本實用新型涉及室內(nèi)可見光通信裝置領(lǐng)域，特別是涉及一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置。

背景技術(shù)：

節(jié)能的LED技術(shù)已成為目前室內(nèi)照明設(shè)施的首選，而基于LED的可見光通信作為一種附加在室內(nèi)照明設(shè)施上的功能，因其節(jié)能環(huán)保、不占用緊缺的無線頻譜資源、信息保密性好等優(yōu)點，近年來已成為通信領(lǐng)域研究的熱點。正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸技術(shù)因其具有的信道利用率高、抗多徑衰落能力強和實現(xiàn)復(fù)雜度低等優(yōu)點，已被廣泛引用在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中。

調(diào)光作為室內(nèi)照明設(shè)施最基本的功能，可以滿足人們在日常生活中對不同光照強度的需要，也可以達到節(jié)能環(huán)保的目的。但在傳統(tǒng)的基于改變占空比的調(diào)光方式中，由于在“off”調(diào)光時隙內(nèi)不傳輸信息，使得OFDM信號的通信質(zhì)量和傳輸速率高度依賴于占空比，這對OFDM信號的正常傳輸造成巨大影響。只有把調(diào)光和信號正常傳輸這一對矛盾有效解決之后，才能推動室內(nèi)可精確調(diào)光的可見光OFDM通信裝置的商業(yè)化。

專利“CN201410024723”公開了一種基于OFDM信號的光源調(diào)光技術(shù)，提出在OFDM系統(tǒng)中采用MPPM代替PWM實現(xiàn)精確調(diào)光并且傳輸額外信息。但是仍存在以下不足之處：

(1). 由于在“off”調(diào)光時隙不傳輸信號，當(dāng)室內(nèi)需要較低強度的照明時，即占空比較小時（如D=10%或20%），為保證OFDM信號傳輸速率不變，需要付出系統(tǒng)誤碼率增大的代價；或者，為保證OFDM信號通信質(zhì)量不變，則需要付出傳輸速率降低的代價。因此，為保證OFDM信號正常傳輸，調(diào)光范圍將受限，無法達到全范圍；

(2). 由于在“off”調(diào)光時隙不傳輸信號，當(dāng)室內(nèi)無照明時，即占空比D=0%時，不存在基本通信鏈路；

(3). 由于在“off”調(diào)光時隙不傳輸信號，在當(dāng)前“on”調(diào)光時隙傳輸?shù)腛FDM信號需要等待后續(xù)“on”調(diào)光時隙的OFDM信號，直到接收端收到的“on”調(diào)光時隙的信號拼接為一整個OFDM幀時，才能進行OFDM解調(diào)，故存在信號傳輸時延的問題；

(4). 由于沒有考慮OFDM子載波符號調(diào)制階數(shù)，如果為了保持傳輸速率不變而在改變占空比的同時變化子載波的符號調(diào)制階數(shù)，會使電路設(shè)計復(fù)雜化。

而早在近十年前，專利“CN200780028988”就曾提出在光無線傳輸中同時采用可見光和紅外的設(shè)想，但是，該設(shè)想的初衷是解決“在照明點燈時只能進行低速的光通信”這一問題。目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)水平的飛速發(fā)展，單純的室內(nèi)可見光通信的速率就已經(jīng)能達到上百Mbit/s甚至到Gbit/s，所以，目前專利“CN200780028988”所說的問題已不是主要問題，而且，該專利還存在以下問題需要解決：

(1). 由于用紅外光鏈路作為高速的主要通信鏈路，而用可見光鏈路作為低速的輔助通信鏈路，因此，為達到一定質(zhì)量的高速通信，必將要求紅外光源功率較高，從而影響人體健康，同時，可見光光源的高速通信的潛力也沒有得到有效開發(fā)；

(2). 由于不具備LED光源調(diào)光功能，從而不符合現(xiàn)代室內(nèi)照明系統(tǒng)的設(shè)計理念；

(3). 由于可見光光源和紅外光源發(fā)射的信號波形完全不相同，使得接收時兩種信號會互相干擾，例如，在可見光的“off”時隙時紅外光源全部發(fā)最高電平，由于相應(yīng)的接收機制不完善，這極易造成錯判，影響通信質(zhì)量；

(4). 由于高速率紅外符號無法跨越可見光的“on”和“off” 調(diào)光時隙的邊緣位置，從而要求紅外信號和可見光脈沖信號必須完全同步（即兩者符號邊緣需要對齊），這大大增加了系統(tǒng)復(fù)雜度；

(5). 由于沒有采用OFDM調(diào)制方式，使得通信系統(tǒng)抗多徑衰落能力較差；

(6). 由于可見光光源和紅外光源同時發(fā)射信號，同時被接受，所以當(dāng)接收端采用兩個光電檢測器時，需要保持信號同步，增加系統(tǒng)復(fù)雜度，而當(dāng)接收端只采用一個檢測器接收兩個波段的信號時，其可行性及性能值得懷疑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型主要解決的技術(shù)問題是提供一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少調(diào)光時對OFDM信號傳輸速率和傳輸質(zhì)量的影響。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的一個技術(shù)方案是：提供一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置，包括：調(diào)光脈沖產(chǎn)生器、信源、OFDM調(diào)制器、可見光LED驅(qū)動器、紅外LED驅(qū)動器、商用可見光LED照明光源、低功率紅外LED補償光源、光電檢測器、調(diào)光脈沖判別器、歸一化處理器、OFDM解調(diào)器和信宿，所述調(diào)光脈沖產(chǎn)生器的輸出端分別連接所述可見光LED驅(qū)動器的輸入端以及紅外LED驅(qū)動器的輸入端，所述信源的輸出端連接所述OFDM調(diào)制器的輸入端，所述OFDM調(diào)制器的輸出端分別連接所述可見光LED驅(qū)動器的輸入端以及所述紅外LED驅(qū)動器的輸入端，所述可見光LED驅(qū)動器的輸出端連接所述商用可見光LED照明光源的輸入端，所述紅外LED驅(qū)動器的輸出端連接所述低功率紅外LED補償光源的輸入端，所述商用可見光LED照明光源和所述低功率紅外LED補償光源的輸出光信號發(fā)射進自由空間后，全部或部分作為所述光電檢測器輸入，所述光電檢測器的輸出端連接所述調(diào)光脈沖判別器的輸入端，所述光脈沖判別器的輸出端連接所述歸一化處理器的輸入端，所述歸一化處理器的輸出端連接所述OFDM解調(diào)器的輸入端，所述OFDM解調(diào)器的輸出端連接所述信宿的輸入端。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述調(diào)光脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的是以下三種信號中的一種或者其變種：脈沖寬度調(diào)制PWM信號、脈沖位置調(diào)制PPM信號和多脈沖位置調(diào)制MPPM信號。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述商用可見光LED照明光源全范圍的精確調(diào)光通過改變調(diào)光脈沖產(chǎn)生器中調(diào)光脈沖的占空比進行，所述占空比為D，且0%≤D≤100%，所述紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置在調(diào)光脈沖產(chǎn)生器的“on”調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙始終有連續(xù)的OFDM信號波形傳輸，所述商用可見光LED照明光源在未經(jīng)調(diào)制時的發(fā)射光功率為Pa，所述低功率紅外LED補償光源在未經(jīng)調(diào)制的發(fā)射光功率為Pb，所述Pa遠大于Pb。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述OFDM調(diào)制器的輸出為雙極性O(shè)FDM信號f(t)，所述可見光LED驅(qū)動器同時受所述調(diào)光脈沖產(chǎn)生器和所述OFDM調(diào)制器的控制，在“on”調(diào)光時隙，所述可見光LED驅(qū)動器將OFDM信號調(diào)制到所述商用可見光LED照明光源，且調(diào)制指數(shù)為Ma，故此時所述商用可見光LED照明光源的發(fā)射光功率為Pa*(1+Ma*f(t))；在“off”調(diào)光時隙，所述可見光LED驅(qū)動器不對所述商用可見光LED照明光源調(diào)制任何信號，故此時所述商用可見光LED照明光源發(fā)射光功率為0。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述紅外LED驅(qū)動器同時受所述調(diào)光脈沖產(chǎn)生器和所述OFDM調(diào)制器的控制，在“on”調(diào)光時隙，所述紅外LED驅(qū)動器不對所述低功率紅外LED補償光源調(diào)制任何信號，故此時所述低功率紅外LED補償光源的發(fā)射光功率為0；在“off”調(diào)光時隙，所述紅外LED驅(qū)動器將OFDM信號調(diào)制到所述低功率紅外LED補償光源，且調(diào)制指數(shù)為Mb，故此時所述低功率紅外LED補償光源的發(fā)射光功率為Pb*(1+Mb*f(t))。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述光電檢測器輪流在“on” 調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙接收所述商用可見光LED照明光源和所述低功率紅外LED補償光源發(fā)射的OFDM信號波形，所述光電檢測器的數(shù)目為1，在“on”調(diào)光時隙，所述光電檢測器輸出的電信號為Ra*Ha(0)*Pa*(1+Ma*f(t))，在“off”調(diào)光時隙，所述光電檢測器輸出的電信號為Rb*Hb(0)*Pb*(1+Mb*f(t))，其中Ra、Rb分別是所述光電檢測器在所采用的可見光波段和紅外波段的光電轉(zhuǎn)換效率，Ha(0)與Hb(0)分別是所采用的可見光波段和紅外波段的信道直流增益，當(dāng)所述商用可見光LED照明光源和所述低功率紅外LED補償光源安裝位置近時，Ha(0)與Hb(0)視為相等。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述調(diào)光脈沖判別器根據(jù)光電檢測器輸出的電信號，以判決門限0.5*(Ra*Ha(0)*Pa+Rb*Hb(0)*Pb)來自動判別“on”調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙，若該時隙平均電信號幅度大于或等于判決門限，則判定為“on” 調(diào)光時隙，否則，判定為“off”調(diào)光時隙。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述調(diào)光脈沖判別器通過以下方法實現(xiàn)判決：在每個總時隙數(shù)為n的調(diào)光碼元中選出nD個脈沖幅度最大的時隙判定為“on” 調(diào)光時隙，將剩余n(1-D)時隙判定為“off”調(diào)光時隙。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述歸一化處理器根據(jù)所述調(diào)光脈沖判別器的判別結(jié)果，對“on”調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙內(nèi)的波形進行不同的處理，對于判定為“on”調(diào)光時隙內(nèi)的波形，首先去除直流分量，然后除以歸一化因子Ga，得到歸一化OFDM波形f(t)，其中Ga=Ra* Ha(0)*Pa*Ma；對于判定為“off”調(diào)光時隙內(nèi)的波形，首先去除直流分量，然后除以歸一化因子Gb，得到歸一化OFDM波形f(t)，其中Gb=Rb*Hb(0)*Pb*Mb。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述歸一化處理器輸出的歸一化OFDM波形f(t)輸入到所述OFDM信號解調(diào)器，所述OFDM信號解調(diào)器直接對f(t)進行解調(diào)，并將解調(diào)結(jié)果輸出到信宿。

本實用新型的有益效果是：本實用新型指出的一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置，既可以傳輸OFDM信號，又可以進行調(diào)光占空比0%至100%之間精確的調(diào)光，且調(diào)光時幾乎不對OFDM信號的傳輸速率、傳輸質(zhì)量造成影響，即使在0%占空比（關(guān)燈）情況下，也能進行正常的OFDM數(shù)據(jù)傳輸，OFDM子載波符號的調(diào)制階數(shù)可以保持恒定，簡化了電路設(shè)計，歸一化處理器使得同一個OFDM信號可以跨越“on”調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙的邊緣位置，故不需要OFDM信號與調(diào)光脈沖之間實現(xiàn)同步，這樣可以大大降低傳統(tǒng)方案解調(diào)過程中的錯判概率，并有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，有效避免傳統(tǒng)調(diào)光方案因“off” 調(diào)光時隙不傳輸OFDM信號而帶來的傳輸延遲，采用功率差異顯著的商用可見光LED照明光源和低功率紅外LED補償光源，既可以滿足室內(nèi)照明的需要，又可以保證人體不受紅外傷害，還可以滿足信號解調(diào)的需要，采用的雙極性O(shè)FDM信號f(t)不會對調(diào)光的精確性產(chǎn)生任何影響，且系統(tǒng)抗多徑衰落能力強，接收端只采用一個光電檢測器，故避免了采用多個光電檢測器之間的信號同步問題，可見光信號和紅外信號輪流在“on” 調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙發(fā)送，也避免了只采用一個檢測器同時探測多波段信號而帶來的性能不確定性。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是本實用新型一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置一較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為OFDM信號在發(fā)送端和接收端的具體波形示意圖；

圖3為傳輸速率恒定時，在不同調(diào)光占空比下OFDM子載波符號的調(diào)制階數(shù)；

圖4為傳輸速率和OFDM子載波符號的調(diào)制階數(shù)都恒定時，在不同調(diào)光占空比下的OFDM信號的仿真誤碼率。

具體實施方式

下面將對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

請參閱圖1至圖4，本實用新型實施例包括：

一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置，如圖1所示，包括：調(diào)光脈沖產(chǎn)生器、信源、OFDM調(diào)制器、可見光LED驅(qū)動器、紅外LED驅(qū)動器、商用可見光LED照明光源、低功率紅外LED補償光源、光電檢測器、調(diào)光脈沖判別器、歸一化處理器、OFDM解調(diào)器和信宿，所述調(diào)光脈沖產(chǎn)生器的輸出端分別連接所述可見光LED驅(qū)動器的輸入端以及紅外LED驅(qū)動器的輸入端，所述信源的輸出端連接所述OFDM調(diào)制器的輸入端，所述OFDM調(diào)制器的輸出端分別連接所述可見光LED驅(qū)動器的輸入端以及所述紅外LED驅(qū)動器的輸入端，所述可見光LED驅(qū)動器的輸出端連接所述商用可見光LED照明光源的輸入端，所述紅外LED驅(qū)動器的輸出端連接所述低功率紅外LED補償光源的輸入端，所述商用可見光LED照明光源和所述低功率紅外LED補償光源的輸出光信號發(fā)射進自由空間后，全部或部分作為所述光電檢測器輸入，所述光電檢測器的輸出端連接所述調(diào)光脈沖判別器的輸入端，所述光脈沖判別器的輸出端連接所述歸一化處理器的輸入端，所述歸一化處理器的輸出端連接所述OFDM解調(diào)器的輸入端，所述OFDM解調(diào)器的輸出端連接所述信宿的輸入端。

本實用新型的思路是基于傳統(tǒng)可見光通信調(diào)光方案，采用一個低功率紅外補償通信鏈路，使裝置在 “on” 調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙始終有連續(xù)的OFDM信號波形傳輸，這樣便能有效解決傳統(tǒng)方案中“off”調(diào)光時隙不傳輸任何信號的窘境，并避免信號同步和延遲等問題，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

本實用新型裝置的OFDM信號在發(fā)送端和接收端的具體波形示意圖如圖2所示，這里假設(shè)精確調(diào)光占空比為55.5%，即每9個調(diào)光時隙內(nèi)有5個為“on”調(diào)光時隙。在發(fā)送端，信源發(fā)出的二進制比特流進入所述OFDM調(diào)制器后，被調(diào)制成雙極性O(shè)FDM信號。在“on”調(diào)光時隙，OFDM信號f(t)僅被所述可見光LED驅(qū)動器調(diào)制到所述商用可見光LED照明光源，故發(fā)射光功率為Pa*(1+Ma*f(t))；在“off”調(diào)光時隙，OFDM信號僅被所述紅外LED驅(qū)動器調(diào)制到所述商用可見光LED照明光源，故發(fā)射光功率為Pb*(1+Mb*f(t))。同時，在“on”調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙傳輸?shù)腛FDM信號波形連續(xù)，速率相同。另外，所述商用可見光LED照明光源和所述低功率紅外LED補償光源發(fā)射光強差異顯著，可確保人體健康并滿足照明及信號解調(diào)的需要，所述低功率紅外LED補償光源發(fā)射光強滿足國際標準International Electrotechnical Commission(IEC)規(guī)定的IEC60825-1和American National Standards Institute (ANSI)規(guī)定的ANSI Z136.1。

需要注意的是，連續(xù)的OFDM波形加載在調(diào)光脈沖上，并不要求波形和脈沖之間嚴格對齊，所以，考慮接收端采用的歸一化處理器，這將有效避免信號同步的問題。同時需要注意的是，在傳統(tǒng)調(diào)光方案中，每個OFDM信號需要等一整個幀長的信號全部接收到才能進行解調(diào)，由于“off”時隙不傳輸OFDM信號，帶來的傳輸延遲不容忽視。而本實用新型中，在連續(xù)的“on”和“off”調(diào)光時隙均有波形連續(xù)的OFDM信號被傳輸，這樣可以有效避免傳輸?shù)难舆t的問題。還需注意的是，雙極性的OFDM信號加載在可見光調(diào)光脈沖之上，并不改變可見光LED的平均發(fā)射光功率，因而OFDM傳輸對調(diào)光的精確性毫無影響。

在接收端，采用一個所述光電檢測器輪流在“on” 調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙接收所述商用可見光LED照明光源和所述低功率紅外LED補償光源發(fā)射的OFDM信號波形。此時，光信號已通過自由空間，就無需再考慮照明，接下來的問題便是如何解調(diào)收到的OFDM信號?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論在“on”還是“off”調(diào)光時隙，雖然收到的OFDM信號和發(fā)送端原始OFDM信號不同，但是每個時隙內(nèi)的波形的形狀是相同的，而原始OFDM信號的信息恰恰包含在這些起伏變化的波形里。在“on”調(diào)光時隙，所述光電檢測器輸出的電信號為Ra*Ha(0)*Pa*(1+Ma*f(t))；而在“off”調(diào)光時隙，所述光電檢測器（8）輸出的電信號為Rb*Hb(0)*Pb*(1+Mb*f(t))。我們發(fā)現(xiàn)，因為“on” 調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙內(nèi)電信號幅度差值較大，所以可以取兩者的中點，即以判決門限0.5*(Ra*Ha(0)*Pa+Rb*Hb(0)*Pb)來自動判別“on”調(diào)光時隙和“off”調(diào)光時隙。若該時隙平均電信號幅度大于或等于判決門限，則判定為“on”時隙；否則，判定為“off”時隙。

所述調(diào)光脈沖判別器也可以通過以下方法實現(xiàn)判決：在每個總時隙數(shù)為n的調(diào)光碼元中選出nD個脈沖幅度最大的時隙判定為“on”時隙，將剩余n(1-D)時隙判定為“off”時隙。

接下來，所述歸一化處理器根據(jù)所述調(diào)光脈沖判別器的判別結(jié)果，對“on”和“off”時隙內(nèi)的波形進行不同的處理，具體方案如下：對于判定為“on”時隙內(nèi)的波形，首先去除直流分量，然后除以歸一化因子Ga，得到歸一化波形f(t)，其中Ga=Ra*Ha(0)*Pa*Ma；對于判定為“off”時隙內(nèi)的波形，首先去除直流分量，然后除以歸一化因子Gb，得到歸一化波形f(t)，其中Gb=Rb*Hb(0)*Pb*Mb。最后，將從所述的歸一化處理器輸出的歸一化OFDM波形f(t)輸入到所述OFDM信號解調(diào)器，所述OFDM信號解調(diào)器直接對f(t)進行解調(diào)，并將解調(diào)結(jié)果輸出到信宿。

當(dāng)OFDM信號傳輸速率恒定為50Mbit/s時，本實用新型裝置在不同調(diào)光占空比下采用的OFDM子載波符號的調(diào)制階數(shù)如圖3所示，這里僅以MQAM為例舉例進行說明?？梢钥闯觯琌FDM子載波符號的調(diào)制階數(shù)在不同調(diào)光占空比下可以恒定保持為4，這將大大簡化通信系統(tǒng)電路的設(shè)計。

當(dāng)OFDM信號傳輸速率恒定為50Mbit/s，且OFDM子載波符號的調(diào)制階數(shù)在不同調(diào)光占空比下恒定保持為4時，本裝置在不同調(diào)光占空比下的仿真誤碼率如圖4所示。此時可以看出，在任意占空比下調(diào)光時，通信誤碼率均可達到10^-4數(shù)量級以下，這說明了調(diào)光對系統(tǒng)通信質(zhì)量的影響幾乎可以忽略不計。

綜上所述，本實用新型指出的一種紅外補償全范圍調(diào)光的可見光OFDM通信裝置，安裝在室內(nèi)，能夠使室內(nèi)照明系統(tǒng)在全范圍調(diào)光的同時進行OFDM信號的正常傳輸，結(jié)構(gòu)簡單，信號傳輸穩(wěn)定，對人體的傷害可以忽略不計。

以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內(nèi)。