[發(fā)明專利]可見光MIMO通信編解碼方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510966637.0
• 申請日: 2015-12-21
• 公開（公告）號: CN105610498A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧健志;程小輝;周越菡
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林理工大學(xué)
• 主分類號: H04B10/116
• 分類號: H04B10/116;H04B10/40;H04B7/04
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1.一種可見光MIMO通信編解碼方法，其特征在于具體步驟為：

(1)建立一種可見光多選5+1路混合光通信收發(fā)裝置，該裝置包 括發(fā)射端和接收端；發(fā)射端包括發(fā)射控制器、編碼器、發(fā)射時鐘、選 頻器、驅(qū)動器和光發(fā)射天線組；光發(fā)射天線組含有n個光發(fā)射天線， 每一個光發(fā)射天線都包含發(fā)射濾鏡和LED；接收端包括接收控制器、 解碼器、接收時鐘、分頻器、判決器和光接收天線組；光接收天線組 含有n個光接收天線，每一個光接收天線都包含接收濾鏡和光電接收 器；其中，n為大于或者等于6的自然數(shù)；

發(fā)射控制器分別與編碼器、選頻器、發(fā)射時鐘電連接；光發(fā)射天 線組分別與選頻器、驅(qū)動器電連接；驅(qū)動器與發(fā)射時鐘電連接；

接收控制器分別與解碼器、分頻器、接收時鐘電連接；光接收天 線組分別與分頻器、判決器電連接；判決器與接收時鐘電連接；

發(fā)射濾鏡和接收濾鏡都采用帶通濾鏡；帶通濾鏡只能通過某個波 長范圍內(nèi)的光，帶通濾鏡用于濾除掉這個波長范圍以外的光；光發(fā)射 天線和光接收天線的光信號通帶，取決于所使用的帶通濾鏡的通帶范 圍，即取決于帶通濾鏡可通過的光波長范圍；

光發(fā)射天線組滿足條件：第1個光發(fā)射天線的光信號通帶包括可 見光范圍，第n-m個、第n個光發(fā)射天線的光信號通帶都是第1個的 子集，且第n-m個、第n個的各光發(fā)射天線的光信號通帶沒有交集； m為小于n且大于0的自然數(shù)，且n-m不等于1；

發(fā)射控制器,用于從外部設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)按照4 位二進制一組進行分組，再將分組的數(shù)據(jù)輸出到編碼器；向選頻器發(fā) 出選頻指令，選擇當前數(shù)據(jù)發(fā)送所采用的光發(fā)射天線；給發(fā)射時鐘發(fā) 送驅(qū)動時鐘指令，確定發(fā)射端發(fā)送光信號的速度；

選頻指令，用于指示選頻器，選擇當前數(shù)據(jù)發(fā)送應(yīng)采用的光發(fā)射 天線；

驅(qū)動時鐘指令，用于指示發(fā)射時鐘，驅(qū)動光發(fā)射天線發(fā)射光信號 應(yīng)采用的驅(qū)動時鐘周期；

發(fā)射時鐘，用于根據(jù)驅(qū)動時鐘指令，確定發(fā)射端發(fā)送光信號的速 度；接收發(fā)射控制器的驅(qū)動時鐘指令，并給驅(qū)動器提供驅(qū)動光發(fā)射天 線發(fā)射光信號的時鐘信號；時鐘信號為一段占空比為50％的方波信 號，方波的頻率根據(jù)發(fā)射控制器的驅(qū)動時鐘指令決定；

編碼器，將一個由發(fā)射控制器輸入的4位二進制數(shù)，并編碼成一 組6個的4位二進制數(shù)，再輸出這6個4位二進制數(shù)；

選頻器，用于根據(jù)選頻指令，提供選頻序列，并根據(jù)選頻序列， 在n個光發(fā)射天線中選擇第1個光發(fā)射天線為第1路通信線路和剩余 n-1個光發(fā)射天線中的任意5個光發(fā)射天線作為通信的第2路、第3 路、第4路、第5路、第6路通信線路；

驅(qū)動器，用于根據(jù)編碼器輸出的6個4位二進制數(shù)的“1”和“0”信 號，以及選頻器選擇的6路通信線路，用這6個4位二進制數(shù)分別驅(qū) 動選頻器選擇的6路通信線路上的光發(fā)射天線，以LED亮度不同的 兩種狀態(tài)分別表示“1”和“0”；

驅(qū)動器，將編碼器輸出的一組6個4位二進制數(shù)，分別用于驅(qū)動 由選頻器選擇的6路光發(fā)射天線；在用每個由編碼器輸入的4位二進 制數(shù)驅(qū)動光發(fā)射天線時，根據(jù)發(fā)射時鐘提供的時鐘信號，將這個4位 二進制數(shù)按照自左到右的順序，每一個時鐘周期輸出一位，依次用于 驅(qū)動LED；

驅(qū)動器，驅(qū)動LED用亮度不同的兩種狀態(tài)分別表示“1”和“0”， 同時還要保證驅(qū)動LED發(fā)出的光信號的光強度還滿足：對于6路通 信線路在發(fā)射端的6個發(fā)射天線發(fā)出的光信號“1”在到達接收端時的 光強度保持一致，發(fā)出的光信號“0”在到達接收端時的光強度也保持 一致；

光發(fā)射天線，用于在驅(qū)動器控制下，用LED亮度不同的兩種狀 態(tài)變化，產(chǎn)生光信號，并經(jīng)過發(fā)射濾鏡過濾后，以某一個波長范圍的 光信號發(fā)送出去；

光接收天線，用于接收來自發(fā)射端發(fā)出的光信號；

光接收天線組滿足條件：每個光接收天線的光信號通帶都不同； 第1個光接收天線的光信號通帶包括可見光范圍，第n-m個、第n 個光接收天線的光信號通帶都是第1個的子集，且第n-m個、第n 個的各光接收天線的光信號通帶沒有交集；同時，第1個光接收天線 的光信號通帶，又是第1個發(fā)射濾鏡光信號通帶的子集，第n-m個光 接收天線的光信號通帶，又是第n-m個發(fā)射濾鏡信號通帶的子集，第 n個光接收天線的光信號通帶，又是第n個發(fā)射濾鏡光信號通帶的子 集；

分頻器，用于根據(jù)分頻指令提供選頻序列，并根據(jù)選頻序列，在 n個光接收天線中選擇第1個光接收天線為第1路通信線路和剩余n-1 個光接收天線中的任意5個光接收天線作為通信的第2路、第3路、 第4路、第5路、第6路通信線路；使得接收端選用的6個光接收天 線所覆蓋的光信號通帶能分別與6個光發(fā)射天線的光信號通帶對應(yīng)； 接收端的第1路通信線路的光接收天線能接收到發(fā)射端的第1路、第 2路、第3路、第4路、第5路、第6路通信線路的6個光發(fā)射天線 發(fā)送的光信號；接收端的第2路通信線路的光接收天線的能接收到發(fā) 射端的第1路、第2路通信線路的2個光發(fā)射天線發(fā)送的光信號；接 收端的第3路通信線路的光接收天線的能接收到發(fā)射端的第1路、第 3路通信線路的2個光發(fā)射天線發(fā)送的光信號；接收端的第4路通信 線路的光接收天線的能接收到發(fā)射端的第1路、第4路通信線路的2 個光發(fā)射天線發(fā)送的光信號；接收端的第5路通信線路的光接收天線 的能接收到發(fā)射端的第1路、第5路通信線路的2個光發(fā)射天線發(fā)送 的光信號；接收端的第6路通信線路的光接收天線的能接收到發(fā)射端 的第1路、第6路通信線路的2個光發(fā)射天線發(fā)送的光信號；

光電接收器，用于接收經(jīng)接收濾鏡過濾后的光信號，并轉(zhuǎn)換成模 擬電信號輸出；

接收時鐘，用于根據(jù)判決時鐘指令，給判決器提供對光電接收器 輸出的電信號進行采樣判決的判決時鐘信號；在發(fā)射端和接收端同步 前，為判決器提供接收時鐘可以達到的最快的時鐘；當同步完成之后， 根據(jù)接收控制器的時鐘指令，為判決器提供判決時鐘；

判決器，用于接收光電接收器輸出的模擬電信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號輸出，對于每個光電接收器，都可以在每一個接收時鐘周期，輸 出一個判決的數(shù)字信號；

解碼器，用于將判決器輸出的數(shù)字信號還原成一組6個的4位數(shù)， 并將該6個的4位數(shù)解碼成一個4位數(shù)，并輸出；

接收控制器，用于將解碼器的輸出還原成原數(shù)據(jù)，并將接收并還 原出的原數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備；給接收時鐘提供判決時鐘指令，給分 頻器輸出分頻指令；

判決時鐘指令，用于指示接收時鐘，確定判決器采樣判決輸出數(shù) 字信號應(yīng)采用的判決時鐘；

分頻指令，用于為分頻器確定應(yīng)采用的選頻序列；

發(fā)射端和接收端，采用的是同樣的選頻序列；發(fā)射端和接收端在 通信時，每發(fā)送x組數(shù)據(jù)后，就改變一個選頻序列，根據(jù)選頻序列， 更換第2路、第3路、第4路、第5路、第6路通信線路所選用的光 發(fā)射天線和光接收天線；x為大于0的自然數(shù)；

(2)將步驟(1)中建立裝置的編碼器和解碼器進行編解碼，所采用 的編解碼規(guī)則詳見表1；表格的第一行為各列的列名列號，第一列為 各行的行名行號；

表1編解碼規(guī)則

表1中的同一行中的S1列、S2列、S3列、S4列、S5列、S6 列的6個4位二進制為一組編解碼條目，S1列、S2列、S3列、S4 列、S5列、S6列的6列的數(shù)值分別用作驅(qū)動器驅(qū)動6路通信線路的 信號輸出；S1列的數(shù)值用于驅(qū)動第1路通信線路上的第1個光發(fā)射 天線的LED；S2列、S3列、S4列、S5列、S6列的數(shù)值，則依次用 于驅(qū)動由選頻器選擇的剩余n-1個光發(fā)射天線中的第2路、第3路、 第4路、第5路、第6路通信線路上的5個光發(fā)射天線的LED；

R1列、R2列、R3列、R4列、R5列、R6列的6列分別為接收端 的分頻器選擇的6路通信線路上的6個光接收天線接收到發(fā)射端發(fā)出 的光信號并經(jīng)過判決器處理后的輸出，R1列為第1路通信線路的判 決器輸出，R2列為第2路通信線路的判決器輸出，R3列為第3路通 信線路的判決器輸出，R4列為第4路通信線路的判決器輸出，R5列 為第5路通信線路的判決器輸出，R6列為第6路通信線路的判決器 輸出；

其中，R1列為第1路、第2路、第3路、第4路、第5路、第6 路的3路通信線路的發(fā)射端發(fā)出的光信號的疊加后的判決器輸出； R2列為第1路和第2路的2路通信線路的發(fā)射端發(fā)出的光信號的疊 加后的判決器輸出；R3列為第1路和第3路的2路通信線路的發(fā)射 端發(fā)出的光信號的疊加后的判決器輸出；R4列為第1路和第4路的 2路通信線路的發(fā)射端發(fā)出的光信號的疊加后的判決器輸出；R5列 為第1路和第5路的2路通信線路的發(fā)射端發(fā)出的光信號的疊加后的 判決器輸出；R6列為第1路和第6路的2路通信線路的發(fā)射端發(fā)出 的光信號的疊加后的判決器輸出；

表1的編解碼規(guī)則表一共有38行，即提供了38種編解碼方式， 根據(jù)裝置的發(fā)射控制器，對外部設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)按照4位二進制一組 進行分組，再將分組的數(shù)據(jù)輸出到編碼器這一個方式，對于一組4位 二進制數(shù)，需要至少對應(yīng)有16種編碼方式，因此需要約定4位二進 制數(shù)到編解碼方式的對應(yīng)關(guān)系，約定對應(yīng)關(guān)系的方式有靜態(tài)和動態(tài)兩 種：

靜態(tài)約定：在通信前，發(fā)射端和接收端約定好，從表1中的38行 編解碼規(guī)則中，選擇其中的16行用作對應(yīng)4位二進制數(shù)到編解碼方 式；

動態(tài)約定：在通信前先通過靜態(tài)約定方式，選擇初始的編解碼方 式；在通信的過程中，將約定采用的編解碼規(guī)則放在通信的信號中， 編碼器和解碼器根據(jù)通信的信號，從38行編解碼規(guī)則中動態(tài)的變換 選擇其中的16行用作對應(yīng)4位二進制數(shù)到編解碼方式；

編碼器的處理方式為：將一個由發(fā)射控制器輸入的4位二進制 數(shù)，對應(yīng)到表1中其中一行中的一組編解碼條目，并編碼成如表1中 對應(yīng)的S1列、S2列、S3列、S4列、S5列、S6列的6列的一組6 個的4位二進制數(shù)，再輸出這6個4位二進制數(shù)；

解碼器的處理方式為：將判決器輸出的數(shù)字信號還原成如表1中 的R1列、R2列、R3列、R4列、R5列、R6列的6列一組6個的4 位數(shù)，并將這6個的4位數(shù)解碼成如表1其中一行中的一組編解碼條 目所對應(yīng)的一個4位二進制數(shù)，并輸出；

(3)發(fā)射端和接收端通信時首先需要進行收發(fā)同步，收發(fā)同步的 方法為：

在發(fā)射端，由發(fā)射控制器給編碼器發(fā)出同步啟動指令，并由編碼 器驅(qū)動第1路通信線路的LED發(fā)送一段啟動光信號，第2路、第3 路、第4路、第5路、第6路不發(fā)送光信號；發(fā)射控制器并向發(fā)射時 鐘發(fā)出時鐘指令，以確定發(fā)射端發(fā)送光信號的速度；

啟動光信號中，包括了時鐘同步信號和采用的初始選頻序列，用 于確定光信號的發(fā)送的速度和發(fā)射端將采用的初始的6個光發(fā)射天 線；

在接收端，由于第1路通信線路的光信號通帶包含了剩余的n-1 個光接收天線的光通帶，所以n個光接收天線都可以接收到這一啟動 光信號；接收端由第1路通信線路、判決器和解碼器處理識別出啟動 光信號，由接收時鐘為判決器提供接收時鐘可以達到的最快的時鐘， 用作采樣判決的時鐘；并將啟動光信號輸出到接收控制器，從而確定 光信號的速度以及接收端開始接收正式數(shù)據(jù)的光信號時應(yīng)采用的初 始選頻序列；

(4)發(fā)射端和接收端同步后，進行正式的數(shù)據(jù)收發(fā)；

發(fā)射端的工作原理及步驟：

TX1、發(fā)射控制器從外部設(shè)備獲得數(shù)據(jù)，按4位二進制一組進行 分組，再將分組的數(shù)據(jù)輸出到編碼器；并給選頻器發(fā)出選頻指令，以 及向發(fā)射時鐘發(fā)送驅(qū)動時鐘指令，確定發(fā)射端發(fā)送光信號的速度；

TX2、編碼器根據(jù)表1的編碼規(guī)則，對照表1，把從發(fā)射控制器 輸出的4位二進制數(shù)進行編碼成如表1中對應(yīng)其中一行的一組編解碼 條目的S1列、S2列、S3列、S4列、S5列、S6列的6列一組6個4 位二進制，并輸出這6個4位二進制數(shù)；同時，選頻器接收到選頻指 令后，根據(jù)選頻序列，在n個光發(fā)射天線中選通第1個光發(fā)射天線為 第1路通信線路和剩余n-1個光發(fā)射天線中的任意5個光發(fā)射天線作 為通信的第2路、第3路、第4路、第5路、第6路通信線路；

TX3、驅(qū)動器根據(jù)編碼器輸出的6個4位二進制數(shù)的“1”和“0”信 號，以及選頻器選擇的6路通信線路，驅(qū)動選頻器選擇的3路通信線 路上的光發(fā)射天線的用LED亮度不同的兩種狀態(tài)分別表示“1”和“0”； 其中，S1列用于驅(qū)動第1路通信線路上的LED，S2列、S3列、S4 列、S5列、S6列依次用于驅(qū)動第2路、第3路、第4路、第5路、 第6路上的LED；

TX4、6路通信線路的LED發(fā)出的亮度變化的光信號，經(jīng)過各自 通信線路上的發(fā)射濾鏡過濾后，成為在某個通帶內(nèi)的光信號發(fā)送出 去；

接收端的工作原理及步驟：

RX1、接收控制器接收到啟動光信號后，給接收時鐘提供判決時 鐘指令，給分頻器輸出分頻指令；確定光信號的速度以及接收端開始 接收正式數(shù)據(jù)的光信號時應(yīng)采用的初始選頻序列；

RX2、分頻器根據(jù)分頻指令確定選頻序列，并根據(jù)選頻序列，在 n個光接收天線中選擇第1個光接收天線為第1路通信線路和剩余n-1 個光接收天線中的任意5個光接收天線作為通信的第2路、第3路、 第4路、第5路、第6路通信線路；

RX3、6路通信線路上的6個光接收天線的接收濾鏡，分別對接 收到的光信號進行過濾，過濾后成為在某個通帶內(nèi)的光信號；

RX4、6路通信線路上的光電接收器，接收經(jīng)過接收濾鏡過濾后 的光信號，并轉(zhuǎn)換為模擬電信號輸出；

RX5、判決器將接收光電接收器輸出的模擬電信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號輸出；

RX6、解碼器根據(jù)表1的編解碼規(guī)則，對判決器輸出的數(shù)字信號 還原成如表1中的R1列、R2列、R3列、R4列、R5列、R6列的一 組6個4位數(shù)，并將該6個4位數(shù)解碼成如表1中的其中一行的一組 編解碼條目的對應(yīng)行的一個4位二進制數(shù)，并輸出；

RX7、接收控制器將解碼器的輸出還原成原數(shù)據(jù)，并輸出到外部 設(shè)備。