LED交通灯可见光无线通信接收机、接收方法及应用方法

摘要

本发明公开了一种LED交通灯可见光无线通信接收机、接收方法及应用方法，在在汽车顶部的相同垂直倾角位置水平放置采用绿光滤波镜片和红光滤波镜片的接收机，发出的可见光聚焦到光检测器；码元信号调制加载到LED交通灯发出的可见光通过光检测器和信号放大模块将光信号转换成电信号，将红光转换的信号电流或绿光转换的信号电流以均衡和判决模块恢复为原码元信号；将恢复的码元信号通过分集合并算法模块进行分集合并后输出，本发明通过对可见光波长选择接收，信噪比较高；采用相似性比较合并方法对产生误码较高的支路进行屏蔽，系统的误码率降低到10

说明书

技术领域

本发明属于噪声或干扰的抑制领域，涉及室外可见光无线通信系统，尤其涉及LED交通灯可见光无线通信的接收机以及该接收机的抗衰落接收方法和该接收机的应用。

背景技术

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体(LED)照明技术发展迅猛。由于LED交通灯节省能源、可靠性好及在日间及恶劣天气条件下可见度高等多种益处。用LED制作交通信号灯已成趋势。利用LED响应灵敏度高、调制性能好的突出优点可以实现LED交通灯可见光无线通信系统。目前，作为室外可见光通信系统的接收机采用的是直接探测接收的方式，利用光学镜头接收到可见光波长范围内的光功率，并对光信号进行光电转换、放大和滤波等预处理，最终还原成原始发送信号。这种可见光的直接接收方式具体是采用单个光学镜头直接进行光传输和接收，对已调制的可见光信号脉冲进行探测接收后，解调得出所传输的数字信号。其主要构成分为三个部分：一是光学部分，用于光滤波和聚焦；二是光电探测部分，用于将接收到的光信号转换成电信号，并通过前置放大电路进行放大；三是数字信号处理部分，对电信号进行判决和解调等处理。这种直接探测方式的接收机存在的不足之处是：

1、由于受光辐射传输和室外背景光噪声干扰的影响，接收到的光信号起伏变化较大且衰落大，对噪声的抑制能力差，影响信号通信质量和传输距离等。

2、光探测滤波后信号误码率高，限制了通信距离。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种结构合理且抗衰落能力较强的基于LED交通灯可见光无线通信接收机。

本发明的另一目的是提供一种能提高通信质量的上述接收机的接收方法。

本发明的第三个目的是提供一种能可靠通信的上述接收机的实际应用方法，可扩大通信距离。

本发明LED交通灯可见光无线通信接收机采用技术方案是：LED交通灯加载的码元信号光束发射连接光学接收系统，光学接收系统的输入依次接光检测器和信号放大模块，信号放大模块的输出连接均衡和判决模块以及分集合并算法模块；所述光学接收系统由叠装的滤波镜片和聚焦镜片组成，聚焦镜片设置在滤波镜片与光检测器之间且使聚焦镜片的视角为最大值。

本发明上述接收机的接收方法是：光学接收系统采用绿光滤波镜片和红光滤波镜片将LED交通灯发出的可见光聚焦到光检测器，使绿光滤波镜片通过509-548nm波长光，红光滤波镜片通过570-631nm波长光；再通过光检测器和信号放大模块将接收到的光信号转换成电信号，以均衡和判决模块恢复为原码元信号；最后将恢复的码元信号通过分集合并算法模块进行分集合并后输出。

本发明接收机的应用方法是：在相同垂直倾角位置水平放置采用绿光滤波镜片和红光滤波镜片的一个接收机，将该接收机安装在汽车顶部，使接收机的垂直倾角(θ)和最大视角ψ_c满足θ+ψ_c≤90°，使LED交通灯的视角为15°-30°，发出的可见光聚焦到光检测器；码元信号调制加载到LED交通灯发出的可见光通过光检测器和信号放大模块将光信号转换成电信号，得到红光转换的信号电流或绿光转换的信号电流；将红光转换的信号电流或绿光转换的信号电流以均衡和判决模块恢复为原码元信号；将恢复的码元信号通过分集合并算法模块进行分集合并后输出。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过对可见光接收方法的光学改进，即所提出的波长选择接收方法，采用波长选择接收后的信噪指数要高于普通的全波长接收，通过计算，在归一化功率(即光功率同一在0-1之间的统计概率分布)限制在30％以上存在1.9dB的最大信噪指数增益，信噪比较高。

2、本发明采用时间分集的信息传输和接收方式，在采用分集合并方式中提出相似性比较合并方法，相似性比较合并方法能够对产生误码较高的支路进行屏蔽，将系统的误码率降低到10^-6。

3、本发明利用LED单色性较好的特点，采用分集合并方式，有效地改善了通信质量，增加了可靠的通信距离，通信能力强且通信覆盖范围广

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明接收机的结构连接框图。

图2是图1中光学接收系统3的组成图。

图3是图2中采用红、绿两种滤波镜片的波长选择方法原理图。

图4是图3中LED交通灯1发光光谱及两种滤波镜片的波长选择方式图。

图5是图1中LED交通灯1的可见光的时间分集接收方式图。

图6是图5中时间分集接收方式中的相似性选择的实现方式图。

图7是图6中的网络相似性选择算法原理图。

图8是本发明接收机2在LED交通灯1可见光无线通信的应用方法示意图。

图中：1.LED交通灯；2.接收机；3.光学接收系统；4.光检测器；5.信号放大模块；6.均衡和判决模块；7.分集合并算法模块；8.滤波镜片；9.聚焦镜片；10.红光滤波镜片；11.绿光滤波镜片；12.汽车。

具体实施方式

接收机2的总体设计框图如图1所示，主要由光学接收系统3、光检测器4和信号放大模块5组成。光学接收系统3组成如图2所示，由叠装在一起的滤波镜片8和聚焦镜片9组成，滤波镜片8选择通过的波长范围，由聚焦镜片9对滤波后的光信号进行聚焦，聚焦到光检测器4上，图2中的ψ_c是接收光的最大视角范围。聚焦镜片9设置在滤波镜片8与光检测器4之间，可控制聚焦镜片9的视角为最大值。将室外LED交通灯1加载的码元信号光束发射连接光学接收系统3，光学接收系统3的输入依次接光检测器4和信号放大模块5。信号放大模块5的输出连接均衡和判决模块6以及分集合并算法模块7。

通过光学接收系统3中的滤波透镜将LED交通灯1可见光聚焦到光检测器4上，通过光检测器4将接收到的光信号转换成电信号，通过信号放大模块5将微弱的电信号进行放大，采用均衡和判决模块6的均衡技术减小波形畸变和失真影响，通过均衡和判决技术恢复原码元信号。再采用自动增益控制实现稳定的信号功率。最后对信号通过分集合并算法模块7的分集合并方法输出信号。

本发明为去除背景噪声，采用光滤波方法具体为：

如图3，光学接收系统3采用在相同垂直倾角的地方水平放置两个具有相同接收光的最大视角范围的光接收镜，即绿光滤波镜片11和红光滤波镜片10，将LED交通灯1发出的可见光聚焦到光检测器4，其中绿光滤波镜片11用于接收λ₃～λ₄范围(图4所示)的绿光，即绿光滤波镜片11通过509-548nm波长光而滤除其它波长范围的光。红光滤波镜片10用于接收λ₅～λ₆范围(图4所示)的红光，即红光滤波镜片10通过570-631nm波长光而滤除其它波长范围的光。通过光检测器4和信号放大模块5将接收到的光信号转换成电信号，得到信号电流I_r(t)(红光转换的信号电流)和I_g(t)(绿光转换的信号电流)，以均衡和判决模块6恢复为原码元信号，将恢复的码元信号通过分集合并算法模块(7)进行分集合并后输出。

本发明光滤波片进行波长选择依据为：

白光LED是由三芯LED(红、绿、蓝)构成，每个单色LED芯的波长与归一化发光强度即光功率(即将发光强度同一在0-1之间的统计概率分布)的关系如图4所示。从图4可看到，单色LED在中心发光波长处有较高的发光强度，远离中心波长时发光强度减弱，即在边缘波长范围内光信噪比明显比较低，滤除该波长范围光功率的接收将有利于提高整体信噪比水平。采用光滤波片，将归一化光功率较小的光波长滤除，让功率较大的光波长通过。从而屏蔽其它波段的背景光噪声。

对于LED交通灯1，发射出的可见光是单色性较好的绿光和红光，而黄光可由红光和绿光混合而成。根据波长选择接收，上述的红绿两个光滤波镜片10、11分别对强度较高的红光和绿光波段进行接收。绿光λ₃～λ₄和红光λ₅～λ₆的波长范围根据图4和公式(1)确定。

定义可见光通信系统信噪比为：$S=P_t^2/\mathrm{\Delta \lambda },$其中P_t为LED交通灯1光源发光功率，Δλ为光滤波镜片的波长透过范围。信噪比与发射光功率平方P_t²成正比，和光滤波镜片的波长范围Δλ成反比，具体计算如公式(1)。

$\mathrm{SNR}({\lambda }_3,{\lambda }_4,{\lambda }_5,{\lambda }_6)\propto \frac{P_t^2}{\mathrm{\Delta \lambda }}=\frac{{({\int }_{{\lambda }_3}^{{\lambda }_4}{f}_g\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }+{\int }_{{\lambda }_5}^{{\lambda }_6}{f}_r\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda })}^2}{({\lambda }_4-{\lambda }_3)+({\lambda }_6-{\lambda }_5)}---\left(1\right)$

式中：f_g(λ)和f_r(λ)分别是图5中红光和绿光LED交通灯1的发光函数。在发光功率不变情况下，信噪比主要与透过的波长范围Δλ相关，这里Δλ有最优选择。通过对公式(1)求极值分别求得信噪比最大值点的绿光λ₃～λ₄和红光λ₅～λ₆的波长范围。

如图5，分集合并方法具体步骤为：发光设备LED交通灯1以时间间隔T_s重复发送码元信号，重复次数为l，并令l为奇数，即l＝2n-1(n＝1，2，...，)，其中l＝1表示无分集接收。以T_s的零倍、壹倍、贰倍等整数倍时延间隔(0，T_s，2T_s，...，(l-1)T_s)发送光信号，将光检测器4获得的该一时间间隔的整数倍延时间隔的多路分集电流信号转换成电流信号，经信号放大模块5滤波、放大经及均衡和判决模块6等预处理后输入到分集合并算法模块7，并得到以T_s的整数倍时延间隔(0，T_s，2T_s，...，(l-1)T_s)的多路分集电流信号。

如图6，在任意时刻，对各支路时间分集信号(S₁(t)，S₂(t)，...，S_l(t))进行相似性比较。分集合并算法模块7先把分集接收后得到的各支路分集信号进行二值化(“1”和“-1”，高电平表示信号“1”，低电平表示信号“-1”)，通过比较各支路的相对电平，选取所有支路中信号相似性最多的支路(设信号相似性最多的支路数为K)进行增益合并，当所有接收支路中有K条支路信号相对电平相同(其中K满足(l+1)/2≤K≤l)，则取这K条支路信号进行增益整合，舍去其它相似性少的支路信号。这样可以避免用误码较大的支路。这样做的好处是只有当超过半数的K条支路全部出现误码，相似性比较和选择后的信号才产生误码。

上述选取所有支路中信号相似性最多的支路数进行增益合并的步骤为：

如图7，将延时处理分离出的各时间分集信号比特用向量(P_i)_l×1表示，定义理想的分集比特向量：$W_0={\left(\begin{array}{cccc}-1& -1& ...& -1\end{array}\right)}_{1\times l}^T,$“-1”组成的比特向量表示接收比特“0”，$W_1={\left(\begin{array}{cccc}1& 1& ...& 1\end{array}\right)}_{1\times l}^T,$“+1”组成的比特向量表示接收比特“1”。将W₀和W₁两个向量组成一个标准向量、理想权值矩阵为W(1)后输出。

$W\left(1\right)=\left(\begin{array}{c}{W}_0^T\\ W_1^T\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}-1& -1& ...& -1\\ 1& 1& ...& 1\end{array}\right)}_{2\times 1}---\left(2\right)$

前馈层用于设置标准模式和输出向量的初始关系。采用线性转移函数(purelin)，其中每个向量的输入个数为分集数l，，设置偏移值向量为：

B＝[l l]^T        (3)

则前馈层输出为

A(1)＝W(1)P+B    (4)

公式(4)表示输出为输入的比特向量P和每个标准向量W(1)的内积加偏移值向量。B经线性转移函数变换后输出，内积在两个向量指向同向时最大，指向反相时最小。把内积加上偏移值向量，是为了保证前馈层的输出不会出现负数情况，以满足后面递归层正常操作的需要。

递归的初始输入来自前馈层的输出，然后通过递归运算得出唯一不为0的输出向量，第i项的输出向量为前一次输出向量A(i-1)与权值矩阵W(2)内积的正线性转移函数变换；

其中：权值矩阵W(2)的对主角线元素全设为1，其形式为$W\left(2\right)=\left(\begin{array}{cc}1& -ϵ\\ -ϵ& 1\end{array}\right),$式中，ε取值为0＜ε＜1；以保证递归处于收敛状态。通过递归运算得出唯一不为0的输出向量，提供判断输出向量的类别。

具体递归等式为：

A(2)＝poslin[W(2)A(1)]，A(n+1)＝poslin[W(2)A(n)]，n＝1，2，…(5)

上式中，poslin正线性转移函数，其输出对于正值而言是线性函数，对负值而言取值为0。

迭代最终使其中一个始终保持最大元素之外，其它元素值都趋进负数。通过正线性转移函数(poslin)迭代运算之后，当最后一个不为0的元素对应的标准模式与输入最为接近时，网络达到了稳定状态，停止迭代；其它相似度低的分支路信号受到抑制。这种方法实现了相似度高的分支路信号最终可以在竞争中取得激活并输出，而其它相似度低的分支路信号受到抑制并最后退出竞争。

下面通过1个实施例描述本发明的应用方法：

以汽车12和基于LED交通灯1无线通信的实施例描述，如图8，在相同垂直倾角位置水平放置分别采用绿光滤波镜片11和红光滤波镜片10的一个接收机2，将该接收机2安装在汽车12顶部，以便尽量减小遮挡问题，使接收机2的垂直倾角θ和最大视角ψ_c满足θ+ψ_c≤90°，使LED交通灯1的视角ψ为15°-30°，发出的可见光聚焦到光检测器4。

图8中，x表示接收机2在水平方向上的距离；y表示接收机2在道路宽度方向上的距离；h₁＝h-h₂表示接收机2的垂直高度；h表示LED交通灯1离地面的高度；h₂表示接收机2离地面的高度；δ表示LED交通灯1的中心垂线和水平方向的夹角。发射角度为：φ＝|arccos(x/d)-δ|，光接收角度为：$\psi =\arccos \left\{\sin \right[\theta +\arctan (h_1/x)]·\sqrt{x^2+h_1^2}/d\},$θ表示接收机2的垂直倾角。ψ表示接收机2的接收角度，ψ_c表示接收机2的最大视野范围(FOV)，接收角度ψ应该满足ψ≤ψ_c，以保证接收机能接收到光信号。为了使接收镜头对光信号有最佳的接收效果，垂直倾角θ和接收机2最大视野(FOV)应满足θ+ψ_c≤90°。

光学接收系统3组成如附图2所示，最大视角范围太小容易导致接收到光功率过弱，且焦距过长；过大导致聚焦效果差的同时光噪声也增多，不利于光信号接收。这里取ψ为15°-30°。

作为信号光源的LED交通灯1的红光和绿光，采用两个光滤波片分别对强度较高的红光和绿光波段进行接收。如图3，在相同垂直倾角的地方水平放置两个具有相同最大视角范围的光接收镜头。结合图4和公式(1)计算，绿光滤波镜头通过509-548nm范围的绿光，而滤除其它波长范围的光，红光滤波镜头通过570-631nm范围的红光。经光电转换得到信号电流I_r(t)(红光转换的信号电流)或I_g(t)(绿光转换的信号电流)。采取这种方式滤波，最大信噪比可达1.9dB。

图1中，光检测器4采用廉价、低电容、大面积和光电转化线性度较好的硅光电二极管。由于硅光电二极管产生的信号电流微弱，在电信号处理时需要进行放大处理。并且接收信号不稳定，容易产生畸变和失真。采用合理的均衡技术能够有效减小畸变和失真的影响，最后通过均衡和判决技术恢复原码元信号。采用自动增益控制(AGC)可得到稳定的信号功率。

如图5，发光设备LED交通灯1以时间间隔(T_s＝0.128ms)重复发送信号，重复次数为11。这里按1Mbit/s传输，每次分集发16字节信息，每字节8bit，则每次分集发128bit信息。所以Ts＝(128bit)/(1Mkbit/s)＝0.128ms.

根据相似性比较算法，分集次数采用的奇数次：1，3，5，…。由于时间分集过多需要更多带宽，传输信息量减小。并且分集次数多，传输远的同时接收信号微弱，对探测带来更大困难。为了保证晴朗天气下传输距离大于150m，故选择11重时间分集的方法。

如果某时刻1比特信息11分集接收的向量为：

P＝[1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 1]^-T

(注：采用11重时间分集，得到11个相互独立的比特信息。)

出现的传输错误是随机的，本实施例中第二和第四次分集出现了传输错误(-1)，其它分集支路收到的是1。

理想权值矩阵为

$W\left(1\right)=\left(\begin{array}{c}{W}_0^T\\ W_1^T\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}-1& -1& ...& -1\\ 1& 1& ...& 1\end{array}\right)}_{2\times 11}$

前馈输出为：

$A\left(1\right)=\mathrm{purelin}(W\left(1\right)P+B)=\mathrm{purelin}\left(\begin{array}{c}-7\\ 7\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}11\\ 11\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}4\\ 18\end{array}\right)$

ε越小，需迭代的次数越多。取ε＝0.1，对得到的前馈信息进行迭代：

$A\left(2\right)=\mathrm{poslin}\left[W\left(2\right)A\left(1\right)\right]=\mathrm{poslin}\left(\begin{array}{cc}1& -0.1\\ -0.1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}4\\ 18\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}2.2\\ 17.6\end{array}\right)$

$A\left(3\right)=\mathrm{poslin}\left[W\left(2\right)A\left(2\right)\right]=\mathrm{poslin}\left(\begin{array}{cc}1& -0.1\\ -0.1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2.2\\ 17.6\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0.44\\ 17.38\end{array}\right)$

$A\left(4\right)=\mathrm{poslin}\left[W\left(2\right)A\left(3\right)\right]=\mathrm{poslin}\left(\begin{array}{cc}1& -0.1\\ -0.1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}0.44\\ 17.38\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 17.336\end{array}\right)$

可以看出，迭代过程中元素的值是逐渐减小的，当第3次迭代的时候，矩阵中的第一行元素为负值，进行poslin运算后令其为0.并且，$A\left(4\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 17.336\end{array}\right)$中不为0的元素与标准向量$W\left(1\right)=\left(\begin{array}{c}{W}_0^T\\ W_1^T\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}-1& -1& ...& -1\\ 1& 1& ...& 1\end{array}\right)}_{2\times 11}$相对应的是“1”，即从元素位置上，A(4)中的第二行17.336对应W(1)中的第二行是1。所以经过3次迭代，最后网络实现的相似性比较输出为“1”，这正是接收时想要得到的结果。

通过以上实例的计算，在晴朗天气下，如果采用直接接收方法在LED交通灯1前91m范围之内能够实现正常通信(误码率小于10^-6)。如果采用11重分集、等增益合并方法，则最大通信距离达到120m，而采用本专利提出的相似性分集合并方法能够使得最大通信距离达到173m。