CN114285471B - 针对非一致性光源的可见光通信接收机及信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针对非一致性光源的可见光通信接收机及接收信号处理方法。该可见光通信接收机包括：底座、设置在所述底座上的滑轨以及设置在所述滑轨上的两个光子探测器；两个所述光子探测器之间的距离可调整；两个所述光子探测器分别连接有各自的采样模块，各自的采样模块将采集数据输入至相同的信号处理模块进行混叠信号分析和恢复。本发明可以扩大有效通信范围，降低对光源的生产要求，减少光源的更换频率，进而在降低成本的前提下尽可能保证可见光通信的全覆盖，减少信号强混叠、强衰减造成的通信中断。

Description

针对非一致性光源的可见光通信接收机及信号处理方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种针对非一致性光源的可见光通信接收机及接收信号处理方法。
背景技术
随着工业物联网技术的快速发展，数据传输的安全性、高效性需求不断提升。可见光通信具有带宽资源丰富、覆盖范围可控的特点，是工业物联网中实现数据高效、安全传输的良好手段。为提升通信资源的空间复用率，可见光通信一般按照固定间隔安装光源，通过光源发射调制信号来传输信息。各个光源的覆盖区域形成若干个通信小区，移动用户在小区内可以实时接收该区域的相关数据。
一般而言，可见光通信系统通过设计光源布局和辐射角等参数实现光小区的全覆盖。然而，由于生产工艺限制以及日常使用损耗，光源的辐射角呈现出不一致性。这将导致光源辐射在地面形成的光斑面积不同，造成小区间混叠或通信盲区。同时，辐射角的不一致性会导致通信信道难以估计，使得通常的利用系统几何结构估计信道并恢复混叠信号的方法难以实现。
发明内容
针对多小区可见光通信中光源辐射角一致性不足导致的通信干扰和盲区问题，本发明提供一种针对非一致性光源的可见光通信接收机及接收信号处理方法。
一方面，本发明实施例提供一种针对非一致性光源的可见光通信接收机，包括：底座、设置在所述底座上的滑轨以及设置在所述滑轨上的两个光子探测器；两个所述光子探测器之间的距离可调整；两个所述光子探测器分别连接有各自的采样模块，各自的采样模块将采集数据输入至相同的信号处理模块进行混叠信号分析和恢复。
另一方面，本发明实施例提供一种针对非一致性光源的可见光通信接收信号处理方法，可见光通信接收机位于两个小区交界处，将两个小区对应的信源分别记作第一信源和第二信源，所述方法包括：
步骤1：通过可见光通信接收机上的两个光子探测器接收所述第一信源和所述第二信源的光信号，将两个光子探测器的接收信号分别记作第一混叠信号和第二混叠信号；
步骤2：分别确定所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中两个信源的光信号的混叠因子
Figure BDA00034178131400000210
根据/>
Figure BDA00034178131400000211
的取值确定信号合并因子α和β，基于合并因子α和β对所述第一混叠信号和所述第二混叠信号进行信号合并得到第三混叠信号；
步骤3：计算所述第三混叠信号的平均幅度，以所述平均幅度为基准对所述第三混叠信号进行归一化，得到归一化后混叠信号；
步骤4：对所述归一化后混叠信号进行最小距离判决，得到判决结果；
步骤5：根据判决结果对所述归一化后混叠信号进行信号解调，得到功率较大的第一信号数据和功率较小的第二信号数据；
步骤6：将所述第一信号数据和所述第二信号数据分别与所述第一信源和所述第二信源的标签数据进行比对，即可识别出两个信号数据和两个信源的对应关系。
进一步地，步骤2具体包括：
步骤2.1：对于所述第一混叠信号计算其平均幅度，以所述平均幅度为基准对第一混叠信号进行归一化，得到归一化后混叠信号；
步骤2.2：假设两个信源的光信号在第一混叠信号中的成分占比分别为
Figure BDA0003417813140000021
和
Figure BDA0003417813140000022
则归一化后混叠信号y0的四个电平分别为0、/>
Figure BDA0003417813140000023
和1；
步骤2.3：对第一混叠信号进行最小距离判决，判决门限分别为
Figure BDA0003417813140000024
0.5和
Figure BDA0003417813140000025
得到信号判决结果yd；
步骤2.4：遍历所有
Figure BDA0003417813140000026
的可能取值，估计值/>
Figure BDA0003417813140000027
满足公式(1)所示条件，最终得到两个信源的光信号的混叠因子/>
Figure BDA0003417813140000028
Figure BDA0003417813140000029
步骤2.5：按照步骤2.1至步骤2.4对所述第二混叠信号进行处理。
进一步地，步骤2具体还包括：
步骤2.6：对于所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中的任一混叠信号，设定误码率满足公式(2)所示条件：
Figure BDA0003417813140000031
步骤2.7：按照公式(3)所示的优化函数得到信号合并因子α和β：
Figure BDA0003417813140000032
其中，α和β分别为第一混叠信号和第二混叠信号的合并因子；
Figure BDA0003417813140000033
和/>
Figure BDA0003417813140000034
分别为第一混叠信号、第二混叠信号和第三混叠信号的平均幅度；σ为信号合并后的等效噪声标准差，σ0表示信号合并前的噪声标准差；a1和a2分别为目标源信号在第一混叠信号和第二混叠信号中的功率占比，a表示混叠因子，Q表示Q函数。
进一步地，步骤5具体包括：
根据判决结果，将四个电平分别映射至‘00’、‘01’、‘10’和‘11’，该两位数分别对应功率较大的第一信号数据和功率较小的第二信号数据。
进一步地，步骤6中还包括：从物理层帧格式中提取得到第一信源和第二信源的标签数据。
本发明的有益效果：
1)本发明综合考虑了移动用户在非混叠区域、混叠区域、通信盲区内的接收情况，基于信号分集接收原理设计了一种双阵列可见光通信接收机，可以扩大有效通信范围，降低对光源的生产要求，减少光源的更换频率，进而在降低成本的前提下尽可能保证可见光通信的全覆盖，减少信号强混叠、强衰减造成的通信中断；
2)本发明的接收信号处理方法，在无需对其信道进行估计的情况下，能够直接对混叠信号波形进行成分分析和解调，过程更加易于实现，且对精度要求较低，能够更好的应用于工程实践；
3)本发明基于信号的成分分析结果，提出了一种最优的信号合并方案，通过优化两路信号的合并比例，能够提升小区交叠区域和弱信号区域的信号接收性能，实现两路源信号的最低理论误码率接收。
附图说明
图1为现有的可见光通信系统的通信场景示意图；
图2为本发明实施例提供的针对非一致性光源的可见光通信接收机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的针对非一致性光源的可见光通信接收信号处理方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的对归一化后混叠信号进行信号解调的流程示意图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示的可见光通信系统，等间隔排布的信源发出的辐射在地面上形成一定范围的光覆盖区域，将其称为光小区。配有可见光通信接收机的移动用户在小区间随机运动。各个信源具有相同的平均功率，且均采用开关键控调制。由于各个信源的辐射角不同，小区间出现了交叠和空隙，从而导致了通信混叠和通信盲区。基于此，如图2所示，本发明实施例提供了一种针对非一致性光源的可见光通信接收机，包括：底座、设置在所述底座上的滑轨以及设置在所述滑轨上的两个光子探测器(Photonic Detector，PD)；两个所述光子探测器之间的距离D可调整；两个所述光子探测器分别连接有各自的采样模块，各自的采样模块将采集数据输入至相同的信号处理模块进行混叠信号分析和恢复。
在非一致性光源的可见光通信系统下，采用本发明实施例提供的距离可调的两个PD阵列运用分集接收的原理扩大通信的有效覆盖范围，可以减小盲区和混叠区域，提升在信号覆盖盲区和信号混叠区域的通信性能，进而促进可见光通信的深度覆盖。
实施例2
如图3所示，当上述实施例1中的可见光通信接收机位于两个小区交界处时(为便于叙述，将两个小区对应的信源分别记作第一信源和第二信源)，本发明实施例还提供一种针对非一致性光源的可见光通信接收信号处理方法，包括以下步骤：
S101：通过可见光通信接收机上的两个光子探测器接收所述第一信源和所述第二信源的光信号，将两个光子探测器的接收信号分别记作第一混叠信号和第二混叠信号；
具体地，在两个小区交界处的信号是来自第一信源和第二信源的光信号进行混叠后的混叠信号，由于可见光通信接收机位于两个小区交界处，因此每个光子探测器所探测到的光信号均是混叠信号，为便于描述，将两个光子探测器所接收到的混叠信号分别记作第一混叠信号和第二混叠信号。
S102：分别确定所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中两个信源的光信号的混叠因子
Figure BDA0003417813140000055
根据/>
Figure BDA0003417813140000056
的取值确定信号合并因子α和β，基于合并因子α和β对所述第一混叠信号和所述第二混叠信号进行信号合并得到第三混叠信号；
作为一种可实施方式，分别确定所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中两个信源的光信号的混叠因子
Figure BDA0003417813140000057
具体包括以下子步骤：
S1021：对于所述第一混叠信号计算其平均幅度，以所述平均幅度为基准对第一混叠信号进行归一化，得到归一化后混叠信号；
具体地，计算第一混叠信号的平均幅度
Figure BDA0003417813140000058
以平均幅度/>
Figure BDA0003417813140000059
为基准，对第一混叠信号进行归一化，即对第一混叠信号除以/>
Figure BDA00034178131400000510
得到归一化后混叠信号y0。
S1022：假设两个信源的光信号在第一混叠信号中的成分占比分别为
Figure BDA0003417813140000051
和/>
Figure BDA0003417813140000052
则归一化后混叠信号y0的四个电平分别为0、/>
Figure BDA0003417813140000053
和1；
S1023：对第一混叠信号进行最小距离判决，判决门限分别为
Figure BDA0003417813140000054
0.5和/>
Figure BDA0003417813140000061
得到信号判决结果yd；
S1024：遍历所有
Figure BDA0003417813140000062
的可能取值，估计值/>
Figure BDA0003417813140000063
满足公式(1)所示条件，最终得到两个信源的光信号的混叠因子/>
Figure BDA0003417813140000064
Figure BDA0003417813140000065
S1025：按照步骤S1021至步骤S1024对所述第二混叠信号进行处理。
作为一种可实施方式，根据
Figure BDA0003417813140000066
的取值确定信号合并因子α和β，基于合并因子α和β对所述第一混叠信号和所述第二混叠信号进行信号合并得到第三混叠信号，具体包括以下步骤：
S1026：对于所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中的任一混叠信号，设定误码率满足公式(2)所示条件：
Figure BDA0003417813140000067
具体地，当0≤a≤0.5时，Pe(α,β)代表目标信号在混叠信号中功率占比较小时的理论误码率；当0.5<a≤1时，Pe(α,β)代表目标信号在混叠信号中功率占比较大时的理论误码率。
S1027：按照公式(3)所示的优化函数得到信号合并因子α和β：
Figure BDA0003417813140000068
其中，α和β分别为第一混叠信号和第二混叠信号的合并因子；
Figure BDA0003417813140000069
和/>
Figure BDA00034178131400000610
分别为第一混叠信号、第二混叠信号和第三混叠信号的平均幅度；σ为信号合并后的等效噪声标准差，σ0表示信号合并前的噪声标准差；a1和a2分别为目标源信号在第一混叠信号和第二混叠信号中的功率占比，a表示混叠因子，Q表示Q函数。
S103：计算所述第三混叠信号的平均幅度，以所述平均幅度为基准对所述第三混叠信号进行归一化，得到归一化后混叠信号；
具体地，计算得到第一混叠信号和第二混叠信号的合并因子α和β之后，即可计算得到第三混叠信号的平均幅度
Figure BDA0003417813140000071
以平均幅度/>
Figure BDA0003417813140000072
为基准，对第三混叠信号进行归一化，即对第三混叠信号除以/>
Figure BDA0003417813140000073
得到归一化后混叠信号y0。
S104：对所述归一化后混叠信号进行最小距离判决，得到判决结果；
S105：根据判决结果对所述归一化后混叠信号进行信号解调，得到功率较大的第一信号数据和功率较小的第二信号数据；
具体地，如图2所示，根据判决结果，将四个电平分别映射至‘00’、‘01’、‘10’和‘11’，该两位数分别对应功率较大的第一信号数据和功率较小的第二信号数据。
S106：将所述第一信号数据和所述第二信号数据分别与所述第一信源和所述第二信源的标签数据进行比对，即可识别出两个信号数据和两个信源的对应关系。
具体地，在物理层帧格式中，每一帧的开头部分会发送一段信源标签数据，因此可先从物理层帧格式中提取得到第一信源和第二信源的标签数据；将所述第一信号数据和所述第二信号数据分别与所述第一信源和所述第二信源的标签数据进行比对，即可识别出两个信号数据和两个信源的对应关系。
本发明实施例中，主要通过信号合并、成分分析、信号解调、信源识别等步骤，能够在无信道信息的条件下实现混叠信号的分离和解调，解决了当接收机位于两个小区交界处时所面临的信号混叠问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.针对非一致性光源的可见光通信接收机的信号处理方法，其特征在于，可见光通信接收机位于两个小区交界处，将两个小区对应的信源分别记作第一信源和第二信源，所述可见光通信接收机包括：底座、设置在所述底座上的滑轨以及设置在所述滑轨上的两个光子探测器；两个所述光子探测器之间的距离可调整；两个所述光子探测器分别连接有各自的采样模块，各自的采样模块将采集数据输入至相同的信号处理模块进行混叠信号分析和恢复；所述方法包括：
步骤1：通过可见光通信接收机上的两个光子探测器接收所述第一信源和所述第二信源的光信号，将两个光子探测器的接收信号分别记作第一混叠信号和第二混叠信号；
步骤2：分别确定所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中两个信源的光信号的混叠因子a，根据a的取值确定信号合并因子α和β，基于合并因子α和β对所述第一混叠信号和所述第二混叠信号进行信号合并得到第三混叠信号；
步骤3：计算所述第三混叠信号的平均幅度，以所述平均幅度为基准对所述第三混叠信号进行归一化，得到归一化后混叠信号；
步骤4：对所述归一化后混叠信号进行最小距离判决，得到判决结果；
步骤5：根据判决结果对所述归一化后混叠信号进行信号解调，得到功率较大的第一信号数据和功率较小的第二信号数据；
步骤6：将所述第一信号数据和所述第二信号数据分别与所述第一信源和所述第二信源的标签数据进行比对，即可识别出两个信号数据和两个信源的对应关系。
2.根据权利要求1所述的针对非一致性光源的可见光通信接收机的信号处理方法，其特征在于，步骤2具体包括：
步骤2.1：对于所述第一混叠信号计算其平均幅度，以所述平均幅度为基准对第一混叠信号进行归一化，得到归一化后混叠信号；
步骤2.2：假设两个信源的光信号在第一混叠信号中的成分占比分别为
Figure FDA0004178616410000011
和/>
Figure FDA0004178616410000012
则归一化后混叠信号y0的四个电平分别为0、/>
Figure FDA0004178616410000013
和1；
步骤2.3：对第一混叠信号进行最小距离判决，判决门限分别为
Figure FDA0004178616410000014
0.5和/>
Figure FDA0004178616410000015
得到信号判决结果yd；
步骤2.4：遍历所有
Figure FDA0004178616410000021
的可能取值，a满足公式(1)所示条件，最终得到两个信源的光信号的混叠因子a：
Figure FDA0004178616410000022
步骤2.5：按照步骤2.1至步骤2.4对所述第二混叠信号进行处理。
3.根据权利要求1所述的针对非一致性光源的可见光通信接收机的信号处理方法，其特征在于，步骤2具体还包括：
步骤2.6：对于所述第一混叠信号和所述第二混叠信号中的任一混叠信号，设定误码率满足公式(2)所示条件：
Figure FDA0004178616410000023
步骤2.7：按照公式(3)所示的优化函数得到信号合并因子α和β：
Figure FDA0004178616410000024
其中，α和β分别为第一混叠信号和第二混叠信号的合并因子；
Figure FDA0004178616410000025
和/>
Figure FDA0004178616410000026
分别为第一混叠信号、第二混叠信号和第三混叠信号的平均幅度；σ为信号合并后的等效噪声标准差，σ0表示信号合并前的噪声标准差；a1和a2分别为目标源信号在第一混叠信号和第二混叠信号中的功率占比，a表示混叠因子，Q表示Q函数。
4.根据权利要求3所述的针对非一致性光源的可见光通信接收机的信号处理方法，其特征在于，步骤5具体包括：
根据判决结果，将四个电平分别映射至‘00’、‘01’、‘10’和‘11’4种两位数，该两位数分别对应功率较大的第一信号数据和功率较小的第二信号数据。
5.根据权利要求1所述的针对非一致性光源的可见光通信接收机的信号处理方法，其特征在于，步骤6中还包括：从物理层帧格式中提取得到第一信源和第二信源的标签数据。
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