基于多阶幅度调制的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】本发明涉及一种基于多阶幅度调制的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：将待发送的信息分成多个信息单元，每一信息单元包含多个比特；将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元，其中相邻电信号单元之间具有以该至少三个电平中的第一电平表示的间隔，每一电信号单元以该至少三个电平中的其余电平的组合来代表对应的信息单元的该多个比特；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。
【专利说明】基于多阶幅度调制的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，尤其是涉及一种基于多阶幅度调制的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基于多阶幅度调制的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基于多阶幅度调制的可见光信号的编码方法，包括以下步骤:将待发送的信息分成多个信息单元，每一信息单元包含多个比特；将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元，其中相邻电信号单元之间具有以该至少三个电平中的第一电平表示的间隔，每一电信号单元以该至少三个电平中的其余电平的组合来代表对应的信息单元的该多个比特；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，将该多个信息单兀转换为以至少三个电平表不的多个电信号单元的步骤为:根据预先设置的对应表，确定所述信息单元对应的所述电信号单元的电平组合。
[0007]在本发明的一实施例中，该方法还包括设置该第一电平的持续时间达到第一阈值作为信号结束标志。
[0008]在本发明的一实施例中，每一信息单元包含N个比特，N为自然数；其中该信息是以二进制表示。
[0009]在本发明的一实施例中，以可见光信号形式发送该编码后的电信号的步骤为:以该编码后的电信号控制发光二极管以可见光信号形式发送该编码后的电信号，其中发光二极管为照明灯或集成到电子设备中。
[0010]在本发明的一实施例中，该第一电平为该至少三个电平的均值。
[0011]在本发明的一实施例中，该第一电平不为该至少三个电平的均值，且该编码后的电信号的开头为该第一电平。
[0012]本发明还提出一种基于多阶幅度调制的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；当检测到从第一电平向其它电平的跳变时，判断为电信号单元开始，记录其它电平的组合；当检测到从其它电平到第一电平的跳变时，判定该电信号单元结束，并开始计时；当检测到第一电平的持续时间达到第一阈值时，判断信号结束；将接收到的各电信号单元进行解码而转换为信息单元；以及将多个信息单元组合成信息。
[0013]在本发明的一实施例中，将接收到的各电信号单元进行解码而转换为信息单元的步骤为:根据预先设置的对应表，确定所述记录的电信号单元的其它电平的组合对应的信息单元。
[0014]在本发明的一实施例中，该信息是以二进制表示。
[0015]在本发明的一实施例中，检测到从第一电平向其它电平的跳变之前还包括:通过低通滤波获得电平均值并作为该第一电平。
[0016]在本发明的一实施例中，检测到从第一电平向其它电平的跳变之前还包括:将该电信号开头的电平作为该第一电平。
[0017]在本发明的一实施例中，该方法还包括将该信息与预设信息进行对比，若该信息与预设信息匹配，则使用该信息对一被控设备进行控制。
[0018]在本发明的一实施例中，该信息与预设条件的匹配包括:该信息与该预设条件相同或存在对应关系。
[0019]本发明还提出一种基于多阶幅度调制的可见光信号的编码装置，包括:用于将待发送的信息分成多个信息单元的模块，其中每一信息单元包含多个比特；用于将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元的模块，其中相邻电信号单元之间具有以该至少三个电平中的第一电平表示的间隔，每一电信号单元以该至少三个电平中的其余电平的组合来代表对应的信息单元的该多个比特；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。
[0020]在本发明的一实施例中，所述用于将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元的模块是根据预先设置的对应表，确定所述信息单元对应的所述电信号单元的电平组合。
[0021]在本发明的一实施例中，上述装置还包括用于设置该第一电平的持续时间达到第一阈值作为信号结束标志的模块。
[0022]在本发明的一实施例中，每一信息单元包含N个比特，N为自然数；其中该信息是以二进制表示。
[0023]在本发明的一实施例中，所述用于以可见光信号形式发送该编码后的电信号的模块是以该编码后的电信号控制发光二极管以可见光信号形式发送该编码后的电信号，其中发光二极管为照明灯或集成到电子设备中。
[0024]在本发明的一实施例中，该第一电平为该至少三个电平的均值。
[0025]在本发明的一实施例中，该第一电平不为该至少三个电平的均值，且该编码后的电信号的开头为该第一电平。
[0026]本发明另提出一种基于多阶幅度调制的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；用于当检测到从第一电平向其它电平的跳变时，判断为电信号单元开始，记录其它电平的组合的模块；用于当检测到从其它电平到第一电平的跳变时，判定该电信号单元结束，并开始计时的模块；用于当检测到第一电平的持续时间达到第一阈值时，判断信号结束的模块；用于将接收到的各电信号单元进行解码以转换为信息单元的模块；以及用于将多个信息单元组合成信息的模块。
[0027]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进行解码而转换为信息单元的模块是根据预先设置的对应表，确定所述记录的电信号单元的其它电平的组合对应的信息单元。
[0028]在本发明的一实施例中，该信息是以二进制表示。
[0029]在本发明的一实施例中，上述装置还包括用于在检测到从第一电平向其它电平的跳变之前通过低通滤波获得电平均值并作为该第一电平的模块。
[0030]在本发明的一实施例中，上述装置还包括用于在检测到从第一电平向其它电平的跳变之前将该电信号开头的电平作为该第一电平的模块。
[0031]在本发明的一实施例中，上述装置还包括用于将该信息与预设信息进行对比，若该信息与预设信息匹配，则使用该信息对一被控设备进行控制的模块。
[0032]在本发明的一实施例中，该信息与预设条件的匹配包括:该信息与该预设条件相同或存在对应关系。
[0033]在本发明的一实施例中，上述装置是结合在门禁系统受控端中。
[0034]本发明另提出一种光子钥匙，包括如上所述的基于多阶幅度调制的可见光信号的编码装置。
[0035]本发明另提出一种光子受控端，包括如上所述的基于多阶幅度调制的可见光信号的解码装置。
[0036]本发明另提出一种鉴权系统，包括如上所述的光子钥匙和光子受控端。
[0037]本发明另提出一种鉴权系统，包括如上所述的基于多阶幅度调制的可见光信号的编码装置和如上所述的基于多阶幅度调制的可见光信号的解码装置。本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过电平跳变而不是电平的持续时间来表达信息，因此不需要在发送端和接收端之间维持对LED灯来说难以解决的同步。并且，通过将信息分组并经过多阶幅度调制来提高信息的密度，因而弥补了由于闪烁延迟造成的传输速率降低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]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:
[0039]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。[0040]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。
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]图6示出本发明第二实施例的可见光通信的示例性编码电信号。
[0045]图7示出本发明第三实施例的可见光通信的编码方法流程图。
[0046]图8示出本发明第三实施例的可见光通信的解码方法流程图。
【具体实施方式】
[0047]概要地说，本发明的实施例提供可见光信号的编码和解码方法。它可以提高基于LED灯的可见光通信的信息传输速率。
[0048]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。另外，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1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。
[0049]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，从电信号角度看，以多阶电平的组合来代表信息。从光信号角度看，以光的亮度来代表信息。
[0050]为此，在编码时，可以将待发送的信息分成多个信息单元，每一信息单元包含多个比特。然后将这些信息单元转换为多个电信号单元。这些电信号单元以至少三个电平表示。其中，设置至少三个电平中的第一电平为基准。第一电平用来表示相邻电信号单元之间的间隔。至少三个电平中的其它电平用以在电信号单元中相互组合来代表上述的多个比特。之后，对各电信号单元进行组合，获得编码后的电信号。
[0051]对整个电信号来说，设置该第一电平的持续时间达到第一阈值作为信号结束标志 O
[0052]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。
[0053]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。当检测到从第一电平向其它电平的跳变时，判断为电信号单元开始，记录其它电平的组合。当检测到从其它电平到第一电平的跳变时，判定该电信号单元结束，并开始计时。当检测到第一电平的持续时间达到第一阈值时，判断信号结束。然后将接收到的各电信号单元进行解码而分别转换为信息单元，并将多个信息单元组合成原始的信息。
[0054]作为基准电平的第一电平需要预先被准确地确定，以便作为其它电平的参考。其它电平是相对于该基准电平的电平值。第一电平既可以设置成电信号单元中的多个电平的平均值，也可以不设置成这些电平的平均值。对于采用均值作为第一电平的，发送端不需做特别处理，接收端可以采用低通滤波得到均值作为第一电平；对于不采用均值电平作为第一电平的，发送端在编码时可以在开头先发一段该第一电平，接收端在读取到该第一电平的光信号后，经过光电转换，将该转换之后的电平作为第一电平。当然，需要预先在发送端和接收端中确定是否采用均值电平作为第一电平。
[0055]本发明的编码方式的优势在于，它是通过电平跳变而不是电平的持续时间来表达信息，因此不需要在发送端和接收端之间维持对LED灯来说难以解决的同步。并且，通过将信息分组并经过多阶幅度调制来提高信息的密度，因而弥补了由于闪烁延迟造成的传输速率降低的问题。
[0056]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。
[0057]第一实施例
[0058]参见图1，是本发明第一实施例的可见光信号的编码流程图，该编码流程包括:
[0059]步骤101，将待发送的信息分成多个信息单元。
[0060]原始的信息可由二进制表示。每一信息单元包含多个比特(bit)。例如每一信息单元包含2个比特。
[0061]步骤102，将该多个信息单元转换为多个电信号单元。
[0062]在本实施例中，这些电信号单元以三个电平，例如0、1V和2V表示。其中，设置第一电平，如OV为基准电平，用来表示相邻电信号单元之间的间隔。其它两个电平，如IV和2V用以在电信号单元中相互组合来代表2个比特。具体地说，在一个电信号单元中，当电平从OV跳变到IV，又从IV跳变到OV时，代表信息00 ；当电平从OV跳变到2V，又从2V跳变到OV时，代表信息01 ;当电平从OV跳变到IV，又从IV跳变到2V，再从2V跳变到O时，代表信息10 ；当电平从OV跳变到2V，又从2V跳变到IV，再从IV跳变到OV时，代表信息11。不同电平的组合与其代表的信息之间的对应关系如表1所示。
[0063]表1
[0064]
【权利要求】
1.一种基于多阶幅度调制的可见光信号的编码方法，包括以下步骤: 将待发送的信息分成多个信息单元，每一信息单元包含多个比特； 将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元，其中相邻电信号单元之间具有以该至少三个电平中的第一电平表示的间隔，每一电信号单元以该至少三个电平中的其余电平的组合来代表对应的信息单元的该多个比特； 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，所述将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元的步骤为:根据预先设置的对应表，确定所述信息单元对应的所述电信号单元的电平组合。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括设置该第一电平的持续时间达到第一阈值作为信号结束标志。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每一信息单元包含N个比特，N为自然数；其中该信息是以二进制表示。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述以可见光信号形式发送该编码后的电信号的步骤为:以该编码后的电信号控制发光二极管以可见光信号形式发送该编码后的电信号，其中发光二极管为照明灯或集成到电子设备中。
6.如权利要求1所 述的方法，其特征在于，该第一电平为该至少三个电平的均值。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一电平不为该至少三个电平的均值，且该编码后的电信号的开头为该第一电平。
8.一种基于多阶幅度调制的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； 当检测到从第一电平向其它电平的跳变时，判断为电信号单元开始，记录其它电平的组合； 当检测到从其它电平到第一电平的跳变时，判定该电信号单元结束，并开始计时； 当检测到第一电平的持续时间达到第一阈值时，判断信号结束； 将接收到的各电信号单元进行解码以转换为信息单元；以及 将多个信息单元组合成信息。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将接收到的各电信号单元进行解码而转换为信息单元的步骤为:根据预先设置的对应表，确定所述记录的电信号单元的其它电平的组合对应的信息单元。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该信息是以二进制表示。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，检测到从第一电平向其它电平的跳变之前还包括:通过低通滤波获得电平均值并作为该第一电平。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，检测到从第一电平向其它电平的跳变之前还包括:将该电信号开头的电平作为该第一电平。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将该信息与预设信息进行对比，若该信息与预设信息匹配，则使用该信息对一被控设备进行控制。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该信息与预设条件的匹配包括:该信息与该预设条件相同或存在对应关系。
15.一种基于多阶幅度调制的可见光信号的编码装置，包括: 用于将待发送的信息分成多个信息单元的模块，其中每一信息单元包含多个比特； 用于将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元的模块，其中相邻电信号单元之间具有以该至少三个电平中的第一电平表示的间隔，每一电信号单元以该至少三个电平中的其余电平的组合来代表对应的信息单元的该多个比特； 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。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述用于将该多个信息单元转换为以至少三个电平表示的多个电信号单元的模块是根据预先设置的对应表，确定所述信息单元对应的所述电信号单元的电平组合。
17.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于，还包括用于设置该第一电平的持续时间达到第一阈值作为信号结束标志的模块。
18.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于，每一信息单元包含N个比特，N为自然数；其中该信息是以二进制表示。
19.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于，所述用于以可见光信号形式发送该编码后的电信号的模块是以该编码后的电信号控制发光二极管以可见光信号形式发送该编码后的电信号，其中发光二极管为照明灯或集成到电子设备中。
20.如权利要求15所述的装置，其特征在于，该第一电平为该至少三个电平的均值。
21.如权利要求15所述的装置，其特征在于，该第一电平不为该至少三个电平的均值，且该编码后的电信号的开头为该第一电平。
22.一种基于多阶幅度调制的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； 用于当检测到从第一电平向其它电平的跳变时，判断为电信号单元开始，记录其它电平的组合的模块； 用于当检测到从其它电平到第一电平的跳变时，判定该电信号单元结束，并开始计时的模块； 用于当检测到第一电平的持续时间达到第一阈值时，判断信号结束的模块； 用于将接收到的各电信号单元进行解码以转换为信息单元的模块；以及 用于将多个信息单元组合成信息的模块。
23.如权利要求22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进行解码而转换为信息单元的模块是根据预先设置的对应表，确定所述记录的电信号单元的其它电平的组合对应的信息单元。
24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，该信息是以二进制表示。
25.如权利要求22所述的装置，其特征在于，还包括用于在检测到从第一电平向其它电平的跳变之前通过低通滤波获得电平均值并作为该第一电平的模块。
26.如权利要求22所述的装置，其特征在于，还包括用于在检测到从第一电平向其它电平的跳变之前将该电信号开头的电平作为该第一电平的模块。
27.如权利要求22所述的装置，其特征在于，还包括用于将该信息与预设信息进行对t匕，若该信息与预设信息匹配，则使用该信息对一被控设备进行控制的模块。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，该信息与预设条件的匹配包括:该信息与该预设条件相同或存在对应关系。
29.一种光子钥匙，其特征在于，包括如权利要求15或16所述的一种基于多阶幅度调制的可见光信号的编码装置。
30.一种光子受控端，其特征在于，包括如权利要求22至28任一项所述的一种基于多阶幅度调制的可见光信号的解码装置。
31.一种鉴权系统，其特征在于，所述鉴权系统包括如权利要求29所述的光子钥匙和如权利要求30所述的一种光子受控端。
32.—种鉴权系统,其特征在于,所述鉴权系统包括如权利要求15或16所述的一种基于多阶幅度调制的可见光信号的编码装置和如权利要求22至28任一项所述的一种基于多阶幅度调制的 可见光信号的解码装置。
【文档编号】H04B10/116GK103795465SQ201310330123
【公开日】2014年5月14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