可見光通信傳輸系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可見光通信傳輸系統(tǒng)及方法，包括發(fā)送端編碼調制模塊及接收端解調解碼模塊，所述發(fā)送端編碼調制模塊將信源產生的消息信號轉換為相應的多值可見光信號并發(fā)送出去，所述接收端解調解碼模塊接收發(fā)送端編碼調制模塊發(fā)送的多值可見光信號，并從中得到消息信號的估計值。該可見光通信傳輸系統(tǒng)及方法能夠有效提高可見光通信的傳輸速率，有效減少可見光通信傳輸時的差錯概率，并保證在可見光通信系統(tǒng)與照明系統(tǒng)融合時的照明舒適性。
【專利說明】可見光通信傳輸系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信【技術領域】，尤其是一種可見光通信傳輸系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]在可見光通信傳輸方法方面，主要有開關鍵控(On-Off Keying, 00K)、脈沖位置調制(Pulse Position Modulation, PPM)、脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM) >可變脈沖位置調制(Variable PPM, VPPM)以及正交頻分復用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM)等。
[0003]其中，在使用00K、PPM、PWM及VPPM等傳輸方法時，每個符號所傳輸的信息均不大于lbit，不能突破用于發(fā)送可見光信號的LED光源的調制帶寬的限制，因此不能適應高速大容量通信的要求。
[0004]OFDM是可見光通信中的一個熱點技術，不同于無線電波通信系統(tǒng)中的0FDM，可見光通信系統(tǒng)中的0FDM，信號必須為實值且不能為負，具體的實現方式為非均勻限幅光正交步頁分復用(Asymmetrically Clipped Optical-Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, AC0-0FDM)。通過使用AC0-0FDM，可以非常有效的提高VLC系統(tǒng)的傳輸速率。但是，在將可見光通信系統(tǒng)同照明系統(tǒng)相融合時，由于OFDM的高峰均功率比特性，會使人眼感覺到光源光強的變化，給人帶來不舒適的感覺。此外，由于LED的非線性特性會對采用OFDM的可見光通信系統(tǒng)產生很大的影響，對于具體的系統(tǒng)，都需要首先去分析其直流偏置點等各種參數，找到最佳的設定值，而且隨著LED的使用時間的變化，這些參數的最佳值也會發(fā)生變化，因此在實際工程中其通用性也受到了限制。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提供了一種能夠有效提高可見光通信的傳輸速率、有效減少可見光通信傳輸時的差錯概率、保證在可見光通信系統(tǒng)與照明系統(tǒng)融合時照明舒適性的可見光通信傳輸系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種可見光通信傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)送端編碼調制模塊及接收端解調解碼模塊，
所述發(fā)送端編碼調制模塊將信源產生的消息信號轉換為相對應的多值可見光信號并發(fā)送出去，包括:
卷積編碼模塊，用于將消息信號轉換為卷積碼序列；
交織模塊，用于將卷積碼序列在時間上離散化，將其轉換為交織的卷積碼序列；
多值脈沖信號映射模塊，用于將交織的卷積碼序列映射為多值的LED驅動脈沖信號； LED模塊，用于將多值的LED驅動脈沖信號轉換為多值可見光信號并發(fā)送出去；
所述接收端解調解碼模塊接收發(fā)送端編碼調制模塊發(fā)送的多值可見光信號，并從中得到消息信號的估計值，包括:
光電二極管，用于將多值可見光信號轉換為多值電脈沖信號； 自動增益控制模塊，用于對多值電脈沖信號進行適當放大，保持輸出的多值電脈沖信號平均功率的基本恒定；
多值信號判決模塊，用于將經過自動增益控制的多值電脈沖信號映射為與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列；
解交織模塊，用于將與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列在時間上去離散化，將其轉換為與卷積碼序列相對應的碼字序列；
卷積解碼模塊，用于對與卷積碼序列相對應的碼字序列進行解碼，得到消息信號的估計值。
[0007]本發(fā)明的多值脈沖信號映射模塊可采用4值、8值、16值、32值、64值等脈沖信號映射。
[0008]本發(fā)明還提供一種可見光通信傳輸方法，包括如下步驟:
步驟一、通過卷積編碼模塊將信源產生的消息信號轉換為卷積碼序列；
步驟二、通過交織模塊將卷積碼序列在時間上離散化，將其轉換為交織的卷積碼序
列；
步驟三、通過多值脈沖信號映射模塊將交織的卷積碼序列映射為多值的LED驅動脈沖
信號;
步驟四、通過LED模塊將多值的LED驅動脈沖信號轉換為多值可見光信號并發(fā)送出
去;
步驟五、通過光電二極管接收多值可見光信號并轉換為多值電脈沖信號；
步驟六、通過自動增益控制模塊對多值電脈沖信號進行適當放大，保持輸出的多值電脈沖信號平均功率的基本恒定；
步驟七、通過多值信號判決模塊將經過自動增益控制的多值電脈沖信號映射為與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列；
步驟八、通過解交織模塊將與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列在時間上去離散化，將其轉換為與卷積碼序列相對應的碼字序列；
步驟九、通過卷積解碼模塊對與卷積碼序列相對應的碼字序列進行解碼，最終得到消息信號的估計值。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明利用多值可見光信號傳輸信息，可以獲得比LED的閃爍頻率更高的通信速率，從而在LED的閃爍頻率受限的情況下有效提高可見光通信的傳輸速率；
(2)本發(fā)明通過使用交織和卷積編碼技術，可以有效減少可見光通信傳輸時的差錯概率，提高可見光通信系統(tǒng)的傳輸性能；
(3)本發(fā)明充分考慮了可見光通信與照明的有機融合，所發(fā)送的可見光信號平均功率恒定，相比傳統(tǒng)的使用OOK信號的可見光通信方法，通過使用交織和卷積編碼，信號的隨機性得到了提高，同時，通過發(fā)送多值可見光信號，降低了可見光信號功率的方差，因此保證了照明的舒適性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。[0011]圖1是本發(fā)明可見光通信傳輸系統(tǒng)的結構示意圖；
圖2是本發(fā)明可見光通信傳輸系統(tǒng)中多值脈沖信號映射模塊的多值脈沖信號映射過程的示意圖；
圖3是本發(fā)明可見光通信傳輸系統(tǒng)中自動增益控制模塊輸入及輸出波形的示意圖?！揪唧w實施方式】
[0012]現在結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。
[0013]如圖1所示，一種可見光通信傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)送端編碼調制模塊及接收端解調解碼模塊，
所述發(fā)送端編碼調制模塊利用交織、卷積編碼、多值脈沖信號映射獲得LED的驅動信號以驅動LED從而得到與信源產生的消息信號相對應的多值可見光信號，包括:
卷積編碼模塊，采用卷積編碼器，用于將信源產生的消息信號轉換為卷積碼序列；
交織模塊，采用交織器，用于將卷積碼序列在時間上離散化，將其轉換為交織的卷積碼序列；
多值脈沖信號映射模塊，采用單片機或FPGA等實現，用于將交織的卷積碼序列映射為多值的LED驅動脈沖信號；
LED模塊,用于將多值的LED驅動脈沖信號轉換為多值可見光信號；
所述接收端解調解碼模塊利用光電二極管將發(fā)送端發(fā)送的多值可見光信號轉換為電信號之后，通過自動增益控制和多值信號判決得到與交織的卷積信號相對應的碼字序列，再經過卷積解碼及解交織之后，最終獲得消息信號的估計值，包括:
光電二極管，用于將多值可見光信號轉換為多值電脈沖信號；
自動增益控制模塊，采用自動增益控制電路實現，用于對多值電脈沖信號進行適當放大，保持輸出的多值電脈沖信號平均功率的基本恒定；
多值信號判決模塊，采用單片機或FPGA實現，用于將經過自動增益控制的多值電脈沖信號映射為與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列；
解交織模塊，采用解交織器，用于將與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列在時間上去離散化，將其轉換為與發(fā)送端編碼調制模塊的卷積碼序列相對應的碼字序列；
卷積解碼模塊，采用維特比譯碼器，用于對與卷積碼序列相對應的碼字序列進行解碼，得到消息信號的估計值，即信宿。
[0014]該可見光通信傳輸系統(tǒng)的傳輸方法如下:
步驟一、通過卷積編碼模塊將信源產生的消息信號轉換為卷積碼序列；
步驟二、通過交織模塊將卷積碼序列在時間上離散化，將其轉換為交織的卷積碼序
列；
步驟三、通過多值脈沖信號映射模塊將交織的卷積碼序列映射為多值的LED驅動脈沖
信號;
步驟四、通過LED模塊將多值的LED驅動脈沖信號轉換為多值可見光信號并發(fā)送出
去;
步驟五、通過光電二極管接收多值可見光信號并轉換為多值電脈沖信號； 步驟六、通過自動增益控制模塊對多值電脈沖信號進行適當放大，保持輸出的多值電脈沖信號平均功率的基本恒定；
步驟七、通過多值信號判決模塊將經過自動增益控制的多值電脈沖信號映射為與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列；
步驟八、通過解交織模塊將與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列在時間上去離散化，將其轉換為與卷積碼序列相對應的碼字序列；
步驟九、通過卷積解碼模塊對與卷積碼序列相對應的碼字序列進行解碼，最終得到消息信號的估計值。
[0015]圖2是多值脈沖信號映射模塊中多值脈沖信號映射的一個示例。這里采用4值脈沖信號映射，即映射之后得到的電脈沖信號的可能值為4種，因此每一個電脈沖信號可以傳輸2bit信息。在映射時，首先將要發(fā)送的碼字序列中的每2位相鄰的二級制碼元編為一組，其組合有“00”、“01”、“10”、“11”四種可能。然后將每組二進制碼元映射為幅度值不同的電脈沖信號。其中，“ 00 ”對應的幅度值為O，“ O I”對應的幅度值為Al，“ 11”對應的幅度值為A2，“ 10”對應的幅度值為A3，(A3>A2>A1>0)。其中Al、A2、A2這三個幅度值的選取原則是保證接收端經光電二極管轉換得到的多值電脈沖信號的相應幅度值0、E1、E2、E3為線性關系，從而減小在多值信號判決時由于噪聲產生的判決錯誤。
[0016]圖3是自動增益控制一個示例。這里在發(fā)送端采用了 4值脈沖信號映射，同時假設沒有噪聲及干擾的影響。通過自動選擇適當的放大倍數，自動增益控制能夠實現當輸入的El、E2、E3在很大范圍變化時，其對應的輸出L1、L2、L3都可以保持基本恒定。圖3中的T1、T2、T3為多值信號判決中事先確定的閾值。在多值信號判決中，Tl、Τ2、Τ3無法用來對光電二極管輸出的多值電脈沖信號進行判決；但當多值電脈沖信號經過自動增益控制之后，可以利用Tl、Τ2、Τ3判決出其對應的二進制序列。
[0017]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(1)本發(fā)明利用多值可見光信號傳輸信息，可以獲得比LED的閃爍頻率更高的通信速率，從而在LED的閃爍頻率受限的情況下有效提高可見光通信的傳輸速率；
(2)本發(fā)明通過使用交織和卷積編碼技術，可以有效減少可見光通信傳輸時的差錯概率，提高可見光通信系統(tǒng)的傳輸性能；
(3)本發(fā)明充分考慮了可見光通信與照明的有機融合，所發(fā)送的可見光信號平均功率恒定，相比傳統(tǒng)的使用OOK信號的可見光通信方法，通過使用交織和卷積編碼，信號的隨機性得到了提高，同時，通過發(fā)送多值可見光信號，降低了可見光信號功率的方差，因此保證了照明的舒適性。
[0018]以上述依據本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。
【權利要求】
1.一種可見光通信傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括發(fā)送端編碼調制模塊及接收端解調解碼模塊， 所述發(fā)送端編碼調制模塊將信源產生的消息信號轉換為相對應的多值可見光信號并發(fā)送出去，包括: 卷積編碼模塊，用于將消息信號轉換為卷積碼序列； 交織模塊，用于將卷積碼序列在時間上離散化，將其轉換為交織的卷積碼序列； 多值脈沖信號映射模塊，用于將交織的卷積碼序列映射為多值的LED驅動脈沖信號； LED模塊，用于將多值的LED驅動脈沖信號轉換為多值可見光信號并發(fā)送出去； 所述接收端解調解碼模塊接收發(fā)送端編碼調制模塊發(fā)送的多值可見光信號，并從中得到消息信號的估計值，包括: 光電二極管，用于將多值可見光信號轉換為多值電脈沖信號； 自動增益控制模塊，用于對多值電脈沖信號進行適當放大，保持輸出的多值電脈沖信號平均功率的基本恒定； 多值信號判決模塊，用于將經過自動增益控制的多值電脈沖信號映射為與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列； 解交織模塊，用于將與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列在時間上去離散化，將其轉換為與卷積碼序列相對應的碼字序列； 卷積解碼模塊，用于對與卷積碼序列相對應的碼字序列進行解碼，得到消息信號的估計值。
2.—種可見光通信傳輸方法，其特征在于，采用如權利要求1中所述的可見光通信傳輸系統(tǒng)，包括如下步驟: 步驟一、通過卷積編碼模塊將信源產生的消息信號轉換為卷積碼序列； 步驟二、通過交織模塊將卷積碼序列在時間上離散化，將其轉換為交織的卷積碼序列； 步驟三、通過多值脈沖信號映射模塊將交織的卷積碼序列映射為多值的LED驅動脈沖信號; 步驟四、通過LED模塊將多值的LED驅動脈沖信號轉換為多值可見光信號并發(fā)送出去; 步驟五、通過光電二極管接收多值可見光信號并轉換為多值電脈沖信號； 步驟六、通過自動增益控制模塊對多值電脈沖信號進行適當放大，保持輸出的多值電脈沖信號平均功率的基本恒定； 步驟七、通過多值信號判決模塊將經過自動增益控制的多值電脈沖信號映射為與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列； 步驟八、通過解交織模塊將與交織的卷積碼序列相對應的碼字序列在時間上去離散化，將其轉換為與卷積碼序列相對應的碼字序列； 步驟九、通過卷積解碼模塊對與卷積碼序列相對應的碼字序列進行解碼，最終得到消息信號的估計值。
【文檔編號】H04L1/00GK103944637SQ201410199988
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權日:2014年5月13日
【發(fā)明者】賈子彥, 陶為戈, 黃成 , 俞洋, 賈中寧, 沈琳 申請人:江蘇理工學院