一种提高可见光通信中LED信道带宽的方法及系统与流程

本发明涉及可见光无线通信技术领域，特别是指一种提高可见光通信中led信道带宽的方法及系统。

背景技术：

近年来，随着无线通信技术以及照明科技产业的不断发展，可见光发光二极管(light-emittingdiode，led)无线通信作为一种利用白光led进行通信的新技术，具有可见光资源丰富、安全节能、通信容量大、发射频率高、传输速率快、无电磁干扰、不需要无线电频率证等优点。可见光led无线通信具有较好的应用前景，在未来通信领域中占有重要的地位和价值，以led为室内可见光通信信号光源，其具有节能化、智能化、信息化、安全化，无电磁辐射等优点。

可见光通信系统具有许多可弥补射频无线通信系统缺陷的优点，但是由于led信道本身低通特性极易造成码间干扰并导致接收端无法恢复出正确的信号，从而提升了误码率，降低了通信质量，因此如何针对这一现象对信道进行改善，提升信道的传输性能，是led可见光无线通信的重要研究点之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种提高可见光通信中led信道带宽的方法及系统，以解决现有技术所存在的误码率高、通信质量差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种提高可见光通信中led信道带宽的方法，包括：

获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；

根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；

通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；

将预均衡处理后得到的信号发送出去。

进一步地，在通过所述滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强之前，所述方法还包括：

获取原始待发送信号，对获取的所述原始待发送信号进行采样、量化、判决，使所述原始待发送信号转化为数字信号，其中，所述原始待发送信号为模拟信号。

进一步地，所述通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强包括：

通过所述fir滤波器读取所述原始待发送信号对应的数字信号；

基于fpga数字信号处理技术，将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号。

进一步地，所述fir滤波器采用直接型的滤波器结构；

所述将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号包括：

读取的所述原始待发送信号对应的数字信号在所述fir滤波器中经过与抽头系数的32次乘积累加处理，得到预均衡后的数字信号。

进一步地，所述将预均衡处理后得到的信号发送出去包括：

将预均衡处理后得到的数字信号进行数模转换，得到模拟信号；

将所述模拟信号电平抬高以驱动所述led，当所述led驱动成功后，由所述led将所述模拟信号转化为光信号发送出去。

本发明实施例还提供一种提高可见光通信中led信道带宽的系统，包括：

第一确定单元，用于获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；

第二确定单元，用于根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；

所述fir滤波器，用于读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；

发送单元，用于将预均衡处理后得到的信号发送出去。

进一步地，所述系统还包括：

模数转换单元，用于获取原始待发送信号，对获取的所述原始待发送信号进行采样、量化、判决，使所述原始待发送信号转化为数字信号，其中，所述原始待发送信号为模拟信号。

进一步地，所述fir滤波器，用于读取所述原始待发送信号对应的数字信号；还基于fpga数字信号处理技术，将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号。

进一步地，所述fir滤波器采用直接型的滤波器结构；

所述fir滤波器，具体用于将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的32次乘积累加处理，得到预均衡后的数字信号。

进一步地，所述发送单元包括：

数模转换单元，用于将预均衡处理后得到的数字信号进行数模转换，得到模拟信号；

偏置器，用于利用所述偏置器的偏置电压将所述模拟信号电平抬高以驱动所述led，当所述led驱动成功后，由所述led将所述模拟信号转化为光信号发送出去。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；将预均衡处理后得到的信号发送出去。这样，通过频率响应特性与所述led相反的fir滤波器对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，能够使得所述待发送信号中的频率分量按照不同响应程度进行增强或衰减，以适应led的频率响应特性，提高led信道带宽，使得待发送信号适宜在可见光led信道中传输，从而能够保证待发送信号的高质量传输。

附图说明

图1为本发明实施例提供的提高可见光通信中led信道带宽的方法的流程示意图；

图2是直接型结构的fir滤波器结构示意图

图3(a)是本发明实施例提供的原始待发送信号在时域上的波形图；

图3(b)是本发明实施例提供的过led后的信号在时域上的波形图；

图3(c)是本发明实施例提供的过fir滤波器后的信号在时域上的波形图；

图4(a)是本发明实施例提供的led频率响应示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的fir滤波器频率响应示意图；

图4(c)是本发明实施例提供的经过预均衡后总的信道频响示意图；

图5为本发明实施例提供的提高可见光通信中led信道带宽的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的误码率高、通信质量差的问题，提供一种提高可见光通信中led信道带宽的方法及系统。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的提高可见光通信中led信道带宽的方法，包括：

s101，获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；

s102，根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；

s103，通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；

s104，将预均衡处理后得到的信号发送出去。

本发明实施例所述的提高可见光通信中led信道带宽的方法，通过获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；将预均衡处理后得到的信号发送出去。这样，通过频率响应特性与所述led相反的fir滤波器对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，能够使得所述待发送信号中的频率分量按照不同响应程度进行增强或衰减，以适应led的频率响应特性，提高led信道带宽，使得待发送信号适宜在可见光led信道中传输，从而能够保证待发送信号的高质量传输。

本实施例中，可以将大于等于0小于20mhz的信号称为低频信号，大于等于20mhz小于等于60mhz的信号称为高频信号。

本实施例中，可以利用网络分析仪获得led的频率响应特性，获得其频率响应曲线，并根据得到的频率响应曲线，确定一个与所述led频率响应特性相反的有限长单位冲激响应(finiteimpulseresponsefilter，fir)滤波器，以使通过所述fir滤波器的信号中低频分量衰减，高频分量增强。

本实施例中，所述fir滤波器可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性。本实施例中，所述fir滤波器能够抑制低频信号、增强高频信号，弥补了led本身的频率响应特性，从而提高了led信道的传输带宽。

本实施例中，通过所述fir滤波器对待发送信号进行预均衡操作，改变待发送信号中各频率分量的幅值，使待发送信号更适宜于在可见光led信道中的传输，从而提高led的传输带宽、改善led信道频率响应特性，从而保证信号的高质量传输，提高可见光信号中信息传输速率。具体的：通过频率响应特性与所述led相反的fir滤波器对待发送信号中的频率分量按照不同响应程度进行增强或衰减，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强，以适应led的频率响应特性，实现预均衡。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的方法的具体实施方式中，进一步地，在通过所述滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强之前，所述方法还包括：

获取原始待发送信号，对获取的所述原始待发送信号进行采样、量化、判决，使所述原始待发送信号转化为数字信号，其中，所述原始待发送信号为模拟信号。

本实施例中，称原始输入信号为原始待发送信号，所述原始待发送信号为模拟信号，通过模数转换单元接收原始待发送信号，并对接收到的所述原始待发送信号进行采样、量化、判决，使所述原始待发送信号转化为数字信号(数字信号指本文中的待发送信号)。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的方法的具体实施方式中，进一步地，所述通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强包括：

通过所述fir滤波器读取所述原始待发送信号对应的数字信号；

基于现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)数字信号处理技术，将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号。

本实施例中，待所述原始待发送信号转化为数字信号后，所述模数转换单元向所述fir滤波器模块发送使能信号，所述fir滤波器读取所述模数转换单元转换得到的数字信号，基于fpga数字信号处理技术，读取的所述数字信号经过与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号，这样，待发送信号的高频分量得到增强而低频分量受到抑制，使得待发送信号更适宜在可见光led信道中传输。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的方法的具体实施方式中，进一步地，所述fir滤波器采用直接型的滤波器结构；

所述将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号包括：

读取的所述原始待发送信号对应的数字信号在所述fir滤波器中经过与抽头系数的32次乘积累加处理，得到预均衡后的数字信号。

本实施例中，首先将获取的原始待发送信号(模拟信号)进行转换为数字信号，所述数字信号为图2中的x(n)，再送入fir滤波器进行预均衡处理，所述fir滤波器的差分方程表示如下：

式中，k为标号，代表对应的因子，按照时间排序的，h(k)x(n-k)表明x的第n-k项与h的第k项相乘，h(k)为fir滤波器系数，本实施例中，n＝32。

如图2所示，x(n)在fir滤波器中经过32次乘积累加处理后，获得预均衡处理后的数字信号y(n)，所以fir滤波器的系统响应函数为：

式中，h(n)为有限冲激响应，h(z)是fir滤波器的系统响应函数，y(z)是输出信号的系统响应函数，x(z)是输入信号的系统响应函数，z^-1是z变换中的一个常数。

由于fir滤波器的单位冲激响应是有限长度的，h(z)是z^-1的n-1项多项式。由此可知，为了使得fir滤波器可以完成均衡的功能，其设计出的传递函数h(e^jω)需要满足补偿led频率响应的特点，本实施例中采用了直接型的滤波器结构，并且使用fpga完成设计，最终达到补偿led频率响应、实现均衡的目的。

本实施例中采用了时域均衡的思路，有效降低了码间干扰，提升了通信质量，在y(n)从fir滤波器送出后，即送入数模转换单元，由二进制数字信号转换为模拟信号，随后送入可见光信道。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的方法的具体实施方式中，进一步地，所述将预均衡处理后得到的信号发送出去包括：

将预均衡处理后得到的数字信号进行数模转换，得到模拟信号；

将所述模拟信号电平抬高以驱动所述led，当所述led驱动成功后，由所述led将所述模拟信号转化为光信号发送出去。

本实施例中，可以通过数模转换单元将预均衡处理后得到的数字信号进行数模转换，得到模拟信号；为了使得led可以顺利接收所述模拟信号，还可以通过偏置器的偏置电压将所述模拟信号电平抬高，使led输入信号满足led的驱动电压标准以驱动所述led，当所述led驱动成功后，将所述模拟信号转化为光信号发送出去。

本实施例中，还搭建了一个可见光通信系统的fpga实验平台对本发明实施例所述的提高可见光通信中led信道带宽的方法进行验证，经过实验验证，与未经过预均衡处理的系统比，本实施例提供的所述提高可见光通信中led信道带宽的方法有效的改善了led信道的传输特性，将led信道3db带宽由十几兆赫兹提升至几十兆赫兹，传输信号可以有效地从接收端恢复出来，并保持误码率在前向纠错(forwarderrorcorrection，fec)门限之内。本实施例使用的实验参数为：速率为30mb/s的误码仪、kc705fpga开发板两块分别作为发送端与接收端，led灯与光电探测器，运行100s后最终测得误码率低于10^-4，处于fec纠错门限内，符合通信系统误码率限制要求。从图3(a)-图3(c)，从图4(a)-图4(c)中可以明显看出，经过预均衡后的led信道的带宽有了很大的拓展，在60mhz处其信号衰减基本为0db。

实施例二

本发明还提供一种提高可见光通信中led信道带宽的系统的具体实施方式，由于本发明提供的提高可见光通信中led信道带宽的系统与前述提高可见光通信中led信道带宽的方法的具体实施方式相对应，该提高可见光通信中led信道带宽的系统可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述提高可见光通信中led信道带宽的方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的提高可见光通信中led信道带宽的系统的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

如图5所示，本发明实施例还提供一种提高可见光通信中led信道带宽的系统，包括：

第一确定单元11，用于获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；

第二确定单元12，用于根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；

所述fir滤波器13，用于读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；

发送单元14，用于将预均衡处理后得到的信号发送出去。

本发明实施例所述的提高可见光通信中led信道带宽的系统，通过获取led的频率响应特性，根据获取的所述led的频率响应特性，得到所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线；根据得到的所述led的频率响应特性对应的频率响应曲线，得到频率响应特性与所述led相反的fir滤波器；通过所述fir滤波器读取待发送信号，并对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，使得所述待发送信号中的低频分量衰减，高频分量增强；将预均衡处理后得到的信号发送出去。这样，通过频率响应特性与所述led相反的fir滤波器对读取的所述待发送信号进行预均衡处理，能够使得所述待发送信号中的频率分量按照不同响应程度进行增强或衰减，以适应led的频率响应特性，提高led信道带宽，使得待发送信号适宜在可见光led信道中传输，从而能够保证待发送信号的高质量传输。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：

模数转换单元，用于获取原始待发送信号，对获取的所述原始待发送信号进行采样、量化、判决，使所述原始待发送信号转化为数字信号，其中，所述原始待发送信号为模拟信号。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的系统的具体实施方式中，进一步地，所述fir滤波器，用于读取所述原始待发送信号对应的数字信号；还基于fpga数字信号处理技术，将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的乘积累加得到预均衡处理后的数字信号。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的系统的具体实施方式中，进一步地，所述fir滤波器采用直接型的滤波器结构；

所述fir滤波器，具体用于将读取的所述原始待发送信号对应的数字信号与抽头系数的32次乘积累加处理，得到预均衡后的数字信号。

在前述提高可见光通信中led信道带宽的系统的具体实施方式中，进一步地，所述发送单元包括：

数模转换单元，用于将预均衡处理后得到的数字信号进行数模转换，得到模拟信号；

偏置器，用于利用所述偏置器的偏置电压将所述模拟信号电平抬高以驱动所述led，当所述led驱动成功后，由所述led将所述模拟信号转化为光信号发送出去。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。