可见光非平面立体接收机、可见光接收终端及通信系统的制作方法

本发明涉及可见光非平面立体接收机、可见光接收终端及通信系统，属于可见光通信技术领域。

背景技术：

可见光通信(VLC)系统是指基于白光LED发出的高速明暗闪烁信号来传输信息，接收端用光电二极管转换信号的无线光通信系统。现如今，在所研究的室内可见光通信系统中，一般假设光接收机垂直向上放置于接收平面上，然而在实际的可见光通信系统工作中，由于用户终端具有移动性或者一些转动，光接收机往往会具有一定的倾斜角。但在之前的室内可见光通信系统研究工作中，接收端一般只考虑为一个垂直向上置于接收平面的平面接收机，不存在倾斜角。而且，单个接收机平面的平面接收机的视场角也非常有限，在用户移动或者转动时，容易出现通信链路中断的情况，导致系统接收性能下降。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供可见光非平面立体接收机、可见光接收终端及通信系统，解决了当用户移动或转动时，容易出现通信链路中断导致系统接收机性能下降的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

可见光非平面立体接收机，包括聚光器、光学滤波器和光电检测器，该非平面立体接收机还包括n个接收平面，n为大于等于4的正整数，其中，一个接收平面作为非平面立体接收机的顶面垂直地面向上，其他接收平面作为非平面立体接收机的侧面，各个侧面分别对应与顶面的一条边相接，顶面相邻两条边对应的侧面相接，各个侧面与顶面之间的倾斜角相等，每个接收平面上用于接收可见光的面积相等，各个接收平面接收光脉冲信号并依次经过聚光器、光学滤波器和光电检测器。

作为本发明立体接收机的一种优选方案，所述各个侧面与顶面之间的倾斜角为30°。

作为本发明立体接收机的一种优选方案，所述n为4时，各个侧面的法线向量在水平面的投影与坐标轴X轴正半轴的夹角分别为0°、120°、240°。

可见光接收终端，包括如上所述可见光非平面立体接收机，还包括信号放大器、滤波器、模拟数字转换电路以及解调译码电路，所述可见光非平面立体接收机从光信道链路中检测出光脉冲信号并转换为电信号，信号放大器对电信号进行增大，并使用滤波器滤除高频的噪声，对经过滤波器处理后的信号利用模拟数字转换电路将模拟信号转换为数字信号，供解调译码电路进行信号的解调译码处理来恢复出初始的信源信号。

可见光通信系统，包括如上所述可见光接收终端，还包括可见光发射终端，所述可见光发射终端包括调制编码电路、数字模拟转换电路、LED驱动电路以及LED阵列，输入的原始数据流经过调制编码电路转换成适合可见光通信系统传输的电信号，此时电信号是数字信号需要通过数字模拟转换电路将数字信号转换为模拟信号送入LED驱动电路，然后LED驱动电路驱动LED阵列发光，以光脉冲形式将信息发送到可见光接收终端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的非平面立体接收机与传统的平面接收机相比，可以解决在实际的可见光通信系统应用中，由于用户具有一定的移动性，或者会有一定的转动，导致通信链路中断带来的系统接收性能下降等问题。

2、本发明利用非平面立体接收机的多个平面间的分集接收，解除了多光源引入的干扰以及阴影效应，永远选择最大的信号功率作为接收信号功率，使得可见光通信系统的性能得到提升。

附图说明

图1是本发明可见光通信系统的整体架构图。

图2是本发明可见光通信系统中可见光通信信道模型图。

图3是本发明可见光非平面立体接收机的任一倾斜面的法线向量坐标示意图。

图4是本发明可见光非平面立体接收机实施例(4个接收平面)模型图。

图5是图4实施例映射在Z＝0.85m平面上的俯视图。

图6是本发明可见光非平面立体接收机实施例(7个接收平面)模型图。

图7是本发明可见光非平面立体接收机实施例(无穷个接收平面)模型图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明室内可见光通信系统按以下四个模块描述：

一、可见光通信系统基本模型

如图1所示，室内可见光通信系统的房间模型是5m×5m×3m封闭的立方体，系统包发射终端、光信道链路和接收终端。发射终端主要由调制编码电路、数字模拟转换电路、LED驱动电路以及LED阵列组成。

发射终端将输入的原始数据流经过调制编码电路转换成适合可见光通信系统传输的电信号，此时电信号是数字信号需要通过数字模拟转换电路将数字信号转换为模拟信号送入LED驱动电路，然后LED驱动电路驱动LED阵列发光，以光脉冲形式将信息发送出去。

经过编码调制处理后的光脉冲信号进入光信道链路进行传输，在信道传输中过程，光信号会受到背景光、多光源的干扰以及散粒噪声、热噪声的影响，最后送入接收终端。

可见光接收终端包括非平面立体接收机、信号放大器、滤波器、模拟数字转换电路和解调译码电路，其中，非平面立体接收机包括聚光器、光学滤波器和光电检测器。本发明假设非平面立体接收机放置于0.85m的高台上，即Z＝0.85m的接收平面。

接收终端通过非平面立体接收机从光信道链路中检测出光脉冲信号然后通过光电检测器将光信号转换为电信号，此时电信号因为经过转换器和噪声干扰等，信号较为微弱，所以对转换完的电信号经过放大器增大信号，使用滤波器滤除高频的噪声，经过处理后的信号属于模拟信号需要通过模拟数字转换电路将模拟信号转换为数字信号供后面的解调译码电路进行信号的解调译码处理来恢复出初始的信源信号。

二、可见光通信链路的信道模型

本发明提出的非平面立体接收机处于室内可见光通信系统的接收终端位置，为说明整个可见光通信系统的发射终端与接收终端，以及光信道链路的关系，如图2的(a)所示，将室内可见光通信系统的传输信道分为直射视距链路和非直射视距链路。则直射链路的信道直流增益可表示为：

其中，m为发射端LED光源的朗伯系数，A为非平面立体接收机每个接收平面上用于接收可见光的面积，d为LED到光接收机之间的距离,φ为LED灯光的发射角，ψ为光信号在光接收机处的入射角，T_s(ψ)为光学滤波器增益，g(ψ)为聚光器增益，可表示为：

其中，k为折射率，ψ_c为光接收机的视场角。

考虑光线经过一次反射的情形，如图2的(b)所示，由LED发出的光信号经墙壁反射的示意图，光信号在LED光源处以发射角φ发出，光源距墙壁上的反射点距离为d₁，入射角为a，经墙壁反射后，光线以b角度反射，在光接收机出的入射角为ψ，反射点至光接收机的距离为d₂。因此，考虑一次反射后，反射链路的信道直流增益H_ref(0)可表示为：

其中，ρ为墙壁的反射率，dA_wall表示在墙壁的反射点处，反射面积的极小量。

∫_Walls表示对所有经过墙壁反射的反射处的面积积分。

三、任一倾斜的接收侧面的法线向量坐标表示

本发明提出的非平面立体接收机实施例一包括4个接收机平面，如图4所示，其中有1个垂直向上的顶面和其余3个与顶面呈30°倾斜角的侧面，考虑其中任意一个倾斜角度为30°的侧面接收机平面。

如图3所示，将非平面立体接收机侧面相对于顶面的倾斜角记为β，侧面的法线向量记为V_Ri，该向量在水平面的投影与X轴正半轴的夹角记为α。因此，如图3所示，倾斜的接收机侧面的法线向量V_Ri可以表示为：

V_Ri＝[sinβ·cosα,sinβ·sinα,cosβ] (4)

四、非平面立体接收机模型

本发明提出的拥有四个接收机平面的非平面立体接收机模型，如图4、图5所示，共有4个接收机平面，其中包括1个垂直向上的顶面和3个与顶面呈30°倾斜角的侧面接收机平面。将每个接收机平面的视场角记为FOV＝60°，则传统的只考虑单个平面接收的平面接收机的视场角只有60°，而本发明提出的具有4个接收机平面的立体接收机视场角可以增加到180°。因此，接收机的接收范围扩大，当用户终端出现转动或移动时，可见光通信信号落入非平面立体接收机的倾斜面的视场角内，避免了通信链路直接中断的不良情况。将本发明提出的非平面立体接收机的顶面记为R₀，三个侧面记为R_i(i＝1,2,3)，三个侧面的倾斜角全部记为β＝30°，而倾斜接收面的法线向量V_Ri在水平面的投影与X轴正半轴的夹角分别记为α＝0，120°，240°。

对于垂直向上的接收机顶面R₀有β＝0，Ψ₀＝Φ₀，

其中，||·||表示范数，即函数或向量的模。

对于倾斜角为30°的3个侧面接收平面有β₁＝β₂＝β₃＝30°，且α₁＝0，α₂＝120°，α₃＝240°。

那么，对于倾斜的侧面接收机平面R_i(i＝1,2,3)而言，其发射角为：

其入射角可以表示为：

其中，法向量V_Ri由公式(4)可得，V_Ri＝[sinβ·cosα,sinβ·sinα,cosβ]。

V_RiS为LED光源与倾斜的侧面接收机平面R_i之间的的方向向量，有如下的关系式：

V_RiS＝[X_S,Y_S,Z_S]-[X_Ri,Y_Ri,Z_Ri] (8)

其中，[X_S,Y_S,Z_S]为发射终端LED的坐标，[X_Ri,Y_Ri,Z_Ri]为接收终端非平面立体接收机的坐标。

五、可见光通信系统采用非平面立体接收机的接收机性能

在室内可见光通信系统模型中，由于非平面接收机垂直向上的顶面接收机平面和与顶面呈30°倾斜角的侧面接收机平面发射角与入射角间的关系不同。因此，将直射链路增益分为两种情况描述。

(1)对于位于非平面立体接收机顶面的接收平面，直射链路增益公式推导如下：

(2)对于位于非平面立体接收机侧面的倾斜接收平面，由于不同倾斜面R_i(i＝1,2,3)的入射角不同，直射链路的增益H_LOS(0)也会不同，直射链路的增益公式推导如下：

由直射视距链路的功率计算公式可得非平面立体接收机各个接收平面的接收功率分布，关系式如下：

P_r＝H_LOS(0)P_t (11)

其中，P_t为每个LED阵列的发射功率，实施例一中共有4个LED阵列。当引入一次反射后，可代入非直射视距链路的直流增益公式(3)，那么，用户终端的接收机接收到的总接收功率为：

P_r＝∑_i(P_tH_LOS(0)+∫_WallsP_tdH_Ref(0)) (12)

接收功率的处理：

本发明使用无线通信中已有的角度分集技术，其原理主要是使传输的信号通过不同的几个路径传输，且以相对互异的角度值传到接收端，本发明中体现为非平面立体接收机的每个不同接收面对信号的接收，最后需要对这些信号合并处理实现角度分集效果。

本发明选用选择合并技术，其工作原理是指平面立体接收机一直检测所有各路的接收平面接收信号的功率值，并对它们进行比较，最后通过合并器把最大值的那个接收平面输出的信号作为有用信号输出。

当非平面立体接收机的某一接收平面的接收功率最高时，选择该平面作为最大功率接收平面记为：P_{r max}。

所有的接收平面集合一起时，选择接收功率最高的那一面P_{r max}作为最后接收可见光信号的接收机平面，放弃接收功率较低的其余接收机平面，则该可见光通信系统的接收机性能必然得到提升。

实施例二是由实施例一中具有四个接收平面的非平面立体接收机引申而来的多个接收平面的非平面立体接收机模型。

如图6、图7所示，本发明提出的非平面立体接收机可以从最简单的4个平面接收(如图4所示)延伸为7个接收平面的立体接收机(如图6所示)以及无数个接收平面的圆台型接收机(如图7所示)。

其中，7个接收平面立体接收机的6个侧面的倾斜角β＝30°，投影角α＝0,60°,120°,180°,240°,300°。其接收机视场角FOV扩大到360°。而无数个接收平面的圆台型接收机的侧面倾斜角为30°，投影角α＝0～360°的连续的角度，其接收机视场角FOV也扩大到360°。因此，接收机平面数量的增加必然会导致接收机接收范围的扩大，从而使得可见光通信的接收机性能得到提升。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。