TWI517606B - 可見光通訊方法 - Google Patents

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Description

可見光通訊方法
本發明係關於一種通訊方法，且特別關於一種可見光通訊方法。
可見光通訊(Visible Light Communication,VLC)一般指得是透過380~780奈米(nm)可見光波段進行的短距離通訊系統。發光二極體(LED,Light emitting diode)相較於一般光源具有高發光效率、高調變速度、高壽命等好處，因此，LED被視為下一代的主流照明光源。LED的高調變速度使得可見光通訊成為一個被高度關注的研究議題。可見光通訊可以在現有的照明與顯示系統下，提供資料傳輸的附加價值，因此它具有高度的經濟價值。
調光指得是針對照明源顏色與亮度進行調控。調光是照明與顯示系統中很重要的一個環節。根據CIE1931的模型，以三色(紅、綠、藍)LED作為照明源的光源可以透過調控三種顏色LEDs的絕對能量與相對能量來實現調光。首先，將三種顏色LEDs的總和絕對能量固定後，便可以將三色LED的發光色域定在一個二維的平面上，接著透過控制三種顏色LEDs的相對能量比例，便可確定三色LED的輸出色彩。將三種顏色LED分別乘以他們實際上在感測上的響應，便可得到三色LED的照度。高品質的照明與顯 示系統，對照明源的色彩均勻度、色彩精確度等參數均有更高的要求。因此高速而精確的調光方法成了一項重要的研究方向。
目前的調光機制主要分為兩種：類比調光與脈衝調光(Pulse-Width Modulation,PWM)兩種。類比調光是透過調整LED的注入電流來調控LED的發光能量(亮度)，因此便可利用CIE1931的模型，透過調整三種顏色LEDs的注入電流來控制三色LED的輸出顏色與亮度。類比調光的缺點是特定兩種顏色間轉換涉及類比上其他顏色的漸近轉移，因此具有色偏等缺點。類比調光不適合於高品質的照明與顯示系統。人眼對顏色與亮度的感覺是一段時間內，所有光的積分所造成的，脈衝調光便是基於這種原理，將人眼看到的光分成數個LED的發光脈衝。只要調控控制特定時間內(人眼的積分時間)脈衝寬度或脈衝數目，便能控制人眼積分時間內看到的光總能量。因此，透過脈衝調光與CIE1931模型實現顏色與亮度的調控。脈衝調光除了有效減少類比式變化產生的色偏問題，它更進一步提供省電的優點。由於脈衝在時間上代表的是有輸出能量和沒有輸出能量的變化，因此LED並不會永遠輸出能量，在脈衝沒有出現的時間，LED不會輸出能量，此時能量是被節省的。
在可見光通訊的應用中，LED本身是一種非同調光源(incoherent source)，因此傳輸信號只能被調變在光的振幅上。控制光顏色與亮度的調光機制均是對光振幅的調變，因此，這裡面出現了調光與信號傳輸均需控制光源振幅的衝突。之後，諸如可變脈衝位置調變(Variable pulse position modulation,VPPM)、基於脈衝寬度調變之脈衝位置調變(PWM-based PPM)等調變格式被提出，用以實現調光與信號傳輸的同時 調變。然而，上述所提出的調變格式均難以實現高速可見光通訊，基於以下原因：(1)由於PPM與PWM整合的系統中，傳輸信號無法最有效率地使用整個可以透過LED傳輸的脈衝速度(部分的脈衝被保留來調控LED的亮度)，因此其頻譜效率較低。(2)對抖動(jitter)或多通道(multipath)等信號在時間上的不穩定並無法提出解決，因此信號速度不能太快(當資料速度愈慢，資料時間定位的精確要求就愈低)，以免造成誤碼。(3)無法針對傳輸的通道進行資料優化配置。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種可見光通訊方法，以解決習知所產生的問題。
本發明的主要目的，在於提供一種可見光通訊方法，利用正交分頻多工符碼對發光二極體之窄頻寬做有效的使用，配以提出的新編碼方式，可以實現同時調整光之顏色與亮度並可連續傳送資料之高速可見光通訊。
為達上述目的，本發明提供一種可見光通訊方法，首先，依序接收複數二元邏輯串流訊號，並將其進行串列轉並列之轉換，以得到對應每一二元邏輯串流訊號之複數二元訊號組。接著，映射對應每一二元邏輯串流訊號之二元訊號組分別為頻域上的一第一正交分頻多工(OFDM)符碼(symbol)的複數子載波符碼，以藉此得到複數第一正交分頻多工(OFDM)符碼。其中，每一第一正交分頻多工符碼的特定複數子載波會被賦予某特定子載波符碼，此特定子載波符碼同時被傳輸端與接收端所共知，以便在接收端進行相關等化(equalization)。然後，轉換每一第一正交分頻多工符 碼為時域上之一第二正交分頻多工符碼，信號由頻域轉到時域後，再來，對第二正交分頻多工符碼進行並列轉串列之轉換，每一第二正交分頻多工符碼中會加入特定長度的CP(cyclic prefix)以減少傳遞時通道造成的信號劣化。然後，在歸一化每個第二正交分頻多工符碼的能量後，根據想實現的LED強度與顏色，調整每一第二正交分頻多工符碼之相對強度，再進行數位類比轉換，以得到複數類比電訊號。最後，根據類比電訊號產生對應之可見光訊號。
茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
10‧‧‧第一處理器
12‧‧‧數位類比轉換裝置
14‧‧‧發光二極體裝置
16‧‧‧光接收裝置
18‧‧‧類比數位轉換裝置
19‧‧‧同步裝置
20‧‧‧第二處理器
22‧‧‧任意波形產生器
24‧‧‧發光二極體
26‧‧‧直流電源供應器
28‧‧‧偏壓裝置
30‧‧‧光接收器
32‧‧‧時實取樣觀測器
第1圖為本發明使用可見光通訊方法之通訊裝置的方塊圖。
第2圖為本發明之編碼流程圖。
第3(a)圖為本發明之第四正交分頻多工符碼之相對強度分佈示意圖。
第3(b)圖為本發明之第三正交分頻多工符碼之相對強度分佈示意圖。
第4圖為本發明之解碼流程圖。
第5圖為本發明之實驗架構之示意圖。
第6圖為本發明之可見光訊號之誤碼率與ξ q 之關係圖。
第7圖為本發明之可見光訊號之誤碼率與傳輸距離之關係圖。
此可見光通訊之系統架構包含一電訊號產生器、一紅光發光 二極體、一綠光發光二極體、一藍光發光二極體、一紅光濾波器、一綠光濾波器、一藍光濾波器、三個光接收器與二處理器。上述發光二極體接收電訊號產生器所產生之三個第一電訊號，分別發出紅光、綠光與藍光。此紅光、綠光與藍光分別透過上述濾波器進入上述光接收器中，以轉成三個第二電訊號供處理器處理之。
一般人眼對於感測到的光是一段時間內收到的平均光能，因此，若將人眼視為一個光接收器，人眼在時間t從t0至τ所接收的光能I可表示為式(1)： 其中P(t)是在時間為t時人眼接收到的光能量。因此要控制一顆發光二極體(LED)被人眼感測到的光強，可以將任意一顆LED的輸出信號控制成時域上的脈衝群，一個脈衝視為一脈衝單元，如此便可得到式(2)： 其中P avg_pulse,k 是第k個脈衝單元的平均能量。要確定人眼特定時間內收到了光能量，可以將人眼感受光的積分時間切成數個等距的時間間隔，每個時間間隔代表一個上述脈衝單元的長度。則人眼每一瞬時看到的光強由之前的積分時間內的脈衝單元能量總合除以總時間間隔決定。可以進一步控制每個等距的時間間隔內一定要具有唯一一個形狀不定但平均能量固定的脈衝單元。則每個脈衝單元可以被視為一個正交分頻多工(OFDM)信號。在時間t，一個OFDM信號S OFDM (t)表示如式(3)： 其中，△t是數位OFDM信號在時域上的取樣時間間隔，N是快速富立葉轉換尺寸(FFT size)，x k 是上述正交分頻多工符碼中每個子載波被分配到的子載波符碼，k是每個子載波的編號。N△t是單一一個OFDM符碼(symbol)佔據的總時間長度。可以透過式(4)將每個OFDM symbol歸一化： 其中C為常數，S OFDM_normalize (t)為歸一化後的OFDM信號，並讓N△t秒內傳遞出的真實信號S(t)如式(5)所示： 其中ξ q 是特定選定的常數。若將時間上連續傳遞的每個OFDM symbol依序標記，q表示每個OFDM symbol的標記數字。則由式(2)-(5)可得到式(6)： 其中Q是人眼積分時間內所包含OFMD symbol的數目。由於整體接收的絕對能量可以透過將三種顏色的發光二極體的能量同時乘以一個特定常數改變，所以配色只需考慮特定絕對能量下，不同顏色之LED的相對強度。因此，可以將接收的光能量歸一化，此歸一化之光能量I normalize 如式(7)所示：
於是，透過調控ξ q ，以調整每個OFDM symbol間的相對能量，來決定接收到三種顏色LED的相對強度。而線性近似下，每個OFDM symbol的信號並不會受到ξ q 的影響而扭曲，因此應該可以將OFDM symbol 和ξ q 視為信號中獨立的兩個部份，因此，可以有效利用OFDM本身高傳輸速度、高頻譜效率(Spectrum efficiency)、抗多通道衰弱(anti-multipath fading)等特性，實現高速可見光通訊(VLC)系統。本發明便是提出如式(5)的特殊調變方式，以實現具有調光功能的高速VLC系統。這種完全將整個脈衝的速度最大最有效的給通訊資料使用，並且幾乎不會造成信號扭曲的方法，是目前的技術中不曾出現的。
人眼真實看到的光亮度，主要是特定時間內LED發光強度的平均強度。令1為人眼可見的最亮光程度；0為全黑；令ξ q =1可以使正交分頻多工符碼輸出最大平均能量。那麼可以實現的調光範圍D如式(8)所示： 其中，B max和B min是電訊號產生器之直流偏壓的最大與最小值，f是OFDM編碼信號在最大平均能量時對應的交流方均根電壓或電流，ξ q_max和ξ q_min分別是可以讓OFDM符碼達到誤碼率(Bit Error Rate,BER)臨界(threshold)所需的最大和最小ξ q 的值。此外，ξ q_max=1。
令LED恆操作於順向偏壓(forward bias)，固定直流偏壓與交流平均能量之方均根值的比值，其最大比值為，並令ξ q_min為0.3，則 估計理想上的調光範圍D為
請參閱第1圖與第2圖。以下先介紹本發明之編碼流程。本發明所使用的通訊裝置包含一第一處理器10，其係依序連接一數位類比轉換裝置12與一發光二極體裝置14。另有一光接收裝置16，其係依序連接一類比數位轉換裝置18、一同步裝置19與一第二處理器20。首先，如步驟S10 所示，利用第一處理器10依序接收複數二元邏輯串流訊號B，並將其進行串列轉並列之轉換，以得到對應每一二元邏輯串流訊號B之複數二元訊號組。接著，如步驟S12所示，第一處理器10映射對應每一二元邏輯串流訊號B之二元訊號組分別為頻域上的一第一正交分頻多工(OFDM)符碼(symbol)的複數子載波符碼，以藉此得到複數第一正交分頻多工(OFDM)符碼。高階的子載波符碼可以提供更高的頻率使用效率。其中，每一第一正交分頻多工符碼的特定複數子載波會被賦予某特定子載波符碼。而在依序傳送的第一正交分頻多工符碼中，每特定數目的第一正交分頻多工符碼中，會有數個第一正交分頻多工符碼被保留並賦予特定正交分頻多工符碼，此特定子載波符碼與特定正交分頻多工符碼同時被傳輸端之第一處理器10與接收端之第二處理器20所共知，以便第二處理器20的等化(equalization)與能量補償。再來，如步驟S14所示，第一處理器10採反快速傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transform)轉換每一第一正交分頻多工符碼為時域上之一第二正交分頻多工符碼。然後，如步驟S16所示，第一處理器10對所有第二正交分頻多工符碼進行並列轉串列之轉換。接著，如步驟S20所示，第一處理器10根據每一第二正交分頻多工符碼之傳輸速率與通道特性對每一第二正交分頻多工符碼加上一循環前置(Cyclic Prefix,CP)，以分別得到一第四正交分頻多工符碼。此循環前置可以增強OFDM符碼對多通道的抵抗力。式(5)為了簡單述說概念，並未將CP列在其中。然後，如步驟S22所示，第一處理器10歸一化每一第四正交分頻多工符碼之相對強度，使每一第四正交分頻多工符碼具有相同的平均能量，如第3(a)圖所示。結束後，如步驟S24所示，根據光的顏色及亮度需求，第一處理器10將每一第四正交分頻多工符碼之相對強度分別乘上對應之比例，以產生複數第三正交分頻多工符碼F，如第3(b)圖所示。此比例相當於ξ q 。最後，如步驟S26所示，數位類比轉換裝置 12接收第三正交分頻多工符碼F，並對其進行數位類比轉換，以得到複數類比電訊號A，發光二極體裝置14接收類比電訊號A，並據此產生對應之可見光訊號L。
再來介紹本發明之解碼流程，請參閱第4圖。首先，如步驟S28所示，光接收裝置16接收可見光訊號L，並將其轉換成類比電訊號A。類比數位轉換裝置18接收此類比電訊號A，並對其進行類比數位轉換，以得到數位電信號D，之後，同步裝置19將數位電信號D接收，並進行同步(synchronization)處理，以得到第三正交分頻多工符碼F。接著，如步驟S30所示，第二處理器20接收此些第三正交分頻多工符碼F，並移除每一第三正交分頻多工符碼F中相對強度被調整之循環前置，以分別得到一第五正交分頻多工符碼。然後，如步驟S32所示，第二處理器20對第五正交分頻多工符碼進行串列轉並列之轉換。再來，如步驟S34所示，第二處理器20採快速富立葉轉換(Fast Fourier Transform)轉換每一第五正交分頻多工符碼為頻域上之一第六正交分頻多工符碼。轉換後，如步驟S36所示，第二處理器20根據上述特定子載波符碼進行每個第四正交分頻多工符碼所乘ξ q 之值的估算，並藉此補償每一第六正交分頻多工符碼之相對強度。之後再進一步將此第六正交分頻多工符碼根據特定正交分頻多工符碼做能量及相位等化後，便可取得第一正交分頻多工符碼。取得後，如步驟S38所示，第二處理器20映射每一第一正交分頻多工符碼之子載波符碼分別為對應每一二元邏輯串流訊號B之二元訊號組。最後，如步驟S40所示，第二處理器20將對應每一二元邏輯串流訊號B之所有二元訊號組進行並列轉串列之轉換，以取得所有二元邏輯串流訊號B，進而實現高速可見光通訊。
在可見光通訊方法中，步驟S20至步驟S24可以用一調整步驟取代，其係利用第一處理器10直接調整每一第二正交分頻多工符碼之相 對強度，以產生第三正交分頻多工符碼F。此外，本發明亦可僅進行編碼流程，卻不進行解碼流程，以實現可見光通訊。
本發明以第5圖之實驗架構進行實驗，電腦產生的編碼信號輸入進任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)22，發光二極體24透過一直流電源供應器26控制操作偏壓，發光二極體24的總輸入信號為任意波形產生器22的輸出交流信號加上直流電源供應器26提供的直流信號。任意波形產生器22和直流電源供應器26的信號透過一偏壓裝置28連接。接收端透過一顆光接收器(Photo-Diode,PD)30將光轉成電信號，電信號再由實時取樣觀測器(real-time sampling scope)32收下來，在電腦端進行解調。紅光、綠光與藍光是個別進行收發測試的，顏色的估計是透過實時取樣觀測器32的讀值、三顆發光二極體24的發光頻譜、光接收器30的響應頻譜、以及CIE 1931的色匹配函數(color matching function)推知。實驗結果如第6圖及第7圖所示，其中圓形代表紅光(R)數據，正方形代表綠光(G)數據，三角形代表藍光(B)數據。第5圖為可見光訊號之誤碼率及ξ q 之關係圖，第6圖為可見光訊號之誤碼率及傳輸距離之關係圖。由實驗可知，本發明之可見光訊號在FFT size為128時有最好表現，ξ q_min可以達到小於3.8 x 10-3，且資料傳輸率(data rate)為32.5M位元/秒(bit/s)，此時的三色LED混光之顏色在CIE 1931的座標為(x,y)=(0.26,0.27)。
綜上所述，本發明利用特殊編碼之正交分頻多工符碼實現同時調整光之顏色與亮度並可連續傳送資料之高速可見光通訊。

Claims (4)

  1. 一種可見光通訊方法，包含下列步驟：依序接收複數二元邏輯串流訊號，並將其進行串列轉並列之轉換，以對應每一該二元邏輯串流訊號得到複數二元訊號組；映射對應每一該二元邏輯串流訊號之該些二元訊號組分別為頻域上的一第一正交分頻多工(OFDM)符碼(symbol)的複數子載波符碼，以藉此得到複數第一正交分頻多工(OFDM)符碼，且每一該第一正交分頻多工符碼的子載波會被賦予該子載波符碼；轉換每一該第一正交分頻多工符碼為時域上之一第二正交分頻多工符碼；對該些第二正交分頻多工符碼進行並列轉串列之轉換；根據每一該第二正交分頻多工符碼之傳輸速率對每一該第二正交分頻多工符碼加上一循環前置(Cyclic Prefix)，以分別得到一第四正交分頻多工符碼；歸一化每一該第四正交分頻多工符碼之該相對強度；將每一該第四正交分頻多工符碼之該相對強度分別乘上對應之比例，以產生複數第三正交分頻多工符碼；以及對該些第三正交分頻多工符碼進行數位類比轉換，以得到複數類比電訊號，並據此產生對應之可見光訊號。
  2. 如請求項1所述之可見光通訊方法，其中在每一該第一正交分頻多工符碼轉換為該第二正交分頻多工符碼之步驟中，每一該第一正交分頻多工符碼採反快速富立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transform)為該第二正交分頻多工符碼。
  3. 如請求項1所述之可見光通訊方法，更包含下列步驟：接收該些可見光訊號，並將其轉換成該些類比電訊號，再對其依序進行類比數位轉換與同步處理，以得到該些第三正交分頻多工符碼；移除每一該第三正交分頻多工符碼中相對強度被調整之該循環前置，以分別得到一第五正交分頻多工符碼；對該些第五正交分頻多工符碼進行串列轉並列之轉換；轉換每一該第五正交分頻多工符碼為頻域上之一第六正交分頻多工符碼；根據該子載波符碼補償每一該第六正交分頻多工符碼之相對強度，以取得該些第一正交分頻多工符碼；映射每一該第一正交分頻多工符碼之該些子載波符碼分別為對應每一該二元邏輯串流訊號之該些二元訊號組；以及將對應每一該二元邏輯串流訊號之該些二元訊號組進行並列轉串列之轉換，以取得該些二元邏輯串流訊號。
  4. 如請求項3所述之可見光通訊方法，其中在轉換每一該第五正交分頻多工符碼為該第六正交分頻多工符碼之步驟中，每一該第五正交分頻多工符碼採快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)為該第六正交分頻多工符碼。
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