一种可见光通信的方法及设备与流程

本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种可见光通信的方法及设备。

背景技术：

近年来，随着云计算、大数据、物联网等业务的发展，人们对未来的接入技术提出了速度更快、可靠性更好、安全性更高的需求，因此提出可见光通信。

在可见光通信中，通信系统存在多种线性和非线性失真，主要包括频谱压缩造成的码间干扰、led(light-emittingdiode，发光二极管)调制曲线的非线性影响、光在无线信道传输时引起的衰减和失真、接收机响应曲线的非线性。这些线性和非线性失真会导致接收到的信号中出现原始发射信号的平方项，相邻信号的交调项，甚至更高阶数的谐波分量，阻碍采用高阶调制技术的可见光通信系统的传输速率。

为了解决可见光通信中的线性失真，提出了多种线性均衡的方法，如lms(leastmeansquare，最小均方)、rls(recursiveleastsquares，递归最小二乘)、cmma(cascadedmultimodulusalgorithm，级联多模算法)，mcmma(modifiedcascadedmultimodulusalgorithm，改进的级联多模算法)等，但是仅能解决线性失真，无法完成非线性失真信号的恢复。因此针对非线性失真，基于volterra级数的滤波器利用多项式的展开对信道进行建模，以解决非线性失真的影响，但是该方式对硬件的要求较高，且随着阶数的增加，计算复杂度也相应增加，当阶数达到三阶以上时，该方案无法解决非线性失真。

综上，目前在可见光通信中由于线性失真和非线性失真的影响，导致传输速率低。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种可见光通信的方法及设备，用以补偿可见光通信系统中的线性失真和非线性失真，提高可见光通信的传输速率。

本申请实施例提供的具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种可见光通信的方法，该方法包括：

将接收到的携带信息的光信号转换成数字信号；

将数字信号同步后输入到dnn(deepneuralnetwork，深度神经网络)均衡器中进行非线性均衡处理，得到非线性均衡处理后的数字信号；

将非线性均衡处理后的数字信号输入到线性均衡器中进行线性均衡处理，得到线性均衡处理后的数字信号并输出。

在一种可能的实现方式中，通过下列方式对dnn均衡器进行训练：

将存在非线性失真的数字信号作为输入，将非线性均衡出后的数字信号作为输出，对dnn均衡器进行训练。

在一种可能的实现方式中，将接收到携带信息的光信号转换成数字信号，包括：

通过滤光片对接收到的携带信息的可见光进行过滤，得到光信号；

将光信号转换成电信号，并通过差分输出的方式输入到数字存储示波器中进行处理，得到数字信号。

在一种可能的实现方式中，将数字信号同步后输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，得到非线性均衡处理后的数字信号后，将非线性均衡处理后的数字输入到线性均衡器中进行线性均衡处理之前，将非线性均衡处理后的数字信号进行cap(carrierlessamplitudemodulation无载波幅度调制)解调，并对cap解调后的数字信号进行下采样处理。

在一种可能的实现方式中，输出线性均衡处理后的数字信号之前，对线性均衡处理后的数字信号进行qam(quadratureamplitudemodulation，正交振幅调制)解码。

上述方法，将携带信息的光信号转换成数字信号，并将转换后的数字信号输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，并将得到的非线性均衡处理后的数字信号输入到线性均衡器中进行线性均衡处理，将经过线性均衡处理后的数字信号输出，通过dnn均衡器可以逼近任意非线性失真，具有良好的抗非线性性能，线性均衡器可以有效补偿线性失真。因此本申请提供的技术方案不仅可以补偿信号在传输过程中引入的线性失真，还可以抑制非线性失真，提高可见光通信的传输速率。

第二方面，本申请提供一种可见光通信的设备，该设备包括：数字存储示波器和处理器；

数字存储示波器，用于将接收到的携带信息的电信号转换成数字信号，其中电信号是由携带信息的光信号转换的；

处理器，用于将数字信号同步后输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，得到非线性均衡处理后的数字信号；并将非线性均衡处理后的数字信号输入到线性均衡器中进行线性均衡处理，得到线性均衡处理后的数字信号并输出。

在一种可能的实现方式中，dnn均衡器是将存在非线性失真的数字信号作为输入，将非线性均衡出后的数字信号作为输出，对dnn均衡器进行训练后得到的。

在一种可能的实现方式中，该设备还包括：滤光片和光电探测器；

滤光片，用于对接收到的携带信息的可见光进行过滤，得到光信号；

光电探测器，用于将通过滤光片的光信号转换成电信号，并通过差分输出的方式输入到数字存储示波器中。

在一种可能的实现方式中，处理器还用于：

将非线性均衡处理后的数字信号通过匹配滤波器进行cap解调；

将cap解调后的数据信号进行下采样处理后，输入到线性均衡器中进行线性均衡处理。

在一种可能的实现方式中，处理器还用于：

对线性均衡处理后的数字信号进行qam解码，将解码后的数字信号输出。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种可见光通信的方法流程图；

图2为本申请提供的一种dnn均衡器的结构图；

图3为本申请提供的一种可见光通信的整体方法流程图；

图4a为本申请提供的一种可见光通信的设备结构图；

图4b为本申请提供的一种可见光通信的整体设备结构图；

图5为本申请提供的一种可见光通信的设备结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

基于led的vlc(visiblelightcommunication，可见光通信)作为一种新型的无线通信技术，具有高速、传输保密性好、抗干扰能力强、频谱资源丰富、使用方便等特点。具有广泛应用于水下高速通信、智能交通系统、室内精准定位等领域。

但在可见光通信中存在线性失真和非线性失真，对可见光通信的传输速率造成影响。目前针对线性失真的主要采用lms、rls、cmma、mcmma等传统的线性均衡技术实现线性均衡；针对非线性失真主要基于volterra级数的滤波器利用多项式的展开对信道进行建模，但是随着阶数的增加，计算复杂度呈现指数级的上升，因此实现非线性均衡的困难程度急剧增大，使用该方式处理非线性失真时常使用2阶，无法实现3阶以上的非线性失真，因此目前由于线性失真和非线性失真，阻碍可见光传输效率的问题没有更好的解决方案。

基于上述内容，本申请针对可见光通信中存在的线性失真和非线性失真，导致可见光通信传输速率低的问题，提出一种可见光通信的方法及设备。主要的：将接收到的携带信息的光信号转换成数字信号，将数字信号输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，由于dnn可以逼近任一非线性，具有良好的抗非线性性能，将通过dnn均衡器得到的非线性均衡后的数字信号输入到线性均衡器中进行线性均衡处理，线性均衡器具有良好的线性均衡能力，最后将经过非线性均衡处理和线性均衡处理后的数字信号输出。可见本申请的实现方案采用dnn均衡器抑制非线性失真，并在线性均衡器中进行线性均衡处理，达到补偿系统线性和非线性失真的目的，提高可见光通信的传输速率。

下面结合上述描述的场景，参考下列附图来描述本申请示例行实施方式提供的可见光通信的方法，需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本申请的精神和原理而示出，本申请的方式在此方面不受任何限制。

如图1所示，为本申请提供的一种可见光通信的方法流程图，该方法包括如下步骤：

步骤100，将接收到的携带信息的光信号转换成数字信号。

在本申请中将携带信息的光信号转换成数据信号时，先将光信号转换成电信号，然后在将电信号转换成数字信号。

具体的，由光电探测器将接收到的携带信息的光信号转换成电流信号，然后经过一个跨阻放大器将电流信号转换成电压信号，并采用差分输出的方式输出两路携带信息的电压信号；

需要说明的是，在信号的转换过程中一直携带有信息，因此最终得到的电压信号是携带信息的电压信号。

将得到携带信息的电压信号通过差分输出的方式输入到数字存储示波器中，在数字存储示波器中根据数字存储示波器的工作原理，先将差分输出的方式输入的两路电压信号分别进行采样和量化，经a/d(analog/digital，模/数)转换器转换成数字信号后，存入ram(randomaccessmemory，随机存储器)中。

其中，光电探测器包括下列中的至少一种：光敏电阻、光电池、光电二极管、pin光电二极管、雪崩光电二极管、光电三极管以及由它们派生出的各种光电器件等；由于pin光电二极管的探测效率高和响应速度快，因此优选的采用pin光电二极管。

在本申请中，光电探测器接收到的携带信息的光信号是经过荧光粉硅基白光led发射出的可见光。其中荧光粉硅基白光led主要是由蓝光激发黄绿色荧光粉产生白光。但是在本申请中携带信息的是可见光中的蓝光，而黄绿色荧光粉则会产生拖尾效应，所以在光电探测器之前使用滤光片对可见光中响应速度慢的黄绿色光进行过滤，透过响应速度快的携带信息的蓝光，此时携带信息的蓝光为过滤后得到的光信号。

在本申请中，为了增加光电探测器面上的光强，在光电探测器的前方放置一个聚光透镜，同时为了防止接收机饱和使信号截止引入非线性，进一步在聚光透镜前方设置一个光阑，动态调整光阑，保证接收到的可见光信号强弱一致，优化可见光通信中的非线性失真。

需要说明的是，在本申请中采用差分输出的方式输出电压信号为了消除电路中共模噪声对可见光通信的影响。且将电压信号输入到数字存储示波器之前，将差分输出的电压信号经过功率放大器放大。

步骤101，将所述数字信号同步后输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，得到非线性均衡处理后的数字信号。

在实际应用中，输入到dnn均衡器中的数字信号是与发射信号同步后的。

其中，所述dnn均衡器相当于一个多层感知机，包括输入层、多个隐藏层和输出层，每一层都包含有一个或多个节点，相邻层的节点是全连接的，但是同一个层上的节点互不连接。

假设dnn包含有b个隐藏层，输入向量为h⁰＝x，则第b个隐藏层上节点的输出可以表示为：

a^b＝w^bh^b-1+c^b,(1≤b≤b+1)

h^b＝f(a^b),(1≤b≤b)

其中，w^b为第b-1层节点对当前节点的权重，在dnn中，权重更新通过误差反向传播来完成，h^b-1为第b-1层节点的输出，c^b为当前节点的偏移向量，f()为当前节点的激活函数，激活函数一般为非线性函数，用来实现数据的非线性拟合，常用的激活函数可见式：

relu:r(x)＝max(0,x)

在dnn训练的过程中，每一层的输出值前向传播，最后输出层的输出值与标签比较，得到误差，并将得到的误差反向传播优化dnn均衡器。

在本申请中，对所述dnn均衡器进行训练时，将通过数字存储示波器转化后的存在非线性失真的数字信号作为输入，将经过dnn处理后得到的非线性均衡后的数字信号作为输出，将发射原始信号，发射原始信号是导入到任意波形器中的信号作为标签。

此时，将输出的非线性均衡后的数字信号与所述标签进行比较，计算误差，其中计算误差时采用mse(meansquareerror，均方误差)作为误差函数；将计算得到的误差反向传播，以优化dnn均衡器；在根据误差优化dnn均衡器时采用adam优化器。

因此，本申请中使用的dnn均衡器是进行训练后得到的dnn均衡器。

如图2所示，为本申请实施例提供的一种dnn均衡器的结构框架图，从图中可知，dnn均衡器包括输入层、输出层和两个隐藏层，是结构比较简单的四层全连接网络。

其中，输入层节点数设置为33，两个隐藏层的节点数分别设置为150和100。其中两个隐藏层可以采用sigmoid、tanh和relu中的任一作为激活函数。优选的，两个隐藏层分别采用tanh和relu作为激活函数时，取得的均衡效果最好。

步骤102，将所述非线性均衡处理后的数字信号输入到线性均衡器中进行线性均衡处理，得到线性均衡处理后的数字信号并输出。

在本申请中，线性均衡器可以采用lms线性均衡器、rls线性均衡器、cmma线性均衡器，mcmma线性均衡器中的至少一种；由于lms线性均衡器具有良好的线性均衡效果，因此优选lms线性均衡器。

在本申请中，在将非线性均衡的数字信号进过线性均衡器进行线性均衡处理输出后，将输出后的信号输入到qam解码器中进行解码，解码的过程是将复数形式的数字信号映射成二进制形式的数字信号，进行解码的目的是为了便于计算误码率，误码率用于衡量通信性能的指标。

在本申请中，在将所述非线性均衡处理后的数字信号输入到线性均衡器中进行均衡处理之前，还需要通过匹配滤波器对dnn均衡器输出的非线性均衡处理后的信号进行cap解调，cap解调过程中是将经过dnn均衡器输出的差两路信号进行cap解调后，进行相加处理后，输入到下采样器中进行下采样处理。

因为光电探测器采用差分输出的方式输出两路信号，因此在经过匹配滤波器进行cap解调之前都是对两路信号进行单独处理，在经过匹配滤波器中进行解调处理后将两路信号进行相加处理并输出，因此在经过匹配滤波器后是对一路信号进行处理。

上述方法，dnn均衡器可以逼近任意非线性，线性均衡器具有良好的线性均衡能力；将dnn均衡器和线性均衡器进行级联：第一级为通过dnn均衡器将携带信息的光信号转换得到的数字信号进行非线性均衡，第二级为通过线性均衡器将经过下变换和下采样后的非线性均衡处理后的信号进行线性均衡处理。具体的将接收到的信号进行同步后输入到dnn中进行非线性均衡处理，然后将dnn输出的信号输入到匹配滤波器中进行解调。接着对解调后的信号进行下采样后送入线性均衡器中进行线性均衡处理，因此处理后的信号可同时实现线性均衡和非线性均衡，提高可见光通信的传输速率。

如图3所示，为本申请提供的一种可见光通信的方法整体方法流程图，包括如下步骤：

步骤300，通过滤光片将通过聚光透镜的携带信息的可见光进行过滤，得到光信号；

步骤301，将通过滤光片的光信号输入到光电探测器中进行光电转换，光电转换后的电信号采用差分输出的方式输出；

步骤302，在功率放大器中对光电探测器差分输出的两路电信号进行功率放大，并将功率放大后的电信号输入到是数字存储示波器中；

步骤303，在数字存储示波器中对功率放大器输出的电信号进行采样和量化，将电信号转换成数字信号；

步骤304，将数字信号同步后输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，输出非线性均衡处理后的数字信号；

步骤305，在匹配滤波器中对非线性均衡处理后的数字信号进行cap解调，并输出解调后的信号；

步骤306，在下采样器中对cap解调后的信号进行下采样处理并输出；

步骤307，在线性均衡器中对下采样处理后的信号进行线性均衡处理，并输出线性均衡处理后的数字信号；

步骤308，在qam解码器中对线性均衡器处理后的数字信号进行解码并计算误码率后输出。

需要说明的是，步骤303之后的步骤都是在matlab中进行的，步骤304-步骤308为在matlab对采集到的数据进行离线处理。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种可见光通信的设备，由于该设备对应的是本申请实施例可见光通信的方法对应的设备，并且该设备解决问题的原理与该方法原理相似，因此该设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

如图4a所示，为本申请实施例提供的一种可见光通信的设备结构图，该设备包括：数字存储示波器400和处理器401；

所述数字存储示波器400，用于将接收到的携带信息的电信号转换成数字信号，其中所述电信号是由携带信息的光信号转换的；

所述处理器401，用于将所述数字信号同步后输入到dnn均衡器中进行非线性均衡处理，得到非线性均衡处理后的数字信号；并将所述非线性均衡处理后的数字信号输入到线性均衡器中进行线性均衡处理，得到线性均衡处理后的数字信号并输出。

可选的，所述dnn均衡器是将存在非线性失真的数字信号作为输入，将非线性均衡出后的数字信号作为输出，对dnn均衡器进行训练后得到的。

可选的，该设备还包括：滤光片402和光电探测器403，如图4b所示，为本申请实施例提供的可见光通信的整体设备结构图；

所述滤光片402，用于对接收到的携带信息的可见光进行过滤，得到所述光信号；

所述光电探测器403，用于将通过滤光片的光信号转换成电信号，并通过差分输出的方式输入到所述数字存储示波器中。

可选的，所述处理器401还用于：

将所述非线性均衡处理后的数字信号通过匹配滤波器进行cap解调；

将cap解调后的数据信号进行下采样处理后，输入到线性均衡器中进行线性均衡处理。

可选的，所述处理器401还用于：

对所述线性均衡处理后的数字信号进行qam解码，将解码后的数字信号输出。

本申请中还提供一种可见光通信系统，如图5所示，为本申请提供的一种可见光通信系统的结构图，该可见光通信系统中包括发射端50和接收端51。下面针对发射端50与接收端51进行单独论述。

发射端50中包括qam编码器500，iq(inphasequadrature，同相正交)分离器501，上采样器502，成形滤波器503，相加器504，awg(arbitrarywaveformgenerator，任意波形发生器)505，预均衡电路506，功率放大器507，偏置器508，led509，发射透镜510；其中：

qam编码器500，用于将二进制形式的信号映射编码成qam复数信号；

iq分离器501，用于对qam编码器500输出的qam复数信号进行iq分离，得到信号的同相分量和正交分量；

上采样器502，用于对iq分离器501输出的同相分量和正交分量分别进行上采样，为了匹配cap成形滤波器的采样频率；

成形滤波器503，采用不同的成形滤波器503对上采样器502进行上采样后的同相分量和正交分量进行处理，并将处理后的同相分量和正交分量分别输出；

相加器504，用于对成形滤波器503输出的同相分量和正交分量进行相加，生成cap调制信号，并将cap调制信号输出；

awg505，用于对相加器504输出的cap调制信号进行处理，在awg器中，根据设置信号的采样率和输出幅度完成了信号的数模转换，生成cap信号；

预均衡电路506，为单级t型桥硬件预均衡电路，用于对cap信号造成全频带的衰减，为了补偿led以及传输信道对信号高频部分造成的衰减；

功率放大器507，用于预均衡电路506输出的信号进行放大；

偏置器508，用于对功率放大器507放大后的cap信号进行交直流耦合，产生能够驱动led的信号，在此过程中还需要向偏置器508输入dc(directcurrent，直流电)；

led509，led采用荧光粉硅基白光led，用于将cap信号携带在可见光中，cap信号为需要传输的数据；

发射透镜510，由于led509的发散角比较大，因此在led509前段放置发射透镜510，用于聚光和准直，从而产生平行光。

接收端51中包括聚光透镜511，滤光片512，光电探测器513，功率放大器514，数字存储示波器515，同步器516，dnn均衡器517，匹配滤波器518，下采样器519，线性均衡器520，qam解码器521；其中：

聚光透镜511，用于增加接收到的可见光的光强，同时聚光透镜511的前方设置有光阑，用于防止接收机饱和使信号截止而引入非线性；

滤光片512，用于过滤到可见光中响应速度慢的黄光，透过响应速度快的蓝光，加快光电探测器的响应速度；

光电探测器513，应用将光信号转换成电信号，首先将光信号转换成电流信号，然后通过跨阻放大器将电流信号转换成电压信号，并将电压信号采用差分输出的方式输出；

功率放大器514，对光电探测器513输出的两路信号进行功率放大，并将功率放大后的两路信号输出；

数字存储示波器515，对功率放大器514输出的两路信号分别进行采样和量化，将两路电信号转换成两路数字信号并存储；

同步器516，用于同步数字存储示波器515转换生成的两路数字信号，并将两路数字信号同步到dnn均衡器517中；

dnn均衡器517；用于对同步器516输入的两路信号进行非线性均衡处理，输出两路非线性均衡处理后的数字信号；

匹配滤波器518，用于对dnn均衡器517输出的两路非线性均衡处理后的数字信号采用不用的匹配滤波器518分别进行cap解调，并将解调后的两路信号相加后输出；

下采样器519，用于对匹配滤波器518输出的信号进行下采样处理，与发射端50中的上采样器对应，还原频率后输出；

线性均衡器520，用于对下采样器519输出的信号进行线性均衡处理，并将线性均衡处理后的信号输出；

qam解码器521，用于对线性均衡器520输出的线性均衡处理后的信号进行解码，将qam复数信号转换成二进制形式的信号，方便计算误码率，并在qam解码器521中计算误码率，误码是用于衡量通信性能的指标。

需要说明的是，本申请中在发射端qam编码器500，iq分离器501，上采样器502，成形滤波器503，相加器504可以采用不同的设备分别实现各个功能，也可以在matlab中采用相应的算法实现各个功能；同理，在接收端同步器516，dnn均衡器517，匹配滤波器518，下采样器519，线性均衡器520，qam解码器521也可以采用不同的设备分别实现各个功能，也可以在matlab中采用相应的算法实现各个功能。

在本申请中，dnn可以逼近任意非线性，线性均衡器具有良好的线性均衡能力，可同时实现线性均衡和非线性均衡，提高可见光通信的传输速率。

以上参照示出根据本申请实施例的方法、装置(系统)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图描述本申请。应理解，可以通过计算机程序指令来实现框图和/或流程图示图的一个块以及框图和/或流程图示图的块的组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机的处理器和/或其它可编程数据处理装置，以产生机器，使得经由计算机处理器和/或其它可编程数据处理装置执行的指令创建用于实现框图和/或流程图块中所指定的功能/动作的方法。

相应地，还可以用硬件和/或软件(包括固件、驻留软件、微码等)来实施本申请。更进一步地，本申请可以采取计算机可使用或计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，其具有在介质中实现的计算机可使用或计算机可读程序代码，以由指令执行系统来使用或结合指令执行系统而使用。在本申请上下文中，计算机可使用或计算机可读介质可以是任意介质，其可以包含、存储、通信、传输、或传送程序，以由指令执行系统、装置或终端使用，或结合指令执行系统、装置或终端使用。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。