一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统及通信方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，包括发射端和接收端。发射端包括光强调制器和与之相连的光信号发送阵列，接收端包括前置器件、滤波器件、探测器以及信号处理单元。其中，前置器件使光信号发送阵列内各信号发送区域光源所发出的其中一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位。本发明专利技术通过将光信号发送阵列分成许多个不同信号发送区域，各区域内光源所发射的信号光在经过滤波之后分别投射在探测器不同信号接收区域内的像素元，从而利用多个光源发出的调制光进行多路信号并行传输。最终，通过将不同区域内像素元所测数据分别代入到多个矩阵方程复原信号。该技术可在实现照明功能的同时实现大容量信号的传输。

A Multi-Input and Multi-Output Optical Communication System and Communication Method Based on Filtering Effect

The invention discloses a multi-input multi-output optical communication system based on filtering effect, which comprises a transmitter and a receiver. The transmitter includes an optical emphasizer and an optical signal transmitting array connected with it. The receiver includes a front-end device, a filter, a detector and a signal processing unit. Among them, the front-end device makes one of the beams of light emitted by the light source in each signal transmitting area of the optical signal transmitting array incident to different parts of the filter surface at a fixed angle. By dividing the optical signal transmitting array into many different signal transmitting regions, the signal light emitted by the light source in each region is filtered and then projected to the pixels in different signal receiving regions of the detector respectively, so that the modulated light emitted by multiple light sources can be used for parallel transmission of multi-channel signals. Finally, the measured data of pixels in different regions are substituted into multiple matrix equation restoration signals. This technology can realize the transmission of large capacity signal while realizing the lighting function.

【技术实现步骤摘要】
一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统及通信方法
本专利技术涉及一种基于滤波效应的光通信系统及其信号发送与解码方法，属于光通信

技术介绍
可见光通讯(VLC，VisibleLightCommunication)就是利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。简单来说，只要头顶上有灯光照耀，理论上无论是传输数据信息、上网，还是进行语音、视频通话，亦或是调节物联网设备的开关，均可轻松实现，而且借助超高的传输速率，应用体验远超WiFi和4G网络。可见光通讯技术绿色低碳环保、能够实现几近零耗能的通信，也能够有效的避免信号泄露，能够快速的构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。数百亿个照明设备和其他的设备融合将构成一个非常庞大的可见光通信网络。预计再过五年，全球将有超多500亿台设备接入互联网，其中大部分将会使用无线网络，这会导致无线电频谱资源紧张，进而影响使用。而VLC使用光波而非传统的无线电波来进行通讯，同时VLC的带宽是无线电频谱的1000倍以上，可以解决频谱资源紧张的问题。而且，因为LED(发光二极管，LightEmittingDiode，LED)灯比以往的荧光灯和白炽灯可以支撑更快的开关切换速度。这样通过给普通的LED灯加装微芯片，就能使LED灯以极快的速度闪烁，从而利用LED灯可以更快速地发送数据。为了进一步提高单位时间内的信号传输容量，很多课题组尝试将多输入多输出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)无线传输技术与可见光通信技术进行结合。MIMO是通信领域的一项重要技术突破，它能在不增加带宽与功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量。MIMO技术通过在不同的发射源发送独立的数据流以获得高速高容量数据传输，是新一代无线通信系统中的关键技术之一。多输入多输出可见光通讯技术(VLC-MIMO)具有巨大的市场应用前景，但也存在一些问题。比如：(1)传统VLC-MIMO技术中不同信道采用窄带光谱的信号光源，但这样的光源颜色单一，无法采用传统照明所用的白光光源。(2)有些VLC-MIMO技术虽然可以采用白光光源，但要求每个白光光源的频谱互有重叠但又不完全相同，这样有多少个信道就需要有多少个不同的光源或者滤波膜，从而提高了系统的成本。(3)还有些VLC-MIMO技术采用二维码技术进行信号编码，但二维码的编码规则复杂，因此对光源排列有特殊要求，而且信号发射光源只能采用点光源，而无法采用面光源，使人眼的舒适度降低。(4)还有一些课题组采用的技术中，光发射端需要精确控制光载波的波长、偏振态或入射光纤的传输模式，在光接收端需采用体积较大的探测器并放置特定的角度，或者采用复杂的解复用器将波长、偏振态、及传输模式分离开来以恢复传输数据，因此系统结构复杂、成本较高。为了克服以上缺点，我们提出了一种新型的基于滤波效应的多输入多输出通信系统及其通信方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于滤波效应的多输入多输出的光通信系统及其通信方法，该光通信系统可在实现照明功能的同时实现大容量信号传输，且结构简单、成本低廉。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端：所述光信号发射端包括光强调制器和与之相连的光信号发送阵列，所述光信号发送阵列包括m×n个光源，其中每n个光源分布在一个信号发送区域内，所述光信号发送阵列共有m个信号发送区域，每个信号发送区域内的n个光源的光谱频段可以互相重叠但光谱又不完全相同，分属不同信号发送区域内的任意两个光源的光谱可以相同，所述光强调制器将m×n路信号分别调制至m×n个光源所发射的光载波上，生成相应的调制信号光，并在不同时刻调制出不同的信号，其中m、n为大于1的整数；所述光信号接收端包括前置器件、滤波器件、探测器，以及与探测器连接的信号处理单元；所述前置器件位于滤波器件之前，前置器件使得各信号发送区域内的光源所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述滤波器件可令相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出滤波光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出滤波光的光强也不相同；所述探测器为具有相同频谱响应的至少m×n个光探测像素元所组成的阵列式探测芯片，阵列式探测芯片上至少有m个信号接收区域，其中任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元，所述光探测像素元对入射到像素元感光面上的信号光有响应；光信号发送阵列内不同信号发送区域所发射的信号光在经过滤波器件之后，分别投射在阵列式探测芯片上不同信号接收区域内的光探测像素元；所述信号处理单元对不同信号接收区域内的像素元所探测到的数据分别进行分析处理，最终通过信号处理单元进行数据分析处理，通过求解矩阵方程或线性方程组的方法解码得到光信号发射端所发出的信号。优选地，所述前置器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，各信号发送区域内的光源所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。优选地，所述光信号接收端还包括光波长转换部件，光波长转换部件设置在滤波器件之前或者滤波器件之后，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料，所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，波长转换光学材料的发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为一切具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。优选地，所述滤波器件包括透明基底以及贴附在透明基底表面的滤波膜阵列，所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对，任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元所正对的n个滤波膜在信号光所在波段或阵列式探测芯片的探测波段的透射谱线互不相同。优选地，所述滤波膜采用微波染色法、明胶染色法、喷墨打印法的其中一种方法制备。优选地，采用微波染色法制备光学彩色聚酯薄膜作为滤波膜，其中一种制备方法如下：(1)将聚酯原膜传输进入在水相稳定的分散染料悬浮液中，同时利用微波加热悬浮液进行着色，加热温度为80℃～85℃，着色时间在10秒～120秒之间；(2)对着色的聚酯薄膜进行水洗，直至彻底洗去薄膜表面的染料分散剂，水洗液为含有质量比为0.1％～5％的表面活性剂；(3)对水洗后的着色聚酯薄膜用溶剂进行再次清洗，溶剂为低沸点的有机溶剂，比较好的洗涤溶剂包括乙醇、丙酮或乙酸乙酷，考虑到毒副作用以及清洗效果，选择乙醇最佳；(4)将经溶剂洗后的着色聚酯薄膜进行烘干，烘干温度130℃～170℃，烘干时间在10秒～120秒之间。优选地，所述光信号发射端的每个信号发送区域包括n个发射频谱相同的光源，每个光源分别贴有透射波谱互不相同的滤波膜。优选地，当所述光源需要作照明用途时，采用可见光波段白光光源，而当所述光源不需要作照明用途时，采用中红外波段光源。优选地，光信号接收端还包括设置于探测器之前的准直器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端，其特征在于：所述光信号发射端包括光强调制器和与之相连的光信号发送阵列，所述光信号发送阵列包括m×n个光源，其中每n个光源分布在一个信号发送区域内，所述光信号发送阵列共有m个信号发送区域，每个信号发送区域内的n个光源的光谱频段可以互相重叠但光谱又不完全相同，分属不同信号发送区域内的任意两个光源的光谱可以相同，所述光强调制器将m×n路信号分别调制至m×n个光源所发射的光载波上，生成相应的调制信号光，并在不同时刻调制出不同的信号，其中m、n为大于1的整数；所述光信号接收端包括前置器件、滤波器件、探测器，以及与探测器连接的信号处理单元；所述前置器件位于滤波器件之前，前置器件使得各信号发送区域内的光源所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述滤波器件可令相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出滤波光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出滤波光的光强也不相同；所述探测器为具有相同频谱响应的至少m×n个光探测像素元所组成的阵列式探测芯片，阵列式探测芯片上至少有m个信号接收区域，其中任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元，所述光探测像素元对入射到像素元感光面上的信号光有响应；光信号发送阵列内不同信号发送区域所发射的信号光在经过滤波器件之后，分别投射在阵列式探测芯片上不同信号接收区域内的光探测像素元；所述信号处理单元对不同信号接收区域内的像素元所探测到的数据分别进行分析处理，最终通过信号处理单元进行数据分析处理，通过求解矩阵方程或线性方程组的方法解码得到光信号发射端所发出的信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端，其特征在于：所述光信号发射端包括光强调制器和与之相连的光信号发送阵列，所述光信号发送阵列包括m×n个光源，其中每n个光源分布在一个信号发送区域内，所述光信号发送阵列共有m个信号发送区域，每个信号发送区域内的n个光源的光谱频段可以互相重叠但光谱又不完全相同，分属不同信号发送区域内的任意两个光源的光谱可以相同，所述光强调制器将m×n路信号分别调制至m×n个光源所发射的光载波上，生成相应的调制信号光，并在不同时刻调制出不同的信号，其中m、n为大于1的整数；所述光信号接收端包括前置器件、滤波器件、探测器，以及与探测器连接的信号处理单元；所述前置器件位于滤波器件之前，前置器件使得各信号发送区域内的光源所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述滤波器件可令相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出滤波光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出滤波光的光强也不相同；所述探测器为具有相同频谱响应的至少m×n个光探测像素元所组成的阵列式探测芯片，阵列式探测芯片上至少有m个信号接收区域，其中任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元，所述光探测像素元对入射到像素元感光面上的信号光有响应；光信号发送阵列内不同信号发送区域所发射的信号光在经过滤波器件之后，分别投射在阵列式探测芯片上不同信号接收区域内的光探测像素元；所述信号处理单元对不同信号接收区域内的像素元所探测到的数据分别进行分析处理，最终通过信号处理单元进行数据分析处理，通过求解矩阵方程或线性方程组的方法解码得到光信号发射端所发出的信号。2.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述前置器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，各信号发送区域内的光源所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。3.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述光信号接收端还包括光波长转换部件，光波长转换部件设置在滤波器件之前或者滤波器件之后，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料，所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，波长转换光学材料的发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为一切具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。4.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述滤波器件包括透明基底以及贴附在透明基底表面的滤波膜阵列，所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对，任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元所正对的n个滤波膜在信号光所在波段或阵列式探测芯片的探测波段的透射谱线互不相同。5.根据权利要求4所述的一种基于滤波效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述滤波膜采用微波染色法、明胶染色法、喷墨打印法的其中一种方法制备；采用微波染色法制备光学彩色聚酯薄膜制作滤波膜的制备方法如下：(1)将聚酯原膜传输进入在水相稳定的分散染料悬浮液中，同时利用微波加热悬浮液进行着色，加热温度为80℃～85℃，着色时间在10秒～120秒之间；(2)对着色的聚酯薄膜进行水洗，直至彻底洗去薄膜表面的染料分散剂，水洗液为含有质量比为0.1％～5％的表面活性剂；(3)对水洗后的着色聚酯薄膜用溶剂进行再次清洗，溶剂为低沸点的有机溶剂，比较好的洗涤溶剂包括乙醇、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，张岳，黄维，李兴鳌，何浩培，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32