双电平脉冲宽度编码的数据传输方法及LED可见光通信系统与流程
本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种双电平脉冲宽度编码的数据传输方法及led可见光通信系统。
背景技术：
可见光通信是基于led的无线通信新技术，它是利用led比荧光灯和白炽灯切换得快的优点，通过led光源的高频闪烁来进行通信，有光代表1，无光代表0，发出高速的光信号，再经过光电转换而获取信息。由于可见光通信照明的深度兼容，随着新型节能照明灯led的日益普及，可见光通信技术发展前景不可限量。与传统的射频通信及其它无线通信系统相比较，可见光通信技术具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射、节约能源等优点。目前可见光通信技术已经成为多个国家研究热点，但大多数处于试验阶段，虽然整体系统已有实现，但离实用阶段还有一定距离，系统的各项性能指标有待进一步提高，实现方案也需要进一步完善。
目前存在的问题之一是led可见光通信系统的信道编码设计问题：
可见光通信属于无线通信领域，以大气空间为通信信道，不可避免地受到大气特性的影响，这种影响称之为大气障碍。大气杂质和湍流造成的大气障碍使可见光通信系统的信噪比下降，误码率提高，通信性能大为下降。要降低大气障碍对可见光通信造成的影响，除了在搭建通信系统的时候，需要选择大气恶劣程度较低、环境条件相对良好的地方，还应该采用高效的信道编码技术，至少应该满足以下几点：1、定时信息要丰富，2、基线漂移要小或直流电平漂移量要小，3、要有一定的规律。如果线路码型或码流不满足这些要求，将会发生以下问题：1、引起不良的抖动特性，时定时提取发生困难，2、直流不平衡的码流将会使信号脉冲的直流电平发生漂移，降低通信系统的传输质量，3、数字序列没有一定的规律，通信期间无法监测线路的误码率。由于可见光通信中可能会受到诸多噪音干扰，信道编码作为重要的通信纠错手段，得到了广泛重视。目前的可见光通信研究，大都采用ook或vppm调制方式，结合rz码或nrz码对白光led直接进行强度调制从而进行信号传输。这样的做法易于实现，但是频谱资源利用率太低，资源浪费严重，而且信号的码流直流不平衡严重，编码的效率很低，导致整个通信的传输时长较短。
此外目前存在的问题之二是led结电容引起的额外功率消耗问题：
可见光通信的传输介质为自由空间，用于照明的led发光二极管的发散角比较大，因此信号传输的几何损耗较大，最终到达接收器的信号远远小于发射端。虽然已报道了传输速率大于1gbt/s的实验系统，但是实现高速传输的的距离只有几厘米。
当通信距离变大时，信号损耗严重，误码率上升，就不能达到信号传输的要求了。要提高传输的距离需要增加发射信号的功率，即增加led的光功率输出，这就需要增大led的发光面积，而面积的增大，导致器件的结电容增大，频率响应特性下降，最大通信速率又受到限制。不单是led器件，所有半导体器件的功率特性和频率特性在器件设计上的矛盾，是长久以来所有半导体器件设计者所共同面临的问题。目前国内外的报道还没有能兼顾两方面性能的，预期在短时间内也不能解决，只能在一定程度上改善。
在现有led器件的基础上，通过外部驱动电路来改善系统的响应速度，实现高速通信，通常的方案是采用预加重或均衡。但是，由于照明用led的结电容通常较大，在nf的量级，高速驱动信号对这一电容的充放电将产生较大的功率消耗，从而降低照明系统的发光效率。目前还没有一个可以较好地解决led结电容引起的额外功率消耗问题的方案。
技术实现要素：
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，获得没有基线漂移的通信信号和led光照的高照明效率，本发明提出一种双电平脉冲宽度编码的数据传输方法及led可见光通信系统，既可以达到传输码流的dc平衡，又能提高频带的利用率，从而控制信号传输的时长，保证通信和照明功能皆不受影响。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种双电平脉冲宽度编码的数据传输方法，包括：
发送端采用双电平脉冲宽度编码：利用高、低电平的宽度来进行编码，高、低电平的跳变作为时间参考点，将待传输数据分为n位一组，根据每组数据的值，输出不同宽度的高电平或低电平脉冲信号，每组数据的码值对应不同的脉冲电平发生跳变的位置；
接收端采用双电平脉冲宽度解码：通过数据位有无电平的跳变来识别码元传输的宽度和一个数据位传输的结束，以收到的脉冲电平的上升或下降沿跳变作为时间参考点，根据下一个电平跳变沿时刻，判断高电平或低电平脉冲的宽度，恢复出待传输数据对应的码值，完成数据传输。
进一步地，采用n位计数器来实现n位的双电平脉冲宽度编码，具体实现方法是：
计数器的计数周期用τ表示，n位待传输数据的值用k表示，在每个周期开始，编码器输出高电平或者低电平，同时计数器开始计数，当计数器的计数值与待传输数据值相同时，编码器发生电平翻转跳变，并复位计数器，这样编码器的输出的高电平或低电平脉冲宽度等于kτ，就对应于待传输数据的值。
进一步地，采用n位计数器来实现n位的双电平脉冲宽度解码，具体实现方法是：
在每个信号电平跳变的时候，计数器开始计数，直到下一次信号电平出现跳变的时候停止计数，计数值就对应脉冲宽度，得到对应的待传输数据值。
一种led可见光通信系统，采用所述双电平脉冲宽度编码的数据传输方法，包括：
n位合并电路，用于将待传输数据分成n位一组的数据组；
码型发生器，用于接收待传输的数据组，转化成双电平脉冲宽度编码信号；
功率驱动器，用于将码型发生器的输出信号经过放大后，驱动led，产生光通信信号；
led，用于根据功率驱动器的驱动产生光通信信号；
光电转换器，用于接收光通信信号；
比较器，用于经过判决恢复出双电平脉冲宽度编码信号；
解码器，用于将恢复出的双电平脉冲宽度编码信号进行解码，得到n位数据组；
数据恢复电路，用于将n位数据组恢复出待传输数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)、采用双电平脉冲宽度编码方案，属于dc平衡编码，码流中直流分量的起伏较小，使得数据在传输中不受其直流分量的影响，避免了信号输出基线的渐移现象，简化了光接收端机的电路设计。该编码电路也非常简单，信号无需扰码，并可以不用锁相技术，直接从信号中恢复时钟，大大简化了时钟提取电路，同时也提高了频带的利用率；
2)、采用双电平脉冲宽度编码方案，减少了led结电容的充放电次数，从而减少了因为充放电消耗的功率，提高了照明效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双电平脉冲宽度编码的信号波形示意图，其中(a)为编码原理图，(b)为编码示例图；
图2为led可见光通信系统的结构示意图；
图3为led可见光通信系统的实施例示意图；
图4为双电平脉冲宽度编码系统(led可见光通信系统)的通信过程示意图；
图5为传输长连nrz-l码时引起的接收机基线漂移现象示意图；
图6为常用的led驱动示意图；
图7为当led的驱动信号分别是高、低电平时，电流的流动方向示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种双电平脉冲宽度编码的数据传输方法，包括：
发送端采用双电平脉冲宽度编码：利用高、低电平的宽度来进行编码，高、低电平的跳变作为时间参考点，将待传输数据分为n位一组，根据每组数据的值，输出不同宽度的高电平或低电平脉冲信号，每组数据的码值对应不同的脉冲电平发生跳变的位置；
采用n位计数器来实现n位的双电平脉冲宽度编码，具体实现方法是：
计数器的计数周期用τ表示，n位待传输数据的值用k表示，在每个周期开始，编码器输出高电平或者低电平，同时计数器开始计数，当计数器的计数值与待传输数据值相同时，编码器发生电平翻转跳变，并复位计数器，这样编码器的输出的高电平或低电平脉冲宽度等于kτ，就对应于待传输数据的值。
接收端采用双电平脉冲宽度解码：通过数据位有无电平的跳变来识别码元传输的宽度和一个数据位传输的结束，以收到的脉冲电平的上升或下降沿跳变作为时间参考点，根据下一个电平跳变沿时刻，判断高电平或低电平脉冲的宽度，恢复出待传输数据对应的码值，完成数据传输；
采用n位计数器来实现n位的双电平脉冲宽度解码，具体实现方法是：
在每个信号电平跳变的时候，计数器开始计数，直到下一次信号电平出现跳变的时候停止计数，计数值就对应脉冲宽度，得到对应的待传输数据值。
如图1所示，图1(a)为其编码原理，发送端采用双电平脉冲宽度编码，在每个码元开始时，编码器把待传输的数据每n位分为一组，根据每组数据的值，输出不同宽度的脉冲信号，以电平跳变作为时间参考点，每一个脉冲的跳变沿既是上一个码元的结束，也是本次码元的开始。设脉冲的最小时隙间隔为τ，则脉冲的最大宽度为2n·τ。其电平跳变的时刻与待传输数据组的值对应。接收端以收到的脉冲电平的跳变作为时间参考点，根据信号的电平跳变沿时刻，恢复出待传输数据的值，实现数据的传输。
图1(b)为编码示例，第1组待传输数据的值为“0”，所以脉冲只占用1个单位的时隙宽度；第2组待传输数据的值为“1”，所以脉冲占用2个单位的时隙宽度；第3组待传输数据的值为“3”，所以脉冲占用4个单位的时隙宽度。这种波形看起来像是模拟电源中常用的脉冲宽度调制和脉冲频率调制方案的结合，但是有着本质的区别：脉冲宽度调制和脉冲频率调制技术是用数字信号表示模拟信号，是对模拟信号电平进行数字编码的方法，而本发明是用脉冲电平跳变沿或脉冲宽度表征二进制数据组的值，属于一种多元编码方式。
实施例2
如图2所示，本发明还提供一种led可见光通信系统，采用所述双电平脉冲宽度编码的数据传输方法，包括：
n位合并电路，用于将待传输数据分成n位一组的数据组；
码型发生器，用于接收待传输的数据组，转化成双电平脉冲宽度编码信号；
功率驱动器，用于将码型发生器的输出信号经过放大后，驱动led，产生光通信信号；
led，用于根据功率驱动器的驱动产生光通信信号；
光电转换器，用于接收光通信信号；
比较器，用于经过判决恢复出双电平脉冲宽度编码信号；
解码器，用于将恢复出的双电平脉冲宽度编码信号进行解码，得到n位数据组；
数据恢复电路，用于将n位数据组恢复出待传输数据。
本发明的led可见光通信系统的工作过程如下：
待传输数据通过n位合并电路，被分成n位一组的数据组；
码型发生器接收待传输的数据组，转化成双电平脉冲宽度编码信号，例如，要实现n位的多元脉冲宽度编码，可以采用n位计数器来实现：设计数器的计数周期为τ，n位待传输数据的值为k，在每个周期开始，编码器输出高电平，同时计数器开始计数，当计数器的计数值与待传输数据值相同时，编码器出现高低电平的跳变，并复位计数器；
码型发生器的输出信号经过功率驱动器放大后，驱动led，产生光通信信号；
在接收端，光电转换器接收光通信信号，经过比较器的判决，恢复出双电平脉冲宽度编码信号；
恢复出的双电平脉冲宽度编码信号经解码器解码，得到n位数据组，再由数据恢复电路恢复出待传输数据，解码器也可以采用n位计数器来实现：在每个信号电平跳变的时候，计数器开始计数，直到下一次信号电平出现跳变的时候停止计数，计数值就对应脉冲宽度，可以得到对应的待传输数据值。
本发明的基本原理是通过采用双电平脉冲宽度编码，使得传输数据中的高低电平持续时间几乎相等，保持电路中的dc(直流)平衡，以减少接收机出现的基线漂移现象。减少led的驱动电压的跳变次数，降低因为led结电容引起的额外功率消耗。同时采用可变长码元宽度，尽可能缩短低电平持续时间，提高信号的占空比，在保证照明亮度不变的前提下，减小峰值电流。
常规的码元传输的主要缺陷是接收端没有时钟，没有时钟也就无法识别收到的数据位的开始和结束以及数据位的宽度；而双电平脉冲宽度编码解决了没有时钟的问题。接收端可以通过数据位有无电平的跳变来识别码元传输的宽度和一个数据位传输的结束；接收端以收到的电平跳变的时刻作为时间参考点，根据下一次电平发生跳变的位置，恢复出对应的码值，完成数据传输。
如图3所示，优选地，led可见光通信系统发送端主要包含由fpga构成的n位合并电路和码型发生器，功率驱动器和led。接收端主要包含光电转换器，比较器和fpga构成的解码器和数据恢复电路。n位合并电路和码型发生器接收待传输数据，转换为双电平脉冲宽度编码信号，这一信号经功率驱动器放大后，驱动led，产生光通信信号。在接收端，光电转换器接收光通信信号，经过比较器的甄别，恢复出双电平脉冲宽度编码信号，最后经过fpga构成的解码器解码，恢复出待传输信号。
上述fpga采用altera公司cyclone-ⅱ系列的ep2c5芯片，逻辑单元4068个，片上动态存储器总比特数119808bit，嵌入式18x18乘法器13个，片上锁相环2个。
上述功率驱动器采用mimi-circuit公司的zhl-6a放大器，通频带0.0025-500mhz，增益25db，最大输出功率22dbm。
上述led采用osram公司的le_cw_e2b发光二极管，额定电流700ma，光通量240-610lm。
上述光电转换器采用newport公司的1601光电转换器，其光谱响应范围320-1000nm，带宽1ghz，上升时间400ps，等效输入噪声功率31pw，转换增益360/w。
上述比较器采用美信公司的max961比较器，其传播时延4.5ns，供电电压3-5v，输出电平兼容ttl和cmos标准。
通信过程如图4所示：待传输数据通过n位合并电路，被分成n位一组的数据组。码型发生器接收待传输的数据组，转化成双电平脉冲宽度编码信号。例如，要实现n位的双电平脉冲宽度编码，可以采用n位计数器来实现：设计数器的计数周期为τ，n位待传输数据的值为k，在每个周期开始，编码器输出高电平(或者低电平)，同时计数器开始计数，当计数器的计数值与待传输数据值相同时，编码器发生电平跳变，并复位计数器。这样编码器的输出脉冲宽度等于kτ，就对应于待传输数据的值。编码器发生电平跳变之后，立即进行下一个码元的传输。码型发生器的输出信号经过功率驱动器放大后，驱动led，产生光通信信号。
在接收端，光电转换器接收光通信信号，经过比较器的判决，恢复出双电平脉冲宽度编码信号，最后经过解码器解码，得到n位数据组，再由数据恢复电路恢复出待传输数据。解码器也可以采用n位计数器来实现：在每个信号跳变沿，计数器开始计数，信号的下一个电平跳变沿停止计数，计数值就对应脉冲宽度，可以得到对应的待传输数据值。
根据上述方案的原理，现在分别分析此方案在led可见光通信系统中遇到的基线漂移问题以及在led结电容引起的功率消耗和照明亮度方面的特性：
1、led可见光通信系统中遇到的基线漂移问题
基线漂移也称为基线浮动，是由于数字信号通过交流耦合网络时产生的。这是因为光信道与电缆传输的情况不同，光通信中不可能有负光，因此不能象电缆那样采用双极性的脉冲，而只能采用单极性的脉冲。在数字光通信系统中，对应“1”为发光，“0”为不发光，在单极性的数字码流中必然含有一定的直流成分，而交流耦合网络不能通过码流所包含的直流分量，当矩形脉冲加到交流耦合网络时，输出脉冲将出现相反极性的拖尾，这拖尾的幅度和持续时间将取决于交流耦合网络的低频特性。低频截止频率越低，尾巴就越长。脉冲序列经过交流耦合网络时，各个脉冲的拖尾将相互叠加起来，由此造成“基线浮动”，当接收机的判决电平不变时，这种浮动就会影响接收机判决脉冲的有无的能力。
用于光传输系统的数字光端机有两种工作方式：同步和异步。这两种不同工作方式的光端机无论从传输信号的结构、设计思想、电路构成上，还是再生判决方法上都有很大的差别，基线漂移产生的原因及其影响也不同。对于同步式光端机，它传输的是连续的数字序列，基线浮动出现的原因主要是由于数字码流中的“1”和“0”出现不均匀，出现长时间的连“1”或连“0”时，引起直流成分的幅度发生变化，当直流成分变化幅度较大时，就可能出现误码。
如图5所示的是传输长连nrz-l码时引起的接收机基线漂移现象示意图。由图可以看出，通过交流耦合后，基线会逐渐下沉，此时如果判决门限固定不变，就会使一部分“1”码误判为“0”码。在这种情况下，只有依靠增大信号幅度的办法来克服误码，但这样使最小可接收到的平均光功率变大，对接收机的灵敏度造成一定损失。
由图可以看出光脉冲只能采取单极性，因此光脉冲含有直流分量，但是交流网络不能通过码流包含的直流分量，所以矩形脉冲通过交流耦合网络时会出现反极性的拖尾，而脉冲序列的拖尾相互交叠就会造成基线漂移，而对于已经给定的固定的判决阈值电平而言，漂移就会影响判读出现误码，如图5所示。
因此希望在有线链路的情况下，期望利用没有dc和少量低频内容的代码，以便允许驱动器和接收器电路与传输线的dc(直流)隔离或者说编码可以实现dc平衡，从而减少线路上的信号失真。直流平衡，是指在一组数据中0和1的个数相等，则这组数据是直流平衡的。在使用隔直电容时，电流仅在状态切换时流入接收器的终接网络。本发明的led可见光通信系统，采用高、低电平同时编码的可变长码元宽度编码，在考虑信号的占空比时，设最小的低电平宽度为tl，下降沿不同码值的时隙间隔为tc则，对于n位m元编码，每个码元的高电平的平均宽度为
2、led结电容引起的能量消耗
如图6(a)所示是常用的led驱动示意图，通常使用一个高速的驱动器来驱动led。但是，由于照明用led的结电容通常较大，在nf的量级，高速驱动信号对这一电容的充放电将产生较大的功率损耗，从而降低照明系统的发光效率。结电容充放电引起的功率消耗可以根据图6分析。图6(b)是用led的等效电路替换之后的驱动示意图，其中虚线框里的是led的等效电路图。因为主要研究led结电容的影响，所以忽略led的串联电阻等因素，把led等效为一个理想发光二极管d与led结电容cled的并联。
当led的驱动信号分别是高、低电平时，电流的流动方向如图6所示。因为电容的充放电只发生在信号的上升或下降沿，所以下面分别对信号上升沿和下降沿的情况进行分析：
(1)、信号上升沿时，led结电容引起的电路能量消耗
图7(a)是输入为高电平时的电流方向，此时驱动器内部开关s闭合，电源vh通过驱动器内阻ro给理想led供电使其发光，同时给led的结电容充电。
电源对led结电容充电消耗的能量不参与发光，是电路的能量消耗。因为电容不消耗电功率，所以实际功率都消耗在驱动电路上，即驱动电路的内阻上。驱动信号上升沿跳变对结电容的充放电引起的能量消耗可以用式(1)计算
式中，ic为流过led结电容的电流，vro为驱动器内阻上的电压，vh为驱动信号高电平的电压，vled为led上的电压(等于led结电容上的电压)，tr为信号上升时间。
对于流过led结电容的电流等于
因为在信号保持高电平或低电平时，led的电压保持不变，其结电容没有充放电，led的结电阻和驱动器的内阻构成简单的分压电路，所以有
式中rled为led的结电阻，ro为驱动器的内阻。因为led的内阻远大于驱动器的内阻，所以在上升沿之前，led上的电压约等于低电平vl，上升沿之后的电压约等于vh，将式(2)(3)和(4)代入式(1)可得
式中vm为高低电平的差值。由式(5)可知，信号上升沿时，结电容引起的电路能量消耗与结电容的大小成正比，与驱动信号的峰峰值的平方成正比。
(2)信号下降沿时，led结电容引起的电路能量消耗
图7(b)是当输入电压是低电平时，各部分的电流方向。此时驱动器内部开关s闭合，led结电容在高电平时积累的电荷通过驱动器的内阻放电，并同时通过理想led放电，放电电流逐渐减小，led逐渐熄灭。所以有
流过驱动器的内阻的能量是无用的，所以结电容引起的电路能量消耗为
式中id为流过理想发光二极管的电流，理想led的正向伏安特性遵循的方程为
式中，i0为led的反向饱和电流，q为电子电荷量，vd为led两端电压，n为与led的材料有关的常数，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度。
将式(6)和式(8)代入式(7)，可以得到信号下降沿时，led的结电容引起的能量消耗为
式中第一项为led结电容上储存的能量，第二项为下降沿过程中led消耗的能量，这部分能量虽然对通信信号没有贡献，但是用于发光。因为led的内阻远大于驱动器的内阻，所以信号下降沿时，驱动器内阻消耗的能量远大于led消耗的能量，led结电容引起的能量耗散约等于
(3)信号跳变时，led结电容引起的电路功率消耗
led结电容引起的电路功率消耗等于单位时间内每次跳变的能量消耗。因此，对每个周期跳变的概率因子为α，信号频率为f的驱动信号，根据式(5)和(10)，结电容的充放电引起的功率消耗为
以普通功率1w的led为例，其典型的结电容1nf，设驱动电压切换频率100mhz，调制电压3v，采用单极性非归零码时(对单极性非归零码α＝0.5，别的码型α会高得多)，其功耗达到了150mw，这将引起发光效率的极大降低。如果频率进一步提升，或者结电容增大(大功率led的情况)，这一问题将更加严重。
(4)降低led结电容引起的电路功率消耗的方法
根据式(11)，要降低led结电容引起的电路功率消耗，可以通过降低驱动信号跳变的概率，降低时钟频率，降低led结电容，降低驱动信号幅度等方法实现。因为一旦led选定，其结电容大小就基本确定了，为了获得足够高的信噪比，驱动信号幅度也必须足够高，所以最可行的方法就是通过改进通信系统的编码或调制方式，降低驱动信号跳变的概率，以及降低时钟频率。
本发明采用双电平脉冲宽度编码方案即可有效的降低驱动信号跳变的概率和时钟频率：以采用n位m元编码为例，系统发射端采用驱动脉冲的上升沿(或者下降沿)作为定时参考，根据所需传输的数据，采用m元编码，每个码值对应不同的电平跳变的位置，驱动脉冲电平发生跳变之后，立即以系统最快可能的速度上升或者(下降)，进行下一个码元的传输。
可以看到在一个码元时间内，信号跳变了一次，传输了n位二进制数，其每个周期跳变的概率因子为α＝1，其信号的平均频率为
因此led结电容引起的功率消耗相比基本的单极性非归零码信号，减少到了原来的
本发明可以提高其照明效率以及消除通信链路中信号的基线漂移问题，利用信号高、低电平的宽度来进行编码，采用多元编码的编码方案，减少了led结电容的充放电次数，从而减少了因为充放电消耗的功率，提高了led的照明效率；对高、低电平的宽度同时进行编码，使得传输数据中的高低电平持续时间几乎相等，可以保持信号的dc(直流)平衡，消除可见光通信链路中信号的基线漂移问题，增强通信链路中的抗干扰能力，提高了频带利用率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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