本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可見光通信接收方法及其接收系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的紅外和無線通信相比，led可見光通信技術(shù)具有發(fā)射功率高、無電磁干擾、無需申請頻譜資源和信息的保密性等優(yōu)點(diǎn)。然而，可見光通信仍然面臨不少挑戰(zhàn)，其中最大挑戰(zhàn)之一是碼間干擾大大限制了可見光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。用于照明的白光led一般為led陣列形式，不同的點(diǎn)光源led對應(yīng)著不同的光路徑，而光路徑間信號傳輸?shù)难舆t會(huì)產(chǎn)生碼間干擾；同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率比較高時(shí)，由于led帶寬的限制，會(huì)造成一個(gè)信號的影響擴(kuò)展到相鄰信號上，產(chǎn)生碼間干擾而使系統(tǒng)誤碼率大大提升；并且由于信道不理想，碼元在發(fā)送過程中會(huì)發(fā)生拓寬和時(shí)延，在波形上表現(xiàn)為碼元脈沖產(chǎn)生拖尾，相鄰脈沖的拖尾會(huì)互相重疊，亦會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，提升了誤碼率，從而影響了通信的質(zhì)量。一般情況下，可通過改變編碼方式，如：將ook調(diào)制方式中不歸零編碼改為歸零碼或使用正交頻分復(fù)用技術(shù)來降低碼間干擾。然而卻大大地增加了可見光通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

在散射、中繼、微波等通信領(lǐng)域中，常使用分集接收技術(shù)來解決由于信道參數(shù)的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致的多徑效應(yīng)。分集接收技術(shù)是同一信號通過不同的路徑、時(shí)間、角度、頻率等方式分散傳輸，接收端獲得多組獨(dú)立信號，并通過合適的合并方式，如選擇合并、等增益合并或最大比值相加等；將多組獨(dú)立信號合并成總的接收信號。同時(shí)在分集接收系統(tǒng)中，由于接收模塊具有多個(gè)光電探測器，相當(dāng)于增大了光電二極管的接收面積，從而為系統(tǒng)提供了分集增益，故可使用分集接收技術(shù)來改善可見光通信系統(tǒng)的性能。然而，由于無線信道的時(shí)變性與隨機(jī)性，不同的環(huán)境下所選取的合并方式不同；且所接收的數(shù)據(jù)是信道中受干擾的原始數(shù)據(jù)，并沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可見光通信接收方法，包括以下步驟：

步驟1、第一可編程門陣列將信源發(fā)出的視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

步驟2、所述數(shù)字信號通過led驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)led燈具發(fā)射光信號；

步驟3、所述光信號經(jīng)過n個(gè)光電檢測器件進(jìn)入接收子系統(tǒng)，其中，n為正整數(shù)；所述n個(gè)光電檢測器對應(yīng)傳輸子系統(tǒng)的n個(gè)子信道；所述n個(gè)子信道對應(yīng)接收子系統(tǒng)的n個(gè)數(shù)據(jù)流；

步驟4、所述的n個(gè)數(shù)據(jù)流經(jīng)過放大處理、濾波處理后，輸出到經(jīng)過訓(xùn)練后的神經(jīng)元合并模塊中；

步驟5、所述神經(jīng)元合并模塊將所述n個(gè)數(shù)據(jù)流作均衡處理并輸出合并數(shù)據(jù)流；所述合并數(shù)據(jù)流經(jīng)第二可編程門陣列解調(diào)處理轉(zhuǎn)化為視頻信號。

在步驟5中，經(jīng)過訓(xùn)練后的所述神經(jīng)元合并模塊包括以下步驟：

步驟51、訓(xùn)練時(shí)，把一組輸入值和與之相匹配的期望值給予所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，按這組訓(xùn)練數(shù)據(jù)來調(diào)整連接加權(quán)值。通過所述的期望值與正向傳播的實(shí)際輸出值對比可得到誤差信號；

e(x)＝[y(x)-f(x)]²

式中，wij是第i個(gè)神經(jīng)元與第j個(gè)神經(jīng)元的連接加權(quán)取值；vj是第j個(gè)神經(jīng)元的輸出；qi是第i個(gè)神經(jīng)元的閾值；f為激活函數(shù),n表示n個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)；e(x)表示誤差準(zhǔn)則函數(shù)，和y(x)分別代表輸入信號以及與之相對應(yīng)的實(shí)際輸出信號；f(x)為期望輸出信號；

步驟52、利用梯度下降法進(jìn)行誤差反向傳播和權(quán)值校正，通過反復(fù)學(xué)習(xí)使所述的誤差信號達(dá)到或低于設(shè)定值；

其中，ωij代表連接加權(quán)值，γ表示學(xué)習(xí)速率，e(x)表示誤差準(zhǔn)則函數(shù)；

步驟53、通過上述方程的訓(xùn)練可以使所述的連接加權(quán)值調(diào)整到使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出與所述的期望輸出間的均方誤差最小。經(jīng)過bp算法訓(xùn)練后，對于任意輸入值，神經(jīng)元均衡器均能給出相對較為合適的輸出。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對信道的均衡處理。

本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可見光通信接收方法的接收系統(tǒng)，包括：發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)具有：第一可編程門陣列、led驅(qū)動(dòng)電路和led燈具；所述的第一可編程門陣列、led驅(qū)動(dòng)電路和led燈具依次連接：所述的第一可編程陣列連接led驅(qū)動(dòng)電路，所述的led驅(qū)動(dòng)電路接led燈具；所述接收子系統(tǒng)具有：n個(gè)光電檢測器件、adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器、神經(jīng)元合并模塊、第二可編程門陣列。所述的n個(gè)光電檢測器件、adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器、神經(jīng)元合并模塊、第二可編程門陣列依次連接：所述的n個(gè)光電檢測器件接adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述的adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器接神經(jīng)元合并模塊，所述的神經(jīng)元合并模塊接第二可編程門陣列。所述傳輸子系統(tǒng)用于把led燈具發(fā)出的可見光信號傳輸給n個(gè)光電檢測器件；所述n個(gè)光電檢測器件對應(yīng)傳輸子系統(tǒng)的n個(gè)子信道；所述第一可編程門陣列、led驅(qū)動(dòng)電路、led燈具、光電檢測器件、adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器、神經(jīng)元合并模塊和第二可編程門陣列依次連接；所述第一可編程門陣列將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把所述數(shù)字信號傳輸給led驅(qū)動(dòng)電路；所述led驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)led燈具發(fā)射光信號；所述光信號經(jīng)過自由空間進(jìn)入光電檢測器件；所述n個(gè)光電檢測器件把光信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，形成n路數(shù)據(jù)流；所述adc數(shù)模轉(zhuǎn)換器把光電檢測器件輸出的模擬信號取樣成n路數(shù)字信號；所述的n路數(shù)字信號經(jīng)神經(jīng)元合并模塊進(jìn)行合并以及均衡處理后，輸?shù)降诙删幊涕T陣列；所述第二可編程門陣列把信號經(jīng)過解調(diào)還原為視頻信號，其中，n為正整數(shù)。

所述led驅(qū)動(dòng)電路包括：信源、可變電阻、高速緩沖器、biastee模塊、直流電流源和限流電阻，所述的信源、可變電阻、高速緩沖器、biastee模塊和限流電阻依次連接；所述直流電流源的正極和信源連接，所述直流電流源的負(fù)極和biastee模塊連接；所述的biastee模塊包括電容和電感；所述電感的一端與直流電流源的負(fù)極連接，所述電感的另一端與電容的負(fù)極連接，所述電容的正極與高速緩沖器連接；所述信源輸出的電信號通過高速緩沖器傳輸?shù)絙iastee模塊，所述直流電流源所輸出的直流電信號與高速緩沖器所傳輸?shù)男盘栐赽iastee模塊中進(jìn)行耦合以生成耦合電信號；所述耦合電信號通過限流電阻輸出到led燈具。

所述神經(jīng)元合并模塊其合并處理過程在可編程門陣列或數(shù)字信號處理芯片等信號處理芯片中進(jìn)行。

所述發(fā)射子系統(tǒng)還包括：第一液晶顯示器和攝影機(jī)，所述接收子系統(tǒng)還包括放大電路、濾波電路和第二液晶顯示器；所述的第一液晶顯示器和攝影機(jī)均與第一可編程門陣列連接，光電檢測器件通過前置放大電路和后置放大電路與adc數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，第二可編程門陣列和第二液晶顯示器連接；所述的攝影機(jī)將視頻信號傳輸給第一可編程門陣列；所述第一可編程門陣列把視頻信號傳輸給第一液晶顯示器；所述光電檢測器件把模擬信號通過放大電路進(jìn)行放大處理；放大后的所述模擬信號經(jīng)過濾波電路進(jìn)行濾波處理再傳輸給adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述第二可編程門陣列把視頻信號傳輸給第二液晶顯示器。

本發(fā)明的接收系統(tǒng)，可以包括分集接收技術(shù)與神經(jīng)元合并網(wǎng)絡(luò)。所述分集接收技術(shù)是同一信號通過不同的路徑、時(shí)間、角度、頻率等方式分散傳輸，在接收端由多個(gè)光電檢測器件獲得多組獨(dú)立信號，并通過合適的合并方式，如選擇合并、等增益合并或最大比值相加等；將多組獨(dú)立信號合并成總的接收信號。同時(shí)由于分集接收技術(shù)有多個(gè)光電檢測器，相當(dāng)于增大了接收器光接收的有效面積，故在信源的信噪比不變的情況下增大了接收信噪比，從而使到系統(tǒng)誤碼率更低、容錯(cuò)性更強(qiáng)。所述神經(jīng)元合并模塊是對所獲得的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并優(yōu)化構(gòu)成總的輸出信號。通過使用非線性的傳遞函數(shù)來實(shí)現(xiàn)輸入輸出的非線性映射關(guān)系。進(jìn)而對受到干擾的信號進(jìn)行濾波處理、對信道進(jìn)行相移的估計(jì)與補(bǔ)償?shù)纫詫?shí)現(xiàn)均衡處理以降低系統(tǒng)的誤碼率?？朔藗鹘y(tǒng)的分集接收技術(shù)在不同環(huán)境下合并方式的多樣性，進(jìn)一步優(yōu)化了vlc系統(tǒng)信道性能，在不增加器件帶寬前提下，成倍提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)傳輸速率。

本發(fā)明的接收系統(tǒng)也可以具體包括發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)通過led驅(qū)動(dòng)電路將數(shù)據(jù)輸入led燈具中，發(fā)出可見光，通過傳輸子系統(tǒng)將光信號進(jìn)行有效地傳輸，最后通過接收子系統(tǒng)把感應(yīng)光強(qiáng)的變化與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)通信。

所述發(fā)射子系統(tǒng)由攝影機(jī)、第一可編程門陣列、第一液晶顯示器、led驅(qū)動(dòng)電路、led燈具組成，進(jìn)一步地，所述led驅(qū)動(dòng)電路由電容與電感等電學(xué)元件組成。

所述傳輸子系統(tǒng)為自由空間，具有n條子信道，其中，n為正整數(shù)。

所述接收子系統(tǒng)由n個(gè)光電檢測器、放大電路、濾波電路、神經(jīng)元合并模塊、第二可編程門陣列、第二液晶顯示器組成。

現(xiàn)有技術(shù)中，由于碼間干擾的影響，導(dǎo)致可見光通信系統(tǒng)的誤碼率提升，進(jìn)而大大影響了信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。為此，通過運(yùn)用分集接收技術(shù)來減弱碼間干擾對系統(tǒng)的影響，并使用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來對分集接收所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并以及優(yōu)化以降低系統(tǒng)的誤碼率。該接收系統(tǒng)可以有效地降低碼間干擾對系統(tǒng)的影響，提高接收信號的信噪比，降低系統(tǒng)的誤碼率。在不增加器件帶寬前提下，成倍提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)傳輸速率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明基于簡單的基帶調(diào)制技術(shù)，比起傳統(tǒng)的使用正交分頻復(fù)用調(diào)制、離散多音調(diào)制技術(shù)等，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，且可以不增加led器件帶寬的前提下，成倍地提高了無線通信的質(zhì)量及信道的容量。

2、本發(fā)明運(yùn)用了人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對分集接收技術(shù)所獲得的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)了消除碼間干擾的影響的同時(shí)，降低了誤碼率，起到了后均衡的作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可見光通信接收系統(tǒng)的示意圖。

圖2為本發(fā)明led驅(qū)動(dòng)電路的示意圖。

圖3為本發(fā)明mlp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖4位本發(fā)明使用bp訓(xùn)練算法的示意圖。

圖5為本發(fā)明神經(jīng)元合并模塊的工作示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1所示，一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可見光通信系統(tǒng)，主要包括：發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)。所述的發(fā)射子系統(tǒng)，攝影機(jī)接收實(shí)時(shí)視頻信號通過第一可編程門陣列傳輸?shù)降谝灰壕э@示器；所述第一液晶顯示器顯示出原始視頻信號；所述第一可編程門陣列對所述實(shí)時(shí)視頻信號進(jìn)行調(diào)制和相應(yīng)視頻信號處理技術(shù)后，傳輸?shù)絣ed驅(qū)動(dòng)電路中；所述led驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)led燈具發(fā)射可見光信號。如圖2所示，為led驅(qū)動(dòng)電路的示意圖，通過biastee結(jié)構(gòu)的電容與電感t型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)直流信號與交流信號的耦合從而保證了信號在led中不會(huì)丟失。

進(jìn)一步地，光信號通過傳輸子系統(tǒng)到達(dá)接收子系統(tǒng)；所述傳輸子系統(tǒng)在本實(shí)施方式中為4條不同的信道。所述光信號分別經(jīng)4個(gè)光電檢測器轉(zhuǎn)換為電信號，形式4路數(shù)據(jù)流；所述的4路數(shù)據(jù)流由放大電路與濾波電路進(jìn)行濾波放大處理，再由adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器對電信號進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后通過神經(jīng)元合并模塊對4路數(shù)據(jù)流進(jìn)行合并處理獲得最終數(shù)據(jù)流。

進(jìn)一步地，所述神經(jīng)元合并模塊使用三層的mlp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，并使用bp算法對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。如圖3所示，為三層mlp神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖4所示，為bp訓(xùn)練算法。對于第i個(gè)神經(jīng)元的輸出狀態(tài)yi為：

式中，wij是第i個(gè)神經(jīng)元與第j個(gè)神經(jīng)元的連接加權(quán)取值；vj是第j個(gè)神經(jīng)元的輸出；qi是第i個(gè)神經(jīng)元的f閾值；為激活函數(shù)，n表示n個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)。

訓(xùn)練時(shí)把一組輸入值和與之相匹配的期望值給予所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，按這組訓(xùn)練數(shù)據(jù)來調(diào)整連接加權(quán)值。通過所述的期望值與正向傳播的輸出值對比可得到誤差信號。

e(x)＝[y(x)-f(x)]²

其中，e(x)表示誤差準(zhǔn)則函數(shù)，x和y(x)分別代表輸入信號以及與之相對應(yīng)的實(shí)際輸出信號；f(x)為期望輸出信號。利用梯度下降法進(jìn)行誤差反向傳播和權(quán)值校正，通過反復(fù)學(xué)習(xí)使所述的誤差信號達(dá)到或低于設(shè)定值。

其中，ωij代表連接加權(quán)值，γ表示學(xué)習(xí)速率，e(x)表示誤差準(zhǔn)則函數(shù)。通過上述方程的訓(xùn)練可以使所述的連接加權(quán)值調(diào)整到使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出與所述的期望輸出間的均方誤差最小。經(jīng)過bp算法訓(xùn)練后，對于任意輸入值，神經(jīng)元均衡器均能給出相對較為合適的輸出。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對信道的均衡處理。如圖5所示，訓(xùn)練后的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)將n路數(shù)據(jù)合并為一路數(shù)據(jù)流，并在神經(jīng)元的輸出端設(shè)置一個(gè)閾值為0.5以產(chǎn)生二進(jìn)制代碼。其中，在本實(shí)例中，n＝4。

所述最終數(shù)據(jù)流再由第二可編程門陣列將信號轉(zhuǎn)換為視頻信號，再傳到第二液晶顯示器中。通過第一液晶顯示器與第二液晶顯示器中信號比較，可測試出系統(tǒng)的誤碼率，用于驗(yàn)證系統(tǒng)的操作。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。