CN114745244A - 一种可见光通信中ofdm调制方式下的闪烁抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，有效缓解了现有室内VLC系统中当白光LED作为发射机时由于低频闪烁造成的用眼健康问题。该方法对发送端OFDM频域子载波进行排列，选取含有低频闪烁分量的第1和第N‑1个子载波进行置零操作后，再对子载波序列进行厄密特对称和IFFT变换，最后对时域OFDM信号进行单极性处理后加载到白光LED上送入信道进行传输。本设计与传统闪烁抑制方法不同，通过在发射端对频域的信号进行分析处理实现低频闪烁分量的去除。由于含低频闪烁分量的子载波置零后不携带数据，在信道中传输的可见光信号中不包含200Hz以下的低频分量，因此在保障通信功能和维持室内正常照明的同时有效避免了VLC系统中低频闪烁造成的人眼不适。

Description

一种可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，尤其适LED同时实现照明和通信功能的室内可见光模型中的数据传输方式。
背景技术
可见光通信（Visible Light Communication, VLC）是一种利用380nm~780nm波长范围内的可见光作为调制载波进行信息传输的光无线通信技术。发光二极管 LED是一种将电信号转换为光信号的双引线半导体光源，可作为可见光通信系统的发射器。基于白光LED的可见光通信为室内无线通信提供了一种不受频谱限制、超高速、可靠安全、易于互联的方案，当室内的通信基站与白光LED照明灯具相结合并连接到其他通信网络时，便构成了一个集照明和通信于一体的无线网络系统。可见光通信技术推动了社会的发展，改善了我们的生活，但与此同时健康风险不能忽视。目前VLC技术的研究大多追求高速率和高容量，忽略了人体健康，而人眼作为重要的感知器官如果长时间暴露在闪烁的调制光源会导致视力下降、机理受损。因此，实现人眼无害的绿色健康照明对于基于白光LED传输的室内VLC系统来说是十分有意义的。
闪烁是指光的亮度随时间波动，忽明忽暗。较低的传输速率、调光技术的引入和驱动电路设计不良都会造成闪烁的发生，闪烁短期内引发视觉不适、用眼疲劳，长期暴露在闪烁光源下会引发头痛、视力下降甚至癫痫发作，有损身心健康。强烈的闪烁还会影响人们对运动中的物体的运动状态的判断，易诱发生产事故。
现有的LED闪烁消减方案，主要从驱动电路的设计和改进编码调制方式两方面解决。一方面，LED灯源若采用恒定的直流供电，理论上可以实现无频闪恒定的照明效果。LED想要单纯地满足无频闪的要求，大致有下列三种方式：①加大输出电解电容；②增加一级DC；③采用填谷式被动功率因素校正方案。但是供电效率无法达到节能的要求，且成本昂贵。另一方面，IEEE 802.15.7可见光通信标准中指出，当最大闪烁时间周期（MaximumFlickering-Time Period, MFTP）小于5ms，对应频率大于200Hz时，闪烁对于人眼是不可察觉的，并且可以通过改进编码方式减少传输序列中0码和1码的长时间存在，使其交替出现以减少闪烁。在现有的解决方案中，PHY I和PHY II物理层可以分别利用曼彻斯特码以及4B6B、8B10B编码来缓解调可见光系统中的帧内闪烁，同时还可以在无数据传输期间插入空闲模式（补偿时间）以减少帧间闪烁。虽然游程长度限制（Run Length Limit, RRL）码可以缓解调光引起的闪烁，但当数据速率降低、比特序列分布极差时可能会出现性能瓶颈。曼彻斯特编码中每个逻辑位被编码成两个物理位，导致在低数据速率下应用受限。而4B6B和8B10B编码中，需要一个查找表来匹配输入数据和输出数据。为了实现这一点，在硬件实现中使用关联非易失性存储器是必不可少的。然而，在生产规模小、复杂度受限的物联网设备时，这是一个重大障碍。额外的编码开销会降低系统的最大可达数据传输速率，速率降低对VLC这种带宽有限的系统的影响很大，此外，也增加了接收机的解码成本和复杂度。闪烁问题在电子显示屏、灯具和视频游戏等领域得到了很好的研究，但是在目前的VLC设计中只解决了部分问题，存在一些局限性。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提出的一种可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法。该设计方法主要针对当LED作为发射机时的室内可见光通信系统中由于低频闪烁造成的潜在健康影响问题，给出了一种新颖、简单易行的方法。其从频域对传输信号进行频谱分析，有效地抑制了低频闪烁分量对人眼健康的影响，且不会影响系统的传输性能。
技术方案：本发明提出的一种可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其步骤如下：
步骤一、随机生成二进制比特序列，串并变换后再进行正交幅度调制QAM；
步骤二、步骤一获得的QAM调制信号一一对应于OFDM的频域子载波，对子载波进行排序，并使其满足厄密特对称性，对应的第1和N-1个频域子载波不分配信息，获得不含低频闪烁分量的调制信号；
步骤三、对步骤二获得的不含低频闪烁分量的调制信号进行IFFT变换，获得实的双极性OFDM时域信号；
步骤四、对步骤三获得的双极性OFDM时域信号进行并串变换，添加循环前缀。
步骤五、对步骤四获得的信号进行单极性处理，获得实的单极性OFDM时域信号；
步骤六、对步骤五获得的单极性OFDM时域信号进行数模转换后，将其加载在LED上完成电光转化，驱动LED发光。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明中提出的VLC系统中的闪烁抑制方法相比原来采用RLL编码方式实现闪烁抑制的方案是一种新颖的闪烁抑制传输方案。由于本发明结合了OFDM调制方式，利用IFFT/FFT的DSP技术将时域难以处理的问题转化到频域处理，从频域中去除了不利于人眼健康的低频闪烁分量，在满足可靠通信的同时，也保障了健康照明的需求。
（2）通信的同时能够维持正常照明，有效避免了VLC系统中低频强度闪烁造成的人眼不适。
（3）该方法具有不改动可见光通信系统发射机电路结构的优点，也不需要额外的编解码组件，便于实现和推广。
附图说明
通过阅读参照以下附图，本发明的特征、优点将会变得更明显。
图1为所述闪烁抑制方法的系统框图。
图2为实施例的子载波排序方式。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的具体实施步骤如下所示：
步骤一、随机生成二进制比特序列，串并变换后再进行正交幅度调制QAM；
步骤二、步骤一获得的QAM调制信号一一对应于OFDM的频域子载波，对子载波进行排序，并使其满足厄密特对称性，对应的第1和N-1个频域子载波不分配信息，获得不含低频闪烁分量的调制信号；
步骤三、对步骤二获得的不含低频闪烁分量的调制信号进行IFFT变换，获得实的双极性OFDM时域信号；
步骤四、对步骤三获得的双极性OFDM时域信号进行并串变换，添加循环前缀。
步骤五、对步骤四获得的信号进行单极性处理，获得实的单极性OFDM时域信号；
步骤六、对步骤五获得的单极性OFDM时域信号进行数模转换后，将其加载在LED上完成电光转化，驱动LED发光。
如图2所示，为本发明中所提到的频域子载波排列方式。N个子载波以从0到N-1的顺序递增排序，第0个子载波的频率对应直流分量，第1个子载波的频率表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，第2个子载波的频率表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。第N/2-1个子载波的频率表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，即最大采样频率的一半，而第N/2个到第N-1个子载波的频率是前半段序列的负频率。
同时，子载波排序方式满足厄密特对称性，即满足
Figure DEST_PATH_IMAGE004
的要求。经IFFT变换后是实数，保证了时域传输信号是实值，不携带相位信息。
相邻两个子载波之间间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。在相同的带宽下，子载波数N越大，频域划分的谱线越细，越能反映信号中所含的低频分量。
特别的，设置
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为200Hz，第1个和第N-1个子载波的频率正好落在令人眼不适的低频范围内，因此将其置零后再进行传输的信号是不含低频闪烁的，保障了LED通信过程中对人眼的健康安全性。

Claims (9)

1.一种可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一、随机生成二进制比特序列，串并变换后再进行正交幅度调制QAM；
步骤二、步骤一获得的QAM调制信号一一对应于OFDM的频域子载波，对子载波进行排序，并使其满足厄密特对称性，对应的第1频域子载波和N-1个频域子载波不分配信息，获得不含低频闪烁分量的调制信号；
步骤三、对步骤二获得的不含低频闪烁分量的调制信号进行IFFT变换，获得实的双极性OFDM时域信号；
步骤四、对步骤三获得的双极性OFDM时域信号进行并串变换，添加循环前缀；
步骤五、对步骤四获得的信号进行单极性处理，获得实的单极性OFDM时域信号；
步骤六、对步骤五获得的单极性OFDM时域信号进行数模转换后，LED灯采用的OFDM调制，将信号加载在LED上完成电光转化，驱动LED发光。
2.根据权利要求1所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：步骤二中所述的子载波排序是指将N个子载波以从0到N-1的顺序递增排序，记第0个子载波的频率为
Figure 756078DEST_PATH_IMAGE001
，表示直流分量，记第1个子载波对应频率为
Figure 964337DEST_PATH_IMAGE002
，记第2个子载波的频率为
Figure 372184DEST_PATH_IMAGE003
，记第N/2-1个子载波对应频率为
Figure 663488DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 982386DEST_PATH_IMAGE005
表示采样速率，第N/2-1个子载波的频率为最大采样频率的一半，第N/2个到第N-1个子载波对应的频率是前半段序列的负频率。
3.根据权利要求1所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：步骤二中所述的子载波排序方式满足厄密特对称性，即满足
Figure 774762DEST_PATH_IMAGE006
的要求，即序列的后半段是前半段的共轭镜像；
Figure 912482DEST_PATH_IMAGE007
表示第k个子载波携带的数据，N为子载波数；满足厄密对称性的信号经IFFT变换后是实数，时域传输信号是实值。
4.根据权利要求1所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：步骤二中所述的第1个频域子载波，由OFDM的子载波间隔大小控制低频闪烁分量的位置。
5.根据权利要求4中所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：子载波间隔为
Figure 515633DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 738804DEST_PATH_IMAGE009
是一个OFDM信号的周期长度，
Figure 69291DEST_PATH_IMAGE010
是OFDM符号采样时间，
Figure 61518DEST_PATH_IMAGE005
是采样频率，N是子载波个数；子载波间隔设置为200Hz。
6.根据权利要求1所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：在步骤五中所述的单极性处理指增加直流偏置和限幅两种方法。
7.根据权利要求6所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：所述增加直流偏置的方法对应于直流偏置光OFDM（DCO-OFDM），所述限幅的方法对应于非对称限幅光OFDM（ACO-OFDM）。
8.根据权利要求1所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：在步骤六中所述LED灯采用的OFDM调制，亮度变化的周期
Figure 334105DEST_PATH_IMAGE009
小于人眼感知的最大闪烁周期。
9.根据权利要求1所述的可见光通信中OFDM调制方式下的闪烁抑制方法，其特征在于：在步骤六中所述信号经自由信道传输后，信号的恢复由普通的光OFDM接收机进行解调。
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