基于可見光通信的四色led混光方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于可見光通信的四色LED混光方法，其包括以下步驟：利用光譜儀獲得各單色光光譜功率分布，并計算出對應(yīng)的各單色光的三刺激值；確定混合光的目標色溫，選擇相應(yīng)的參照光源求得其混合色的三刺激值；根據(jù)顏色相加原理，所述各單色光的三刺激值相加應(yīng)該等于所述混合色的三刺激值，得混色方程組；根據(jù)所述混色方程組中各單色光的混光系數(shù)，可以得到混合光的光譜功率分布，利用混合光的光譜功率分布計算混合光的顯色指數(shù)Ra,其中，Ra≥ε；計算混合光的信道容量C的范圍，在所述范圍內(nèi)求出最大容量Cmax；輸出所述最大容量的各色光配比。
【專利說明】基于可見光通信的四色LED混光方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線光通信的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于可見光通信的四色LED混 光方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對生活的品質(zhì)的要求也越來越高，與此同時，通信 領(lǐng)域開始追求一種"綠色的"和"高速率的"通信技術(shù)。可見光通信技術(shù)作為上述備選方案 正逐漸成為研究領(lǐng)域的熱點。它利用激光器件或者LED器件，通過對光照強度的調(diào)制來實 現(xiàn)信息高速傳輸，滿足了日常工作照明的同時，也滿足了人們對信息高速傳輸?shù)囊?。該?術(shù)具有獨立于射頻頻譜的免費的寬帶頻譜資源，無電磁干擾和輻射，綠色安全，保密性好等 優(yōu)點，正好彌補了傳統(tǒng)無線通信技術(shù)的不足。隨著白光LED器件技術(shù)方面上的不斷發(fā)展，白 光LED器件逐漸成為可見光通信系統(tǒng)中電光轉(zhuǎn)換器件的首選。
[0003] 從照明角度來看，普通單色LED光源具有與傳統(tǒng)光源不一樣的光譜特性，其光譜 寬度較窄，形狀類似于高斯分布，因此無法直接作為照明使用。若想產(chǎn)生質(zhì)量較高的照明光 源，目前有兩種主流的方法，它們分別對應(yīng)于兩種常見的商用白光LED。其中的一種是單芯 片熒光白光LED。它采用類似于熒光燈的工作原理，用藍光或紫外光激發(fā)不同熒光材質(zhì)來混 合出白光。另一種則是多色多芯片LED。它們將紅、綠、藍（RGB)或更多獨立顏色集成在一 起，通過調(diào)節(jié)各色配比來混合出所需的照明色。上述兩種白光LED中的單芯片熒光LED由 于其價格低廉，驅(qū)動電路簡單，產(chǎn)量高，目前市場保有量非常大。
[0004] 但隨著室內(nèi)照明對光源的光譜質(zhì)量要求逐漸提高，人們更習(xí)慣于太陽發(fā)出的連續(xù) 光譜的自然光。然而，單芯片熒光白光LED的光譜較為單一，普遍的照明顯色指數(shù)不高，與 自然光照明質(zhì)量仍有相當?shù)牟罹唷Ａ硗?，隨著智能家居的推廣，對于可變色溫照明的要求也 越來越高。它需要照明色溫應(yīng)當隨著季節(jié)的變化而變化，并且應(yīng)當隨著應(yīng)用場景的變化而 變化。顯然單芯片熒光白光LED無法應(yīng)對上述照明的需求。
[0005] 而對于四色LED，盡管由于價格因素及驅(qū)動復(fù)雜的影響而尚未普及，但其天然擁有 多種峰值波長各不相同的單色芯片，通過各個芯片發(fā)光強度配比的調(diào)整可以輕松實現(xiàn)上述 色溫的連續(xù)調(diào)節(jié)的需求。除此之外，對于四色LED，還擁有在相同色溫的情況下顯色指數(shù)調(diào) 節(jié)的能力。因此，在智能家居中四色LED的應(yīng)用勢在必行。
[0006] 另一方面，從通信角度而言，單芯片熒光白光LED僅能提供一條物理通信通道，業(yè) 界最新報導(dǎo)此類系統(tǒng)的所能到達的最高數(shù)據(jù)傳輸速率約為500Mbps左右。此外，由于受到 帶寬、功率等諸多因素的影響，進一步提高傳輸速率將非常困難。四色LED天然擁有峰值波 長各不相同的單色芯片，若將它們配合接收濾光片可以形成多個獨立波分復(fù)用信道，從而 獲得數(shù)倍于單芯片熒光白色LED的通信速率。
[0007] 目前來說，照明研究以及控制照明質(zhì)量的設(shè)計一般不考慮通信的需求；而做多色 混合可見光通信又一般不考慮照明指標的控制，因此，將上述兩個方面，即照明與通信設(shè)計 聯(lián)合優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計尚未出現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種基于可見光通信的四色LED 混光方法，其保證室內(nèi)優(yōu)質(zhì)照明條件的約束下，使得四色LED光通信的信道容量最大化。
[0009] 本發(fā)明提供了一種基于可見光通信的四色LED混光方法，其包括以下步驟：
[0010] 1)利用光譜儀獲得各單色光光譜功率分布，并計算對應(yīng)的各單色光的三刺激值； [0011] 2)確定混合光的目標色溫，選擇相應(yīng)的參照光源求得其混合色的三刺激值；
[0012] 3)根據(jù)顏色相加原理，所述各單色光的三刺激值相加應(yīng)該等于所述混合色的三刺 激值，得混色方程組；
[0013] 4)根據(jù)所述混色方程組中各單色光的混光系數(shù)，可以得到混合光的光譜功率分 布，利用混合光的光譜功率分布計算混合光的顯色指數(shù)R a，其中，
[0014] Ra 彡 ε ;
[0015] 5)計算混合光的信道容量C的范圍，在所述范圍內(nèi)求出最大容量(：_;
[0016] 6)輸出所述最大容量的各色光配比。
[0017] 優(yōu)選地，混光為串行模式，所述串行模式是指所述四色LED光依次發(fā)射，根據(jù)獲得 的所述的各單色光的混光系數(shù)相對比例，調(diào)整對應(yīng)的所述各單色光的發(fā)光時間脈寬，在發(fā) 射端得到目標混合白光，得到所述混合白光的信道總?cè)萘緾的范圍。
[0018] 優(yōu)選地，四色LED混光為RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系數(shù)的相對比例為 [kp k2, k3, k4]，所述方法具體為：
[0019] i.首先計算分別發(fā)射各單色光時接收端APD的響應(yīng)電流Isi，已知接收端Aro增 益為1時的響應(yīng)函數(shù)為R(x)，混合光的光譜功率分布函數(shù)為SiU)，i = 1，2,3,4,則有

【權(quán)利要求】
1. 基于可見光通信的四色LED混光方法，其包括以下步驟： 1) 利用光譜儀獲得各單色光光譜功率分布，并計算出對應(yīng)的各單色光的三刺激值； 2) 確定混合光的目標色溫，選擇相應(yīng)的參照光源求得其混合色的三刺激值； 3) 根據(jù)顏色相加原理，所述各單色光的三刺激值相加應(yīng)該等于所述混合色的三刺激 值，得混色方程組； 4) 根據(jù)所述混色方程組中各單色光的混光系數(shù)，可以得到混合光的光譜功率分布，利 用混合光的光譜功率分布計算混合光的顯色指數(shù)R a，其中， Ra彡ε，ε為常數(shù)； 5) 計算混合光的信道容量C的范圍，在所述范圍內(nèi)求出最大容量(：_ ; 6) 輸出所述最大容量的各色光配比。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于可見光通信的四色LED混光方法，其中，混光為串行模式， 所述串行模式是指所述四色LED光依次發(fā)射，根據(jù)獲得的所述的各單色光的混光系數(shù)相對 比例，調(diào)整對應(yīng)的所述各單色光的發(fā)光時間脈寬，在發(fā)射端得到目標混合白光，得到所述混 合白光的信道總?cè)萘緾的范圍。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于可見光通信的四色LED混光方法，其中，混光為串行模式， 所述串行模式是指所述四色LED光依次發(fā)射，根據(jù)獲得的所述的各單色光混光系數(shù)的相對 比例，調(diào)節(jié)各單色光電流、發(fā)光時間脈寬之間的配比，在發(fā)射端得到目標混合白光，得到所 述混合白光的信道總?cè)萘緾的范圍。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于可見光通信的四色LED混光方法，其中，混光為并行模式， 并行模式是指所述四色LED光同時發(fā)射，根據(jù)獲得的所述的各單色光混光系數(shù)的相對比 例，調(diào)整對應(yīng)的各單色光的偏置電流，在發(fā)射端得到目標混合白光，獲得所述混合白光的信 道總?cè)萘緾的范圍。
5. 如權(quán)利要求2所述的基于可見光通信的四色LED混光方法，其中，四色LED混光為 RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系數(shù)的相對比例為[h，k2, k3, k4]，所述方法具體為： i. 首先計算分別發(fā)射各單色光時接收端APD的響應(yīng)電流Isi，已知接收端AH)增益 為1時的響應(yīng)函數(shù)為R(A)，混合光的光譜功率分布函數(shù)為SiU)，i = 1，2,3,4,則有
Μ是Aro的輸出增益：
為朗伯輻射階數(shù)；Φ為發(fā)射機四色LED的其中， 發(fā)射角；Ψ為入射光相對于接收機軸線的入射角；d為接收端與發(fā)射端的空間距離；A 為接收APD的感光面積； ii. 接收端的噪聲為散彈噪聲，則接收端APD的光譜噪聲功率的方差近似為
其中，q為電子電荷，B為系統(tǒng)帶寬，F(xiàn)為超噪聲系數(shù)； 1 計算噪聲歸一化的等效光信道的系數(shù);
iv. 計算各單色光信道的容量Ci ; Ci = logad+hi2) v. 計算混合白光的信道總?cè)萘緾;
vi. 優(yōu)化信道容量，求解最大值Cmax ; C為關(guān)于k4的函數(shù)，求出信道容量的最大值。
6. 如權(quán)利要求3所述的基于可見光通信的四色LED混光方法，其中，四色LED混光為 RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系數(shù)的相對比例為[kp k2, k3, k4]，所述方法具體為：各 單色光發(fā)光時間脈寬為Xi，電流相對于700mA驅(qū)動電流的比例為 yi，則有以下關(guān)系： XiYi = ki i. 首先計算分別發(fā)射各單色光時接收端APD的響應(yīng)電流Isi，已知接收端Aro增益為1 時的響應(yīng)函數(shù)為R( λ )，混合光的光譜功率分布函數(shù)為Si ( λ )，i = 1，2, 3, 4,則有
其中，Μ是APD的輸出增益；
為朗伯輻射階數(shù)；Φ為發(fā)射機四色LED的 發(fā)射角；Ψ為入射光相對于接收機軸線的入射角；d為接收端與發(fā)射端的空間距離；A為接 收AH)的感光面積； ii. 接收端的噪聲為散彈噪聲，則接收端APD的光譜噪聲功率的方差近似為
其中，q為電子電荷，B為系統(tǒng)帶寬，F(xiàn)為超噪聲系數(shù)； 1 計算噪聲歸一化的等效光信道的系數(shù);
iv. 計算各單色光信道的容量Ci ; Ci = logad+hi2) v. 計算混合白光的信道總?cè)萘緾; C = Χ1〇1+Χ2〇2+Χ3〇3+Χ 4〇4 其中，為常數(shù)； vi. 優(yōu)化信道容量，求解最大值Cmax。
7. 如權(quán)利要求4所述的基于可見光通信的四色LED混光方法，其中，四色LED混光為 RGBA或RGBW四色LED混光，其混光系數(shù)的相對比例為[h，k2, k3, k4]，所述方法具體為： i.首先計算發(fā)射不同單色光時接收端AH)的響應(yīng)電流Isi，已知接收端AH)增益為1時 的響應(yīng)函數(shù)為R〇 )，混合光的光譜功率分布函數(shù)為Si〇 )，i = 1，2, 3, 4,在接收端設(shè)置濾 光鏡且該濾光鏡的濾波函數(shù)為Fi ( λ )，則有
Isi，j為發(fā)送j色光，通過i色濾光鏡得到的響應(yīng)電流，j = 1，2,3,4,其中，Μ是APD的 輸出增益
為朗伯輻射階數(shù)；Φ為發(fā)射機四色LED的發(fā)射角；Ψ為入射光 相對于接收機軸線的入射角；d為接收端與發(fā)射端的空間距離；A為接收APD的感光面積； ii. 接收端的噪聲為散彈噪聲，則接收端APD的光譜噪聲功率的方差近似為
其中，q為電子電荷，B為系統(tǒng)帶寬，F(xiàn)為超噪聲系數(shù)； iii. 計算噪聲歸一化的等效光信道的系數(shù)矩陣，矩陣形式為
其中，\, 為發(fā)送j色光，通過i色濾光鏡得到的噪聲歸一化的等效光信道的系 ^ m 數(shù)； iv. 計算混合白光的信道總?cè)萘緾; C = log2 (det (I+HKK，H'）） 其中，
優(yōu)化信道容量，求解最大值Cmax。
【文檔編號】F21V9/10GK104053278SQ201410249543
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】梁霄, 呂游, 王家恒, 趙春明 申請人:東南大學(xué)