一种具有保密功能的可见光通信系统的制作方法

本实用新型涉及通信技术领域，具体涉及一种具有保密功能的可见光通信系统。

背景技术：

随着互联网技术的发展，对通信速率、容量、便利性的需求急剧上升，以WIFI、蓝牙为代表的短距离无线通信受到了越来越广泛的应用，然而，传统短距离无线通信存在着很多目前难以解决的安全问题。例如WIFI通信存在以下的安全问题：

1.网络资源会被未经授权的非法用户占用；

2.WiFi安全标准中常用的加密算法如WEP、WPA/WPA2、WPA-PSK/WPA2-PSK等都存在问题；

3.易被窃听，且容易泄露用户系统信息和PSK等重要安全信息；

4.认证机制简单，易被各种方式主动攻击。

与此同时，近来可见光通信正迅速兴起，并得到越来越广泛的应用。由于采用可见光作为信号传输媒介，可见光通信的信号可以通过遮光手段被完全封闭在室内，难以被室外的常规监听手段窃听。同时，可见光通信的信号还可以采用如码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)为例的加密技术，在扩频码保密的情况下，即使信号被窃听，也无法破解出传输信息，进一步增强了保密性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种具有保密功能的可见光通信系统。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种具有保密功能的可见光通信系统，该可见光通信系统包括通信发送端和通信接收端，其中，所述的通信发送端包括级联的FPGA调制模块和用于作为显示屏幕的Micro-LED，所述的通信接收端包括级联的可见光探测模块、电信号放大模块、FPGA解调模块；

其中，所述的FPGA调制模块，用于对待发送的二进制序列进行调制和数模转换，再与用于显示的PWM调制信号结合得到第一电信号，并将第一电信号发送至所述的Micro-LED；

所述的Micro-LED，用于将第一电信号进行电光转换生成光信号并发送；

所述的可见光探测模块，用于探测接收光信号并转换为第二电信号，并将第二电信号送至所述的电信号放大模块；

所述的电信号放大模块，用于根据光信号的光功率，调整第二电信号的增益，得到第三电信号；

所述的FPGA解调模块，用于对第三电信号进行解调，还原出待发送的二进制序列。

进一步地，所述的Micro-LED采用通信与显示结合的小间距3T1C驱动电路，该驱动电路中MOS管M1的G极与MOS管M2的D极相连，MOS管M1的D极与MOS管M3的S极相连，MOS管M1的S极接地，MOS管M3的D极接Micro-LED，电容CST的两端分别与MOS管M1的S极和G极相连；信号CDATA接入MOS管M2的S极，信号RSEL接入MOS管M2的G极，信号DVLC接入MOS管M3的G极。

其中，所述的MOS管M1、MOS管M2与电容CST给Micro-LED提供恒流电源，所述的MOS管M3用于加载OOK信号。其中，信号DVLC注入VLC的OOK信号，信号CDATA是显示的数据线，信号RSEL是显示的扫描线。后两者与TFT-LCD的显示原理中的相应结构类似，但是LED的数据线输入的是灰阶信号。MOS管M3采用高速器件结构，高频VLC信号加载到Micro-LED阵列上，随Micro-LED的发光输出VLC信号，实现VLC信号和视频信号相结合。

进一步地，所述的FPGA调制模块接收到数据，选择二进制启闭键控对数据进行调制，再采用码分多址进行数据加密，最后与PWM调制信号结合。

进一步地，所述的FPGA解调模块利用接收到的伪随机码对第三电信号进行解密，还原出待发送的二进制序列。

进一步地，所述的一种具有保密功能的可见光通信系统，其通信方法包括：

步骤S1、所述的FPGA调制模块接收到数据，选择二进制启闭键控对数据进行调制，再采用码分多址进行数据加密，最后与PWM调制信号结合得到第一电信号，并将第一电信号发送至所述的Micro-LED。

步骤S2、所述的Micro-LED将第一电信号进行电光转换生成光信号并发送，同时还起到显示的作用；

步骤S3、所述的电信号放大模块根据光信号的光功率，调整第二电信号的增益，得到第三电信号。

步骤S4、所述的FPGA解调模块利用接收到的伪随机码对第三电信号进行解密，还原出待发送的二进制序列。

进一步地，所述的二进制启闭键控采用曼彻斯特编码，用电平从低到高或从高到低的变化来传递信息，而发射每一个数据单元时高低电平的时间相同。与PWM结合后仅会导致显示亮度变为原来的一半，而对灰阶显示无影响。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型在用于作为显示屏幕的Micro-LED上设置信号调制模块，将显示屏幕作为信息发射源，借此合并了显示系统与通信系统。因此，本实用新型更加高效节能。

2、由于采用可见光作为信号传输媒介,该可见光通信系统中通信信号可以通过遮光手段被完全封闭在室内,难以被室外的常规监听手段窃听。

3、该可见光通信系统采用可见光传输，因此，该系统可用于射频敏感的区域，如飞机机舱、配有高精度仪器科室等场合。

4、该可见光通信系统中通信信号还采用码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技术，在扩频码保密的情况下，即使信号被窃听，也无法破解出传输信息。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以获得其他的实现方式。

图1是本实用新型中公开的具有保密功能的可见光通信系统的示意图；

图2是本实用新型中采用的CDMA工作原理示意图；

图3是本实用新型中采用的OOK与PWM联合调制示意图；

图4是本实用新型中采用的通信与显示结合的小间距3T1C驱动电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

图1是本实施例提供的一种具有保密功能的可见光通信系统的示意图，该可见光通信系统包括通信发送端和通信接收端，其中，所述的通信发送端包括级联的FPGA调制模块和用于作为显示屏幕的Micro-LED，所述的通信接收端包括级联的可见光探测模块、电信号放大模块、FPGA解调模块。

该可见光通信系统采用物理遮光以及CDMA加密技术，达到保密通信的效果。

其中，所述的FPGA调制模块，用于对待发送的二进制序列进行调制和数模转换，再与PWM调制信号结合得到第一电信号，并将第一电信号发送至所述的Micro-LED；

所述的Micro-LED，用于将第一电信号进行电光转换生成光信号并发送，同时还起到显示的作用；

所述的可见光探测模块，用于探测接收光信号并转换为第二电信号，并将第二电信号送至所述的电信号放大模块；

所述的电信号放大模块，用于根据光信号的光功率，调整第二电信号的增益，得到第三电信号；

所述的FPGA解调模块，用于对第三电信号进行解调，还原出待发送的二进制序列。

其中，所述的FPGA调制模块接收到数据，对数据进行调制，调制方法可以选择二进制启闭键控(OOK：On-Off Keying)，再采用码分多址(CDMA：Code Division Multiple Access)技术加密，最后与PWM调制信号结合，下面详述CDMA的加密原理，如图2所示：

每一个比特时间可平均划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。设有A、B两个用户共享所述可见光通信系统的信道，给A分配码片为-1+1-1+1，B分配码片为-1-1+1+1(码片必须正交，即相乘为零，在实际应用中使用高速伪随机码)。

假设A待发送的信号为3bit 101，B待发送的信号为3bit 011，则

A的码片信号为1*(-1，+1，-1，+1)0*(-1，+1，-1，+1)1*(-1，+1，-1，+1)＝>(-1，+1，-1，+1,0,0,0,0，-1，+1，-1，+1)；

B的码片信号为0*(-1，-1，+1，+1)1*(-1，-1，+1，+1)1*(-1，-1，+1，+1)＝>(0,0,0,0，-1，-1，+1，+1，-1，-1，+1，+1)；

发送的编码后信号为(将信号相加)＝>(-1,+1,-1,+1,-1,-1,+1,+1,-2,0,0,+2)；

A、B用户根据收到的信号四个(即码片的bit数)一组，和自己的码片做内积，得出信号：

A{1/4*[(-1)*(-1)+(+1)*(+1)+(-1)*(-1)+(+1)*(+1)]

1/4*[(-1)*(-1)+(+1)*(-1)+(-1)*(+1)+(+1)*(-1)]

1/4*[(-1)*(-2)+(+1)*0+(-1)*0+(+1)*(+2)]}＝>(1,0,1)

B{1/4*[(-1)*(-1)+(-1)*(+1)+(+1)*(-1)+(+1)*(+1)]

1/4*[(-1)*(-1)+(-1)*(-1)+(+1)*(+1)+(+1)*(+1)]

1/4[(-1)*(-2)+(-1)*0+(+1)*0+(+1)*(+2)]}＝>(0,1,1)

由此可见，码分多址技术是用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。传输信号频率按指定类型编码，因此只有频率响应编码一致的接收机才能拦截信号。由于有无数种频率顺序编码，因此很难出现重复，增强了保密性。数据经过FPGA调制模块调制后，得到第一电信号。

在信号发送端，FPGA调制模块使用CDMA技术，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，在伪随机码未知的情况下，无法破解出原信号，以达到保密通信的效果。在信号接收端，FPGA解调模块，利用接收到的伪随机码对所述第三电信号进行解密，还原出待发送的二进制序列，以实现对信号的接收。

实施例二

本实施例公开了一种具有保密功能的可见光通信方法，该可见光通信方法的步骤如下：

步骤S1、所述的FPGA调制模块接收到数据，选择二进制启闭键控对数据进行调制，再采用码分多址进行数据加密，最后与PWM调制信号结合得到第一电信号，并将第一电信号发送至用于作为显示屏幕的Micro-LED。

步骤S2、所述的Micro-LED将第一电信号进行电光转换生成光信号并发送，同时还起到显示的作用。

步骤S3、所述的电信号放大模块根据光信号的光功率，调整第二电信号的增益，得到第三电信号。

步骤S4、所述的FPGA解调模块利用接收到的伪随机码对第三电信号进行解密，还原出待发送的二进制序列。

在传统显示驱动中，一般采用PWM调制技术控制像素灰阶，而加载可见光通信信号后，将影响到画面正常显示。而通过小间距3T1C驱动电路和双重调制技术，可解决可见光通信信号对PWM显示灰阶的影响问题。

其中，如图3所示，步骤S1中的二进制启闭键控采用曼彻斯特编码，用电平从低到高或从高到低的变化来传递信息，而发射每一个数据单元时高低电平的时间相同。与PWM结合后仅会导致显示亮度变为原来的一半，而对灰阶显示无影响。解决可见光通信信号对PWM显示灰阶的影响问题，使两者共存，同时实现灰阶图像显示与信号传输。

其中，通信与显示结合的小间距3T1C驱动电路如图4所示。MOS管M1的G极与MOS管M2的D极相连，MOS管M1的D极与MOS管M3的S极相连，MOS管M1的S极接地，MOS管M3的D极接Micro-LED，电容CST的两端分别与MOS管M1的S极和G极相连。信号CDATA接入MOS管M2的S极，信号RSEL接入MOS管M2的G极，信号DVLC接入MOS管M3的G极。

MOS管M1、M2与电容CST给Micro-LED提供恒流电源，MOS管M3用于加载OOK信号。其中，DVLC注入VLC的OOK信号，CDATA是显示的数据线(0或1的信号)，RSEL是显示的扫描线(锁存信号)。后两者与TFT-LCD的显示原理中的相应结构类似，但是LED的数据线输入的是灰阶信号。MOS管M3采用高速器件结构，高频VLC信号加载到Micro-LED阵列上，随Micro-LED的发光输出VLC信号，实现VLC信号和视频信号相结合。

综上所述，上述实施例公开的可见光通信系统包括通信发送端和通信接收端，其中，通信发送端包括级联的FPGA调制模块和Micro-LED，通信接收端包括级联的可见光探测模块、电信号放大模块、FPGA解调模块，其中，FPGA调制模块为前信号处理部分，Micro-LED为光源部分，与之对应的，可见光探测模块为光线感知单元，电信号放大模块和FPGA解调模块为后信号处理部分。

本实用新型在用于显示的Micro-LED上设置信号调制模块，将显示屏幕作为信息发射源，借此合并了显示系统与通信系统。因此，本实用新型更加高效节能。本实用新型采用的Micro-LED与传统LED相比，具有带宽宽的优点，该通信系统的传输速度可达到100Mb/s以上，比普通的射频信号无线网络的传输速率更高。由于采用可见光作为信号传输媒介，该通信系统的信号可以通过遮光手段被完全封闭在室内，难以被室外的常规监听手段窃听。同时，该通信系统的信号还采用码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技术，在扩频码保密的情况下，即使信号被窃听，也无法破解出传输信息。因此该通信系统更加安全，符合如军用区域等场合对安全性的要求。也因为采用可见光传输，该通信系统可用于射频敏感的区域，如飞机机舱、配有高精度仪器科室等场合。综上，该通信系统具有高效节能、传输速率高和保密性良好的特点。同时，该通信系统适用于如射频敏感区域以及安全性要求高如军用区域等特殊场合。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。