可见光信号的编码和解码方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种可见光信号的编码方法和解码方法、装置及系统。该编码方法包括以下步骤：将待发送的数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特；将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔，其中各电信号单元内的电平具有第一电平持续时间，且相邻电信号单元间的固定电平具有第二电平持续时间；对各电信号单元进行组合，获得编码后的电信号；以及以可见光信号形式发送编码后的电信号。
【专利说明】可见光信号的编码和解码方法、装置及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及可见光通信，尤其是涉及一种可见光信号的编码和解码方法、装置及系统。
【背景技术】
[0002]可见光通信是一种在LED技术上发展起来的新兴的、短距离高速无线光通信技术。可见光通信的基本原理就是利用发光二极管(LED)比荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，通过LED光源的高频率闪烁来进行通信。有光代表二进制1，无光代表二进制O。包含了数字信息的高速光信号经过光电转换即可获得信息。无线光通信技术因为其数据不易被干扰和捕获，光通信设备制作简单且不宜损坏或消磁，可以用来制作无线光加密钥匙。与微波技术相比，无线光通信有相当丰富的频谱资源，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的；同时可见光通信可以适用任何通信协议、适用于任何环境；在安全性方面，无线光通信相比传统的磁性材料，无需担心消磁问题，更不必担心通信内容被人窃取；无线光通信的设备架设灵活便捷，且成本低廉，适合大规模普及应用。
[0003]随着可见光通信的快速推广，已经提出了利用电子设备的LED (发光二极管)灯发送可见光信号的技术。电子设备中的LED灯的开关时信号占空比不确定，但是其亮、暗持续时间可控，可分别作为高、低电平。因此可以通过特别设置的编码方式，实现LED灯发送表征数据信息的可见光信号的目的。然而本申请的发明人在实践中发现目前的方法中传输速率(即单位时间传输的信息量)仍较小，有进一步提高的空间。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种可见光信号的编码和解码方法、装置及系统，以提高基于LED灯的可见光通信的信息传输速率。
[0005]本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种可见光信号的编码方法，包括以下步骤:将待发送的数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特；将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔，其中各电信号单元内的电平具有第一电平持续时间，且相邻电信号单元间的固定电平具有第二电平持续时间；对各电信号单元进行组合，获得编码后的电信号；以及以可见光信号形式发送该编码后的电信号。
[0006]在本发明的一实施例中，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变和/或高电平到低电平的跳变。
[0007]在本发明的一实施例中，该第一电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0008]在本发明的一实施例中，该第二电平持续时间显著大于该第一电平持续时间。
[0009]在本发明的一实施例中，该第二电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0010]在本发明的一实施例中，每一数据单元包含N个比特，N为自然数。
[0011]本发明另提出一种可见光信号的解码方法，包括以下步骤:接收可见光信号并转换为电信号；当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时；当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数；以及当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束；当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕；将接收到的各电信号单元转换为数据单元；以及将多个数据单元组合成数据；其中该第三阈值大于该第二阈值，且该第二阈值大于该第一阈值，至少该第一阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0012]在本发明的一实施例中，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变和/或高电平到低电平的跳变。
[0013]在本发明的一实施例中，该第一阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0014]在本发明的一实施例中，该第二阈值和/或该第三阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0015]在本发明的一实施例中，上述方法还包括将该数据与预设条件进行对比，若该数据与预设条件匹配，则使用该数据对一被控设备进行控制。
[0016]在本发明的一实施例中，该数据与预设条件的匹配包括:该数据与该预设条件相同或存在对应关系。
[0017]本发明还提出一种可见光信号的编码装置，包括:用于将待发送的数据分成多个数据单元的模块，每一数据单元包含一个或多个比特；用于将该多个数据单元转换为多个电信号单元的模块，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔，其中各电信号单元内的电平具有第一电平持续时间，且相邻电信号单元间的固定电平具有第二电平持续时间；用于对各电信号单元进行组合，获得编码后的电信号的模块；以及用于以可见光信号形式发送该编码后的电信号的模块。
[0018]在本发明的一实施例中，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和高电平到低电平的跳变。
[0019]在本发明的一实施例中，所述用于将该多个数据单元转换为多个电信号单元的模块是根据预先设置的对应表确定所述待发送的数据单元对应的电信号单元中的电平跳变的次数。
[0020]在本发明的一实施例中，该第一电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0021 ] 在本发明的一实施例中，该第二电平持续时间显著大于该第一电平持续时间。
[0022]在本发明的一实施例中，该第二电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0023]在本发明的一实施例中，每一数据单元包含N个比特，N为自然数。
[0024]本发明还提出一种可见光信号的解码装置，包括:用于接收可见光信号并转换为电信号的模块；用于当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时的模块；用于当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数的模块；用于当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束的模块；用于当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕的模块；用于将接收到的各电信号单元转换为数据单元的模块；以及用于将多个数据单元组合成数据的模块。
[0025]在本发明的一实施例中，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和为高电平到低电平的跳变。
[0026]在本发明的一实施例中，所述用于将接收到的各电信号单元转换为数据单元的模块是根据预先设置的对应表确定所述记录电信号单元中的电平跳变的次数对应的数据单
J Li ο
[0027]在本发明的一实施例中，该第一阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
[0028]在本发明的一实施例中，该第二阈值和/或该第三阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整，该第三阈值大于该第二阈值，且该第二阈值大于该
第一阈值。
[0029]在本发明的一实施例中，上述的装置还包括用于将该数据与预设条件进行对比，若该数据与预设条件匹配，则使用该数据对一被控设备进行控制的模块，其中该数据与预设条件的匹配包括:该数据与该预设条件相同或存在对应关系。
[0030]本发明另提出一种光子钥匙，包括如上所述的可见光信号的编码装置。
[0031 ] 本发明另提出一种光子受控端，包括如上所述的可见光信号的解码装置。
[0032]本发明另提出一种鉴权系统，包括如上所述的光子钥匙和如上所述的光子受控端。
[0033]本发明另提出一种鉴权系统，包括如上所述的可见光信号的编码装置和如上所述的可见光信号的解码装置。
[0034]本发明的编码和解码方法、装置及系统将手机获得的身份识别数据分成若干个电信号单元，各电信号单元之间以电平的持续时间来区分，以从电平的变换次数表示识别数据。这一编码方式使得即使存在由LED灯的闪烁延迟导致的同步问题，接收端仍能正确地解码数据。而且，利用闪烁延迟值来调整电平持续时间，使得电平持续时间被有效缩短，从而提高了单位时间的信息传输量。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明，其中:
[0036]图1示出本发明第一实施例的可见光通信的编码方法流程图。
[0037]图2示出本发明第一实施例的可见光通信的解码方法流程图。
[0038]图3示出本发明第一实施例的可见光通信的示例性编码电信号。
[0039]图4示出本发明第二实施例的可见光通信的编码方法流程图。
[0040]图5示出本发明第二实施例的可见光通信的解码方法流程图。[0041]图6示出本发明第三实施例的可见光通信的编码方法流程图。
[0042]图7示出本发明第三实施例的可见光通信的解码方法流程图。
[0043]图8示出本发明第三实施例的可见光通信的示例性编码电信号。
【具体实施方式】
[0044]概要地说，本发明的实施例提供提高基于LED灯的可见光通信的信息传输速率的编码和解码方法。
[0045]经过进一步的研究发现，基于LED灯的可见光通信的传输速率较小的原因之一是，LED灯的闪烁控制存在延迟，即亮、暗状态的持续时间总是比所期望的设定值长。这一现象的直接结果是，为了传播同样长度的数据，LED灯所需要的时间总比预计的时间长。更严重的是，闪烁控制的延迟使得发送端和信号端之间的同步存在困难。按照常规的技术，以LED灯的高频率闪烁来进行通信，有光代表二进制1，无光代表二进制O。然而由于缺乏准确的同步，导致如果分别以有光、无光分别来代表二进制的I和0，会存在错误位接收。举例来说，当代表I位二进制O的无光状态的持续时间超出设定值后，额外的持续时间会被识别为另外I位二进制O。
[0046]由于LED灯所存在的上述缺陷，有必要提出一种新的编码和解码方法。根据本发明的实施例，从光信号角度看，以有光到无光之间状态的变化而不是以有光或无光状态本身来代表信息。从电信号角度看，以电平跳变而不是电平持续状态本身来代表信息。
[0047]为此，在编码时，可以将待发送的数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特。然后将这些数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的比特。相邻电信号单元之间则以固定电平表示间隔。电平的跳变可以仅包含低电平到高电平的跳变，或者仅包含低电平到高电平的跳变，还可以同时包含低电平到高电平的跳变和低电平到高电平的跳变。
[0048]可预先设置各电信号单元内的电平持续时间(在此称为第一电平持续时间)及相邻电信号单元间的电平持续时间(在此称为第二电平持续时间)。第二电平持续时间会大于第一电平持续时间。这种大小关系会显著到让接收端能够无误地识别。
[0049]在本发明的实施例中，考虑到LED灯的闪烁延迟，在设置第一电平持续时间时，可以用作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值来进行调整。通常，是在所期望的电平持续时间的基础上，减去闪烁延迟值。举例来说，如果希望电平持续时间是3ms，而闪烁延迟值是2ms，则设定的电平持续时间为1ms。发光二极管的闪烁延迟值可以预先通过试验来确定。
[0050]可以理解，闪烁延迟值对第二电平持续时间的影响较小。可选地，在设置第二电平持续时间时，也可以用作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值来进行调整。
[0051]在得到了所期望的电信号后，以电信号控制发光二极管，由发光二极管以可见光信号形式发送。
[0052]在接收端，解码过程是相反的。接收端会接收可见光信号并转换为电信号。当检测到电平跳变时，判断为一个电信号单元的开始；当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数；当检测到的电平持续时间大于第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断一个电信号单元结束。当检测到的电平持续时间大于第三阈值时，判断信号接收完毕。其中，第三阈值大于第二阈值大于第一阈值。可以理解，第一阈值、第二阈值和第三阈值的设置会参考前述的第一电平持续时间和第二电平持续时间。
[0053]在接收完毕后，将接收到的各电信号单元转换为数据单元，然后将多个数据单元组合成数据。由此获得可见光信号所表征的信息。
[0054]可以理解，电平跳变至少会有一次。因此即使是一个电信号单元的所有比特值均为O，也会以电平跳变而不是以电平持续状态来表示。
[0055]现在参考附图描述所要求保护的发明，在全部附图中使用相同的参考标号来指相同的部件或步骤。在以下描述中，为解释起见，披露了众多具体细节以提供对所要求保护的主题的全面理解。然而，显而易见的是，这些发明也可以不采用这些具体细节来实施。
[0056]第一实施例
[0057]本实施例的编码和相应的解码方法是在手机或类似的便携式移动终端上实施。下面将仅以手机为例进行说明。
[0058]参见图1，是本发明第一实施例的可见光信号的编码方法流程图，该编码方法包括:
[0059]步骤101，将待发送的数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特(bit)。这些待发送的数据可以是文本、图片、音频和/或视频。
[0060]步骤102，将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔。在本实施例中，可以用电平的上升沿或者下降沿作为跳变的开始。
[0061]例如，一个电信号单兀内高(或低)电平的持续时间为2ms。每个电信号单兀有四个从电平的变换，包括低电平到高电平的变换和高电平到低电平的变换，每个电信号单元表示2比特信息，四个电信号单元组成一个字节。当一个电信号单元中的从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为I时，代表信息00 ;当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为2时，代表信息01 ;当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为3时，代表信息10 ;当从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数为4时，代表信息
11。从低电平到高电平和高电平到低电平的变换次数与其代表的信息之间的对应关系如表I所示。
[0062]表1
【权利要求】
1.一种可见光信号的编码方法，包括以下步骤: 将待发送的数据分成多个数据单元，每一数据单元包含一个或多个比特； 将该多个数据单元转换为多个电信号单元，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔，其中各电信号单元内的电平具有第一电平持续时间，且相邻电信号单元间的固定电平具有第二电平持续时间； 对各电信号单元进行组合，获得编码后的电信号；以及 以可见光信号形式发送该编码后的电信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和高电平到低电平的跳变。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将该多个数据单元转换为多个电信号单元的步骤为:根据预先设置的对应表确定所述待发送的数据单元对应的电信号单元中的电平跳变的次数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二电平持续时间显著大于该第一电平持续时间。
6.如权利要求1 所述的方法，其特征在于，该第二电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一数据单元包含N个比特，N为自然数。
8.—种可见光信号的解码方法，包括以下步骤: 接收可见光信号并转换为电信号； 当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时； 当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数； 当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单兀结束； 当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕； 将接收到的各电信号单元转换为数据单元；以及 将多个数据单元组合成数据。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和为高电平到低电平的跳变。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将接收到的各电信号单元转换为数据单元的步骤为:根据预先设置的对应表确定所述记录电信号单元中的电平跳变的次数对应的数据单元。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该第一阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该第二阈值和/或该第三阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整，该第三阈值大于该第二阈值，且该第二阈值大于该第一阈值。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将该数据与预设条件进行对比，若该数据与预设条件匹配，则使用该数据对一被控设备进行控制，其中该数据与预设条件的匹配包括:该数据与该预设条件相同或存在对应关系。
14.一种可见光信号的编码装置，包括:用于将待发送的数据分成多个数据单元的模块，每一数据单元包含一个或多个比特；用于将该多个数据单元转换为多个电信号单元的模块，每一电信号单元以电平的跳变次数来代表对应数据单元的该一个或多个比特，相邻电信号单元之间具有以固定电平表示的间隔，其中各电信号单元内的电平具有第一电平持续时间，且相邻电信号单元间的固定电平具有第二电平持续时间； 用于对各电信号单元进行组合，获得编码后的电信号的模块；以及 用于以可见光信号形式发送该编码后的电信号的模块。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和高电平到低电平的跳变。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述用于将该多个数据单元转换为多个电信号单元的模块是根据预先设置的对应表确定所述待发送的数据单元对应的电信号单元中的电平跳变的次数。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该第一电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
18.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该第二电平持续时间显著大于该第一电平持续时间。
19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该第二电平持续时间是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
20.如权利要求14所述的装置，其特征在于，每一数据单元包含N个比特，N为自然数。
21.—种可见光信号的解码装置，包括: 用于接收可见光信号并转换为电信号的模块； 用于当检测到电平跳变时，判断为一电信号单元的开始，开始计时的模块； 用于当检测到的电平持续时间大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，记录电平跳变的次数的模块； 用于当检测到的电平持续时间大于该第二阈值且小于或等于第三阈值时，判断该电信号单元结束的模块； 用于当检测到的电平持续时间大于该第三阈值时，判断信号接收完毕的模块； 用于将接收到的各电信号单元转换为数据单元的模块；以及 用于将多个数据单元组合成数据的模块。
22.如权利要求21的所述装置，其特征在于，该电平的跳变为低电平到高电平的跳变或/和为高电平到低电平的跳变。
23.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述用于将接收到的各电信号单元转换为数据单元的模块是根据预先设置的对应表确定所述记录电信号单元中的电平跳变的次数对应的数据单元。
24.如权利要求21所述的装置，其特征在于，该第一阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整。
25.如权利要求21所述的装置，其特征在于，该第二阈值和/或该第三阈值是经过预先获得的作为发射源的发光二极管的闪烁延迟值调整，该第三阈值大于该第二阈值，且该第二阈值大于该第一阈值。
26.如权利要求21所述的装置，其特征在于，还包括用于将该数据与预设条件进行对t匕，若该数据与预设条件匹配，则使用该数据对一被控设备进行控制的模块，其中该数据与预设条件的匹配包括:该数据与该预设条件相同或存在对应关系。
27.一种光子钥匙，其特征在于，包括如权利要求14至20任一项所述的一种可见光信号的编码装置。
28.—种光子受控端,其特征在于,包括如权利要求21至26任一项所述的一种可见光信号的解码装置。
29.一种鉴权系统，其特征在于，所述鉴权系统包括如权利要求27所述的光子钥匙和如权利要求28所述的一种光子受控端。
30.一种鉴权系统，其特征在于，所述鉴权系统包括如权利要求14至20任一项所述的一种可见光信号的编码装置和如权利要求21至26任一项所述的一种可见光信号的解码装置。
【文档编号】H04B10/116GK103812557SQ201310328832
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】不公告发明人 申请人:深圳光启创新技术有限公司