一种可见光通信设备接收性能测量装置及方法与流程

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种可见光通信设备接收性能测量装置及方法。

背景技术：

可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是无线通信、光通信的一种，是利用肉眼看得见的“可视光”传递信息的新一代通信技术。

VLC设备传输速率、稳定性、灵敏度、最大输入信号强度、信号光源有效传输距离等指标作为工业、科研领域的一项重要参数，其准确、快速的测量对工业生产与过程控制有着举足轻重的作用。

可见光通信设备所用光源接收性能的测试，主要包含测试方法和测试装置两方面。测试方法如专利CN 101632245A、CN106027148A、CN103781261A、CN107127237A，用于电力变换单元的输出变化来检测发送单元接收的照明光，通过控制卤素灯的输入电压，改变卤素灯亮度，从而改变可见光暗室的背景照度，根据标准红外场景中图像像素点的光学特征值以及可见光灵敏度值可计算出可见光强度的评估值。测试装置如专利CN105846898A等，光通信发送装置用于将所传输的通信信息逐行调制到原始图像信号中，生成调制图像信号，可见光通信接收装置用于采集调制图像信号。

上述具体专利对比文件和相关文献为：

1)、“可见光通信的接收装置以及可见光通信系统”，专利号CN101632245A。该发明公开提供一种不需要对接收装置供给电力的可见光通信的接收装置以及可见光通信系统。由数据蓄积装置、数据发送装置、数据接收装置构成，数据发送装置具备：数据接收单元，用于数据蓄积装置接收数据；发送单元，用于调制单元调制的数据作为照明光的载波发送到上述数据接收装置；数据接收装置具备：照明光检测单元，用于电力变换单元的输出变化来检测发送单元接收的照明光。除去相似模块之外，本发明测试装置还包含多级可调式衰减器和X-Y双轴机械臂移动模块，可确保测试时光信号接收器件处照度值处于正常工作范围；控制与数据传输模块，可实现人工智能控制测试过程、人机交互和数据显示记录及存储。应用本发明的技术，便可测出该发明提出可见光通信系统的接收性能。

2)、“一种可见光通信方法、发送装置、接收装置及系统”，专利号CN105846898A。该发明公开提供一种可见光通信系统，包括：可见光通信发送装置和可见光通信接收装置；所述光通信发送装置用于将所传输的通信信息逐行调制到原始图像信号中，生成调制图像信号，并以逐行扫描的方式显示所述调制图像信号；所述可见光通信接收装置用于采集调制图像信号，并逐行扫描所述调制图像信号，解调所述调制图像信号中的通信信息。对于可见光通信接收过程，本发明着重描述如何通过算法让装置自动测试出照度值，实现自动化测试，提高测试效率和测试精度。

3)、“一种可见光通信系统及方法”，专利号CN106027148A。该发明涉及一种可见光通信系统及方法，包括：可见光照明装置、可见光接收装置和无线通信装置；所述可见光照明装置，用于接收所述网络服务器发送的下行信号，将所述网络服务器发送的下行信号转换为可见光信号，并发射所述可见光信号，以及接收所述可见光接收装置所转发的终端设备发送的上行信号，将所述终端设备发送的上行信号发送至所述网络服务器；所述可见光接收装置，用于接收所述可见光信号，并将所述可见光信号转换为电信号，发送所述电信号至所述无线通信装置，以及接收所述终端设备发送的上行信号，将所述终端设备发送的上行信号转发至所述可见光照明装置；除去部分相似模块，本发明测试装置还包含多级可调式衰减器和半透半反镜，用于对光线大幅衰减，其透光率T可以离散调整，可确保测试时光信号接收器件处照度值相等并处于正常工作范围；提高测试的可靠性和准确率。

4、“红外网络摄像机的红外灯控制方法”，专利号CN103781261A。该发明提供了一种红外网络摄像机的红外灯控制方法，通过对采集图像的像素点RGB数据，计算出像素点的光学特征值，根据标准红外场景中图像像素点的光学特征值以及可见光灵敏度值可计算出可见光强度的评估值，实现对红外灯开启关闭的控制。本发明通过X-Y双轴机械臂移动模块对VLC接收装置精准控制，实现照度值、最大输入信号强度直接读取功能。

5、“一种背景照度可变的可见光暗室及其操作方法”，专利号CN107127237A。该发明的可见光暗室，内部设有置于穹顶球心正下方的卤素灯，卤素灯光线射向半球面形的幕板的顶端，通过半球面形的幕板内表面的漫反射涂层产生漫反射效应，可以在暗室内形成各个方向，特别是自上而下方向，接近均匀的照度环境。由于卤素灯的亮度可随输入电压的变化而变化，通过控制卤素灯的输入电压，改变卤素灯亮度，从而改变可见光暗室的背景照度，有效解决了目前可见光暗室无法提供不同背景照度的问题。本发明通过50％的半透半反镜对对可见光源精准控制，实现照度值、最大输入信号强度直接读取功能。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可见光通信设备接收性能测量装置及方法，该装置和方法满足了接收灵敏度、最大输入信号的实时、准确测量要求。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种可见光通信设备接收性能测量装置，该装置包括：待测VLC信号光源夹具、多级可调式衰减器、半透半反镜、待测VLC接收装置夹具、照度计、X-Y双轴机械臂及箱体；所述

待测VLC信号光源夹具，用于夹放待测VLC信号光源；

多级可调式衰减器，用于对光线大幅衰减，并离散调节其透光率T；

半透半反镜，用于将衰减器后的光均分至VLC接收装置与照度计；

待测VLC接收装置夹具，用于夹放VLC接收装置；

照度计，用于测量VLC接收装置的照度；

X-Y双轴机械臂，用于调整照度计与待测VLC信号光源的直线距离；

箱体，用于遮挡外来光线。

一种可见光通信设备接收性能的测量方法，该方法包括：

A、通过多级可调式衰减器、半透半反镜将输入的待测VLC信号光源均分至照度计和待测VLC接收装置；

B、根据X-Y双轴机械臂的移动过程建立移动模型，并移动VLC接收装置至最远端；

C、调节多级可调式衰减器的透过率并从大到小进行加载，直至接收端不能接收到正常的随机序列；

D、移动VLC接收装置接近待测VLC信号光源，直至能接收到正常的随机序列，并根据照度的接收模式建立接收模型；

E、记录当前光照度计数值，即为VLC设备灵敏度Emin，测量出待测VLC信号光源有效传输距离L，并停止产生随机序列；

F、根据X-Y双轴机械臂的移动过程建立移动模型，并移动VLC接收装置至最近端；

G、调节多级可调式衰减器的透过率从小到大进行加载，直至接收端能接收到正常的随机序列；

H、移动VLC接收装置并远离VLC信号光源，直至刚好不能接收到正常的随机序列，并根据照度的接收模式建立接收模型；

I、记录当前照度计数值，即为VLC设备最大输入信号强度Emax，并停止产生随机序列。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

测量装置包含多级可调式衰减器和半透半反镜，用于对光线大幅衰减，其透光率T可以离散调整，可确保测试时光信号接收器件处照度值相等并处于正常工作范围，提高测试的可靠性和准确率。通过X-Y双轴机械臂移动模块对VLC接收装置精准控制，实现照度值、最大输入信号强度直接读取功能。

测量方法实现对VLC设备的灵敏度、最大输入信号强度、有效传输距离等参数的检验，适用性好，提高了测量精度和检测效率，可适用于各种情况下的自动化测量。

附图说明

图1是可见光通信设备接收性能测量装置的模块连接原理图；

图2是可见光通信设备接收性能测量方法的结构流程图；

图3是可见光通信设备接收性能测量方法详细测试流程图；

图4是可见光通信设备接收性能测量装置的待测光路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，为可见光通信设备接收性能测量装置的模块连接原理图，测量装置包括：待测VLC信号光源夹具、多级可调式衰减器、半透半反镜、待测VLC接收装置夹具、照度计、X-Y双轴机械臂及箱体；所述待测VLC信号光源夹具，用于夹放待测VLC信号光源；多级可调式衰减器，用于对光线大幅衰减，并离散调节其透光率T；半透半反镜，用于将衰减器后的光均分至VLC接收装置与照度计；待测VLC接收装置夹具，用于夹放VLC接收装置；照度计，用于测量VLC接收装置的照度；X-Y双轴机械臂，于调整照度计与待测VLC信号光源的直线距离；箱体，用于遮挡外来光线。

上述离散调节多级可调式衰减器的透光率从小到大分别为T1、T2…Tn…TN-1、TN，其中T1＝5％、T2＝20％、T13＝35％、T4＝50％、T5＝75％、T6＝90％；上述半透半反镜，将经过多级可调式衰减器后的光以50％均分至VLC接收装置与照度计。

所述待测VLC信号光源、多级可调式衰减器、半透半反镜、待测VLC接收装置与照度计构成检测光路；检测光路光线传播途径为：由待测VLC信号光源经过多级可调式衰减器，输出光能量(功率)相对待测VLC信号光源衰减，通过其上的孔和挡光板上的孔，再经过倾斜角度为45°的半透半反镜进行均等分光并投射至待测VLC接收装置和照度计，完成光信号的发射、衰减、过滤和接收(如图2所示)。

本实施例还提供了一种可见光通信设备接收性能测量方法，如图3所示，所述方法包括：

步骤10通过多级可调式衰减器、半透半反镜将输入的待测VLC信号光源均分至照度计和待测VLC接收装置；

步骤20根据X-Y双轴机械臂的移动过程建立移动模型，并移动VLC接收装置至最远端；

步骤30调节多级可调式衰减器的透过率并从大到小进行加载，直至接收端不能接收到正常的随机序列；

步骤40移动VLC接收装置接近待测VLC信号光源，直至能接收到正常的随机序列，并根据照度的接收模式建立接收模型；

步骤50记录当前光照度计数值，即为VLC设备灵敏度Emin，测量出待测VLC信号光源有效传输距离L，并停止产生随机序列；

步骤60根据X-Y双轴机械臂的移动过程建立移动模型，并移动VLC接收装置至最近端；

步骤70调节多级可调式衰减器的透过率从小到大进行加载，直至接收端能接收到正常的随机序列；

步骤80移动VLC接收装置并远离VLC信号光源，直至刚好不能接收到正常的随机序列，并根据照度的接收模式建立接收模型；

步骤90记录当前照度计数值，即为VLC设备最大输入信号强度Emax，并停止产生随机序列。

如图4所示提供了可见光通信设备接收性能测量方法详细测试流程如下：

上述步骤10具体包括：各设备正常连接和工作后，根据输入的待测VLC设备的正常信号光源，通过多级可调式衰减器、半透半反镜均分至照度计和待测VLC接收装置，使照度计和待测VLC接收装置处于正常工作状态；

步骤20，根据X-Y双轴机械臂移动过程建立移动模型，具体参数包括：横向移动行程Lx、横向移动速度Vx、VLC信号光源与照度计直线距离L；

设步进电机相数m＝2、转子齿数Z＝100、系数K＝1(相邻两次通电相数相同时K＝1，相邻两次通电相数不同K＝2)；则步进电机步距角α为：

设丝杠头数n＝1，螺距p＝2、输入脉冲个数nf＝60000、输入脉冲频率f＝320Hz，则横向移动行程Lx和横向移动速度Vx为：

设照度计离待测VLC信号光源的直线距离L，导轨全长Lmax，当照度计移动至导轨最远端时，满足关系：

L＝Lmax＝600mm

步骤30调节多级可调式衰减器的透过率从大到小进行加载，直至接收端不能接收到正常的随机序列；设待测VLC信号光源经过多级可调式衰减器，其透光率T可以离散调整，可调的透光率从小到大分别为T1＝5％、T2＝20％、T13＝35％、T4＝50％、T5＝75％、T6＝90％，当衰减器相邻2个透过率对应照度值满足以下条件时，可知道照度值Emin落在En+1至En这个区间内，即VLC设备灵敏度Emin满足条件：

En≥Emin＞En+1

步骤40根据照度的接收模式建立接收模型，具体参数包括：VLC设备灵敏度Emin、待测VLC信号光源有效传输距离L、微调移动速度Vt；

设时间t，步进电机步距角α＝1.8°，丝杠头数n＝1，螺距p＝2，输入脉冲频率f＝320Hz，建立速度衰减函数k(t)＝e^-t，微调移动速度从vmax＝3.2mm/s依次递减vn…v1，则微调移动速度Vt及待测VLC信号光源有效传输距离L为：

使用X-Y双轴机械臂微调模式，微调照度计与待测VLC信号光源的直线距离L，直至照度计输出照度值满足E＝Emin时，测出此时照度计与待测VLC信号光源的有效传输距离L＝LE。

步骤50记录当前光照度探头数值，并停止产生随机序列，即为VLC设备接收灵敏度；

步骤60根据X-Y双轴机械臂移动过程建立移动模型，具体参数包括：横向移动行程Lx、横向移动速度Vx、VLC信号光源与照度计直线距离L；

设步进电机相数m＝2、转子齿数Z＝100、系数K＝1(相邻两次通电相数相同时K＝1，相邻两次通电相数不同K＝2)；则步进电机步距角α为：

设丝杠头数n＝1，螺距p＝2、输入脉冲个数nf＝60000、输入脉冲频率f＝320Hz，则横向移动行程Lx和横向移动速度Vx为：

设照度计离待测VLC信号光源的直线距离L，导轨全长Lmax，当照度计移动至导轨最近端时，满足关系：

L＝Lmin＝50mm

步骤70调节多级可调式衰减器的透过率从小到大进行加载，直至接收端能接收到正常的随机序列；设待测VLC信号光源经过多级可调式衰减器，其透光率T可以离散调整，可调的透光率从小到大分别为T1＝5％、T2＝20％、T13＝35％、T4＝50％、T5＝75％、T6＝90％，当衰减器相邻2个透过率对应照度值满足以下条件时，可知道最大输入信号强度Emax落在En至En+1这个区间内，即待测VLC设备最大输入信号强度Emax满足条件：

En＜Emax≤En+1

步骤80根据照度的接收模式建立接收模型，具体参数包括：VLC设备灵敏度Emin、待测VLC信号光源有效传输距离L、微调移动速度Vt；

设时间t，步进电机步距角α，丝杠头数n，螺距p，输入脉冲频率f，建立速度衰减函数k(t)＝e^-t，微调移动速度从vmax＝3.2mm/s依次递减vn…v1，则微调移动速度Vt及待测VLC信号光源有效传输距离L为：

使用X-Y双轴机械臂微调模式，微调照度计与待测VLC信号光源的直线距离L，直至照度计输出照度值满足E＝Emax。

步骤90记录当前光照度探头数值，并停止产生随机序列，即为VLC设备最大输入信号强度。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。