[發(fā)明專利]基于LED通信的車(chē)載通信系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011338466.4
• 申請(qǐng)日: 2020-11-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112564797B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳勇;任治淼;劉煥淋;吳志倩;胡陳毅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04B10/116
• 分類(lèi)號(hào): H04B10/116;H04W4/44;H04W4/46
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 陰知見(jiàn)

1.基于LED通信的車(chē)載通信系統(tǒng)，其特征在于：

(1.1)基于LED通信的車(chē)輛通信系統(tǒng)將各類(lèi)傳感器與LED通信系統(tǒng)的發(fā)射端進(jìn)行封裝，傳感器完成數(shù)據(jù)采集，發(fā)射端將采集到數(shù)據(jù)信息通過(guò)LED光源發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)自由空間直射的方式傳輸?shù)竭_(dá)LED通信的接收端，最終將采集到的數(shù)據(jù)信息降噪濾直后發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，達(dá)到外界光線強(qiáng)烈且照度變化幅度大的環(huán)境下數(shù)據(jù)信息采集發(fā)送后較小失真還原的效果；以微控制器為核心的數(shù)據(jù)采集器要完成對(duì)模擬前端功能的數(shù)據(jù)輸入，使用軟件編程的處理方法使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更高且易于對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前車(chē)輛信息的判斷與信息選擇性發(fā)送接收，以及當(dāng)前是否進(jìn)行LED通信的通信決策；

(1.2)根據(jù)當(dāng)前外界光照情況自動(dòng)調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電路中信號(hào)成分與直流成分占比，驅(qū)動(dòng)LED燈進(jìn)行發(fā)光，將數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓，放大后驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光；為避免發(fā)射端信號(hào)失真的情況，需要注意控制直流成分大小，以保障在直流偏置加上信號(hào)成分后，其整體信號(hào)最大幅值在LED線性工作區(qū)范圍內(nèi)；對(duì)于LED通信中根據(jù)外部光照自動(dòng)調(diào)節(jié)LED照明用直流分量與通信用光信號(hào)大小的方式不僅包括控制輸入LED的直流與交流信號(hào)大小，其他方式如控制大型LED陣列中直流照明LED與通信用LED的比例；

(1.3)接收端針對(duì)于光電傳感器有限的照度探測(cè)容量進(jìn)行電路改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)能夠在外界環(huán)境光強(qiáng)烈的情況下光電傳感器探測(cè)范圍能夠滿足光線照度上限；同時(shí)接收端接收到的信號(hào)幅度會(huì)由于外界光線強(qiáng)度的變化而隨時(shí)變化，在輸入終端識(shí)別前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益降幅處理，保證輸入終端的信號(hào)整體幅度一直處在一個(gè)恒定不變的值；對(duì)于實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境自適應(yīng)的控制方式包括：

對(duì)于LED通信接收端的各個(gè)環(huán)節(jié)要求如下：

1、日光噪聲分量濾除模塊；分離出不斷變化的噪聲分量以方便其后續(xù)得到幅度恒定不變的混合信號(hào)；流程為輸入信號(hào)經(jīng)兩路輸入差分放大器中，其中一路為無(wú)處理直接輸入，另一路為經(jīng)過(guò)整流處理后變?yōu)闊o(wú)明顯變化的直流電流輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)差分放大器放大倍數(shù)得到濾除掉信號(hào)中直流分量后的混合信號(hào)，解決輸入信號(hào)整體幅值不斷波動(dòng)的問(wèn)題；

2、降噪濾波模塊；信號(hào)為無(wú)幅值混合信號(hào)，其中包括：外界其他光源噪聲信號(hào)、太陽(yáng)光噪和有用光信號(hào)，其中不同光源的噪聲頻段均不同且有較大差異，對(duì)干擾噪聲進(jìn)行特定的處理，處理方案有：

①算法降噪濾波；

②硬件濾波；

3、探測(cè)照度增益控制模塊：對(duì)光電二極管進(jìn)行自動(dòng)增益控制來(lái)拓寬其探測(cè)范圍，通過(guò)對(duì)控制光電二極管的照度探測(cè)范圍的外部控制量進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)其最大探測(cè)范圍；

探測(cè)照度增益控制模塊滿足如下需求：

①在外界光照強(qiáng)度變強(qiáng)時(shí)能夠滿足≥20％室外照度的最大探測(cè)范圍以保證光信號(hào)的正常識(shí)別與接收；

②增加光電二極管照度探測(cè)范圍后會(huì)存在探測(cè)靈敏度下降的問(wèn)題，需要調(diào)節(jié)最大照度探測(cè)范圍能夠靈活變化以保證能夠進(jìn)行室外光線干擾情況下的光通信的同時(shí)擁有當(dāng)前情況下的最高通信速率；

③光電二極管在光電轉(zhuǎn)換后存在一定的光電響應(yīng)非線性，保證光電二極管工作在線性工作區(qū)間避免信號(hào)失真；

4、數(shù)據(jù)終端；經(jīng)過(guò)噪聲分離和濾波處理后的信號(hào)放大后輸入數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)路況的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和其他汽車(chē)狀態(tài)信息通過(guò)接收系統(tǒng)的采集，經(jīng)LED通信系統(tǒng)將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端處理、顯示和信息保存；

5、信號(hào)輸出判斷機(jī)構(gòu)；信號(hào)接收車(chē)輛在中央處理模塊接收到外界信號(hào)輸入后有選擇性將信號(hào)按優(yōu)先級(jí)輸出，如周邊車(chē)輛危險(xiǎn)信號(hào)路燈路況廣播信號(hào)前后車(chē)輛通信信號(hào)；以保障在多個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入沖突時(shí)，最重要的信息能在第一時(shí)間反饋給避險(xiǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與駕駛員；

(1.4)經(jīng)過(guò)帶通濾波處理實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的有效降噪后輸入終端，終端在對(duì)外界各狀態(tài)信息進(jìn)行收集與分析后進(jìn)行通信方式判決，不滿足時(shí)通過(guò)射頻方式向后車(chē)發(fā)送射頻通信請(qǐng)求，前后車(chē)輛轉(zhuǎn)為射頻通信；滿足進(jìn)行LED通信的條件則將信號(hào)接收后按照信號(hào)優(yōu)先級(jí)排序，最后顯示給接收端汽車(chē)駕駛員；降噪重點(diǎn)在于濾除在外界LED通信時(shí)接收噪聲中的日光噪聲與高頻率的電噪聲，保留處于中間頻段經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后用于通信的光信號(hào)部分，方法為采用集成運(yùn)放的硬件濾波；

(1.5)中央處理器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收車(chē)輛通過(guò)射頻鏈路發(fā)送的LED通信請(qǐng)求，并根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)某路段內(nèi)請(qǐng)求數(shù)判斷路況并決定是否進(jìn)行LED通信；以及在路口時(shí)根據(jù)紅綠燈信息進(jìn)行LED通信的調(diào)度與分配；其中根據(jù)路況進(jìn)行LED通信調(diào)度與分配是在車(chē)輛低速與停止的狀態(tài)下進(jìn)行LED通信；

(1.6)針對(duì)于LED通信車(chē)輛，在滿足一定情況下，包括：堵車(chē)路段和紅綠燈的十字路口的情況，持續(xù)穩(wěn)定LED通信時(shí)，向中央處理器或前后通信車(chē)輛發(fā)送LED通信請(qǐng)求，以及在移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致在多個(gè)LED通信區(qū)域之間頻繁切換的情況下的水平切換與垂直切換方案；

在所述系統(tǒng)中：

(2.1)采集車(chē)輛狀態(tài)信息與發(fā)送，將信息指令命令經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、采樣、去噪處理后輸入放大電路放大，同時(shí)加載能夠保障足夠照度且達(dá)到LED工作點(diǎn)的直流偏置后，將信號(hào)輸入LED中進(jìn)行調(diào)制；同時(shí)由于大功率LED需要較大的直流偏置與大幅輸入信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)直流偏置恒流源采用濾波電路進(jìn)行大功率電源噪聲的濾除，將合并后的調(diào)制信號(hào)使信號(hào)加載在LED上后能有能夠被接收端準(zhǔn)確檢測(cè)到的變化幅度；

(2.2)接收端根據(jù)當(dāng)前外界光照情況控制光電二極管外圍電路，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光電二極管最大照度探測(cè)范圍，在滿足信號(hào)接受條件后光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后輸入日光噪聲分量濾除模塊，信號(hào)分兩路輸入差動(dòng)放大器比較端，一端輸入原信號(hào)，另一端將輸入信號(hào)經(jīng)低通濾波后得到帶有直流分量的無(wú)規(guī)律噪聲信號(hào)，將噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)整流后得到穩(wěn)定無(wú)噪聲的直流分量后輸入差動(dòng)放大器，兩路信號(hào)比較后得到濾除了直流分量的含有噪聲的混合信號(hào)，混合信號(hào)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)帶通濾波器進(jìn)行噪聲濾除，其中需要選擇合適的隔離頻率Bode圖拐點(diǎn)；

(2.3)接收端中央控制器根據(jù)輸入信號(hào)類(lèi)型以及輸入信號(hào)的光電傳感器來(lái)源分析信號(hào)來(lái)源以及當(dāng)前適合的通信模式，在滿足光通信的條件下根據(jù)信號(hào)優(yōu)先級(jí)，按順序選擇性輸出到車(chē)輛顯示模塊中通知駕駛員當(dāng)前車(chē)輛通信信息；

(2.4)通信方式判決方案通過(guò)在中央處理器中設(shè)計(jì)的判決算法實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)分析當(dāng)前車(chē)輛周邊狀態(tài)與自身狀態(tài)，通過(guò)各項(xiàng)狀態(tài)進(jìn)行加權(quán)后，通過(guò)算法得到當(dāng)前最佳通信方式的判決，若滿足光通信的條件則進(jìn)行LED通信，若不滿足則進(jìn)行射頻通信；通信判決下達(dá)后通過(guò)車(chē)輛加載的LED對(duì)通信發(fā)起車(chē)輛發(fā)送握手信號(hào)，發(fā)起車(chē)輛確認(rèn)后雙方通過(guò)判決得到的方式進(jìn)行車(chē)輛通信。