一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法技术方案

本发明专利技术公开了一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法，涉及通信与信息处理技术，其中的一种自由空间可见光通信系统，包括发送终端、接收终端；所述发送终端包括信号输入接口、信号调制电路、信号驱动电路；所述接收终端包括信号检测接收放大电路、信号解调电路、信号输出接口。本发明专利技术的系统采用强度调制/直接检测的方法，通信性能优化算法对通信链路中的多径传输影响进行补偿优化。本发明专利技术可以应用于局域网互联等通信领域，该系统及算法降低了通信现场铺设通信线路的劳动强度和复杂程度，提高了信息传输的品质，为短距离宽带通信提供了极大的便利条件。

【技术实现步骤摘要】
一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法
本专利技术涉及通信与信息处理技术，具体涉及一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法。
技术介绍
目前，自由空间光通信(FreeSpaceOpticalCommunication，FSO)融合了微波通信和光纤通信的优势，具有高数据传输速率、高安全性、无需频率许可、组网灵活和性价比高等特点，是未来极具发展前景的一种无线宽带接入技术。近年来，已经有越来越多的研究者开始重点研究自由空间光通信系统信息处理技术，并且采用FSO链路实现数据、语音、图像等信息的传输，但是，近地面自由空间光通信由于受到大气衰减、大气湍流效应等大气环境的影响，限制了FSO的通信距离和应用。可见光通信技术，是利用实际照明中使用的发光二极管（LightEmittingDiode，LED）发出快速的、人眼所无法察觉的明暗变化的闪烁信号来传输信息的，在接收端利用可见光探测器接收明暗闪烁的光信号并解调以获得通信数据。利用LED做成的无线通信系统能够覆盖室内灯光达到的范围，通信终端不需要电线连接，并且LED具有节能、环保、安全、经济等特点，因而具有广泛的开发前景。LED通信相对于射频通信有成本低、传输速率高、保密性好、不必受频谱限制、应用场合广等很多优点。基于可见光LED的通信技术，可以以低廉的价格同时实现照明和通信，适用于多种场景，得到了日本、美国和欧洲等各国专家学者的广泛关注和支持，从可见光通信兴起至今，取得了一个又一个突破性进展。日本研究者最先提出了可见光通信的概念。>2000年，日本庆应义塾大学的Tanaka等人采用强度调制直接检测方式对可见光通信系统进行了建模和仿真。2007年，爱丁堡大学采用正交相移键控调制的编码正交频分复用技术进行可见光通信，实验结果表明应该在小于90厘米范围传输，系统误码率为2×10-5。2008年在日本九十九里海滩进行了利用灯塔上的LED作为发射机的可见光通信实验，通信距离为2km，最大通信速率为1Kbps。2009年，日本展出了应用可见光通信系统的数字广告牌，该广告牌利用其背光LED传输数据，其使用者可以根据需要下载信息。2009年，Vucic等人使用大功率荧光激发式白光LED以及基于正交幅度调制的离散多音调制技术，实现了230Mbps的通信速率，误码率小于10-3，其数据处理为离线方式。2010年日本以图像传感器作为接收机，利用LED交通信号灯作为发射机进行通信实验并取得成功，该系统传输速率4800Kbps，通信距离可达300m。2011年，德国海因里希·赫兹研究所Grunor和Langer首次提出了可见光通信系统的传输速率会受到LED调制带宽的限制，研究出了多电平调制方法来提高大功率白光LED的调制带宽，将可见光通信系统的数据传输速率提高到500Mbps。2012年，意大利的圣安娜高等研究学院Khalid等人基于DMT技术和1024QAM技术，采用雪崩光电二极管作为接收机，实现了1Gbps的可见光通信数据传输最大速率。2013年，Azhar等人提出的利用多输入多输出和OFDM技术，实现了基于室内的可见光通信系统1Gbps的速率传输。2013年Shuailong等人实现了1.5Gbps的多通道可见光通信系统。2014年，Cossu等展示了可见光与红外波段组成的混合通信方案，该方案是可见光作为下行链路，红外光作为上行链路的波分双工通信系统，上下行链路均采用离散多音频调制技术，在通信距离为2m的条件上实现了400Mbit/s的双工通信。2015年，佐治亚理工学院的Mossaad针对可见光通信中OFDM调制技术的高峰均比的问题进行研究，提出在发射端将高峰均比的OFDM信号分割为多个低峰均比信号并分别通过多个LED进行传输的方式，减少了LED光源的非线性对峰均比过大的信号的影响。2017年意大利国家研究委员会的Masini等设计了一种应用于道路交通设备的可见光通信系统，用以解决城市交通中车辆拥堵的问题。2017年英国爱丁堡大学的Basnayaka设计了一种结合射频与可见光通信技术的室内可见光通信系统，用以解决室内可见光通信系统中，光照度不均衡引起的室内可见光通信信号覆盖不均的问题。由于可见光通信独特的优势，也同样获得了国内学者的广泛关注。可见光通信技术在近十年中得到了非常迅猛的发展，通信速率已经从几十兆比特每秒发展到100Mb/s、200Mb/s、500Mb/s、800Mb/s，现在已突破了Gb/s，而且其应用也越来越广泛。但现有的研究主要集中在提高数据传输速率，随着可见光通信系统传输速率的增加，通信系统性能提高技术的研究显得尤为重要。综上所述，可见光通信具有诸多优点，比如：安全性高、传输速率快等，但是室内的多径干扰会产生接收信号串扰等问题，所以为了优化接收端性能，本专利采用自适应均衡算法对接收信号进行处理，采用神经网络进行自适应均衡处理，从而大幅度优化接收信号的质量，满足可见光短距离通信的需要。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种自由空间可见光通信系统，包括发送终端、接收终端；所述发送终端包括信号输入接口、信号调制电路、信号驱动电路；所述接收终端包括信号检测接收放大电路、信号解调电路、信号输出接口；所述信号输入接口与信号调制电路连接，信号输入接口包括语音输入接口和数字信号输入接口；语音输入接口采用麦克风接口，麦克风接口采集外部需要传输的语音信号，信号输入电路将语音输入接口输入的语音信号编码后，将模拟信号转换为0-3V数字信号传输给DSP；所述信号调制电路与信号驱动电路连接，信号调制电路用于将数字信号进行编码，通过信号驱动电路将信号调制电路输出的信号加上偏置驱动LED后输出为已调制光信号，并发送至自由空间信道中；所述信号检测接收放大电路与信号解调电路连接，信号检测接收放大电路采用PIN光电二极管接收发射端载有信息的已调制光信号，由PIN光电二极管光电感应转化为微弱的电流信号，经过放大器将电流信号转化为电压信号并进行二级放大；所述信号解调电路用于光通信接收端的信号检测接收放大电路输出电信号的解调；所述信号解调电路与信号输出接口连接，用于信号解调后由数字信号与语音信号进行输出；所述信号解调电路由DSP完成对接收信号的自适应非线性补偿，并进行信号判决，信号解调电路通过对接收信号的非线性补偿达到改善通信性能的目的。进一步地，所述信号输入接口的语音输入部分包括麦克风及语音编码芯片TLV320AIC23；麦克风用于通过无源的麦克进行现场的声音采集，麦克通过麦克风接口与语音编码芯片TLV320AIC23的MICIN端和MICBIAS端连接，语音编码芯片TLV320AIC23用于前端语音模拟信号转变为数字信号，完成语音信号采集和语音信号发送，在电路中采用语音编码芯片TLV320AIC23的数字接口与发送端DSP的MCASP0端相连，语音编码芯片TLV320AI本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由空间可见光通信系统，其特征在于，包括发送终端、接收终端；/n所述发送终端包括信号输入接口（1）、信号调制电路（2）、信号驱动电路（3）；/n所述接收终端包括信号检测接收放大电路（4）、信号解调电路（5）、信号输出接口（6）；/n所述信号输入接口（1）与信号调制电路（2）连接，信号输入接口（1）包括语音输入接口和数字信号输入接口；/n语音输入接口采用麦克风接口，麦克风接口采集外部需要传输的语音信号，信号输入电路将语音输入接口输入的语音信号编码后，将模拟信号转换为0-3V数字信号传输给DSP；/n所述信号调制电路（2）与信号驱动电路（3）连接，信号调制电路（2）用于将数字信号进行编码，通过信号驱动电路（3）将信号调制电路（2）输出的信号加上偏置驱动LED后输出为已调制光信号，并发送至自由空间信道中；/n所述信号检测接收放大电路（4）与信号解调电路（5）连接，信号检测接收放大电路（4）采用PIN光电二极管接收发射端载有信息的已调制光信号，由PIN光电二极管光电感应转化为微弱的电流信号，经过放大器将电流信号转化为电压信号并进行二级放大；/n所述信号解调电路（5）用于光通信接收端的信号检测接收放大电路（4）输出电信号的解调；/n所述信号解调电路（5）与信号输出接口（6）连接，用于信号解调后由数字信号与语音信号进行输出；/n所述信号解调电路（5）由DSP完成对接收信号的自适应非线性补偿，并进行信号判决，信号解调电路通过对接收信号的非线性补偿达到改善通信性能的目的。/n...

【技术特征摘要】
1.一种自由空间可见光通信系统，其特征在于，包括发送终端、接收终端；
所述发送终端包括信号输入接口（1）、信号调制电路（2）、信号驱动电路（3）；
所述接收终端包括信号检测接收放大电路（4）、信号解调电路（5）、信号输出接口（6）；
所述信号输入接口（1）与信号调制电路（2）连接，信号输入接口（1）包括语音输入接口和数字信号输入接口；
语音输入接口采用麦克风接口，麦克风接口采集外部需要传输的语音信号，信号输入电路将语音输入接口输入的语音信号编码后，将模拟信号转换为0-3V数字信号传输给DSP；
所述信号调制电路（2）与信号驱动电路（3）连接，信号调制电路（2）用于将数字信号进行编码，通过信号驱动电路（3）将信号调制电路（2）输出的信号加上偏置驱动LED后输出为已调制光信号，并发送至自由空间信道中；
所述信号检测接收放大电路（4）与信号解调电路（5）连接，信号检测接收放大电路（4）采用PIN光电二极管接收发射端载有信息的已调制光信号，由PIN光电二极管光电感应转化为微弱的电流信号，经过放大器将电流信号转化为电压信号并进行二级放大；
所述信号解调电路（5）用于光通信接收端的信号检测接收放大电路（4）输出电信号的解调；
所述信号解调电路（5）与信号输出接口（6）连接，用于信号解调后由数字信号与语音信号进行输出；
所述信号解调电路（5）由DSP完成对接收信号的自适应非线性补偿，并进行信号判决，信号解调电路通过对接收信号的非线性补偿达到改善通信性能的目的。


2.根据权利要求1所述的自由空间可见光通信系统，其特征在于，所述信号输入接口（1）的语音输入部分包括麦克风及语音编码芯片TLV320AIC23；
麦克风用于通过无源的麦克进行现场的声音采集，麦克通过麦克风接口与语音编码芯片TLV320AIC23的MICIN端和MICBIAS端连接，语音编码芯片TLV320AIC23用于前端语音模拟信号转变为数字信号，完成语音信号采集和语音信号发送，在电路中采用语音编码芯片TLV320AIC23的数字接口与发送端DSP的MCASP0端相连，语音编码芯片TLV320AIC23的控制接口与发送端的DSP的IIC1端相连。


3.根据权利要求1所述的自由空间可见光通信系统，其特征在于，所述信号调制电路（2）用于可见光通信系统发送端接收从信号输入接口（1）得到的信号，并对信号进行编码处理，其调制方式采用OOK的调制方式和OFDM的调制方式；信号调制电路（2）包括DSP芯片TMS320C6713和语音编码电路，所述语音编码电路电性连接DSP芯片TMS320C6713。


4.根据权利要求1所述的自由空间可见光通信系统，其特征在于，所述信号驱动电路（3）包括运放U1，电阻R1、R2、R4、R5，电位器R3，电容C1、C2、C3、C4，发光二极管LED；
所述电阻R4跨接于运放U1的反相端与输出端之间，所述电阻R5与电容C4串联后与电阻R4并联；电阻R1一端连接于运放U1的反相端，另一端通过电容C2连接地；
所述电容C3一端连接运放U1的输出端，另一端连接发光二极管LED的正极；发光二极管LED的负极分别连接电位器R3的一端和中间抽头，电位器R3的另一端连接地；
所述电容C1一端连接信号驱动电路（3）的输入端Ui，另一端分别连接运放U1的反相端和电阻R2；电阻R2的另一端连接地。


5.根据权利要求1所述的自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锦妮，薛艺飞，李云红，廉继红，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61