一种可见光信号接收与均衡方法、装置

1.本发明涉及可见光通信领域，具体涉及一种可见光信号接收与均衡方法、装置。


背景技术：

2.可见光通信(vlc)以现有的led照明技术为基础，以可见光为通信载体，为信息传输提供宽频谱和高数据速率，可以作为当前以射频(rf)为主体的无线通信的重要补充技术。现有文献倾向于将重点放在通信领域，为实现高速率传输，往往仅针对点对点的场景探讨通信带宽，通过使用单色led作为光源，或在接收端加滤光片的方法，并将传输距离缩短为1m左右。另一方面，随着led照明行业的发展，人们对照明健康提出更高要求，照明led向消除频闪、抑制蓝光方向发展。现有的vlc技术研究与其提出的初衷，即照明与通信合一、通信服从于照明并不相符，在一定程度上导致vlc错失了在第四代与第五代移动通信系统中应用的可能。
3.因此，区别于以往vlc对频谱利用率的追求及对高速传输潜能的挖掘，本发明立足于现代固态照明已得到广泛部署和使用这一现实条件，提出一种基于照明led发光过程与机理的可见光信号接收与均衡方法，对实际实现照明与通信一体化具有重要的工程应用价值。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明第一发明目的是提供一种可见光信号接收与均衡方法，该方法基于照明led发光过程与机理，包括以下步骤：
5.随机生成二进制数据比特流s
in
(t)；
6.建立led传输模型，将所述二进制数据比特流经由led传输模型转换为带有信号的白光，记为第一光信号；
7.将所述第一光信号通过信道传输至光电滤波器并输出，其中所述第一光信号经由光电滤波器转换成电信号；
8.将所述电信号经由目标均衡器进行调码，输出多极点均衡的光信号，记为第二光信号，其中输出过程中经由led传输模型将输出的电信号转换成光信号；
9.后处理所述第二光信号并转换成照明光输出。
10.优选的是，所述建立led传输模型是基于白光pc-led发射光谱特性，将所述蓝光成分和荧光粉光成分加权并相加，得到led传输特性频域表示式h
led
(f)，通过傅里叶逆变换，可得到led传输特性时域表示式h
led
(t)；
11.其中，所述pc-led发光芯片为蓝色，外层覆有荧光粉，蓝光激发荧光粉，通过色度学原理组合形成白光，蓝光成分占比为a，其频域传递函数为hb(f)，n为荧光粉种类数，bi表示第i种光成分占比，hi(f)表示第i种光成分的频域传递函数，不同光成分占比可根据cct、cri等指标调整。
12.优选的是，通过傅里叶变换对所述二进制数据比特流s
in
(t)做变换，得到频域表示
式s
in
(f)，将二进制数据比特流s
in
(t)与led传输特性表示式在时域相卷积或在频域相乘，得到带有信号的白光表示式。
13.优选的是，所述可见光无线信道的传输特性频域表示式为h
ch
(f)，对其做傅里叶逆变换可得其在时域上的表示式h
ch
(t)，经过信道的白光在整个可见光波长范围内进行宽谱检测，并将光信号转换成电信号。
14.优选的是，所述目标均衡器均衡函数的频域表示为h
eq
(f)为1/(∑
ici
·hi
(f))，调整ci，可得到使系统性能最佳的均衡参数。
15.优选的是，所述后处理包括：对信号进行放大，整形、判决等处理。
16.本发明第二发明目的是提供一种可见光信号接收与均衡系统，该装置基于照明led发光过程与机理，包括：
17.信号发送模块，用于生成二进制数据比特流；
18.led模块，用于接收发送模块的数据产生白光；
19.pd模块，用于接收可见光信号并进行光电转换；
20.处理模块，用于将光电转换获取的电信号进行均衡处理；
21.后处理模块，用于将经过均衡处理的信号进行放大、整形、判决等处理。
22.信号输出模块，用于将处理后的信号转换成照明光输出。
23.优选的是，所述led模块接收二进制数据比特流，并通过傅里叶变换将二进制数据比特流及led传输特性相卷积或相乘积，得到带有信号的白光表示式，产生带有信号的白光。
24.优选的是，还包括：
25.光电滤波器，对经过信道的白光在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的进行宽谱检测；
26.解调器，用于信号解调，获取数据。
27.优选的是，所述处理模块通过设计的均衡函数h
eq
(f)为1/(∑
ici
·hi
(f))，调整均衡函数参数ci，对光电转换获取的信号进行适配的多极点均衡处理。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
29.本发明提供一种可见光信号接收与均衡方法，针对现有荧光粉型白光led(pc-led)，综合现代照明对色温(correlated color temperature,cct)、显色指数(color rendering index,cri)等指标，建立基于白光产生过程及其光谱结构的led传输特性模型；根据发送端不同白光led的光谱特性，通过多极点均衡算法，调节均衡函数参数，得到接收端多极点均衡的最佳方案，实现在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的宽谱检测。
30.(1)本发明根据固态照明的发光物理过程与机理，充分考虑现代照明对不同色温、显色指数等指标，根据光谱结构和成分建立其传输特性模型，符合照明实际。
31.(2)本发明所述的均衡器参数可调，在接收端实现宽谱检测，使可见光通信系统适用于现有照明系统，有利于解决可见光通信研究脱离照明实际的问题。
附图说明
32.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并构成对本发明的不当限定。在附图中
33.图1为本发明实施例提供的一种可见光信号接收与均衡方法流程图；
34.图2为本发明实施例提供的一种可见光信号接收与均衡方法原理流程图；
35.图3为本发明实施例提供的一种可见光信号接收与均衡装置框图。
具体实施方式
36.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
37.实施例1
38.本发明实施例提供一种可见光信号接收与均衡方法，该方法基于照明led发光过程与机理，如图1所示，包括以下步骤：
39.随机生成二进制数据比特流s
in
(t)；
40.建立led传输模型，将所述二进制数据比特流经由led传输模型转换为带有信号的白光，记为第一光信号；
41.将所述第一光信号通过信道传输至光电滤波器并输出，其中所述第一光信号经由光电滤波器转换成电信号；
42.将所述电信号经由目标均衡器进行调码，输出多极点均衡的光信号，记为第二光信号，其中输出过程中经由led传输模型将输出的电信号转换成光信号；
43.后处理所述第二光信号并转换成照明光输出。
44.优选的是，所述建立led传输模型是基于白光pc-led发射光谱特性，将所述蓝光成分和荧光粉光成分加权并相加，得到led传输特性频域表示式h
led
(f)，通过傅里叶逆变换，可得到led传输特性时域表示式h
led
(t)；
45.其中，led传输模型的建立基于白光pc-led发射光谱特性，pc-led发光芯片为蓝色，外层覆有荧光粉，蓝光激发荧光粉，通过色度学原理组合形成白光。蓝光成分占比为a，其频域传递函数为hb(f)，n为荧光粉种类数，bi表示第i种光成分占比，hi(f)表示第i种光成分的频域传递函数；不同光成分占比a、bi可根据cct、cri等指标调整；荧光粉颜色一般为暖色，如黄色、红色等，在颜色谱中为蓝色的补色；照明场景中要求色温低时，则增加暖色荧光粉占比，要求色温高时，则减少荧光粉占比。在结构最简单的pc-led中，荧光粉种类数n为1，荧光粉颜色为黄光。
46.优选的是，通过傅里叶变换对所述二进制数据比特流s
in
(t)做变换，得到频域表示式s
in
(f)，将二进制数据比特流s
in
(t)与led传输特性表示式在时域相卷积或在频域相乘，得到带有信号的白光表示式。
47.优选的是，所述可见光无线信道的传输特性频域表示式为h
ch
(f)，对其做傅里叶逆变换可得其在时域上的表示式h
ch
(t)，经过信道的白光在整个可见光波长范围内进行宽谱检测，并将光信号转换成电信号。
48.进一步优选的是，带有信号的白光通过可见光无线信道发送至接收端，可见光无线信道的传输特性频域表示为h
ch
(f)，受室内墙面或物体等表面产生的反射影响，信道传输响应一般不平坦；对h
ch
(f)做傅里叶逆变换，可得到时域表示式h
ch
(t)；接收端光电滤波器对经过信道的白光在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的进行宽谱检测，并将光信号
转换成电信号。
49.优选的是，所述目标均衡器均衡函数的频域表示为h
eq
(f)为1/(∑
ici
·hi
(f))，调整ci，可得到使系统性能最佳的均衡参数。
50.进一步优选的是，根据发送端白光led的光谱特性，确定目标均衡器系数，对光点滤波器的接收信号进行适配的多极点均衡；由于接收信号经历了信道和部分器件的频率响应不平坦，均衡函数与发射端led传输特性不完全相同；均衡函数的频域表示h
eq
(f)为1/(∑
ici
·hi
(f))。调整ci，可得到使系统性能最佳的均衡参数。
51.优选的是，对均衡后的信号进行后处理，包括但不限于对均衡后的信号进行放大、整形、判决等处理，并将处理后的信号转换成照明光输出。
52.本发明提供一种可见光信号接收与均衡方法，包括以下步骤：随机生成二进制数据比特流s
in
(t)；建立led传输模型，将所述二进制数据比特流经由led传输模型转换为带有信号的白光，记为第一光信号；将所述第一光信号通过信道传输至光电滤波器并输出，其中所述第一光信号经由光电滤波器转换成电信号；将所述电信号经由目标均衡器进行调码，输出多极点均衡的光信号，记为第二光信号，其中输出过程中经由led传输模型将输出的电信号转换成光信号；后处理所述第二光信号得到均衡信号并输出。根据led传输特性，设计多极点均衡算法，调节均衡函数参数，得到接收端多极点均衡的最佳方案，实现整个可见光波长范围内的宽谱检测。
53.本发明提供一种基于照明led发光过程与机理的可见光信号接收与均衡方法，针对现有荧光粉型白光led(pc-led)，综合现代照明对色温(correlated color temperature,cct)、显色指数(color rendering index,cri)等指标，建立基于白光产生过程及其光谱结构的led传输特性模型；根据发送端不同白光led的光谱特性，通过多极点均衡算法，调节均衡函数参数，得到接收端多极点均衡的最佳方案，实现在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的宽谱检测；根据固态照明的发光物理过程与机理，充分考虑现代照明对不同色温、显色指数等指标，根据光谱结构和成分建立其传输特性模型，符合照明实际；所述的均衡器参数可调，在接收端实现宽谱检测，使可见光通信系统适用于现有照明系统，有利于解决可见光通信研究脱离照明实际的问题。
54.实施例2
55.本发明实施例提供一种可见光信号接收与均衡装置，如图3所示，包括：
56.信号发送模块，用于生成二进制数据比特流；
57.led模块，用于接收发送模块的数据产生白光；
58.pd模块，用于接收可见光信号并进行光电转换；
59.处理模块，用于将光电转换获取的电信号进行均衡处理；
60.后处理模块，用于将经过均衡处理的信号进行放大、整形、判决等处理。
61.信号输出模块，用于将处理后的信号转换成照明光输出。
62.优选的是，所述led模块接收二进制数据比特流，并通过傅里叶变换将二进制数据比特流及led传输特性相卷积或相乘积，得到带有信号的白光表示式，产生带有信号的白光。
63.优选的是，还包括：光电滤波器，对经过信道的白光在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的进行宽谱检测；解调器，用于信号解调，获取数据。
64.优选的是，所述处理模块通过设计的均衡函数h
eq
(f)为1/(∑
ici
·hi
(f))，调整均衡函数参数ci，对光电转换获取的信号进行适配的多极点均衡处理。
65.进一步优选的是，基于白光pc-led发射光谱特性建立led传输模型，并依据不同光成分占比得到led传输特性表示式，利用傅里叶变换对led传输特性及二进制数据比特流进行处理并相卷积或相乘，得到带有白光信号的白光表达式；光电滤波器对经过信道的白光在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的进行宽谱检测，并将光信号转换成电信号；所述电信号经过均衡器均衡处理，得到多极点均衡信号，再由放大器、解调器进行放大、整形、判决等后处理。
66.本发明提供一种可见光信号接收与均衡装置，针对现有荧光粉型白光led(pc-led)，综合现代照明对色温(correlated color temperature,cct)、显色指数(color rendering index,cri)等指标，建立基于白光产生过程及其光谱结构的led传输特性模型；根据发送端不同白光led的光谱特性，通过多极点均衡算法，调节均衡函数参数，得到接收端多极点均衡的最佳方案，实现在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的宽谱检测；根据固态照明的发光物理过程与机理，充分考虑现代照明对不同色温、显色指数等指标，根据光谱结构和成分建立其传输特性模型，符合照明实际；所述的均衡器参数可调，在接收端实现宽谱检测，使可见光通信系统适用于现有照明系统，有利于解决可见光通信研究脱离照明实际的问题。
67.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
68.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其对于系统实施例而言，由于其基本相似与方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
69.以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种可见光信号接收与均衡方法，其特征在于，该方法基于照明led发光过程与机理，包括以下步骤：随机生成二进制数据比特流s
in
(t)；建立led传输模型，将所述二进制数据比特流经由led传输模型转换为带有信号的白光，记为第一光信号；将所述第一光信号通过信道传输至光电滤波器并输出，其中所述第一光信号经由光电滤波器转换成电信号；将所述电信号经由目标均衡器进行调码，输出多极点均衡的光信号，记为第二光信号，其中输出过程中经由led传输模型将输出的电信号转换成光信号；后处理所述第二光信号并转换成照明光输出。2.根据权利要求1所述的一种可见光信号接收与均衡方法，其特征在于，所述建立led传输模型通过以下步骤建立：基于白光pc-led发射光谱特性，将所述蓝光成分和荧光粉光成分加权并相加，得到led传输特性频域表示式h
led
(f)，通过傅里叶逆变换，可得led传输特性时域表示式h
led
(t)；其中，所述pc-led发光芯片为蓝色，外层覆有荧光粉，蓝光激发荧光粉，通过色度学原理组合形成白光，蓝光成分占比为a，其频域传递函数为h
b
(f)，n为荧光粉种类数，b
i
表示第i种光成分占比，h
i
(f)表示第i种光成分的频域传递函数，不同光成分占比可根据cct、cri等指标调整。3.根据权利要求1-2任一项所述的一种可见光信号接收与均衡方法，其特征在于，通过傅里叶变换对所述二进制数据比特流s
in
(t)做变换，得到频域表示式s
in
(f)，将二进制数据比特流s
in
(t)与led传输特性表示式在时域相卷积或在频域相乘，得到带有信号的白光表示式。4.根据权利要求1所述的一种可见光信号接收与均衡方法，其特征在于，所述可见光无线信道的传输特性频域表示式为h
cn
(f)，对其做傅里叶逆变换可得其在时域上的表示式h
ch
(t)，经过信道的白光在整个可见光波长范围内进行宽谱检测，并将光信号转换成电信号。5.根据权利要求1所述的一种可见光信号接收与均衡方法，其特征在于，所述目标均衡器均衡函数的频域表示为h
eq
(f)为1/(∑
i
c
i
·
h
i
(f))，调整c
i
，可得到使系统性能最佳的均衡参数。6.根据权利要求1所述的一种可见光信号接收与均衡方法，其特征在于，所述后处理包括：对信号进行放大，整形、判决处理。7.一种可见光信号接收与均衡装置，其特征在于，包括：信号发送模块，用于生成二进制数据比特流；led模块，用于接收发送模块的数据产生白光；pd模块，用于接收可见光信号并进行光电转换；处理模块，用于将光电转换获取的电信号进行均衡处理；后处理模块，用于将经过均衡处理的信号进行放大、整形、判决等处理。信号输出模块，用于将处理后的信号转换成照明光输出。8.根据权利要求7所述的一种可见光信号接收与均衡系统，其特征在于，所述led模块接收二进制数据比特流，并通过傅里叶变换将二进制数据比特流及led传输特性相卷积或
相乘积，得到带有信号的白光表示式，产生带有信号的白光。9.根据权利要求7所述的一种可见光信号接收与均衡装置，其特征在于，还包括：光电滤波器，对经过信道的白光在整个可见光波长范围内(380nm-780nm)的进行宽谱检测；解调器，用于信号解调，获取数据。10.根据权利要求7所述的一种可见光信号接收与均衡装置，其特征在于，所述处理模块通过设计的均衡函数h
eq
(f)为1/(∑
i
c
i
·
h
i
(f))，调整均衡函数参数c
i
，对光电转换获取的信号进行适配的多极点均衡处理。

技术总结
本发明提供一种可见光信号接收与均衡方法，该方法基于照明LED发光过程与机理，包括以下步骤：随机生成二进制数据比特流s


技术研发人员：孙文婧 陈健
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/14