基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，所述的发射子系统包括：第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列；所述的传输子系统为自由空间；所述的接收子系统包括n个光电二极管PD1‑PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列，其中n≥1且为正整数。本实用新型专利技术结构简单，成本低，所述的脉冲振幅调制利用一个4×4LED阵列，通过控制LED灯亮灭的个数，从而实现16级调光，每级脉冲振幅对应不同的二进制数据组，从而实现数据的传输，使得LED发射的光通量满足不同场合照明的需求，从而实现通照一体化。

Visible light communication hardware system based on artificial neural equalizer for illumination integration

The utility model discloses an integrated illumination communication hardware system based on an artificial neuron equalizer, including a transmitter system, a transmission subsystem and a receiving subsystem. The transmitter system includes a first programmable gate array, an analog to digital converter, a LED drive circuit, and a 4 x 4L based on a board chip package. The ED array; the transmission subsystem is free space; the receiving subsystem includes N photodiode PD1 PDn, ADC, neuron equalizer, second programmable gate array, in which the n is equal to 1 and is a positive integer. The utility model has the advantages of simple structure and low cost. The pulse amplitude modulation uses a 4 * 4LED array to control the number of LED lights, thus realizing the 16 stage light modulation, the amplitude of each level pulse corresponds to the different binary data groups, thus the transmission of data is realized, and the luminous flux of the LED shot meets the different lighting conditions. Demand, so as to realize the integration of illumination.

【技术实现步骤摘要】
基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统
本技术涉及可见光通信技术，特别涉及一种基于人工神经元均衡器的通照一体化VLC硬件系统。
技术介绍
近年来，随着LED照明产业的飞速发展，LED在各行各业得到了广泛的应用，逐步取代白炽灯、节能灯等传统光源。与传统的白炽灯、节能灯等光源相比，LED具有体积小、耗电低、寿命长、亮度高、绿色环保等优点。更重要的是，LED还具有响应灵敏、调制性能好的优点，从而可以将人眼无法识别的高频率调制加载到LED上，这使得基于LED光源的可见光通信技术成为可能。与传统的射频与红外等通信技术相比，可见光通信具有对人体和精密仪器的影响小、无需申请频谱资源、保密性高等优点，使其成为了国内外研究的热点。开关键控是可见光通信系统最常使用的调制方式，其以普通的荧光粉LED作为载体，通过亮灭控制(亮代表“1”，灭代表“0”)向光电检测器件发送二进制数据。但是，基于荧光粉LED的调制受到其带宽的限制，而开关键控每个时钟周期只能发送1bit数据，这使得可见光通信系统的传输速率受到限制。另一方面，长久以来国内外对于可见光通信的研究都侧重于通信功能的实现而缺乏对LED原本的照明功能的研究，经过高频调制的LED光源所发送的光通量往往不符合特定场合的照明要求，因而可见光通信系统难以得到实际应用。此外，在传输过程中，由于LED阵列中不同的点光源对应的不同路径中光信号传输延迟会导致码间干扰，并且在高频调制中由于LED调制带宽的限制，信号波形的拖尾会显著影响到相邻码元的判决，进而产生码间干扰。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术的目的在于提出了一种基于人工神经元均衡器的通照一体化VLC硬件系统，通过人工神经元均衡器均衡处理来降低码间干扰给可见光通信系统带来的影响，利用脉冲振幅调制和脉冲宽度调制双重调制技术实现通照一体化。本技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，所述的发射子系统包括：第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列；所述的传输子系统为自由空间；所述的接收子系统包括n个光电二极管PD1‐PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列，其中n≥1且为正整数；所述的第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列、n个光电二极管PD1‐PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列依次连接。所述的发射子系统对输入的基带信号进行脉冲振幅调制和脉冲宽度调制，实现驱动4×4LED阵列发送16级可见光信号，并调节LED阵列发出的光通量以适应不同场合的照明要求，进而实现通照一体化。所述的接收子系统将输入的n个信号通过模数转换器进行模数转换、滤波与放大，再进行人工神经元均衡处理以降低码间干扰带来的系统误码率上升。进一步地，第一可编程门阵列对输入的信号进行脉冲振幅调制与脉冲宽度调制；所述的脉冲振幅调制，是将输入的二进制数据串每4位分为一组，即构成一个16进制数，实现0‐15之间的16级脉冲振幅，从而驱动4×4LED阵列发送16级可见光信号；所述的脉冲宽度调制，通过控制信号的占空比来调节信号的总能量大小，从而调节LED阵列发出的光通量以适应不同场合的照明要求，进而实现通照一体化。所述的数模转换器将二进制数据转化为模拟信号输入所述的LED驱动电路，驱动所述的4×4LED阵列发出相应的可见光信号。进一步地，所述基于板上芯片封装的4×4LED阵列中每块LED芯片由相应的LED驱动电路来独立控制；所述LED驱动电路包括信源、可变电阻、高速缓冲器、BiasTee模块、直流电流源和限流电阻，所述的信源、可变电阻、高速缓冲器、BiasTee模块和限流电阻依次连接；所述直流电流源的正极和信源连接，所述直流电流源的负极和BiasTee模块连接；所述的BiasTee模块包括电容和电感；所述电感的一端与直流电流源的负极连接，所述电感的另一端与电容的负极连接，所述电容的正极与高速缓冲器连接；所述信源输出的电信号经过高速缓冲器传输到BiasTee模块，所述直流电流源所输出的直流电信号与高速缓冲器所传输的信号在BiasTee模块中进行耦合，生成耦合电信号；所述耦合电信号通过限流电阻输出。进一步地，所述的人工神经元均衡器采用一个3层的多层感知器结构，包括输入层、隐藏层和输出层；所述的输入层包含n个人工神经元细胞，分别接收n个光电二极管PD1‐PDn所发送的电信号；所述的隐藏层为一层包含若干个人工神经元细胞，具体个数由训练效果决定。所述的输出层包含16个人工神经元细胞，相应的输出为0‐15；所述的输入层各人工神经元与隐藏层各人工神经元之间以及隐藏层各人工神经元与输出层各人工神经元之间通过权重wij即第i个神经元的第j个输入相连接，通过反向传播算法对均衡器进行训练，进而调整各连接处的权重，使得人工神经元均衡器输出结果与期望值的均方误差达到或小于预期值。与现有技术相比，本技术具有以下优点和有益效果：(1)提出一种适用于可见光通信系统的16级脉冲振幅调制技术，将可见光通信系统的传输速率提高了4倍，用简单的基带调制方法突破了LED的带宽限制。(2)针对特定场合的照明要求，在可见光通信系统中利用脉冲振幅调制和脉冲宽度调制技术进行调光，从而实现了通信照明一体化。(3)在可见光通信系统中引入人工神经元网络进行均衡处理来优化接收端因信道多径效应而产生的码间干扰以及因为多级调光和信道噪声带来的误码率提升，从而大大提高了可见光通信系统的稳定性。附图说明图1为实例中的4×4LED阵列及脉冲振幅调制调整示意图。图2为实例中所述的码间干扰的产生示意图。图3a、图3b分别为实例中的人工神经元均衡器及人工神经元细胞示意图。图4为实例中所述的LED驱动电路。图5为实例中所述的可见光通信系统的框图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本技术作进一步地详细说明，但本技术的实施方式不限于此，需指出的是，本技术的关键在于对硬件部分提出的技术方案，以下若有涉及需要通过软件实现的过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。实施例1：如图5所示，一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，所述的发射子系统包括：第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列；所述的传输子系统为自由空间；所述的接收子系统包括n个光电二极管PD1‐PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列；所述的第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列、n个光电二极管PD1‐PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列依次连接。图4为实例中所述的LED驱动电路。如图1所示，4位二进制数据0101在第一可编程门阵列1中进行调制，对应的脉冲振幅为5，即有5盏LED灯处于点亮状态，4×4LED阵列2发送5级可见光脉冲信号。其中每一盏灯由于独立封装与驱动，以及每盏灯到光电检测器件的信道都不同，而在高频调制下相邻码元间的时间间隔很小，如图2所示，信号波形的“拖尾”会显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，其特征在于，所述的发射子系统包括：第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列；所述的传输子系统为自由空间；所述的接收子系统包括n个光电二极管PD1‑PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列，其中n≥1且为正整数；所述的第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列、n个光电二极管PD1‑PDn、数模转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列依次连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，包括发射子系统、传输子系统和接收子系统，其特征在于，所述的发射子系统包括：第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列；所述的传输子系统为自由空间；所述的接收子系统包括n个光电二极管PD1-PDn、模数转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列，其中n≥1且为正整数；所述的第一可编程门阵列、模数转换器、LED驱动电路以及基于板上芯片封装的4×4LED阵列、n个光电二极管PD1-PDn、数模转换器、神经元均衡器、第二可编程门阵列依次连接。2.根据权利要求1所述的一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，其特征在于，所述发射子系统的第一可编程门阵列将输入的信号进行调制，得到相应的二进制数据串；所述的数模转换器将二进制数据转化为模拟信号输入所述的LED驱动电路，驱动所述的4×4LED阵列发出相应的可见光信号。3.根据权利要求2所述的一种基于人工神经元均衡器的通照一体化可见光通信硬件系统，其特征在于第一可编程门阵列对输入的基带信号进行脉冲振幅调制与脉冲宽度调制；所述的脉冲振幅调制，将输入的二进制数据串每4位分为一组，即构成一个16进制数，实现0-15之间的16级脉冲振幅，从而驱动4×4LED阵列发送16级可见光信号；所述的脉冲宽度调制，通过控制周期矩形波的周期大小和占空比来调节信号的总能量大小，从而调节LED阵列发出的光通量以适应不同场合的照明要求，进而实...

【专利技术属性】
技术研发人员：关伟鹏，吴玉香，翁子淳，谢灿宇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44