一種多入多出可見光通信系統(tǒng)的同步方法
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)基于多入多出（MIMO）的可見光通信中的同步問題，提出了一種解決方法。包括電路原理圖的設(shè)計(jì)，程序流程設(shè)計(jì)，幀格式設(shè)計(jì)和發(fā)送端控制設(shè)置。實(shí)驗(yàn)方案通過改進(jìn)幀格式，使系統(tǒng)在獲取同步信息階段，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于單入單出（SISO）模式，即多路信號(hào)具有一致性，并通過設(shè)置選路模塊以確保系統(tǒng)能夠在不同情況下，自行選擇合適的信號(hào)進(jìn)行選通，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。獲取同步信號(hào)以后，即進(jìn)入MIMO模式，利用MIMO可并行發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)信息高速發(fā)送。本方案是結(jié)合SISO可見光通信系統(tǒng)以及MIMO可見光通信系統(tǒng)兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了MIMO可見光通信系統(tǒng)同步。
【專利說明】—種多入多出可見光通信系統(tǒng)的同步方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為一種多入多出可見光通信系統(tǒng)同步方法，屬于光通信領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著LED燈照明的普及，對(duì)可見光通信系統(tǒng)的研究也得到的各界的廣泛關(guān)注。其優(yōu)勢(shì)也日漸凸顯，如:無輻射，對(duì)人體健康不構(gòu)成危害；保密性好；無需占用有限的無線電頻譜資源；無電磁干擾，可以用于某些特殊場(chǎng)合，如飛機(jī)機(jī)艙，化工廠等需要屏蔽電磁干擾的地方以及室內(nèi)無線通信的光接入部分；另外，LED燈價(jià)格低廉，壽命長(zhǎng)，能耗低，照明通信兩不誤，體積小等優(yōu)點(diǎn)也促進(jìn)了對(duì)該技術(shù)的研究。然而，可見光通信的研究同樣面臨著巨大的困難，如:LED燈的調(diào)制帶寬并不理想，也只能達(dá)到約3MHz，這點(diǎn)嚴(yán)重影響著可見光通信速率的提升。介于此，人們將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了如何提升可見光通信的速率，并提出了多種可行方案，如改變編碼方式，采用不同的調(diào)制技術(shù)，和采用多入多出(MIMO)技術(shù)。其中MMO技術(shù)通過空間復(fù)用方法能夠在采用簡(jiǎn)單調(diào)制方式下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率上的大幅提升。為了實(shí)現(xiàn)MMO系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)恢復(fù)，系統(tǒng)必須做到收端和發(fā)端數(shù)據(jù)的同步；而可見光MMO通信系統(tǒng)是基于可見光的MMO無線通信系統(tǒng)，不同于電磁波的無線通信系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)(SIS0單入單出)。所以對(duì)可見光MMO通信系統(tǒng)的同步機(jī)制的研究存在必要性。目前尚沒有資料提及可見光MIMO通信過程中的同步是如何實(shí)現(xiàn)的，然而可見光通信又是不同于已經(jīng)發(fā)展成熟的電通信以及光纖通信的，如果將原有的同步技術(shù)不加改善的用到可見光通信中，則在實(shí)際操作，尤其是在基于MMO的可見光通信同步實(shí)現(xiàn)過程中會(huì)遇到很大困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)基于多入多出(MMO)的可見光通信中的同步問題，提出了一種解決方法。本方案是結(jié)合SISO可見光通信系統(tǒng)以及MMO可見光通信系統(tǒng)兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了 MMO可見光通信系統(tǒng)同步，并通過增加選路模塊提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。
[0004]發(fā)明的技術(shù)方案如下:
1、一種多入多出可見光通信系統(tǒng)的同步方法，其特征在于，該方法包含以下步驟:
步驟1:接收端啟動(dòng)，設(shè)定定時(shí)器以正常接收信息時(shí)周期的1/3啟動(dòng)A/D，并選通線路；步驟2:檢測(cè)下降沿，若檢測(cè)到下降沿則修改定時(shí)器周期為正常接收信息時(shí)的周期，同時(shí)關(guān)閉下降沿檢測(cè)；
步驟3:定時(shí)器周期中斷啟動(dòng)A/D采樣，同時(shí)統(tǒng)計(jì)采樣次數(shù)；
步驟4:根據(jù)信道相關(guān)逆矩陣原理對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，同時(shí)從采樣數(shù)據(jù)中選擇信號(hào)變化較大的一路進(jìn)行標(biāo)記，并根據(jù)采樣次數(shù)判斷是否采樣結(jié)束；
步驟5:若采樣結(jié)束，則將標(biāo)記的線路選通，同時(shí)開啟下降沿檢測(cè)，并關(guān)閉定時(shí)器，轉(zhuǎn)到步驟2繼續(xù)執(zhí)行；
所述步驟2中，按照如下的設(shè)置檢測(cè)下降沿: 步驟1:接收端，選通信號(hào)變化較大的一路信號(hào)，并連接至外部中斷，設(shè)置中斷方式為下降沿中斷；
步驟2:發(fā)射端，設(shè)置每一路LED在空閑期保持亮的狀態(tài)，并設(shè)置每一路LED在發(fā)射信息開始時(shí)滅；
步驟3:發(fā)射端開始發(fā)射信息時(shí)，接收端檢測(cè)到所有LED燈滅產(chǎn)生的下降沿；
步驟4:檢測(cè)到下降沿，即實(shí)現(xiàn)同步，繼而進(jìn)行后續(xù)操作。
[0005]本發(fā)明的有益效果:
可見光同步技術(shù)中，光強(qiáng)只有正值，無法滿足雙極性，也就不能采用電通信中從雙極性線路碼獲得定時(shí)信息的方法。而在多入多出可見光通信系統(tǒng)中，每個(gè)接收端接收到的光信號(hào)是多路光信號(hào)的疊加，也就無法定義如光纖通信中消光比的概念，這樣原有的同步技術(shù)將很難應(yīng)用到可見光多入多出通信系統(tǒng)中。本同步方法是結(jié)合可見光多入多出通信系統(tǒng)的特殊性設(shè)計(jì)的，具有易操作性，有效解決了可見光多入多出通信系統(tǒng)的同步問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是多入多出可見光通信的一個(gè)簡(jiǎn)單模型，只含發(fā)射陣列和接收陣列。
[0007]圖2是接收陣列的示意圖。A、B、C、D代表四個(gè)PIN探測(cè)器。
[0008]圖3是發(fā)送信息過程中的幀排列方式，以及幀格式。
[0009]圖4是多入多出可見光通彳目系統(tǒng)同步方案的原理圖。
[0010]圖5是接收端程序設(shè)計(jì)流程。
[0011]圖6是實(shí)驗(yàn)中接收的一路信號(hào)有重疊的波形圖。
[0012]I是LED燈陣列，2是天花板或某固定LED陣列的支架，3是聚光透鏡，4是接收陣列。

【具體實(shí)施方式】
[0013]以下以2X2的發(fā)射陣列、接收陣列為例說明。
[0014]1、以O(shè)OK-RZ碼方式，利用單片機(jī)的四個(gè)引腳將信號(hào)通過調(diào)制電路加載到4個(gè)LED燈上。
[0015]2、設(shè)置幀格式，在每一幀數(shù)據(jù)信息前邊加入4個(gè)0，即在每一幀發(fā)送開始時(shí)讓4個(gè)燈全滅，以產(chǎn)生下降沿。
[0016]3、在每幀信息發(fā)送完畢時(shí)的空閑期，將發(fā)送引腳置為高電平，即保持LED燈亮。同時(shí)接收端處于檢測(cè)下降沿的狀態(tài)中。下一幀信息發(fā)送開始時(shí)產(chǎn)生下降沿，即可使接收端同步并開始接收信息。
[0017]4、接收端在首次啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置定時(shí)器周期啟動(dòng)A/D采樣，注意，這時(shí)A/D的啟動(dòng)頻率是正常接收信息時(shí)的3倍(或更高)，以便可以快速判斷出哪一路的信號(hào)適合用于觸發(fā)外部中斷。
[0018]5、當(dāng)外部中斷觸發(fā)后，則立即關(guān)閉外部中斷，初始化統(tǒng)計(jì)接收數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的變量，該變量用于在接收到一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后，即認(rèn)為接收完成，進(jìn)而立即停止A/D采樣。假如，在觸發(fā)外部中斷后不立即關(guān)閉外部中斷，則會(huì)造成多次初始化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的變量，導(dǎo)致接收不能準(zhǔn)確判斷何時(shí)停止，使接收錯(cuò)誤。
[0019]6、進(jìn)入外部中斷后，啟動(dòng)定時(shí)器，此時(shí)定時(shí)器的周期中斷啟動(dòng)A/D的頻率與信息發(fā)送的頻率保持一致，但計(jì)數(shù)器在開始啟動(dòng)時(shí)的初始值不應(yīng)該是0，若設(shè)成O則會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)信號(hào)交替變換的瞬間進(jìn)行采樣，不能準(zhǔn)確的采到比較穩(wěn)定的信號(hào)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試顯示，在每個(gè)信號(hào)的后半周期，信號(hào)波形相對(duì)穩(wěn)定。據(jù)此，將計(jì)數(shù)器的初始值設(shè)定為0.2-0.4個(gè)周期。
[0020]7、定時(shí)器周期中斷啟動(dòng)A/D，A/D對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行采樣以后進(jìn)入到A/D中斷程序中對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)和處理，并統(tǒng)計(jì)接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，同時(shí)分析每個(gè)信道的信號(hào)幅值變化特征，以便選通接收下一幀數(shù)據(jù)時(shí)用于觸發(fā)外部中斷的線路。
[0021]8、當(dāng)接收數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到每一幀數(shù)據(jù)的固定長(zhǎng)度時(shí)則關(guān)閉計(jì)時(shí)器，即同樣終止了 A/D采樣。根據(jù)步驟7中對(duì)數(shù)據(jù)的處理和每個(gè)信道幅值特征的分析結(jié)果來選通某一路滿足觸發(fā)外部中斷條件的線路。
[0022]9、等待下一次觸發(fā)，并重復(fù)以上步驟。
[0023]上述步驟2中所述的設(shè)置幀格式，前邊的4個(gè)O分別加載到4個(gè)燈上，使4個(gè)燈全滅。此時(shí)4個(gè)燈全亮或全滅就相當(dāng)于I個(gè)燈的效果，這種實(shí)現(xiàn)方法實(shí)際上是結(jié)合了單入單出系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，用于多入多出系統(tǒng)中同步問題的解決。
[0024]上述步驟7中所述A/D中斷程序?qū)Σ蓸拥降臄?shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)和處理是利用到了信道相關(guān)逆矩陣進(jìn)行恢復(fù)。關(guān)于具體的恢復(fù)算法可參考文獻(xiàn)“Mult1-1nput Mult1-Output(ΜΙΜΟ) indoor optical wireless communicat1ns，，。
[0025]上述步驟7和8中所述信道幅值分析是對(duì)每次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)某一路的信號(hào)幅值高于2V或低于1.2V時(shí)則進(jìn)行標(biāo)記，最終從能同時(shí)滿足高電平高于2V低電平低于1.2V的線路中選擇變化幅值最大的一路進(jìn)行選通，用于觸發(fā)外部中斷。以此自適應(yīng)的方法來確保系統(tǒng)更穩(wěn)定的運(yùn)行。
[0026]圖6即為實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的某一路的信號(hào)波形。從圖形上可以看出，在從空閑期進(jìn)入幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先出現(xiàn)了一個(gè)低電平，該圖顯示的是某一路的波形，而此時(shí)4路的第一位均是低電平，即便幾路信號(hào)出現(xiàn)疊加也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很顯著的低電平，相對(duì)于后邊傳輸數(shù)據(jù)過程中因重疊后而出現(xiàn)階梯的情況，這種低電平更有利于滿足下降沿觸發(fā)條件。利用這點(diǎn)可以很好地實(shí)現(xiàn)同步。另外，關(guān)于數(shù)據(jù)處理過程中對(duì)某路信號(hào)幅值變化的分析，即找出圖中每一路的電平上限和電平下限，選擇上下限差值較大的一路作為選通信號(hào)即可。這一點(diǎn)也使同步更加穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種多入多出可見光通信系統(tǒng)的同步方法，其特征在于，該方法包含以下步驟: 步驟1:接收端啟動(dòng)，設(shè)定定時(shí)器以正常接收信息時(shí)周期的1/3啟動(dòng)A/D，并選通線路； 步驟2:檢測(cè)下降沿，若檢測(cè)到下降沿則修改定時(shí)器周期為正常接收信息時(shí)的周期，同時(shí)關(guān)閉下降沿檢測(cè)； 步驟3:定時(shí)器周期中斷啟動(dòng)A/D采樣，同時(shí)統(tǒng)計(jì)采樣次數(shù)； 步驟4:根據(jù)信道相關(guān)逆矩陣原理對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，同時(shí)從采樣數(shù)據(jù)中選擇信號(hào)變化較大的一路進(jìn)行標(biāo)記，并根據(jù)采樣次數(shù)判斷是否采樣結(jié)束； 步驟5:若采樣結(jié)束，則將標(biāo)記的線路選通，同時(shí)開啟下降沿檢測(cè)，并關(guān)閉定時(shí)器，轉(zhuǎn)到步驟2繼續(xù)執(zhí)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多入多出可見光通信系統(tǒng)的同步方法，其特征在于，所述步驟2中，按照如下的設(shè)置檢測(cè)下降沿: 步驟1:接收端，選通信號(hào)變化較大的一路信號(hào)，并連接至外部中斷，設(shè)置中斷方式為下降沿中斷； 步驟2:發(fā)射端，設(shè)置每一路LED在空閑期保持亮的狀態(tài)，并設(shè)置每一路LED在發(fā)射信息開始時(shí)滅； 步驟3:發(fā)射端開始發(fā)射信息時(shí)，接收端檢測(cè)到所有LED燈滅產(chǎn)生的下降沿； 步驟4:檢測(cè)到下降沿，即實(shí)現(xiàn)同步，繼而進(jìn)行后續(xù)操作。
【文檔編號(hào)】H04B10/116GK104243032SQ201410423892
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】梁忠誠(chéng), 劉學(xué)明, 張妥, 張琪, 居秋琦 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)