CN113691312B - 一种多路光源光谱的设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路光源光谱的设计方法及系统，其中方法包括：获取色移键控星座点的数量、照明约束条件、第一目标函数以及迭代关系式；初始化若干组多路光源的光谱信息，对其中至少一组初始的多路光源的光谱信息执行以下步骤：获取上一个多路光源的光谱信息，结合上一个多路光源的光谱信息和迭代关系式获得下一个多路光源的光谱信息；根据下一个多路光源的光谱信息获取本组优化的多路光源的光谱信息，根据本组优化的多路光源的光谱信息获取最终的多路光源的光谱信息。本发明提供一种多路光源光谱设计方法，在给定照明和辐射功率约束下，获得优化的色移键控通信系统性能所需的多路光源，从而提高通信质量。本发明可广泛应用于通信技术领域。

Description

一种多路光源光谱的设计方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多路光源光谱的设计方法及系统。

背景技术

近年来可见光通信技术受到了广泛关注。可见光通信采用照明用的发光二极管作为通信的光源，旨在实现通信照明的一体化。目前可见光通信的物理层标准中基于单路白光的可见光通信通过数据包协议来避免光源在通信过程中的潜在闪烁以提高照明性能。相比于单路光源可见光通信，多色光源可见光通信不仅能提高通信系统的传输容量，还具有一定的调节照明参数的能力，例如在稳定照明亮度的同时调控光源的整体色度，因此显示出巨大的应用潜力。

在多色可见光通信中，通常采用色移键控调制技术来保证光源的照明兼容性，即稳定的亮度和色度。具体而言，各路光源分别发送不同色度的信号，各路信号在同一时刻的发送符号也不同，但是各路光源混光后的信号在任何时刻或者经时间平均后仍可以保持稳定的视亮度和色度。目前色移键控技术已经被纳入可见光通信的相关标准中。该标准中给出了一组推荐使用的三色通信光源，通过求解色移键控星座图的布局问题得到该光源在满足照明要求下的最优的星座布局，从而提高通信的传输质量。另一方面，目前市面上存在多种不同中心波长及半波宽的发光二极管器件，均可作为多色可见光通信的光源。但是当前的色移键控调制技术通常是基于特定的发光二极管，在光源的光通量、色度等照明要求下，获得最优的色移键控星座图以提高通信性能。此设计方法并没有考虑多路光源的光谱分布对通信性能的影响，即不同的多路光源光谱得到的最优的色移键控星座图以及相应的通信性能是不同的。在实际应用中，我们通常只需要在给定照明和功率约束下实现优化的通信传输性能，而并不限制光源的选取。此外，目前的发光器件已能够通过半导体技术实现一定范围内的光谱调控，市面上常见的发光二极管厂商能够提供整个可见光范围内的产品，并能根据客户对光源光谱形状的需求定制所需的发光二极管。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种多路光源光谱的设计方法及系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种多路光源光谱的设计方法，包括以下步骤：

获取色移键控星座点的数量、照明约束条件、第一目标函数以及迭代关系式；

其中，所述第一目标函数是以发射端的色移键控星座点的位置为其中一种自变量的函数；所述第一目标函数的定义域，在所述照明约束条件下，是以多路光源的光谱信息为其中一种自变量的函数；

初始化若干组多路光源的光谱信息，对其中至少一组初始的多路光源的光谱信息执行以下步骤：

获取上一个多路光源的光谱信息，结合所述上一个多路光源的光谱信息和迭代关系式获得下一个多路光源的光谱信息；

根据下一个多路光源的光谱信息获取本组优化的多路光源的光谱信息，根据本组优化的多路光源的光谱信息获取最终的多路光源的光谱信息；

其中，所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，相比根据上一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，更趋近于以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息，相比上一个多路光源的光谱信息，更趋近于使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息；或者

所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第一阈值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第二阈值；

其中，所述第二目标函数的值是第一目标函数在给定多路光源的光谱信息并满足照明约束条件下，以发射端色移键控星座点的位置为自变量获得的趋近于极值的值。

进一步，所述获取上一个多路光源的光谱信息，包括：

根据初始的光谱信息获取上一个多路光源的光谱信息；或者

当检测到未满足预设的终止迭代条件，将下一个多路光源的光谱信息更新为上一个多路光源的光谱信息。

进一步，所述多路光源的光谱信息包括每路光源的峰值波长和半波宽度。

进一步，所述多路光源的光谱信息设有限制范围，各组初始化的多路光源的光谱信息满足所述限制范围，所述获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中也结合了所述限制范围。

进一步，所述照明约束条件包括对视亮度、色度、多路光源的平均功率的任一种或几种的约束。

进一步，所述照明约束条件包括多路光源混光后的信号，在所有色移键控星座点的发射概率平均下，保持恒定的视亮度、色度或平均功率，或者在所有色移键控星座点下均保持恒定的视亮度、色度或平均功率的其中一种或多种。

进一步，所述第一目标函数用于表征接收端的误码率、互信息量、广义互信息量、归一化广义互信息量、接收端色移键控星座点之间的最小距离的任一种或几种的组合。

进一步，根据多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，包括：

根据多路光源的光谱信息，通过求解二次约束二次规划问题，获取第二目标函数的值。

进一步，所述获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中包括：获取以多路光源的光谱信息为自变量的第二目标函数的梯度的步骤。

进一步，所述预设的终止迭代条件为迭代的次数达到预设数值；或者

获得的下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第三阈值；或者

根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第四阈值。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种可见光通信系统，包括发射端和接收端；

所述发射端包括多路光源，用于输出色移键控调制信号，多路光源混光后的信号满足照明约束条件；

所述接收端用于采用多路光电探测器检测各自接收的信号；

其中，多路光源的光谱通过如上所述的一种多路光源光谱的设计方法获得。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种多路光源光谱的设计装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明提供一种面向色移键控调制的多路光源光谱设计方法，在给定照明和辐射功率约束下，获得优化的色移键控通信系统性能所需的多路光源，从而提高通信质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种色移键控发射端和接收端的原理图；

图2是本发明实施例中一种面向色移键控调制的发光二极管光谱优化方法的流程图；

图3是本发明实施例中求解获得的最优光源光谱分布的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种多路光源光谱的设计方法，可应用于基于色移键控调制并兼容照明的可见光通信系统。此方法在保证照明质量的同时提升通信性能，本实施例方法通过分步优化的方法，将多路光源光谱的设计拆分成一个两步优化问题，即色移键控星座点布局优化问题和光源光谱的无约束优化问题。首先初始化多路光源光谱参数，以此光源光谱参数为起始点，在照明和辐射功率等约束下设计色移键控星座点的布局，获取在给定光源光谱下以色移键控星座点布局为自变量的优化的通信性能指标，同时获取所述优化通信性能指标在当前光源光谱参数下的梯度，从而更新光源光谱参数。本发明包括至少一次更新过程，在具体实施中，可通过重复上述的更新迭代过程，设计出以初始化光源光谱参数为起始点的局部优化的光源光谱分布。为了获得全局最优的光源光谱分布，可以选取多个光源光谱参数的起始点并进行联合设计。此方法可以在色移键控星座点布局设计基础上进一步根据照明和通信要求选取或定制合适的多路光源，从而提升传输性能。本实施例方法包括以下步骤：

S1、获取色移键控星座点的数量、照明所需的约束条件(即照明约束条件)、第一目标函数、迭代关系式以及终止迭代条件。

其中，所述第一目标函数是以发射端色移键控星座点的位置为其中一种自变量的函数，第一目标函数的定义域在所述照明约束条件下是以多路光源的光谱信息为其中一种自变量的函数。

S2、初始化若干组多路光源的光谱信息，对其中至少一组初始的多路光源的光谱信息执行以下步骤：

S201、根据初始的光谱信息或步骤S202获取上一个多路光源的光谱信息，结合所述上一个多路光源的光谱信息和迭代关系式获得下一个多路光源的光谱信息；

其中，所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值相比根据上一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值更趋近于以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息，相比上一个多路光源的光谱信息，更趋近于使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息；或者所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第一阈值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第二阈值；

其中第二目标函数的值是第一目标函数在给定多路光源的光谱信息并满足照明约束条件下以发射端色移键控星座点的位置为自变量获得的趋近于极值的值；

S202、当检测到满足终止迭代条件，根据下一个多路光源的光谱信息获得本组优化的多路光源的光谱信息，否则将下一个多路光源的光谱信息作为上一个多路光源的光谱信息反馈到S201并继续执行S201；

S203、根据获得的本组优化的多路光源的光谱信息获得最终的多路光源的光谱信息。

本实施例在保证照明质量的前提下提高通信性能。发射端采用色移键控调制，色移键控星座点的数量表征了传输的频谱效率，星座点数量越多，谱效率越高，但是为保证通信质量所需的接收信噪比也越高。第一目标函数用于表征通信性能，可以是误码率。在这种情况下，第一目标函数越小，性能越优；也可以是互信息量、广义互信息量、归一化广义互信息量、或者接收色移键控星座点之间的最小距离等其中的一种。在这种情况下，第一目标函数越大，性能越优。通信性能的优劣与传输信道以及在发射信号空间中的色移键控星座点的位置分布有关。一般而言，发射端色移键控星座点之间的距离越小，对噪声或损伤的容忍度也越低，通信性能越差；传输信道越差，接收端色移键控星座点之间的距离变得越小或者星座点上的噪声或损伤越大，通信性能也越差。因此，第一目标函数是以发射端色移键控星座点的位置为其中一种自变量的函数。此外，不同波长或谱宽的信号的信道传输特性也可能不同，因此多路光源的光谱信息也可能是第一目标函数的其中一个自变量，但是这一点在本实施例中不做具体限制。

从通信角度而言，发射端色移键控星座点可以任意设计。但是在保证照明质量和发射功率的约束下，发射端色移键控星座点的设计范围将会受到限制。也即在数学上发射端色移键控星座点的定义域会变小。在给定星座点个数、传输信道以及发射色移键控星座点定义域的前提下，系统存在一种星座点布局使得传输性能最优。但是在保证照明质量的前提下，星座点的设计范围即定义域会随着光源波长、谱宽等参数的改变而改变，因此采用不同的光源光谱会导致不同的以星座点布局为自变量的第一目标函数的极值(即第二目标函数的值)。在实际中，发光光源可以根据实际应用选择和定制，通过设计合适的光源光谱，可以进一步提高系统的传输性能。

本实施例的设计方法可以归纳为两步优化过程。首先对于给定的光源光谱信息，在满足照明要求下，设计发射端色移键控星座点的位置以达到第一目标函数的极值，即第二目标函数值。如前所述，不同的光源光谱信息会导致不同的星座点位置的定义域，因此导致不同的第二目标函数值，即第二目标函数是光源光谱信息的函数。因此，第二步是通过调节光源光谱对第二目标函数值进一步优化，以提升通信性能。在具体设计中，优化的过程可以用迭代的方式实现。每次迭代都使得第二目标函数的值更优，或者当接近收敛时，与优化的值之间的差值小于阈值。需要说明的是，在获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中，除了结合上一路光源的光谱信息和迭代关系式，也可能结合其他信息，例如其他组经过迭代后的光源光谱信息。本发明包括至少一次迭代，当进行多次迭代时，迭代关系式在每一次迭代中的表达式可以是不同的，例如迭代次数达到预设数值时的关系式与未达到预设数值时的关系式有不同的表达式，这里不做限制。

在一些可选的实施例中，多路光源的光谱信息包括每路光源的峰值波长和半波宽度的信息。

所设计的光源的光谱分布可以用高斯、超高斯、矩形、洛伦兹等频谱形状表征，用于表征光谱特性的参数包括峰值波长和半波宽度。

在一些可选的实施例中，多路光源的光谱信息有一定的限制范围，各组初始化的多路光源的光谱信息满足所述的限制范围，在S201中获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中也结合了所述的限制范围。

在对多路信号的光谱设计中增加了限制范围，例如采用3色信号时，设其中心波长为λ₁，λ₂，λ₃，可限制：λ₁<λ₂<λ₃。半波宽σ_i也可以有一定的限制范围，例如[σ_i,L,σ_i,R]，i＝1,2,3。

在一些可选的实施例中，照明所需的约束条件包括对视亮度、色度、多路光源的平均功率的任一种或几种的约束。

对照明质量做了限制，即保证光源在亮度和色度上没有潜在的闪烁。此外，多路光源还有平均功率的限制。

在一些可选的实施例中，照明所需的约束条件包括多路光源混光后的信号在所有色移键控星座点的发射概率平均下保持恒定的视亮度、色度或平均功率，或者在所有色移键控星座点下均保持恒定的视亮度、色度或平均功率的其中一种或几种。

可根据实际情况设置照明要求。当在所有色移键控星座点下都要保持恒定的视亮度和/或色度时，色移键控星座点的设计限制较大，即星座点的定义域较窄，但是照明质量更优；当采用所有色移键控星座点在发射概率平均下保持恒定的视亮度和/或色度时，色移键控星座点的设计限制较为宽松，即星座点有较大的定义域，但是照明质量会下降。也可以组合多种约束例如：多路光源混光后的信号在所有色移键控星座点下均保持恒定的视亮度，并在所有色移键控星座点的发射概率平均下保持恒定的色度和平均功率；或者在所有色移键控星座点的发射概率平均下保持恒定的视亮度、色度和平均功率。

在一些可选的实施例中，第一目标函数表征了接收端的误码率、互信息量、广义互信息量、归一化广义互信息量、接收端色移键控星座点之间的最小距离的任一种或几种的组合。

本实施例定义了若干用于表征通信性能的第一目标函数，包括接收端的误码率、互信息量、广义互信息量、归一化广义互信息量、接收色移键控星座点之间的最小距离等。

在一些可选的实施例中，根据给定的多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值是通过求解二次约束二次规划问题获得的。

照明和平均功率约束条件可以归纳为二次约束，某些目标函数下可以归纳为二次函数。在给定多路光源的光谱信息并满足照明约束条件下以发射色移键控星座点的位置为自变量获得第一目标函数的极值可以归纳为求解一个二次约束二次规划问题。算法可以是遗传算法、模拟退火算法，粒子群算法、灰狼算法、鲸鱼算法中的其中一种或者几种的组合。

在一些可选的实施例中，步骤S201中获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中包括获取以多路光源的光谱信息为自变量的第二目标函数的梯度的步骤。

第二目标函数值是在给定光源光谱信息下通过优化星座点布局获得的第一目标函数的极值。但是，不同的光源光谱信息会导致不同的星座点位置的定义域，因此导致不同的第二目标函数值，即光源光谱信息是第二目标函数的其中一个自变量。通过调节光源光谱可以提升通信性能，其中一种方法是通过获取以多路光源的光谱信息为自变量的第二目标函数的梯度更新光源光谱信息，使得第二目标函数值趋近于更优。

在一些可选的实施例中，终止迭代条件为迭代的次数达到预设数值，或获得的下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第三阈值，或根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第四阈值。

本实施例通过迭代调节光源光谱对第二目标函数值进一步优化。进一步地，定义了终止迭代的条件，包括迭代固定的次数或者迭代后的光谱参数值相比其最优值之间的差值小于某个阈值。

以下通过结合附图及具体实施例对上述方法进行详细解释说明。

如图1所示，在本实施方式中，色移键控通信系统采用三个发光二极管光源作为信号源，三个光电探测器作为光信号探测器。发光二极管在最大辐射功率P下的光谱通过高斯函数来描述：

其中，参数μ控制发光二极管光谱的中心波长，σ控制发光二极管半波宽。在本实施例中，光源光谱分布信息可以用一个长度为6的向量A＝[μ₁,μ₂,μ₃,σ₁,σ₂,σ₃]表示：其中μ₁,μ₂,μ₃分别表示三个发光二极管光谱的中心波长，σ₁,σ₂,σ₃分别表示三个发光二极管光谱的半波宽。应用中，还可以根据实际情况限制发光二极管的中心波长范围为[μ_i,L,μ_i,R],半波宽度范围为[σ_i,L,σ_i,R]，i＝1,2,3。三个发光二极管的光谱f₁(λ)、f₂(λ)、f₃(λ)可以分别通过公式(1)获得。

另一方面，任一个色移键控星座点可用一个调光向量s_i＝[s_i,1,s_i,2,s_i,3]表示，其中s_i,j,j＝1,2,3,表示此星座点对应的三个发光二极管的归一化辐射功率P_i,j/P_j,max，这里的P_j,max是第j个发光二极管的最大辐射功率。实际中，发射机在一个色移键控符号周期内发射s_i表示三个发光二极管在本周期内的辐射功率分别为s_i,j×P_j,max,j＝1,2,3。设通信采用M个星座点，发射端的星座点集合为S＝{s₁,s₂,…,s_M}。发射机在任意一个色移键控符号周期都以一定的概率从S中选取星座点，并控制三个发光二极管发射此星座点对应的功率。

从通信角度而言，我们希望星座点{s₁,s₂,…,s_M}之间的最小距离能够尽量的大，从而提高抗噪能力。然而星座点的设计同时受到照明的约束。发射任一个星座点s_i＝[s_i,1,s_i,2,s_i,3]都在其色移键控符号周期内产生一定的视亮度和色度，为了保证照明质量，实际中一般需要保持视亮度和色度的稳定性以避免闪烁。在本实例中，我们采用国际照明委员会(CIE)1931XYZ色度空间作为照明约束条件的描述标准。在CIE 1931XYZ色度空间中，光源的视亮度采用光通量来表示，光源的色度采用二维色度坐标表示。且光通量和二维色度坐标可通过CIE提供的色匹配函数X(λ),Y(λ),Z(λ)来表示。在星座点s_i对应的一个色移键控符号周期中，三个发光二极管混光后，光源的视亮度和色度可分别通过函数L(·)和C(·)来表示：

L(A,s_i)＝K_m(s_i,1Y₁+s_i,2Y₂+s_i,3Y₃) (2-1)

其中K_m是一个常数，等于683lm/W。X_j,Y_j,Z_j(j＝1,2,3)分别为三个发光二极管的XYZ光谱三刺激值。各发光二极管的光谱三刺激值仅取决于其光谱，即取决于A。第i个发光二极管的光谱三刺激值X_i,Y_i,Z_i的计算方式为：

其中

为国际照明委员会(CIE)提供的XYZ色匹配函数。

在本实施例中，我们设置三个发光二极管在光源传输信号的同时，在任意一个色移键控符号周期内都保证恒定的视亮度L_target＝600流明(lm)，也即任何一个星座点s_i都需要保证公式(2-1)是一个恒定值。在色度方面，我们不要求任意一个色移键控符号周期内都有恒定的色度，但是在统计平均下，色度是恒定的，即公式(2-2)在星座点集合S的统计平均下是一个恒定值。我们设置此恒定值为CIE 1931色度标准中相对色温为6000K的黑体所对应的色坐标[0.32，0.33](正白色)。此外，我们还设置色移键控星座点的数目M为4，三个发光二极管光源的平均辐射功率为6W，即：

上述的照明和辐射功率约束限制了星座点S＝{s₁,s₂,…,s_M}的取值范围。而如公式(2)所示，照明约束又与光谱信息A有关，因此光谱信息A影响了S的取值范围。在另一方面，不同的星座点的设计导致不同的通信性能。在本实例中，我们采用足够陡峭的光滤波器，使得3个光电探测器之间不存在信道串扰。信道响应设为：

实际中信道相应H可以通过训练序列估计或其他方式获得，此外信道H也可能与光谱信息A有关，这一点在本发明中不做具体限制。接收星座点R_i可以推导为：

R_i＝s_iH (6)

本实例采用接收星座点的最小距离d为第一目标函数。可选的，也可以根据接收星座图以及噪声干扰等特性使用误码率、互信息量等为第一目标函数。在给定光谱分布A下，我们可以通过优化星座点S的布局最大化最小距离d。但是如上所述，光谱信息A影响了S的取值范围，也即第一目标函数的定义域受A影响。不同的A会导致不同的优化的最小距离d，从而导致不同的通信性能。因此，我们需要设计发射端多路光源的光谱以在保证照明的同时提高性能。如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、获取目标光通量L_target,目标色度坐标C_target,色移键控星座点规模M,多路光源的个数N，信道矩阵H。本实例中的L_target＝600，C_target＝[0.32，0.33],M＝4,N＝3,H如公式(5)所示。

步骤二、随机初始化K组光谱信息向量A₁,A₂,…,A_K，设本组局部优化的多路光源的光谱信息A_k,output为空值,d_k,output＝0，并设k＝0。

步骤三、令k＝k+1。若k大于K，则跳转至步骤八；否则选取A_k作为本次迭代的起始点，设置B_k,0＝A_k＝[μ_k,1,μ_k,2,μ_k,3,σ_k,1,σ_k,2,σ_k,3]。

步骤四、在B_k,0的邻域内构造6个向量分别记为：B_k,1＝[μ_k,1+Δ,μ_k,2,μ_k,3,σ_k,1,σ_k,2,σ_k,3]，B_k,2＝[μ_k,1,μ_k,2+Δ,μ_k,3,σ_k,1,σ_k,2,σ_k,3]，B_k,3＝[μ_k,1,μ_k,2,μ_k,3+Δ,σ_k,1,σ_k,2,σ_k,3]，B_k,4＝[μ_k,1,μ_k,2,μ_k,3,σ_k,1+Δ,σ_k,2,σ_k,3]，B_k,5＝[μ_k,1,μ_k,2,μ_k,3,σ_k,1,σ_k,2+Δ,σ_k,3]，B_k,6＝[μ_k,1,μ_k,2,μ_k,3,σ_k,1,σ_k,2,σ_k,3+Δ],其中Δ表示一个极小数。

步骤五、对于给定的B_k,p,p＝0…6，以S＝{s₁,s₂,s₃,s₄}作为自变量，通过求解下述问题：

s.t.(1).L(B_k,p,s_i)＝600,对于任意的i＝1,2,3,4

(2).

(3).

(4).0≤s_i,j≤1,对于任意的1≤i≤4,1≤j≤3 (7-2)

获取在给定B_k,p下以发射端色移键控星座点的位置为自变量的第一目标函数的最大值d_k,p。需要说明的是，d_k,p也即是第二目标函数值，并以B_k,p,p＝0,1..6,为自变量。

步骤六、获取第二目标函数关于光谱信息自变量的雅可比矩阵J:

步骤七、检查迭代是否达到预设数值,如是，则寻找最大的d_k,p，定义为

令

返回步骤三；否则更新光谱信息自变量B_k,0←B_k,0+αJ，α是一个预设常数，然后跳转至步骤四。

步骤八、比较d_k,output，k＝1…K，选取最大的d_k,output为最终的d_output，其对应的光谱信息为最终的多路光源的光谱信息A_output。

根据本实施例的参数，可以得到最优光源光谱参数为A_output＝[419.98,524.22,591.33,8.00,14.98,11.70]，最优光源的光谱分布如图3所示。

本实施例还提供一种基于色移键控调制并兼容照明的可见光通信系统，在保证照明质量的同时提升通信性能，包括：

发射端包括多路光源，输出色移键控调制信号，多路光源混光后的信号满足照明所需的约束条件；

接收端用多路光电探测器检测各自接收的信号；

其中多路光源的光谱通过以下步骤获得：

S1获取色移键控星座点的数量、照明所需的约束条件、第一目标函数、迭代关系式以及终止迭代条件，其中所述第一目标函数是以发射端色移键控星座点的位置为其中一种自变量的函数，第一目标函数的定义域在所述照明约束条件下是以多路光源的光谱信息为其中一种自变量的函数；

S2、初始化若干组多路光源的光谱信息，对其中至少一组初始的多路光源的光谱信息执行以下步骤：

S201、根据初始的光谱信息或S202获取上一个多路光源的光谱信息，结合所述上一个多路光源的光谱信息和迭代关系式获得下一个多路光源的光谱信息；

其中所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值相比根据上一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值更趋近于以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息，相比上一个多路光源的光谱信息，更趋近于使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息；或者

所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第一阈值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第二阈值；

其中第二目标函数的值是第一目标函数在给定多路光源的光谱信息并满足照明约束条件下以发射端色移键控星座点的位置为自变量获得的趋近于极值的值；

S202、当检测到满足终止迭代条件，根据下一个多路光源的光谱信息获得本组优化的多路光源的光谱信息，否则将下一个多路光源的光谱信息作为上一个多路光源的光谱信息反馈到S201并继续执行S201；

S203、根据获得的本组优化的多路光源的光谱信息获得最终的多路光源的光谱信息。

在一些可选的实施例中，本实施例包括了采用上述光谱设计方法的多路色移键控调制可见光通信系统。

本实施例的一种基于色移键控调制并兼容照明的可见光通信系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种多路光源光谱的设计方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图2所示的方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取色移键控星座点的数量、照明约束条件、第一目标函数以及迭代关系式；

其中，所述第一目标函数是以发射端的色移键控星座点的位置为其中一种自变量的函数；所述第一目标函数的定义域，在所述照明约束条件下，是以多路光源的光谱信息为其中一种自变量的函数；

初始化若干组多路光源的光谱信息，对其中至少一组初始的多路光源的光谱信息执行以下步骤：

获取上一个多路光源的光谱信息，结合所述上一个多路光源的光谱信息和迭代关系式获得下一个多路光源的光谱信息；

根据下一个多路光源的光谱信息获取本组优化的多路光源的光谱信息，根据本组优化的多路光源的光谱信息获取最终的多路光源的光谱信息；

其中，所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，相比根据上一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，更趋近于以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值；或者所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息，相比上一个多路光源的光谱信息，更趋近于使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息；或者所述迭代关系式使得根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第一阈值；或者

所述迭代关系式使得下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第二阈值；

其中，所述第二目标函数的值是第一目标函数在给定多路光源的光谱信息并满足照明约束条件下，以发射端色移键控星座点的位置为自变量获得的趋近于极值的值；

其中，所述照明约束条件包括对多路光源混光后的信号的视亮度、光通量、色度、平均功率、峰值功率、最小瞬时功率，以及任意一路光源的峰值功率、最小瞬时功率中至少一种或多种的约束。

2.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述获取上一个多路光源的光谱信息，包括：

根据初始的光谱信息获取上一个多路光源的光谱信息；或者

当检测到未满足预设的终止迭代条件，将下一个多路光源的光谱信息更新为上一个多路光源的光谱信息。

3.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述多路光源的光谱信息包括每路光源的峰值波长和半波宽度。

4.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述多路光源的光谱信息设有限制范围，各组初始化的多路光源的光谱信息满足所述限制范围，所述获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中也结合了所述限制范围。

5.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述照明约束条件包括多路光源混光后的信号，在所有色移键控星座点的发射概率平均下，保持恒定的视亮度、色度或平均功率，或者在所有色移键控星座点下均保持恒定的视亮度、色度或平均功率的其中一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述第一目标函数用于表征接收端的误码率、互信息量、广义互信息量、归一化广义互信息量、接收端色移键控星座点之间的最小距离的任一种或几种的组合。

7.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，根据多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，包括：

根据多路光源的光谱信息，通过求解二次约束二次规划问题，获取第二目标函数的值。

8.根据权利要求1所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述获得下一个多路光源的光谱信息的步骤中包括：获取以多路光源的光谱信息为自变量的第二目标函数的梯度的步骤。

9.根据权利要求2所述的一种多路光源光谱的设计方法，其特征在于，所述预设的终止迭代条件为迭代的次数达到预设数值；或者

获得的下一个多路光源的光谱信息与使得第二目标函数达到极值的多路光源的光谱信息之间的差值小于第三阈值；或者

根据下一个多路光源的光谱信息获得的第二目标函数的值，与以多路光源的光谱信息为自变量获得的第二目标函数的极值之间的差值小于第四阈值。

10.一种可见光通信系统，其特征在于，包括发射端和接收端；

所述发射端包括多路光源，用于输出色移键控调制信号，多路光源混光后的信号满足照明约束条件；

所述接收端用于采用多路光电探测器检测各自接收的信号；

其中，多路光源的光谱通过如权利要求1-9任一项所述的一种多路光源光谱的设计方法获得。

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