3)接收端的数据采集

接收端的摄像头帧频为50fps，使用时选择1/250的快门速度拍摄视频，接收发送端传送的数据，使每一帧图片的感光时间是4ms,即在每一帧的成像时间20ms中，同时也是一位数码的调制持续时长，镜头仅进行4ms的感光接收，即进行数码的欠采样；

4)接收端的自适应阈值解码

a)采样解码，1和0数码的识别方法

通过1/250的快门速度4ms进行数码一帧对应一位、20ms的欠采样，两通路都采用1KHZ的载波调制表示0，因此相机在帧频变化或不同的时刻采样时，接收端的两个通路在4ms内都会产生50％的强度，双通路都采用125HZ的调制波发射信息表示1，但L1相比L2有90°的相移，因此，接收端在进行数码1采样时，125HZ载波若在4ms内有开关的变化，则会导致和数码0相当的光照强度，引起误码。此时无论数码1或者0都转到另一个通路进行解码，以此来区分1和0，自适应的解码算法如下：

b)自适应阈值解码算法

根据数据的组包格式，以包为单位进行数据的解码选定一条通道进行数据处理，解码信息。首先检测数据包的标头，连续4帧光强为50％，即为标头，标头后紧跟着的两帧是数码1和数码0，可通过标头紧跟的两帧来确定数码对应的强度，数码1可能表示为比数码0更高的强度值，取决于采样窗口的当前位置，比较标头后紧跟的两帧的数码1和0的强度值，确定数码对应的电平，如果数码1的采样强度大于数码0的采样强度，且差值达到了设定阈值B，当前包的数据负载解码使用高强度值表示数码1，低强度值表示0；反之当数码1的采样强度小于数码0的采样强度，且差值达到了设定阈值-B，当前包的数据负载解码使用高强度值表示数码0，低强度值表示1；当两采样强度相当时，转向备用的发射通路进行解码，解码方法同上，定出数码相应的光强阈值。使用该算法确定的强度值仅适用于当前数据包，新的数据包需要重新确定数码对应的强度值。

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