CN115276816A - 一种pwm信号自适应通信方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种PWM信号自适应收发方法及装置，通过在发送端插入已知的帧同步头序列，并通过在接收端测量帧同步头中码元0和码元1的脉冲宽度或占空比来实时估计并调整码元判决阈值，因此本发明能够适应接收端未知发送端码元速率和脉冲宽度的情况或占空比可变的情况，显著降低在某些通信场景下的误码率。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种PWM信号自适应通信方法及装置。
背景技术
脉冲编解码或者脉冲调制解调技术因为实现复杂度低在无线光通信领域得到了广泛的应用。而对于智能终端设备自适应码元脉冲宽度以及码元速率随机变化的脉冲编解码或脉冲调制解调技术具有重要的意义。
现有的基于脉冲编解码或调制解调的无线通信技术全部是将发送的信息经过脉冲调制后让所有码元在相同的某个固定码元速率下传输，并且发送端的码元速率作为先验信息在接收端是已知的，这样接收端利用已知的码元速率和同步技术可恢复出与发送码元同步的码元时钟，利用该同步时钟可对接收码元进行正确采样和解码或解调，从而成功恢复发送的原始信息。
例如，公开号为CN104485993A的中国专利文献公开了一种车载可见光无线数字语音通信系统，该系统的发送模块利用了脉冲宽度调制(PWM)技术；接收模块的PWM解调器的设计框图如图1所示，它主要包括四个部分，即边缘检测、同步电路、信号提取和数据测量及输出。同步电路主要是完成符号同步、时隙同步和帧同步的功能。边缘检测单元主要检测PWM信号的上跳沿和下降沿，对数据进行计数，再把计数值输出即可。该方案成功解调PWM信号的前提是接收端已知发射端的码元传输速率，这样接收端才能实现正确的时隙同步并恢复时隙同步时钟信号。该方案对于发送码率未知并且码元速率不一致的PWM信号不能正确解调。
公开号为CN105933195A的中国专利文献公开了一种采用PWM编解码技术的无极性总线通信技术，PWM序列图如图2所示。该方法通过预先定义不同脉冲宽度来对各种信息进行调制形成PWM信号，其中同步码的脉冲宽度为400us，0码的脉冲宽度为600us，1码的脉冲宽度为1000us，结束码的脉冲宽度为1200us，这些脉冲宽度作为先验信息在接收端是已知的。在接收端通过测量PWM信号的脉冲宽度搜索寻找同步码，即一帧数据的起始位置。搜索同步码以及对数据中0码和1码的判决都利用已知的先验脉冲宽度与接收脉冲宽度进行对比后恢复原始数据信息。
Wei-Hung Chen等人在文献“Wei-Hung Chen,Guang-Kaai Dehng,Jong-WoeiChen,Shen-Iuan Liu,A CMOS 400-Mb/s serial link for AS-memory systems using aPWM scheme.IEEE Journal of Solid-State Circuits,36(10):1498-1505,2001”中基于PWM编解码技术为AS-memory设计了串行收发器芯片，该PWM符号如图3所示，符号周期是固定的，而且该符号周期对于发送端和接收端都是已知的，因此在接收端利用每个PWM符号的上升沿可恢复出符号同步时钟，基于该时钟对脉冲宽度进行采样计数并与已知的脉冲宽度进行比较后恢复出发送的原始数据信息。
张亮亮和陈晨分别在他们的学位论文“张亮亮，基于PWM调制方法的多通道水下光通信系统研究.哈尔滨工业大学,2018”和“陈晨，基于STM32的可见光通信系统设计.齐齐哈尔大学，2016”中利用PWM调制解调技术设计了光通信系统，在他们的系统中PWM符号的周期固定并且对发送端和接收端是已知的，在接收端通过测量PWM符号的脉冲宽度或占空比并与已知固定的脉冲宽度阈值或占空比阈值对PWM符号进行判决解码。
现有的基于PWM调制解调技术的通信系统中发射端的所有码元的码元周期是固定的因此所有码元都以相同的固定码元速率进行传输，接收端对发送端的码元脉冲宽度、占空比以及码元速率(或码元周期)是已知的，必须利用这些已知先验信息提前确定码元的判决阈值，才能对接收信号进行正确同步和判决解码。因此，现有技术必须依赖发送端的某些先验信息才能实现正确解码或解调，对于发送端码元速率不统一并且接收端未知发送码元速率的通信场景，现有的PWM解码技术会产生大量的误码，无法正确地进行通信。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种PWM信号自适应通信方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供的一种PWM信号自适应通信方法，应用于PWM信号自适应通信装置，该装置包括发送端以及接收端，PWM信号自适应通信方法包括：
发送端用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，定义帧同步头序列；
在有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对完整数据帧进行PWM编码，通过光信号形式将PWM编码波形发送到信道中；
其中，码元波形组合为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、低电平脉冲宽度波形的位置顺序不同组成的波形中任选一种，与码元1对应的高电平脉冲宽度波形与低电平脉冲宽度波形位置顺序不同组成的波形中任选一种组合而成；
接收端，用于，
将接收的光信号换成数字信号脉冲序列；
测量数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列。
第二方面，本发明提供的一种PWM信号自适应通信装置，该装置包括发送端以及接收端，PWM信号自适应通信装置包括：
发送端用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，定义帧同步头序列；
在有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对完整数据帧进行PWM编码，通过光信号形式将PWM编码波形发送到信道中；
其中，码元波形组合为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、低电平脉冲宽度波形的位置顺序不同组成的波形中任选一种，与码元1对应的高电平脉冲宽度波形与低电平脉冲宽度波形位置顺序不同组成的波形中任选一种组合而成；
接收端，用于，
将接收的光信号换成数字信号脉冲序列；
测量数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列。
本发明提供的一种PWM信号自适应收发方法及装置，通过在发送端插入已知的帧同步头序列，并通过在接收端测量帧同步头中码元0和码元1的脉冲宽度或占空比来实时估计并调整码元判决阈值，因此能够适应接收端未知发送端码元速率以及发送端码元速率、脉冲宽度的情况或占空比可变的情况，本发明可显著降低在某些通信场景下的误码率。例如在不同品牌或不同型号的智能终端设备上利用现有脉冲编解码技术驱动光源作为信号发送端与外置光信号解码终端进行通信时会产生很高的误码率问题，而本发明可显著降低在这种通信场景中的误码率，有效地解决了利用智能终端设备的光源作为交互手段的通信难题，具有广泛的应用前景。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是现有技术中PWM解调器设计框图；
图2是现有技术中PWM序列图；
图3是现有技术中PWM符号图；
图4是本发明实施例提供的一种PWM信号自适应收发方法的过程示意图；
图5是本发明实施例提供的一个完整数据帧的组成框图；
图6是本发明实施例提供的码元0和码元1波形的四种组合方式的示意图；
图7是本发明实施例提供的第一种PWM信号发送端方案的实施原理框图；
图8是本发明实施例提供的第二种PWM信号发送端方案的实施原理框图；
图9是本发明实施例提供的帧同步头序列搜索流程图；
图10是本发明实施例提供的第一种PWM信号接收端方案的实施原理框图；
图11是本发明实施例提供的第二种PWM信号接收端方案的实施原理框图；
图12是本发明实施例提供的经图6中(a)所示的码元波形组合编码后一个完整数据帧的波形图；
图13是本发明实施例提供的图8的波形在接收端经过放大、信号调理以及数字化之后的一个完整数据帧；
图14是本发明实施例提供的经图6中(c)所示的码元波形组合编码后一个完整数据帧的波形图；
图15是本发明实施例提供的图10的波形在接收端经过放大、信号调理以及数字化之后的一个完整数据帧。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图4所示，本发明提供的一种PWM信号自适应通信方法，应用于PWM信号自适应通信装置，该装置包括发送端以及接收端，PWM信号自适应通信方法包括：
发送端用于，
获取有效数据序列；
其中，有效数据序列为原始的二进制序列。
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，定义帧同步头序列；
值得说明的是：发送端将有效的原始二进制信息序列插入帧同步头序列后组成一个完整数据帧，如图5所示。帧同步头是由m个0码元(m>0)和n个1码元(n>0)按照一定的排布规律构成，并且帧同步头的码元序列必须对接收端是已知的。同步头序列可以由m个全0码元和n个全1码元连接而成，即‘0000…1111…’,或‘1111…0000…’，或者由m个0码元与n个1码元交替分布构成，即‘010101…’或‘101010…’。帧同步头序列的作用是在接收端根据帧同步头找到一帧数据的起始位置，同时利用该帧同步头对发送的码元0和码元1的脉冲宽度或占空比进行测量，并基于测量的码元脉冲宽度或占空比实时计算判决码元0和码元1时的阈值脉冲宽度或阈值占空比，以适应不同的码元传输速率以及不同的码元脉冲宽度或占空比。
在有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对完整数据帧进行PWM编码，通过光信号形式将PWM编码波形发送到信道中；
其中，码元波形组合为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、低电平脉冲宽度波形的位置顺序不同组成的波形中任选一种，与码元1对应的高电平脉冲宽度波形与低电平脉冲宽度波形位置顺序不同组成的波形中任选一种组合而成。
参考图6，图中H0是码元0的高电平脉冲宽度，L0是低电平脉冲宽度；H1是码元1的高电平脉冲宽度，L1是低电平脉冲宽度。根据高电平脉冲和低电平脉冲在一个码元中的出现顺序不同，码元0的码元波形有两种组合，分别是‘先高电平脉冲后低电平脉冲’，记为(H0，L0)，或‘先低电平脉冲后高电平脉冲’，记为(L0，H0)。同理，码元1的波形也有两种组合，分别是‘先高电平脉冲后低电平脉冲’，记为(H1，L1)，或‘先低电平脉冲后高电平脉冲’，记为(L1，H1)。从码元0和码元1的波形中各选一种波形进行组合，共有四种波形组合。在四种不同组合中选取一种码元波形组合对整个数据帧进行PWM编码。
在发送端，将要发送的信息序列中插入由码元0和码元1组成的帧同步头序列，该序列对接收端是已知的，在接收端实时测量每个脉冲的宽度或占空比，并在接收的序列中搜索找到帧同步头序列，然后利用帧同步头序列中码元0和码元1的脉冲宽度或占空比分别计算码元0和码元1的平均脉冲宽度或平均占空比，或者直接从帧同步序列中分别选取码元0和码元1的最小脉冲宽度或占空比、最大脉冲宽度或占空比或者中间值脉冲宽度或占空比作为码元0和码元1的代表脉冲宽度或占空比，并基于计算的平均脉冲宽度或平均占空比或者选取的代表脉冲宽度或占空比计算码元0、码元1、码元组合01或码元组合10的判决阈值，基于此阈值对接收的数据信息码元进行判决后恢复出原始发送信息。
示例性的，同步头序列可以是m个全0码元和n个全1码元连接而成，即‘0000…1111…’,或‘1111…0000…’，或者由m个0码元与n个1码元交替分布构成，即‘010101…’或’101010…’。
接收端，用于，
将接收的光信号换成数字信号脉冲序列；
测量数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列。
参考图4，发送端的原始信息经过数据组帧和PWM编码后形成PWM码元序列，该码元序列通过驱动电路对光源进行调制，已调制的光信号穿过信道后被接收端的光电转换模块转换为电信号，之后经过放大、信号调理以及数字化后变为数字信号，最后通过PWM解码和数据解帧恢复出原始发送信息。
实施例二
参考图4，作为本发明一种可选的实施例，发送端包括数据组帧和PWM编码模块以及光源；
其中，数据组帧和PWM编码模块由数字信号处理器实现，光源为LD或LED。
在图7所示，在本实施例的发送端的第一种实施方案中，要发送的原始二进制信息进入数字信号处理器件(如FPGA、MCU、CPU、DSP等)进行数据组帧和PWM编码，然后将编码后的数字信号直接驱动LD或LED转换为光信号。
数据组帧和PWM编码模块用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，组成定义帧同步头序列；
在有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对完整数据帧进行PWM编码，获得PWM码元序列；
根据PWM码元序列对光源进行调制；
光源，用于将已调制的光信号通过信道传出。
值得说明的是：经过PWM编码后的数据帧波形通过驱动电路对光源进行调制，将电信号转换成光信号。
实施例三
作为本发明一种可选的实施例，在数字信号处理器与光源之间存在依次连接的数/模转换器、电信号调理放大电路和T型偏置器；
数字信号处理器用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，组成帧同步头序列；
在有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对完整数据帧进行PWM编码，获得PWM码元序列；
数/模转换器，用于将PWM码元序列从数字信号转换为模拟信号；
电信号调理放大电路，用于将模拟信号进行调理放大；
T型偏置器，用于根据调理放大后的信号驱动光源，将模拟信号转换为光信号。
在图8所示，在本实施例发送端的第二种实施方案中，要发送的原始二进制信息进入数字信号处理器件(如FPGA、MCU、CPU、DSP等)进行数据组帧和PWM编码，然后将编码后的数字信号经过数/模转换器后变为模拟信号，再通过电信号调理和放大后通过T型偏置器驱动LD(激光二极管)或LED(发光二极管)，将电信号转换为光信号。
实施例四
作为本发明一种可选的实施例，接收端包括：光电转换模块、放大和信号调理模块、数字化转换模块、以及PWM解码和数据解帧模块；
光电转换模块，用于将接收的光信号转换为电信号；
放大和信号调理模块，用于将电信号进行放大以及调理；
数字化转换模块，用于将调理后的信号转换为数字信号脉冲序列；
PWM解码和数据解帧模块用于，
测量数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的单独码元或码元组合进行判决，得到恢复的有效数据序列。
值得说明的是：发送端的光信号穿过信道后在接收端经过前端放大、信号调理以及数字化后转换为数字信号，然后测量数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比，并在该数字信号序列中搜索已知的帧同步头，搜索过程由流程图9所示描述。当找到帧同步头序列后，利用m个码元0的脉冲宽度或占空比计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比为Mt0，则有
其中T0,i表示第i个码元0的脉冲宽度或占空比。同样，利用n个码元1的脉冲宽度或占空比计算码元1的脉冲平均宽度或平均占空比为Mt1，则有
其中，T1,i表示第i个码元1的脉冲宽度或占空比。除了利用帧同步序列中码元0和码元1的平均脉冲宽度，还可以不通过计算而是直接选取帧同步序列中多个码元0和码元1的最小脉冲宽度或占空比、最大脉冲宽度或占空比或者中间值脉冲宽度或占空比作为码元0和码元1的代表脉冲宽度或占空比，其中码元0和码元1的代表脉冲宽度或占空比仍然记为Mt0和Mt1。
实施例五
作为本发明一种可选的实施例，光电转换模块与放大和信号调理模块之间连接有自动增益控制模块，数字化转换模块为数/模转换器或电压比较器；
自动增益控制模块，用于控制电信号保持稳定；
当数字化转换模块为电压比较器时，用于将调理后的信号与参考电压进行电压，以将调理后的信号转换为数字信号。
在图10所示的第一种接收端实施方案中，光信号穿过信道后被光电转换器件转换为电信号，然后经过自动增益控制电路使信号保持稳定，经过电信号放大和调理后被模数转换器转换为数字信号，最后进入数字信号处理器件(如FPGA、MCU、CPU、DSP等)进行PWM解码和数据解帧，最后恢复出原始信息。
在图11所示的第二种接收端实施方案中，光信号穿过信道后被光电转换器件转换为电信号，然后经过自动增益控制电路使信号保持稳定，该经过电信号放大和调理后与参考电压进行电压比较后转换为数字信号，最后进入数字信号处理器件(如FPGA、MCU、CPU、DSP等)进行PWM解码和数据解帧，最后恢复出原始信息。
实施例六
作为本发明一种可选的实施例，如图7所示，在数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头包括：
设定帧同步头中用于搜索的码元数目N，并设定变量j的初值为0；
设定帧同步头中相邻码元的脉冲宽度的差值阈值或占空比的差值阈值；
针对当前相邻脉冲，利用搜索窗口在数字信号脉冲序列中滑动，计算搜索窗口内当前相邻脉冲的第一宽度差值或第一占空比差值；
判断相邻脉冲的第一宽度差值或第一占空比差值是否不大于脉冲宽度的差值阈值或脉冲占空比的差值阈值；
如果不大于，则将变量j的值递增1，判断是否到达N，如果没有则将变量j的值赋为0，将下一个相邻脉冲作为当前相邻脉冲，返回执行计算当前相邻脉冲的第一宽度差值或第一占空比差值，并与差值阈值的对比过程；
如果在搜索窗口内变量j的值达到N，则确定当前搜索窗口包含帧同步头。
实施例七
作为本发明一种可选的实施例，根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列包括：
当发送端选择的码元波形为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形按照次序组成的第一码元波形，或码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形按照次序组成的第二码元波形时，则对待恢复的有效数据序列中的码元1和0进行判决，得到恢复的有效数据序列；
当发送端选择的码元波形为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形按照次序组成的第三码元波形，或码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形按照次序组成的第四码元波形时，则对待恢复的有效数据序列中的码元1、码元0、码元组合10和码元组合01进行判决，得到恢复的有效数据序列。
值得说明的是：当发送端选择的码元波形为第一码元波形或第二码元波形时，即如果发送端PWM编码时选择的码元0和码元1的波形组合为图6中的(a)或(b)，则在接收的码元中只需对码元0和码元1进行判决，根据码元0和码元1的平均脉冲宽度或占空比可以计算有效数据中码元0和码元1的判决阈值为
那么根据接收到的第i个数据码元的脉冲宽度或占空比Ti，第i个数据码元的判决关系为
ri就是恢复的二进制原始信息。Ti是第i个码元的脉冲宽度或占空比，Tth和T′th是判决阈值。
当发送端选择的码元波形为第三码元波形时，即如果发送端PWM编码时选择的码元0和码元1的波形组合为图6中的(c)或(d)，那么在接收的码元中不仅要对码元0和码元1进行判决，还要对码元组合‘10’或‘01’进行判决，判决码元1和码元组合‘10’或‘01’的阈值为
式中Mt0、Mt1都是脉冲宽度而不是占空比。当发送端PWM编码时选择的码元0和码元1的波形组合为图6中的(c)时，对接收到的第i个脉冲宽度Ti进行判决的关系式为
ri就是恢复的二进制原始信息，式中10是指二进制1和0的组合。
当发送端选择的码元波形为第四码元波形时，即当发送端的码元0和码元1的波形选择图6(d)时，对接收到的第i个脉冲宽度Ti进行判决的关系式变为
ri就是恢复的二进制原始信息，式中01是指二进制0和1的组合。
其中，ri就是恢复的有效数据序列，01是指二进制0和1的组合，10是指二进制1和0的组合，
m个码元0的脉冲宽度或占空比计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比为Mt0，n个码元1的脉冲宽度或占空比计算码元1的脉冲平均宽度或平均占空比为Mt1。
实施例八
本发明提供的一种PWM信号自适应通信装置，该装置包括发送端以及接收端，PWM信号自适应通信装置包括：
发送端用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，定义帧同步头序列；
在有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对完整数据帧进行PWM编码，通过光信号形式将PWM编码波形发送到信道中；
其中，码元波形组合为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、低电平脉冲宽度波形的位置顺序不同组成的波形中任选一种，与码元1对应的高电平脉冲宽度波形与低电平脉冲宽度波形位置顺序不同组成的波形中任选一种组合而成；
接收端，用于，
将接收的光信号换成数字信号脉冲序列；
测量数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列。
本发明提供的一种PWM信号自适应收发方法及装置，通过在发送端插入已知的帧同步头序列，并通过在接收端测量帧同步头中码元0和码元1的脉冲宽度或占空比来实时估计并调整码元判决阈值，因此能够适应接收端未知发送端码元速率以及发送端码元速率、脉冲宽度或占空比可变的情况，本发明可显著降低在某些通信场景下的误码率。例如在不同品牌或不同型号的智能终端设备上利用现有脉冲编解码技术驱动光源作为信号发送端与外置光信号解码终端进行通信时会产生很高的误码率问题，而本发明可显著降低在这种通信场景中的误码率，有效地解决了利用智能终端设备的光源作为交互手段的通信难题，具有广泛的应用前景。
下面以示例方式，说明本发明的具体实施过程。
示例一
假设要发送的二进制原始信息序列为01101000111001011，帧同步序列中码元0的个数为m＝4,码元1的个数为n＝4,并假设帧同步头中的4个码元0相邻，然后紧随其后是4个码元1，则同步帧头的二进制码元序列为00001111，一个完整的数据帧为0000111101101000111001011，选取图6(a)所示的码元波形组合，则对应的一个数据帧波形如图12所示，该数据帧波形经过驱动电路对光源进行调制，将电信号转换成光信号。
光信号穿过信道在接收端经过光电转换、放大、信号调理以及数字化后变为数字信号，如图13所示。首先测量每个脉冲的宽度Ti，依据图9的流程搜索帧同步序列‘0000’，找到‘0000’后紧挨着的就是‘1111’，假设测量到的同步帧头序列‘00001111’的各个脉冲宽度分别为T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7，则码元0的平均宽度为
码元1的平均宽度为
则对码元0和码元1的判决阈值可定义为
那么根据接收到的第i个有效数据码元的脉冲宽度Ti，第i个码元的判决关系为
ri就是恢复的二进制原始信息。
示例二
如果这一帧数据0000111101101000111001011，选取图6中(c)所示的码元波形组合，则对应的一个数据帧波形如图14所示，该数据帧波形经过驱动电路对光源进行调制，将电信号转换成光信号。
光信号穿过信道在接收端经过光电转换、放大、信号调理以及数字化后变为数字信号，如图15所示。首先测量每个脉冲的宽度Ti，依据图9的流程搜索帧同步序列‘0000’，找到‘0000’后紧挨着的就是‘1111’，假设测量到同步帧头序列‘0000111’的各个脉冲宽度分别为T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6，则码元0的平均宽度为
码元1的平均宽度为
则对码元0和码元1的判决阈值可定义为
判决‘1、0’与1的阈值为
那么根据接收到的第i个脉冲宽度Ti进行判决的关系式为
ri就是恢复的二进制原始信息，式中10是指二进制1和0。
本发明的效果可以通过以下实验做进一步的说明。
1.实验条件
实验中的发送端利用STM32F103ZET6单片机作为数字信号处理器件，单片机的外部Flash存储器中预先存储一组伪随机二进制序列，一共10000比特，在单片机中实现数据组帧和PWM编码算法，其中10000比特分100组分别组帧编码发送。之后单片机输出的数字信号直接驱动一个白光LED发光二极管。
实验中的接收端利用光电二极管(PIN型)作为光电转换器件，输出的电流信号经过运放组成的放大电路放大后进入电压比较器与预设的参考电压进行比较后转换为数字信号，然后输入到STM32F103ZET6单片机中进行PWM解码和解数据帧，最后单片机对收到的数据与本地存储的发送数据进行比对后统计误码个数，并通过串口发送给上位机。
在实验中与本发明方法进行对比的方法如下：
一种是现有的PWM脉冲编解码方法一，实验中记为PWM-M1,参考文献为“陈晨，基于STM32的可见光通信系统设计[D].齐齐哈尔：齐齐哈尔大学，2016”.
另一种是现有的PWM脉冲编解码方法二，实验中记为PWM-M2,参考文献为“鄢秋荣.一种车载可见光无线数字语音通信系统:中国，104485993A[p]，2015-04-01”。
2.实验内容
实验中发送端和接收端距离10cm，并设置两种通信场景，第一种通信场景(场景一)是接收端已知发送端的发送码元脉冲宽度或占空比以及码元速率，在发送端和接收端分别实现本发明的方法和另外两种对比方法，统计该场景下不同方法解码的误码率；第二种通信场景(场景二)是接收端未知发送端的发送码元脉冲宽度或占空比以及码元速率，在发送端和接收端分别实现本发明的方法和另外两种对比方法，统计该场景下不同方法解码的误码率。两种场景下分别传输100kb/s，500Kb/s和1Mb/s三种码元速率，码元0的占空比分别为20％，30％，40％，码元1的占空比分别为60％，70％，80％。则实验结果如表1和表2所示。
从表1和表2的对比可知，本发明由于可以在接收端通过帧同步序列测量计算码元的宽度和占空比，因此可以适应不同的码元速率并且接收端不需要知道码元的传输速率以及占空比等参数，因此在第二种场景下可实现零误码，而另外两种现有方法因为必须已知码元速率和脉冲宽度或占空比才能进行正确解码，在场景二中的误码数几乎和发送信息数相同，因此完全不适用该场景。综上，这些对比结果验证了本发明的先进性。
表1场景一中不同PWM编解码方法在不同码元速率和码元脉冲占空比下的误码数量
| 100kb/s(20％，60％) | 500kb/s(30％，70％) | 1Mb/s(40％，80％) | |
| PWM-M1 | 0 | 0 | 0 |
| PMW-M2 | 0 | 0 | 0 |
| 本发明 | 0 | 0 | 0 |
表2场景二中不同PWM编解码方法在不同码元速率和码元脉冲占空比下的误码数量
| 100kb/s(20％，60％) | 500kb/s(30％，70％) | 1Mb/s(40％，80％) | |
| PWM-M1 | 9691 | 9746 | 9859 |
| PMW-M2 | 9714 | 9780 | 9868 |
| 本发明 | 0 | 0 | 0 |
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种PWM信号自适应通信方法，应用于PWM信号自适应通信装置，该装置包括发送端以及接收端，其特征在于，所述PWM信号自适应通信方法包括：
所述发送端用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，定义帧同步头序列；
在所述有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定所述有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对所述完整数据帧进行PWM编码，通过光信号形式将PWM编码波形发送到信道中；
其中，所述码元波形组合为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、低电平脉冲宽度波形的位置顺序不同组成的波形中任选一种，与码元1对应的高电平脉冲宽度波形与低电平脉冲宽度波形位置顺序不同组成的波形中任选一种组合而成；
所述接收端，用于，
将接收的光信号换成数字信号脉冲序列；
测量所述数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在所述数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列。
2.根据权利要求1所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，所述发送端包括数据组帧和PWM编码模块以及光源；
所述数据组帧和PWM编码模块用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，组成定义帧同步头序列；
在所述有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定所述有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对所述完整数据帧进行PWM编码，获得PWM码元序列；
根据所述PWM码元序列对所述光源进行调制；
所述光源，用于将已调制的光信号通过信道传出。
3.根据权利要求2所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，所述数据组帧和PWM编码模块为数字信号处理器，所述光源为LD或LED。
4.根据权利要求3所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，在所述数字信号处理器与光源之间存在依次连接的数/模转换器、电信号调理放大电路和T型偏置器；
所述数字信号处理器用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，组成帧同步头序列；
在所述有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定所述有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对所述完整数据帧进行PWM编码，获得PWM码元序列；
所述数/模转换器，用于将PWM码元序列从数字信号转换为模拟信号；
所述电信号调理放大电路，用于将模拟信号进行调理放大；
所述T型偏置器，用于根据调理放大后的信号驱动光源，将模拟信号转换为光信号。
5.根据权利要求1所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，所述接收端包括：光电转换模块、放大和信号调理模块、数字化转换模块、以及PWM解码和数据解帧模块；
所述光电转换模块，用于将接收的光信号转换为电信号；
所述放大和信号调理模块，用于将所述电信号进行放大以及调理；
所述数字化转换模块，用于将调理后的信号转换为数字信号脉冲序列；
所述PWM解码和数据解帧模块用于，
测量所述数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在所述数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的单独码元或码元组合进行判决，得到恢复的有效数据序列。
6.根据权利要求1所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，光电转换模块与放大和信号调理模块之间连接有自动增益控制模块，所述数字化转换模块为数/模转换器或电压比较器；
所述自动增益控制模块，用于控制所述电信号保持稳定；
当所述数字化转换模块为电压比较器时，用于将调理后的信号与参考电压进行比较，以将调理后的信号转换为数字信号。
7.根据权利要求1所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，在所述数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头包括：
设定帧同步头中用于搜索的码元数目N，并设定变量j的初值为0；
设定帧同步头中相邻码元的脉冲宽度的差值阈值或占空比的差值阈值；
针对当前相邻脉冲，利用搜索窗口在所述数字信号脉冲序列中滑动，计算搜索窗口内当前相邻脉冲的第一宽度差值或第一占空比差值；
判断相邻脉冲的第一宽度差值或第一占空比差值是否不大于脉冲宽度的差值阈值或脉冲占空比的差值阈值；
如果不大于，则将变量j的值递增1，判断是否到达N，如果没有则将变量j的值赋为0，将下一个相邻脉冲作为当前相邻脉冲，返回执行计算当前相邻脉冲的第一宽度差值或第一占空比差值，并与差值阈值的对比过程；
如果在搜索窗口内变量j的值达到N，则确定当前搜索窗口包含帧同步头。
8.根据权利要求1所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，所述根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列包括：
当发送端选择的码元波形为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形按照次序组成的第一码元波形，或码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形按照次序组成的第二码元波形时，则对待恢复的有效数据序列中的码元1和0进行判决，得到恢复的有效数据序列；
当发送端选择的码元波形为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形按照次序组成的第三码元波形，或码元0对应的低电平脉冲宽度波形、码元0对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的高电平脉冲宽度波形、码元1对应的低电平脉冲宽度波形按照次序组成的第四码元波形时，则对待恢复的有效数据序列中的码元1、码元0、码元组合10和码元组合01进行判决，得到恢复的有效数据序列。
9.根据权利要求8所述的PWM信号自适应通信方法，其特征在于，当发送端选择的码元波形为第一码元波形或第二码元波形时，恢复的有效数据序列表示为：
当发送端选择的码元波形为第三码元波形时，恢复的有效数据序列表示为：
当发送端选择的码元波形为第四码元波形时，恢复的有效数据序列表示为：
其中，ri是恢复的有效数据序列，01是指二进制0和1的组合，10是指二进制1和0的组合，
m个码元0的脉冲宽度或占空比计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比为Mt0，n个码元1的脉冲宽度或占空比计算码元1的脉冲平均宽度或平均占空比为Mt1，Ti是第i个码元的脉冲宽度或占空比，Tth和T′th是判决阈值。
10.一种PWM信号自适应通信装置，该装置包括发送端以及接收端，其特征在于，所述PWM信号自适应通信装置包括：
所述发送端用于，
获取有效数据序列；
根据第一数量个码元0以及第二数量个码元1按照规律排布，定义帧同步头序列；
在所述有效数据序列的头部插入帧同步头序列，用于确定所述有效数据序列中每帧数据的起始位置，得到完整数据帧；
在自定义的码元波形组合中选择一种码元波形对所述完整数据帧进行PWM编码，通过光信号形式将PWM编码波形发送到信道中；
其中，所述码元波形组合为码元0对应的高电平脉冲宽度波形、低电平脉冲宽度波形的位置顺序不同组成的波形中任选一种，与码元1对应的高电平脉冲宽度波形与低电平脉冲宽度波形位置顺序不同组成的波形中任选一种组合而成；
所述接收端，用于，
将接收的光信号换成数字信号脉冲序列；
测量所述数字信号脉冲序列中每个脉冲的宽度或占空比；
在所述数字信号脉冲序列中搜索已知的帧同步头；
利用帧同步头中码元0的脉冲宽度或占空比，计算码元0的平均脉冲宽度或平均占空比，以及利用帧同步头中码元1的脉冲宽度或占空比，计算码元1的平均脉冲宽度或平均占空比；
确定编码端在码元波形组合中选择的码元波形；
根据码元波形的不同选择，对待恢复的有效数据序列中的码元进行单独或组合判决，得到恢复的有效数据序列。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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