CN206302418U - 一种基于极化码纠错的可见光通信装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于极化码纠错的可见光通信装置，包括发射子系统和接收子系统；所述发射子系统包括依次连接的极化码纠错编码单元、OOK信号调制单元、LED电路驱动单元和LED灯具单元；所述接收子系统包括依次连接的光电探测/转换单元、OOK信号解调单元和极化码纠错译码单元；本实用新型中，所述发射子系统实现对输入信息进行极化码编码及信号调制以后，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输信号；所述接收模块实现对光电探测元件接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和极化码译码，最终恢复出原始信息。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信领域，更具体地，涉及一种基于极化码纠错的可见光通信装置。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication,VLC)具有可同时用于照明和通信的优势，随着LED在照明、通信和传感技术等各个领域的广泛应用，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。与现有的射频通信技术相比，可见光通信以其绿色高能效、免疫电磁干扰、光谱资源丰富和保密性高等优势，逐渐成为室内/外短距离通信的热点技术。
可见光通信最常用的调制方式是开关键控(OOK)调制。由于通信线路中的1/0码元控制了照明LED的开/关，可能对照明造成影响，故此可见光通信系统在提供通信功能的同时，还需要满足照明的要求：亮度稳定以及无闪烁，即通信的码元必须具有直流均衡和短游程的性质。但是，当前可见光通信系统为了提高通信可靠性所采用的信道编码并不能满足这两个条件，故此常常还需引入线路编码、随机加扰、比特凿孔及交织等辅助单元，系统结构非常复杂。例如，典型的可见光通信系统包括发送子系统和接收子系统，其中发送子系统主要包括信源编码、信道编码、随机加扰、比特凿孔、线路编码、交织、数字调制、驱动电路等模块和LED光源；接收子系统主要包括光电探测/转换、时钟恢复/数据提取、数字解调、去交织、线路解码、消加扰、信道解码等模块。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于极化码纠错的可见光通信装置，采用简单的系统结构即可满足通信与照明的要求，并且编码效率可达到香农极限。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型公开了一种基于极化码的可见光通信装置，包括用于发射可见光信号的发射子系统和用于接收可见光信号的接收子系统，所述发射子系统包括用于信道编码提高传输可靠性的极化码纠错编码单元，所述接收子系统包括用于纠正可见光通信过程中信号的错误并恢复出信息的极化码纠错译码单元，所述发射子系统还包括OOK信号调制单元、用于驱动LED进行照明和可见光通信的LED电路驱动单元，以及用于照明和发送可见光通信信号的LED灯具单元，所述极化码纠错编码单元、OOK信号调制单元、LED电路驱动单元和LED灯具单元顺序连接；
所述接收子系统还包括用于可见光信号的接收以及将光信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅处理的光电探测/转换单元和OOK信号解调单元，所述光电探测/转换单元、OOK信号解调单元和极化码纠错译码单元顺序连接。
作为优选的技术方案，所述极化码纠错编码单元核心为4比特极化码纠错编码单元，长度为N的极化码纠错编码单元可由多级4比特极化码纠错编码单元依照模-2均匀洗牌置换移位层叠构成，在4比特极化码纠错编码单元中：PolarEnc_G2:S1[0]、PolarEnc_G2:S1[1]、PolarEnc_G2:S2n[0]、PolarEnc_G2:S2n[1]均为二输入异或电路模块；
其中4比特信息dataIn[0],dataIn[1],dataIn[2],dataIn[3]经过4个异或门电路运算后，输出编码后信息dataOut[0],dataOut[1],dataOut[2], dataOut[3]。
作为优选的技术方案，所述OOK信号调制单元由DC-DC稳压器电路和OOK信号调制电路组成，所述DC-DC稳压电路将电源输入的高压稳压至OOK调制电路所需电压，再由OOK信号调制电路对可见光通信系统信号进行强度调制。
作为优选的技术方案，所述LED电路驱动单元采用高调光比的LED恒流驱动芯片PT4115。
作为优选的技术方案，所述光电探测/转换单元包括：光电传感器、双通道运算放大器U4、第一电源、第二电源以及电容，所述双通道运算放大器U4包括放大器U4-A和放大器U4-B，其中光电传感器检测到LED电路驱动LED灯具所发出的LED灯光，通过放大器U4-A将接收到的LED光信号转换成电压信号，电压信号通过电容进行隔直流处理，产生交变电压信号，并经过运算放大器U4-B进行两级放大后，输出到OOK信号解调单元，其中第一电源一直持续供电，第二电源通过电阻和第一电源给放大器U4-B提供虚地电压。
作为优选的技术方案，所述OOK信号解调单元包括：运算放大器U5、二极管、和第三电源，其中第三电源一直提供元器件正常工作电压运算放大器U5接收到光电检测模块中产生的交变电压信号，其中将运算放大器U5的一个通道输入交变电压，实现电压跟随输出功能，而运算放大器U5另一通道进行滞回比较后将接收到的调制信号输出到两个二极管形成的钳位电路，并最后输出到极化码纠错译码单元。
作为优选的技术方案，所述极化码纠错译码单元包括：F电路运算模块与G电路运算模块，其中极化码纠错译码单元将接收到的OOK解调单元中的信号，计算成似然值信息，按照与编码器相反的规则进行n＝log2(N)层的模-2均匀洗牌 置换移位再输入到F与G电路运算模块；F电路运算单元包括第一加法器、比较器、以及第一数据选择器，首先通过F电路运算单元将接收到的似然值信息通过第一加法器后，输出到比较器和第一数据选择器，最终输出计算后的似然值信息；G电路运算单元包括第二加法器与第二数据选择器，G电路运算单元将接收到的似然值信息，通过第二加法器后，输出计算结果，在通过接收到的Z信息，第二数据选择器将根据Z信息输出计算结果。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本实用新型系统结构简单，无需额外的线路编码、随机加扰、比特凿孔等单元模块；
(2)本实用新型的极化码纠错单元编译码复杂度低，编码效率高，理论上可以达到香农极限；
(3)本实用新型极化码纠错单元可支持调光比自适应，满足均匀照明无闪烁的要求，无需增加额外的编码平衡技术；
(4)本实用新型支持从编码上实现物理层安全。
附图说明
图1是本实用新型可见光通信装置的结构方框图；
图2是本实用新型可见光通信装置中N(本例中N＝4)比特极化码纠错编码单元模块连接图；
图3是本实用新型可见光通信装置中极化码纠错编码单元中N(本例中N＝4)比特移位异或运算电路的原理图；
图4是本实用新型可见光通信装置中极化码纠错编码单元中N(本例中 N＝4)比特异或运算硬件电路图；
图5是本实用新型可见光通信装置中集成OOK信号调制单元与LED电路驱动单元的LED恒流调制驱动电路原理图；
图6是本实用新型可见光通信装置中集成了光电探测/转换单元与OOK信号解调单元的光电集成传感器放大滤波比较电路原理图；
图7是本实用新型可见光通信装置中N(本例中N＝4)比特极化码纠错译码单元的原理图；
图8是本实用新型可见光通信装置中极化码纠错译码单元中F函数计算模块电路原理图；
图9是本实用新型可见光通信装置中极化码纠错译码单元中G函数计算模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
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、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，本实用新型可见光通信装置包括发射可见光信号的发射子系统和用于接收可见光且将可见光转换为电信号的接收子系统。所述发射子系统实现对输入信号进行极化码编码及信号调制以后，输出连续的调制波形，驱动 LED光源发光并传输信号；所述接收模块实现对光电探测元件接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和极化码译码，最终恢复出信息。
所述发射子系统包括用于信道编码提高传输可靠性的极化码纠错编码单元，用于可见光通信系统信号调制的OOK信号调制单元，用于驱动LED进行照明和可见光通信的LED电路驱动单元，用于照明和发送可见光通信信号的LED灯具单元；所述极化码纠错编码单元、OOK信号调制单元、LED电路驱动单元和LED光灯具单元依次连接组成可见光通信系统发射子系统。
所述接收子系统包括用于可见光信号的接收以及光信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅等信号处理的光电探测/转换单元，用于系统时钟的恢复和数据提取的时钟恢复/数据提取单元，用于对可见光通信系统接收的信号进行解调的OOK信号解调单元，用于纠正可见光通信过程中信号的错误并恢复出信息的极化码纠错译码单元；所述光电探测/转换单元、时钟恢复/数据提取单元、OOK信号解调单元、极化码纠错译码单元依次连接组成可见光通信系统接收子系统S12。
下面结合附图对一些重要功能模块进行详细的说明：
一、发射子系统
发射子系统由极化码纠错编码单元、OOK信号调制单元、LED电路驱动单元和LED灯具单元组成。
1.极化码纠错编码单元
如图2所示为本实用新型可见光通信装置中N(本例中N＝4)比特极化码纠错编码单元模块连接图，其作用是将输入的N个信息比特通过n＝log2(N)(本 例中n＝2)轮的奇偶位异或运算和模-2均匀洗牌置换移位得到编码输出比特；其中，PolarEnc_G2:S1[0]、PolarEnc_G2:S1[1]、PolarEnc_G2:S2n[0]、PolarEnc_G2:S2n[1]均为二输入异或电路模块，其对应的输入输出比特运算电路如图3所示。其中整个4比特编码硬件电路实现如图4所示：将要输入的4比特信息通过硬件电路异或门，进行移位异或计算。
2.OOK信号调制单元与LED电路驱动单元
如图5所示为本实用新型可见光通信装置中集成了OOK信号调制单元与LED电路驱动单元的LED恒流调制驱动电路，其作用是根据输入的比特信息DIM控制LED灯的开和关，从而驱动LED灯具进行照明和发射可见光通信信号。本实施例中，采用具有高调光比的LED恒流驱动芯片PT4115，其输入电压范围从8伏到30伏，输出电流可通过外置的电流采样电阻设置，最大驱动电流可达1.2安培，并具有5％的输出电流精度。PT4115芯片采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和宽范围的PWM调光，最大PWM调光频率可达50KHz。PT4115芯片内置功率开关，当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，LED熄灭，PT4115芯片进入极低工作电流的待机状态，因此OOK信号调制单元输出的调制信号从DIM脚输入即可驱动LED灯具单元实现照明并发出调制过的可见光通信信号。
二、接收子系统
接收子系统由光电探测/转换单元、时钟恢复/数据提取单元、OOK信号解调单元和极化码纠错译码单元组成。
1.光电探测/转换单元与OOK信号解调单元
如图6所示为本实用新型可见光通信装置中集成了光电探测/转换单元与OOK信号解调单元的光电集成传感器放大滤波比较电路图，其作用是对接收到 的可见光信号进行放大、滤波和限幅等处理。其中，Q1为光电传感器，U4、U5为通用双通道运算放大器，由单电源进行供电。电阻R15、R17进行分压产生VCC/2的电压为运算放大器U4、U5提供一个虚地。Q1与电阻R13、电容C15、U4的一个通道运算放大器U4-A组合将光电传感器接收到的可见光信号转换成电压信号，通过电容C15隔离直流处理，只允许接收到的交变信号通过。转换后的电压信号经过运算放大器U4两级放大，电阻R10和电容C14构成低通滤波，输入运算放大器U5的其中一个通道运算放大器作跟随输出，经过U5的另一个通道运算放大器进行滞回比较后输出接收到的调制信号。二极管D4、D5起到钳位作用，防止输出信号的电压过高。本实施例中，采用LXD/GB5-A1DPZ光电集成传感器。
2.极化码纠错译码模块
如图7所示为本实用新型可见光通信装置中N(本例中N＝4)比特极化码纠错译码电路图。根据解调得到的信息比特值，计算信道的初始似然比信息；由信息位集合与已译码序列，计算当前比特似然比；进行译码判决，并给出译码序列。
其中，y0、y1、y2、y3是接收端接收的比特值。按照与编码器相反的规则进行n＝log2(N)层的模-2均匀洗牌置换移位和两两进行似然比运算得到最终判决似然比。在最右侧一层，y0与y2成对输入到F函数和G函数中分别计算；而y1与y3也成对输入到F函数和G函数中分别计算；第一层计算所得到的4个新的似然比值向左进入下一层次交叉运算，最终输出的4个似然比值用硬判决得到解码结果和
如图8所示为本实用新型可见光通信装置中极化码纠错译码单元中F函数计算模块电路原理图，本实施例中极化码纠错译码单元进行纠错译码为现有技 术中常规的手段，主要基于硬件电路的改进。其作用是对输入的两个似然比值(inX和inY)的绝对值进行比较，输出绝对值较小的似然比值，符号则为两个似然比值的乘积，该运算电路实现运算规则：
F(inX,inY)＝sign(inX)sign(inY)min(|inX|,|inY|)；
如图9所示为本实用新型可见光通信装置中极化码纠错译码单元中G函数计算模块电路原理图，本实施例中极化码纠错译码单元进行纠错解码为现有技术中常规的手段，主要基于硬件电路的改进。其作用是根据前一个解码比特(inBitZ)对输入的两个似然比值(inX和inY)的进行加法运算或者减法运算，如果为0，则输出两个似然比值的加法结果；否则输出inY减去inX的结果，该运算电路实现运算规则：
应当理解，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于极化码的可见光通信装置，包括用于发射可见光信号的发射子系统和用于接收可见光信号的接收子系统，所述发射子系统包括用于信道编码提高传输可靠性的极化码纠错编码单元，所述接收子系统包括用于纠正可见光通信过程中信号的错误并恢复出信息的极化码纠错译码单元，其特征在于，所述发射子系统还包括OOK信号调制单元、用于驱动LED进行照明和可见光通信的LED电路驱动单元，以及用于照明和发送可见光通信信号的LED灯具单元，所述极化码纠错编码单元、OOK信号调制单元、LED电路驱动单元和LED灯具单元顺序连接；
所述接收子系统还包括用于可见光信号的接收以及将光信号转换为电信号并进行放大、滤波和限幅处理的光电探测/转换单元和OOK信号解调单元，所述光电探测/转换单元、OOK信号解调单元和极化码纠错译码单元顺序连接。
2.根据权利要求1所述基于极化码的可见光通信装置，其特征在于，所述极化码纠错编码单元核心为4比特极化码纠错编码单元，长度为N的极化码纠错编码单元可由多级4比特极化码纠错编码单元依照n＝log2(N)层的模-2均匀洗牌置换移位层叠构成，在4比特极化码纠错编码单元中：PolarEnc_G2:S1[0]、PolarEnc_G2:S1[1]、PolarEnc_G2:S2n[0]、PolarEnc_G2:S2n[1]均为二输入异或电路模块；
其中4比特信息dataIn[0],dataIn[1],dataIn[2],dataIn[3]经过4个异或门电路运算后，输出编码后信息dataOut[0],dataOut[1],dataOut[2],dataOut[3]。
3.根据权利要求1所述基于极化码的可见光通信装置，其特征在于，所述OOK信号调制单元由DC-DC稳压器电路和OOK信号调制电路组成，所述DC-DC稳压电路将电源输入的高压稳压至OOK调制电路所需电压，再由OOK信号调制电路对可见光通信系统信号进行强度调制。
4.根据权利要求1所述基于极化码的可见光通信装置，其特征在于，所述LED电路驱动单元采用高调光比的LED恒流驱动芯片PT4115。
5.根据权利要求1所述基于极化码的可见光通信装置，其特征在于，所述光电探测/转换单元包括：光电传感器、双通道运算放大器U4、第一电源、第二电源以及电容，所述双通道运算放大器U4包括放大器U4-A和放大器U4-B，其中光电传感器检测到LED电路驱动LED灯具所发出的LED灯光，通过放大器U4-A将接收到的LED光信号转换成电压信号，电压信号通过电容进行隔直流处理，产生交变电压信号，并经过运算放大器U4-B进行两级放大后，输出到OOK信号解调单元，其中第一电源一直持续供电，第二电源通过电阻和第一电源给放大器U4-B提供虚地电压。
6.根据权利要求1所述基于极化码的可见光通信装置，其特征在于，所述OOK信号解调单元包括：运算放大器U5、二极管、和第三电源，其中第三电源一直提供元器件正常工作电压，运算放大器U5接收到光电检测模块中产生的交变电压信号，其中将运算放大器U5的一个通道输入交变电压，实现电压跟随输出功能，而运算放大器U5另一通道进行滞回比较后将接收到的调制信号输出到两个二极管形成的钳位电路，并最后输出到极化码纠错译码单元。
7.根据权利要求1所述基于极化码的可见光通信装置，其特征在于，所述极化码纠错译码单元包括：F电路运算模块与G电路运算模块，其中极化码纠错译码单元将接收到的OOK解调单元中的信号，计算成似然值信息，按照与编码器相反的规则进行n＝log2(N)层的模-2均匀洗牌置换移位再输入到F与G电路运算模块；F电路运算单元包括第一加法器、比较器、以及第一数据选择器，首先通过F电路运算单元将接收到的似然值信息通过第一加法器后，输出到比较器和第一数据选择器，最终输出计算后的似然值信息；G电路运算单元包括第二加法器与第二数据选择器，G电路运算单元将接收到的似然值信息，通过第二加法器后，输出计算结果，在通过接收到的Z信息，第二数据选择器将根据Z信息输出计算结果。
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| CN112511184A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-16 | 广州市科信网络系统工程有限公司 | 一种无线通信系统及其通信方法 |
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| CN117791762A (zh) * | 2023-05-17 | 2024-03-29 | 广东千沣农业科技有限公司 | 一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 |
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