[發明專利]雙電平脈沖寬度編碼的數據傳輸方法及LED可見光通信系統

在審

• 申請號: 201710111875.2
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN107231192A
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 魏正軍;郭夢月;單秀蓮;王金東;郭健平;王申濤
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H04B10/116
• 分類號: H04B10/116
• 代理公司: 廣州番禺容大專利代理事務所(普通合伙)44326
• 代理人: 劉新年

技術領域

本發明涉及可見光通信技術領域，具體涉及一種雙電平脈沖寬度編碼的數據傳輸方法及LED可見光通信系統。

背景技術

可見光通信是基于LED的無線通信新技術，它是利用LED比熒光燈和白熾燈切換得快的優點，通過LED光源的高頻閃爍來進行通信，有光代表1，無光代表0，發出高速的光信號，再經過光電轉換而獲取信息。由于可見光通信照明的深度兼容，隨著新型節能照明燈LED的日益普及，可見光通信技術發展前景不可限量。與傳統的射頻通信及其它無線通信系統相比較，可見光通信技術具有發射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾、無電磁輻射、節約能源等優點。目前可見光通信技術已經成為多個國家研究熱點，但大多數處于試驗階段，雖然整體系統已有實現，但離實用階段還有一定距離，系統的各項性能指標有待進一步提高，實現方案也需要進一步完善。

目前存在的問題之一是LED可見光通信系統的信道編碼設計問題：

可見光通信屬于無線通信領域，以大氣空間為通信信道，不可避免地受到大氣特性的影響，這種影響稱之為大氣障礙。大氣雜質和湍流造成的大氣障礙使可見光通信系統的信噪比下降，誤碼率提高，通信性能大為下降。要降低大氣障礙對可見光通信造成的影響，除了在搭建通信系統的時候，需要選擇大氣惡劣程度較低、環境條件相對良好的地方，還應該采用高效的信道編碼技術，至少應該滿足以下幾點：1、定時信息要豐富，2、基線漂移要小或直流電平漂移量要小，3、要有一定的規律。如果線路碼型或碼流不滿足這些要求，將會發生以下問題：1、引起不良的抖動特性，時定時提取發生困難，2、直流不平衡的碼流將會使信號脈沖的直流電平發生漂移，降低通信系統的傳輸質量，3、數字序列沒有一定的規律，通信期間無法監測線路的誤碼率。由于可見光通信中可能會受到諸多噪音干擾，信道編碼作為重要的通信糾錯手段，得到了廣泛重視。目前的可見光通信研究，大都采用OOK或VPPM調制方式，結合RZ碼或NRZ碼對白光LED直接進行強度調制從而進行信號傳輸。這樣的做法易于實現，但是頻譜資源利用率太低，資源浪費嚴重，而且信號的碼流直流不平衡嚴重，編碼的效率很低，導致整個通信的傳輸時長較短。

此外目前存在的問題之二是LED結電容引起的額外功率消耗問題：

可見光通信的傳輸介質為自由空間，用于照明的LED發光二極管的發散角比較大，因此信號傳輸的幾何損耗較大，最終到達接收器的信號遠遠小于發射端。雖然已報道了傳輸速率大于1Gbt/s的實驗系統，但是實現高速傳輸的的距離只有幾厘米。

當通信距離變大時，信號損耗嚴重，誤碼率上升，就不能達到信號傳輸的要求了。要提高傳輸的距離需要增加發射信號的功率，即增加LED的光功率輸出，這就需要增大LED的發光面積，而面積的增大，導致器件的結電容增大，頻率響應特性下降，最大通信速率又受到限制。不單是LED器件，所有半導體器件的功率特性和頻率特性在器件設計上的矛盾，是長久以來所有半導體器件設計者所共同面臨的問題。目前國內外的報道還沒有能兼顧兩方面性能的，預期在短時間內也不能解決，只能在一定程度上改善。

在現有LED器件的基礎上，通過外部驅動電路來改善系統的響應速度，實現高速通信，通常的方案是采用預加重或均衡。但是，由于照明用LED的結電容通常較大，在nF的量級，高速驅動信號對這一電容的充放電將產生較大的功率消耗，從而降低照明系統的發光效率。目前還沒有一個可以較好地解決LED結電容引起的額外功率消耗問題的方案。

發明內容

有鑒于此，為了解決現有技術中的上述問題，獲得沒有基線漂移的通信信號和LED光照的高照明效率，本發明提出一種雙電平脈沖寬度編碼的數據傳輸方法及LED可見光通信系統，既可以達到傳輸碼流的DC平衡，又能提高頻帶的利用率，從而控制信號傳輸的時長，保證通信和照明功能皆不受影響。

本發明通過以下技術手段解決上述問題：

一種雙電平脈沖寬度編碼的數據傳輸方法，包括：

發送端采用雙電平脈沖寬度編碼：利用高、低電平的寬度來進行編碼，高、低電平的跳變作為時間參考點，將待傳輸數據分為n位一組，根據每組數據的值，輸出不同寬度的高電平或低電平脈沖信號，每組數據的碼值對應不同的脈沖電平發生跳變的位置；

接收端采用雙電平脈沖寬度解碼：通過數據位有無電平的跳變來識別碼元傳輸的寬度和一個數據位傳輸的結束，以收到的脈沖電平的上升或下降沿跳變作為時間參考點，根據下一個電平跳變沿時刻，判斷高電平或低電平脈沖的寬度，恢復出待傳輸數據對應的碼值，完成數據傳輸。