一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置的制作方法

本实用新型涉及室内可见光通信装置领域，特别是涉及一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置。

背景技术：

节能的LED技术已成为目前室内照明设施的首选，而基于LED的可见光通信作为一种附加在室内照明设施上的功能，因其节能环保、不占用紧缺的无线频谱资源、信息保密性好等优点，近年来已成为通信领域研究的热点。正交频分复用（OFDM）传输技术因其具有的信道利用率高、抗多径衰落能力强和实现复杂度低等优点，已被广泛引用在室内可见光通信系统中。

调光作为室内照明设施最基本的功能，可以满足人们在日常生活中对不同光照强度的需要，也可以达到节能环保的目的。但在传统的基于改变占空比的调光方式中，由于在“off”调光时隙内不传输信息，使得OFDM信号的通信质量和传输速率高度依赖于占空比，这对OFDM信号的正常传输造成巨大影响。只有把调光和信号正常传输这一对矛盾有效解决之后，才能推动室内可精确调光的可见光OFDM通信装置的商业化。

专利“CN201410024723”公开了一种基于OFDM信号的光源调光技术，提出在OFDM系统中采用MPPM代替PWM实现精确调光并且传输额外信息。但是仍存在以下不足之处：

(1). 由于在“off”调光时隙不传输信号，当室内需要较低强度的照明时，即占空比较小时（如D=10%或20%），为保证OFDM信号传输速率不变，需要付出系统误码率增大的代价；或者，为保证OFDM信号通信质量不变，则需要付出传输速率降低的代价。因此，为保证OFDM信号正常传输，调光范围将受限，无法达到全范围；

(2). 由于在“off”调光时隙不传输信号，当室内无照明时，即占空比D=0%时，不存在基本通信链路；

(3). 由于在“off”调光时隙不传输信号，在当前“on”调光时隙传输的OFDM信号需要等待后续“on”调光时隙的OFDM信号，直到接收端收到的“on”调光时隙的信号拼接为一整个OFDM帧时，才能进行OFDM解调，故存在信号传输时延的问题；

(4). 由于没有考虑OFDM子载波符号调制阶数，如果为了保持传输速率不变而在改变占空比的同时变化子载波的符号调制阶数，会使电路设计复杂化。

而早在近十年前，专利“CN200780028988”就曾提出在光无线传输中同时采用可见光和红外的设想，但是，该设想的初衷是解决“在照明点灯时只能进行低速的光通信”这一问题。目前，随着半导体技术水平的飞速发展，单纯的室内可见光通信的速率就已经能达到上百Mbit/s甚至到Gbit/s，所以，目前专利“CN200780028988”所说的问题已不是主要问题，而且，该专利还存在以下问题需要解决：

(1). 由于用红外光链路作为高速的主要通信链路，而用可见光链路作为低速的辅助通信链路，因此，为达到一定质量的高速通信，必将要求红外光源功率较高，从而影响人体健康，同时，可见光光源的高速通信的潜力也没有得到有效开发；

(2). 由于不具备LED光源调光功能，从而不符合现代室内照明系统的设计理念；

(3). 由于可见光光源和红外光源发射的信号波形完全不相同，使得接收时两种信号会互相干扰，例如，在可见光的“off”时隙时红外光源全部发最高电平，由于相应的接收机制不完善，这极易造成错判，影响通信质量；

(4). 由于高速率红外符号无法跨越可见光的“on”和“off” 调光时隙的边缘位置，从而要求红外信号和可见光脉冲信号必须完全同步（即两者符号边缘需要对齐），这大大增加了系统复杂度；

(5). 由于没有采用OFDM调制方式，使得通信系统抗多径衰落能力较差；

(6). 由于可见光光源和红外光源同时发射信号，同时被接受，所以当接收端采用两个光电检测器时，需要保持信号同步，增加系统复杂度，而当接收端只采用一个检测器接收两个波段的信号时，其可行性及性能值得怀疑。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置，降低系统复杂度，减少调光时对OFDM信号传输速率和传输质量的影响。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置，包括：调光脉冲产生器、信源、OFDM调制器、可见光LED驱动器、红外LED驱动器、商用可见光LED照明光源、低功率红外LED补偿光源、光电检测器、调光脉冲判别器、归一化处理器、OFDM解调器和信宿，所述调光脉冲产生器的输出端分别连接所述可见光LED驱动器的输入端以及红外LED驱动器的输入端，所述信源的输出端连接所述OFDM调制器的输入端，所述OFDM调制器的输出端分别连接所述可见光LED驱动器的输入端以及所述红外LED驱动器的输入端，所述可见光LED驱动器的输出端连接所述商用可见光LED照明光源的输入端，所述红外LED驱动器的输出端连接所述低功率红外LED补偿光源的输入端，所述商用可见光LED照明光源和所述低功率红外LED补偿光源的输出光信号发射进自由空间后，全部或部分作为所述光电检测器输入，所述光电检测器的输出端连接所述调光脉冲判别器的输入端，所述光脉冲判别器的输出端连接所述归一化处理器的输入端，所述归一化处理器的输出端连接所述OFDM解调器的输入端，所述OFDM解调器的输出端连接所述信宿的输入端。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述调光脉冲产生器产生的是以下三种信号中的一种或者其变种：脉冲宽度调制PWM信号、脉冲位置调制PPM信号和多脉冲位置调制MPPM信号。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述商用可见光LED照明光源全范围的精确调光通过改变调光脉冲产生器中调光脉冲的占空比进行，所述占空比为D，且0%≤D≤100%，所述红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置在调光脉冲产生器的“on”调光时隙和“off”调光时隙始终有连续的OFDM信号波形传输，所述商用可见光LED照明光源在未经调制时的发射光功率为Pa，所述低功率红外LED补偿光源在未经调制的发射光功率为Pb，所述Pa远大于Pb。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述OFDM调制器的输出为双极性OFDM信号f(t)，所述可见光LED驱动器同时受所述调光脉冲产生器和所述OFDM调制器的控制，在“on”调光时隙，所述可见光LED驱动器将OFDM信号调制到所述商用可见光LED照明光源，且调制指数为Ma，故此时所述商用可见光LED照明光源的发射光功率为Pa*(1+Ma*f(t))；在“off”调光时隙，所述可见光LED驱动器不对所述商用可见光LED照明光源调制任何信号，故此时所述商用可见光LED照明光源发射光功率为0。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述红外LED驱动器同时受所述调光脉冲产生器和所述OFDM调制器的控制，在“on”调光时隙，所述红外LED驱动器不对所述低功率红外LED补偿光源调制任何信号，故此时所述低功率红外LED补偿光源的发射光功率为0；在“off”调光时隙，所述红外LED驱动器将OFDM信号调制到所述低功率红外LED补偿光源，且调制指数为Mb，故此时所述低功率红外LED补偿光源的发射光功率为Pb*(1+Mb*f(t))。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述光电检测器轮流在“on” 调光时隙和“off”调光时隙接收所述商用可见光LED照明光源和所述低功率红外LED补偿光源发射的OFDM信号波形，所述光电检测器的数目为1，在“on”调光时隙，所述光电检测器输出的电信号为Ra*Ha(0)*Pa*(1+Ma*f(t))，在“off”调光时隙，所述光电检测器输出的电信号为Rb*Hb(0)*Pb*(1+Mb*f(t))，其中Ra、Rb分别是所述光电检测器在所采用的可见光波段和红外波段的光电转换效率，Ha(0)与Hb(0)分别是所采用的可见光波段和红外波段的信道直流增益，当所述商用可见光LED照明光源和所述低功率红外LED补偿光源安装位置近时，Ha(0)与Hb(0)视为相等。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述调光脉冲判别器根据光电检测器输出的电信号，以判决门限0.5*(Ra*Ha(0)*Pa+Rb*Hb(0)*Pb)来自动判别“on”调光时隙和“off”调光时隙，若该时隙平均电信号幅度大于或等于判决门限，则判定为“on” 调光时隙，否则，判定为“off”调光时隙。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述调光脉冲判别器通过以下方法实现判决：在每个总时隙数为n的调光码元中选出nD个脉冲幅度最大的时隙判定为“on” 调光时隙，将剩余n(1-D)时隙判定为“off”调光时隙。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述归一化处理器根据所述调光脉冲判别器的判别结果，对“on”调光时隙和“off”调光时隙内的波形进行不同的处理，对于判定为“on”调光时隙内的波形，首先去除直流分量，然后除以归一化因子Ga，得到归一化OFDM波形f(t)，其中Ga=Ra* Ha(0)*Pa*Ma；对于判定为“off”调光时隙内的波形，首先去除直流分量，然后除以归一化因子Gb，得到归一化OFDM波形f(t)，其中Gb=Rb*Hb(0)*Pb*Mb。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述归一化处理器输出的归一化OFDM波形f(t)输入到所述OFDM信号解调器，所述OFDM信号解调器直接对f(t)进行解调，并将解调结果输出到信宿。

本实用新型的有益效果是：本实用新型指出的一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置，既可以传输OFDM信号，又可以进行调光占空比0%至100%之间精确的调光，且调光时几乎不对OFDM信号的传输速率、传输质量造成影响，即使在0%占空比（关灯）情况下，也能进行正常的OFDM数据传输，OFDM子载波符号的调制阶数可以保持恒定，简化了电路设计，归一化处理器使得同一个OFDM信号可以跨越“on”调光时隙和“off”调光时隙的边缘位置，故不需要OFDM信号与调光脉冲之间实现同步，这样可以大大降低传统方案解调过程中的错判概率，并有效降低系统复杂度，有效避免传统调光方案因“off” 调光时隙不传输OFDM信号而带来的传输延迟，采用功率差异显著的商用可见光LED照明光源和低功率红外LED补偿光源，既可以满足室内照明的需要，又可以保证人体不受红外伤害，还可以满足信号解调的需要，采用的双极性OFDM信号f(t)不会对调光的精确性产生任何影响，且系统抗多径衰落能力强，接收端只采用一个光电检测器，故避免了采用多个光电检测器之间的信号同步问题，可见光信号和红外信号轮流在“on” 调光时隙和“off”调光时隙发送，也避免了只采用一个检测器同时探测多波段信号而带来的性能不确定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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它的附图，其中：

图1是本实用新型一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置一较佳实施例的结构示意图；

图2为OFDM信号在发送端和接收端的具体波形示意图；

图3为传输速率恒定时，在不同调光占空比下OFDM子载波符号的调制阶数；

图4为传输速率和OFDM子载波符号的调制阶数都恒定时，在不同调光占空比下的OFDM信号的仿真误码率。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图4，本实用新型实施例包括：

一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置，如图1所示，包括：调光脉冲产生器、信源、OFDM调制器、可见光LED驱动器、红外LED驱动器、商用可见光LED照明光源、低功率红外LED补偿光源、光电检测器、调光脉冲判别器、归一化处理器、OFDM解调器和信宿，所述调光脉冲产生器的输出端分别连接所述可见光LED驱动器的输入端以及红外LED驱动器的输入端，所述信源的输出端连接所述OFDM调制器的输入端，所述OFDM调制器的输出端分别连接所述可见光LED驱动器的输入端以及所述红外LED驱动器的输入端，所述可见光LED驱动器的输出端连接所述商用可见光LED照明光源的输入端，所述红外LED驱动器的输出端连接所述低功率红外LED补偿光源的输入端，所述商用可见光LED照明光源和所述低功率红外LED补偿光源的输出光信号发射进自由空间后，全部或部分作为所述光电检测器输入，所述光电检测器的输出端连接所述调光脉冲判别器的输入端，所述光脉冲判别器的输出端连接所述归一化处理器的输入端，所述归一化处理器的输出端连接所述OFDM解调器的输入端，所述OFDM解调器的输出端连接所述信宿的输入端。

本实用新型的思路是基于传统可见光通信调光方案，采用一个低功率红外补偿通信链路，使装置在 “on” 调光时隙和“off”调光时隙始终有连续的OFDM信号波形传输，这样便能有效解决传统方案中“off”调光时隙不传输任何信号的窘境，并避免信号同步和延迟等问题，降低系统复杂度。

本实用新型装置的OFDM信号在发送端和接收端的具体波形示意图如图2所示，这里假设精确调光占空比为55.5%，即每9个调光时隙内有5个为“on”调光时隙。在发送端，信源发出的二进制比特流进入所述OFDM调制器后，被调制成双极性OFDM信号。在“on”调光时隙，OFDM信号f(t)仅被所述可见光LED驱动器调制到所述商用可见光LED照明光源，故发射光功率为Pa*(1+Ma*f(t))；在“off”调光时隙，OFDM信号仅被所述红外LED驱动器调制到所述商用可见光LED照明光源，故发射光功率为Pb*(1+Mb*f(t))。同时，在“on”调光时隙和“off”调光时隙传输的OFDM信号波形连续，速率相同。另外，所述商用可见光LED照明光源和所述低功率红外LED补偿光源发射光强差异显著，可确保人体健康并满足照明及信号解调的需要，所述低功率红外LED补偿光源发射光强满足国际标准International Electrotechnical Commission(IEC)规定的IEC60825-1和American National Standards Institute (ANSI)规定的ANSI Z136.1。

需要注意的是，连续的OFDM波形加载在调光脉冲上，并不要求波形和脉冲之间严格对齐，所以，考虑接收端采用的归一化处理器，这将有效避免信号同步的问题。同时需要注意的是，在传统调光方案中，每个OFDM信号需要等一整个帧长的信号全部接收到才能进行解调，由于“off”时隙不传输OFDM信号，带来的传输延迟不容忽视。而本实用新型中，在连续的“on”和“off”调光时隙均有波形连续的OFDM信号被传输，这样可以有效避免传输的延迟的问题。还需注意的是，双极性的OFDM信号加载在可见光调光脉冲之上，并不改变可见光LED的平均发射光功率，因而OFDM传输对调光的精确性毫无影响。

在接收端，采用一个所述光电检测器轮流在“on” 调光时隙和“off”调光时隙接收所述商用可见光LED照明光源和所述低功率红外LED补偿光源发射的OFDM信号波形。此时，光信号已通过自由空间，就无需再考虑照明，接下来的问题便是如何解调收到的OFDM信号。可以发现，无论在“on”还是“off”调光时隙，虽然收到的OFDM信号和发送端原始OFDM信号不同，但是每个时隙内的波形的形状是相同的，而原始OFDM信号的信息恰恰包含在这些起伏变化的波形里。在“on”调光时隙，所述光电检测器输出的电信号为Ra*Ha(0)*Pa*(1+Ma*f(t))；而在“off”调光时隙，所述光电检测器（8）输出的电信号为Rb*Hb(0)*Pb*(1+Mb*f(t))。我们发现，因为“on” 调光时隙和“off”调光时隙内电信号幅度差值较大，所以可以取两者的中点，即以判决门限0.5*(Ra*Ha(0)*Pa+Rb*Hb(0)*Pb)来自动判别“on”调光时隙和“off”调光时隙。若该时隙平均电信号幅度大于或等于判决门限，则判定为“on”时隙；否则，判定为“off”时隙。

所述调光脉冲判别器也可以通过以下方法实现判决：在每个总时隙数为n的调光码元中选出nD个脉冲幅度最大的时隙判定为“on”时隙，将剩余n(1-D)时隙判定为“off”时隙。

接下来，所述归一化处理器根据所述调光脉冲判别器的判别结果，对“on”和“off”时隙内的波形进行不同的处理，具体方案如下：对于判定为“on”时隙内的波形，首先去除直流分量，然后除以归一化因子Ga，得到归一化波形f(t)，其中Ga=Ra*Ha(0)*Pa*Ma；对于判定为“off”时隙内的波形，首先去除直流分量，然后除以归一化因子Gb，得到归一化波形f(t)，其中Gb=Rb*Hb(0)*Pb*Mb。最后，将从所述的归一化处理器输出的归一化OFDM波形f(t)输入到所述OFDM信号解调器，所述OFDM信号解调器直接对f(t)进行解调，并将解调结果输出到信宿。

当OFDM信号传输速率恒定为50Mbit/s时，本实用新型装置在不同调光占空比下采用的OFDM子载波符号的调制阶数如图3所示，这里仅以MQAM为例举例进行说明。可以看出，OFDM子载波符号的调制阶数在不同调光占空比下可以恒定保持为4，这将大大简化通信系统电路的设计。

当OFDM信号传输速率恒定为50Mbit/s，且OFDM子载波符号的调制阶数在不同调光占空比下恒定保持为4时，本装置在不同调光占空比下的仿真误码率如图4所示。此时可以看出，在任意占空比下调光时，通信误码率均可达到10^-4数量级以下，这说明了调光对系统通信质量的影响几乎可以忽略不计。

综上所述，本实用新型指出的一种红外补偿全范围调光的可见光OFDM通信装置，安装在室内，能够使室内照明系统在全范围调光的同时进行OFDM信号的正常传输，结构简单，信号传输稳定，对人体的伤害可以忽略不计。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。