[发明专利]一种基于可见光通信的新型光源及其功率分配方法

权利要求书

1.一种基于可见光通信的新型光源的功率分配方法，其特征在于，基于可见光通信的新型光源包括功率分配器、LED驱动器、白光LEDs及单色LEDs中任一种或几种组合的组合光，功率分配器根据通信时所收到的数据流自适应调整功率分配的系数，即组合光的功率和白光LED的功率之间的功率比值系数，通过功率分配器控制所述LED驱动器点亮白光LED、组合光；

所述白光LEDs与所述组合光作为发射端和光源，物理滤光片、光电检测器作为接收端，通过物理滤光片将光源分离为独立的红、绿、蓝光信道，并通过光电检测器独立的红、绿、蓝光转化为电信号，包括步骤如下：

(1)确定白光LEDs的相对光功率谱S_white(λ)以及组合光的相对光功率谱和

(2)设定组合光与白光LEDs的功率比分别为：和是指RGB LEDs中R LEDs的功率，是指RGB LEDs中G LEDs的功率，是指RGB LEDs中BLEDs的功率，P_white是指白光LEDs的功率，η_r是指RGB LEDs中R LEDs的功率与白光LEDs的功率的比值，η_g是指RGB LEDs中G LEDs的功率与白光LEDs的功率的比值，η_b是指RGB LEDs中BLEDs的功率与白光LEDs的功率的比值；

(3)计算新型光源的相对光功率谱S_Light(λ)，计算公式如式(Ⅰ)所示：

S_Light(λ)＝S_white(λ)+ηS_LED(λ)(Ⅰ)

式(Ⅰ)中，ηS_LED(λ)为对应的中的一种；

白光LEDs与R LEDs组合时，白光LEDs与G LEDs组合时，白光LEDs与B LEDs组合时，白光LEDs与RG LEDs组合时，白光LEDs与RB LEDs组合时，白光LEDs与GB LEDs组合时，白光LEDs与RGB LEDs组合时，

(4)计算新型光源的三刺激值X_Light、Y_Light、Z_Light：计算公式如式(Ⅱ)-(Ⅳ)所示：

(Ⅱ)-(Ⅳ)中，和分别是CIE1931标准色度观察者三刺激值；

(5)计算新型光源在色度坐标系统里的坐标值(x_light,y_light)、坐标值(u_light,v_light)；x_light、y_light是新型光源在CIE 1931色度坐标中的坐标值，u_light、v_light是新型光源在CIE1960均匀色度空间的坐标值，计算公式如式(Ⅴ)-(IX)所示：

z_light＝1-x_light-y_light(Ⅶ)

(6)根据步骤(5)求取的坐标值(x_light,y_light)、坐标值(u_light,v_light)以及CIE 1964均匀颜色空间，求取新型光源与标准光源分别照射14种试验颜色样品上的色差△E_j，标准光源是指CIE规定的普朗克辐射体或者标准照明体D或者其他国际标准照明体；14种试验颜色样品是指用于测量显色指数的14块孟塞尔标准颜色样品；色差△E_j的具体求取过程依据国际照明委员会所定标准计算，过程如下：

式(Ⅹ)中，u'_j，v'_j是适应性色位移；C，d是新型光源的参数；C_r，d_r是标准照明体的参数；C_j，d_j是在新型光源下的14种颜色样品的参数；是色度数据转换成CIE 1964均匀色度空间的参数；

(7)求得新型光源的特殊显色指数R_j，计算公式如式(Ⅺ)所示：

R_j＝100-4.6△E_j (Ⅺ)

式(Ⅺ)中，j＝1,…,14；

(8)采用1-8试验颜色样品评价新型光源的颜色，即一般显色指数R_a，计算公式如式(Ⅻ)所示：

(9)光信号经过自由光信道传输后，到达接收端，被所述光电检测器检测到的多色光信号分别为：

经过红色滤光片后，接收端接收到的平均光信号功率的计算公式如式(Ⅻ)、(XIII)所示：

经过绿色滤光片后，接收端接收到的平均光信号功率的计算公式如式(XIV)、(XV)所示：

经过蓝色滤光片后，接收端接收到的平均光信号功率的计算公式如式(XVI)、(XVII)所示：

式(Ⅺ)—式(XVI)中，G_T(f)为组合光的频率响应光功率谱密度，B为系统带宽,为可见光通信中直射信道增益，表示如式(XVIII)所示：

式(XVIII)中，ε是指辐射角，是指入射角，A_APD是指光电检测器的面积；滤光器增益取值为1，光电检测器的视场角为Φ_o；朗伯指数t＝-ln2/ln(cosΦ_o)；是指发射端到接收端的欧几里得距离；当时，聚光器增益m为折射率，当时，聚光器增益当判决函数当判决函数

(10)如果通过空间方式提供照明和通信功能，即：所述白光LEDs提供照明的同时所述组合光提供通信功能，进入步骤(11)，如果通过时分方式提供照明和通信功能，即白光LEDs周期性闪灭，RGB LEDs在白光LEDs熄灭时进行通信，设定在一个周期内通信时间为τT，照明时间为(1-τ)T，0≤τ≤1，进入步骤(12)；

(11)在接收端，

经过红色滤光片后，接收端信噪比如式(XIX)所示：

经过绿色滤光片后，接收端信噪比如式(XX)所示：

经过蓝色滤光片后，接收端信噪比如式(XXI)所示：

式(XIX)-式(XXI)中，R是指光电检测器的响应度；是指噪声总功率，包括散粒噪声、热噪声和放大器噪声；

噪声总功率表示如式(XXII)-(XXV)所示：

式(XXII)-(XXV)中，T是指绝对温度，q是指电荷量，I_BC是指背景电流，I₂＝0.562；υ是指光电检测器单位面积上的固定电容，κ_C是指玻尔兹曼常数，G_o是指开环电压增益，θ是指场效应晶体管沟道噪声因子，g_m是指场效应晶体管的跨导，是指光电检测器接收到的来自白光LEDs和组合光的平均光功率，包括通过红色滤光片的平均光功率通过绿色滤光片的平均光功率和通过蓝色滤光片的平均光功率

通过红色滤光片的平均光功率如式(XXVI)所示：

通过绿色滤光片的平均光功率如式(XXVII)所示：

通过蓝色滤光片的平均光功率如式(XXVIII)所示：

进入步骤(13)；

(12)在时分方式时，光电检测器所接收的光功率即为光信号功率：

通过红色滤光片的平均光功率如式(XXIX)所示：

通过绿色滤光片的平均光功率如式(XXX)所示：

通过蓝色滤光片的平均光功率如式(XXXI)所示：

(13)对组合光与白光LEDs的功率进行约束：根据步骤(1)到步骤(8)计算出不同组合下的R_a，根据式(XIX)—式(XXI)计算出SNR^r、SNR^g和SNR^b来约束η_r，η_g和η_b；

(14)可见光通信系统判断显色指数是否合格，如果合格，调整组合光的功率，根据不同的调制方式确定系统最低接收端信噪比SNR、最大误码率BER和照明要求的一般显色指数R_a，共同约束组合光的η_r、η_g和η_b的范围，调整白光LEDs与组合光的功率配比，进入步骤(15)，否则，控制系统将对组合光的功率进行调整，并给出组合光在不同功率组合下的最大功率配比范围，再次进入步骤(14)；

(15)判断信噪比和误码率是否合格，如果合格，则确定组合光可用于通信功率比的范围，否则，调整白光LEDs与组合光的功率配比，并给出系统的最低功率配比值，再次进入步骤(15)，最终由显色指数、信噪比和误码率要求确定组合光可用于通信的功率比范围。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信的新型光源的功率分配方法，其特征在于，采用双高斯模型确定白光LEDs的相对光功率谱S_white(λ)以及组合光的相对光功率谱和求取公式如式(XXXII)、式(XXXIII)所示：

式(XXXII)、式(XXXIII)中，S_LED(λ)为白光LEDs的相对光功率谱S_white(λ)、组合光的相对光功率谱和中的任一种；λ是光谱波长，λ₀是峰值波长，△λ_0.5是峰值波长半宽度。