[发明专利]一种基于空间合成调制的可见光通信系统及实现方法

说明书

本发明公开了一种基于空间合成调制的可见光通信系统及实现方法。其系统主要包括发射机和接收终端；其中发射机部分包括信息前向编码模块、直流平衡编码模块、空间合成调制模块和LED发射前端，信息前向编码模块采用无比率编码方式对输入信息进行编码，并分割信息产生编码后的数据包，直流平衡编码模块对各个数据包二次编码，以确保各个数据包总功率平衡，避免因数据通信引起灯光闪烁，空间合成调制模块对数据包进行调制生成对应的数据符号，并产生数字控制信号控制LED发射模块发送信息。接收终端用于接收发射端发送的信息，主要包括光电接收器，前置交流耦合调理电路，模数转换模块和数字信号处理单元。

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，尤其涉及基于空间合成调制技术的可见光通信系统及其实现方法，系统利用普通照明LED灯具，实现高速率的无线数据通信服务。

背景技术

随着社会的发展，人们对无线数据服务的需求急剧增加。一方面，传统基于无线射频信号的通信系统，例如WiFi，已不能很好地满足在高人群密度下的数据通信；另一方面，基于LED的室内照明系统的广泛使用，为基于普通白光LED的可见光通信系统提供了很好的布置基础。因为可见光通信系统可以复用现有照明设置，同时实现数据通信和照明功能。

作为5G可能的接入技术之一，无论是学术界还是工业界，对可见光通信(又称LiFi)，都有着广泛的研究。现有的技术方案，大多采用专用蓝光LED、复杂的编解码算法和复杂而昂贵的LED驱动前端以达到合适的通信速率。但是现有的方案很难适用在基于普通照明白光LED的低成本照明系统上，主要有以下三种原因：1)普通照明白光LED灯通信带宽有限，根据相关研究，普通白光LED的工作频率(即带宽)低于10MHz，如果想要提高带宽必须使用昂贵且普通照明系统不具备的蓝光透镜；2)普通白光LED有很强的非线性性，需要复杂的编解码算法，例如各种预编码和均衡算法，以实现最大光功率传输，因此极大地增加了系统成本和复杂度，不适合用于低成本且广泛存在的普通室内照明系统；3)在传统的可见光通信系统中，均使用模拟电流或电压驱动LED灯，以实现对可见光进行幅度调制，因此必须使用数模转换器(ADC)和复杂功放电路，对模拟信号进行功率放大和调理，进一步增加了硬件成本和系统复杂度。综合上述原因，虽然很多研究机构和公司都在对可见光通信系统开展研究，但是却少有实际商用可见光通信系统应用于人们的实际生活中。

基于以上分析，现有的可见光通信系统，主要存在必须使用专用LED灯具、系统复杂、成本高昂且不易部署等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于普通白光LED灯，低成本、基于空间调制的可见光通信系统及其实现方法。

本发明解决其技术问题所采用的基于空间调制的可见光通信系统，包括发射机和接收终端两部分；其中发射机主要由信息前向编码模块、直流平衡编码模块、空间合成调制模块和LED阵列发射前端组成，接收终端主要包括光电接收器、前置交流耦合调理电路、模数转换模板和数字信号处理单元构成。所述信息前向编码模块用于对待发送信息进行编码，并生产待发送数据包，以对抗传输中的可能数据丢包，一般可采用无比率编码方式，如Raptor编码；所述直流平衡编码模块用于对待发送数据包进行编码，以保证在数据传输时不产生任何闪烁；所述空间合成调制模块对已编码数据包进行数据符号映射，并把待发送数据符号转换为后续LED阵列发射前端可识别的数字信号；所述LED阵列发射前端用于接收前序数字控制信号并直接产生不同亮度的调制光，实现数字信号与光的直接转换和信号传输；所述光电接收器用于接收自由空间的可见光并把光信号转换为电信号，一般为光电二极管或光电三极管及其阵列；所述前置交流耦合调理电路用于耦合光电接收器输出的电信号，并对信号进行放大、滤波等调理以驱动后继模数转换模块；所述数字信号处理单元用于处理模数转换器输出的数字信号，并对信号进行数字解调和解码，还原被传输信息，实现数据传输和通信。

进一步的是，在信息前向编码模块中，采用无比率编码方式，如Raptor编码；

进一步的是，在直流平衡编码模块中，采用互补编码方式，即拆分原数据为原数据和其补码的数据对；