一种基于OFDM的多色可见光阵列高速通信系统的制作方法

一种基于ofdm的多色可见光阵列高速通信系统
技术领域
1.本发明涉及光无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于ofdm的多色可见光阵列高速通信系统。


背景技术：

2.随着科学技术的进步与发展，在空间技术开发与应用领域，人们从空间获取数据信息量的需求呈几何倍增长，这对无线通信过程中的传输速率与带宽提出了更高的要求。随着led照明技术的成熟与普及应用，li-fi 及可见光通信技术的应用越来越受到人们的关注，led可见光通信由于使用可见光波段频谱资源，具有频谱资源丰富，器件成熟、无电磁干扰、绿色通信等优点。
3.现有的室内led照明光源大多由多个led芯片单元组成，可对每个 led芯片加载信息，独立发送信号，并利用mimo技术在不增加系统带宽的情况下，成倍提高系统的通信容量和频谱利用效率，进而提高数据传输速率。然而各个信道(光线传输路径)之中的光信号会相互影响，出现码间串扰，大大地降低了系统的通信性能。而且，高速通信需要大的频带宽度与频谱效率，大的谱效将以牺牲能效为代价，导致led可见光通信阵列作为照明光源，其能效较低。此外，可见光通信收发阵列之间的追踪、跟瞄与校准也是实际应用中非常关键的工程技术问题，会直接影响系统的通信质量与信号的有效传输距离。
4.因此亟需一种新的可见光阵列高速通信技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够解决上述技术问题的基于ofdm的多色可见光阵列高速通信系统；
6.本发明提供一种基于ofdm的多色可见光阵列高速通信系统，包括：
7.发射端，用于对信号进行调制，并通过位置改变将调制后的信号发送，并在发送之前进行信号准直调整；
8.接收端，用于进行位置调整后对发射端传送来的信号进行过滤处理，并将过滤后的信号进行接收，并在接收后进行信号解调处理。
9.作为进一步的技术方案，发射端包括：
10.调制模块，用于进行信号调制；
11.发射模块，用于对调制模块调制完成的信号进行发送；与调制模块连接；
12.透镜模块，用于对发射模块发出的信号进行调整；与发射模块相邻设置。
13.作为进一步的技术方案，发射端还包括：
14.第一控制装置，用于调整发射模块位置，与发射模块连接。
15.作为进一步的技术方案，第一控制装置包括：
16.第一调节部和第二调节部，相对设置在带动发射模块旋转的第一轴上；
17.第一偏转电机，与第一轴连接。
18.作为进一步的技术方案，发射模块包括：
19.若干芯片体及第一基板，若干芯片体设置在第一基板上；且若干芯片体组成多边形结构。
20.作为进一步的技术方案，若干芯片体包括n个异色芯片体，且相邻芯片体的颜色不同。
21.作为进一步的技术方案，接收端包括：
22.滤波模块，用于对发射端发送的信号进行滤波处理，与发射端相对设置；
23.接收模块，用于接收滤波模块滤波后的信号，与滤波模块相邻设置；
24.解调模块，用于对接收模块接收的信号进行解调处理，与接收模块连接。
25.作为进一步的技术方案，接收端还包括：
26.第二控制装置，用于调整接收模块位置，与接收模块连接。
27.作为进一步的技术方案，第二控制装置包括：
28.第三调节部和第四调节部，相对设置在带动接收模块旋转的第二轴上；
29.第二偏转电机，与第二轴连接。
30.作为进一步的技术方案，滤波模块包括：
31.若干滤波体，且若干滤波体为n个异色滤波体，且相邻滤波体的颜色不同。
32.本发明的技术方案通过位置调整的方式控制发射端和接收端的位置，并对需要发射的信号进行调整后进行发射，并在发射前进行准直调整，确保发射后信号的传输路径；在信号发射后，通过多信道将信号传送到接收端，并经接收端过滤后接进行信号的接收，并在接收后通过解调处理后得到所需信号；与现有技术相比，能够控制信号的传输线路，避免信号之间相互影响出现码间串扰的情况发生；提高传输效率的同时能够更好的进行发射端和接收端的控制，提高了通讯的质量。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明基于ofdm的多色可见光阵列高速通信系统的结构框图；
35.图2为本发明中发射模块的结构示意图；
36.图3为本发明中接收模块的结构示意图；
37.图4为本发明中发射模块的光强分布示意图；
38.图5为本发明中调制及解调的原理图；
39.图6为本发明中发射模块及第一控制装置的结构示意图；
40.图7为本发明中发射模块的角度关系图；
41.图8为本发明中带负反馈的自适应算法流程图；
42.图9为本发明中一种状态下发射模块的对准关系图；
43.图10为本发明中另一种状态下发射模块的对准关系图；
44.图11为本发明中再一种状态下发射模块的对准关系图。
45.附图标记说明：
46.100-发射端；11-调制模块；12-发射模块；121芯片体；13-透镜模块； 14-第一控制装置；141-第一调节部；142-第二调节部；144-第一轴；200
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接收端；21-滤波模块；22-接收模块；23-解调模块；300-信道。
具体实施方式
47.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、" 水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、 "第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.如图1-11所示，本发明提出的一种基于ofdm的多色可见光阵列高速通信系统，包括：
51.发射端100，通过发射端100对信号进行调制，并通过位置改变将调制后的信号发送，并在发送之前进行信号准直调整；其中，发射端100包括调制模块11、发射模块12和透镜模块13，该调制模块11用于进行信号调制；发射模块12用于对调制模块11调制完成的信号进行发送；与调制模块11连接；透镜模块13用于对发射模块12发出的信号进行调整；与发射模块12相邻设置；
52.本发明中，传送的信号为高速串行数据，因此，在进行传输前通过调制模块11对高速串行数据进行调制处理；同时需要结合实际情况对发射模块12进行调整，在工程实施中可以采用人工的方式调整，也可以通过设置第一控制装置14来调整发射模块12的空间方位；
53.该第一控制装置14与发射模块12连接；通过第一控制装置14调整发射模块12位置；这样在进行发射模块12调整时，可以通过第一控制装置 14进行发射模块12的位置调整，即调整发射模块12的角度；具体的，第一控制装置14包括第一调节部141、第二调节部142和第一偏转电机，该第一调节部141和第二调节部142相对设置在带动发射模块12旋转的第一轴144上；偏转电机与第一轴144连接；在使用的过程中，通过改变第一偏转电机的电压带动第一轴144进行转动，进而调整发射模块12的主角度；另外，通过对第一调节部141和
第二调节部142的电压调整，实现对发射模块12辅角度调整；具体的，本发明中，优选的第一调节部141和第二调节部142均为压电陶瓷片；
54.本发明中，接收端200，第二控制装置、第二偏转电机、第三调节部和第四调节部同样采用如图6所示的结构进行相应调整，为节省篇幅，本发明对此不再额外附图与赘述；
55.如图7所示，角α为发射模块12(包括第一轴144)所在平面与xoy 平面的夹角(主角)，且∣α∣≤30
°
，角β为发射模块12所在平面与yoz 平面的夹角(辅角)，且∣β∣≤5
°
；这样在实际的调整过程中，是通过分别对第一调节部141和第二调节部142的调节，实现对角α和角β的调整，进而实现对发射模块12所在位置的调整；发射模块22的结构及角度关系与发射模块12相同，同样采用如图7所示的结构进行相应调整，为节省篇幅，本发明对此不再额外附图与赘述。如图2和9-11所示，发射模块 12包括若干芯片体121及第一基板，若干芯片体121设置在第一基板上，第一基板设置在第一轴上；且若干芯片体121组成多边形结构；且在本发明中，若干芯片体121包括n个异色芯片体121，且相邻芯片体121的颜色不同；
56.具体的，芯片体121的数量为n个，且n个芯片体121为不同颜色；通过n个的芯片体组成正多边形阵列的光源；其中，通过m定义正多边形的边数，k定位正多边形的个数；可以从中心点向外计数，正多边形的编号可以通过1、2、3、
…
、k的方式进行计数；所有正多边形的中心点重合；第1个正多边形的各个顶点固定芯片体121，第2个正多边形除各顶点外，每条边的中点固定一个芯片体121；第三个正多边形除各顶点外，每条边上额外固定两个芯片体121，且芯片体121在边上等间距分布；
57.本发明中，芯片体121的数量n为大于等于4的正整数，m为大于等于3的正数，k为大于等1的正整数。当n＝4时，对应m＝3，k＝1的情况，发射模块12为正三角形，4个芯片体121分别位于正三角形的三个顶点和三角形的中心。当m很大时，整个阵列趋近于圆形，更符合圆形的灯具结构；
58.具体的，将发射模块12中的芯片体121进行编号，正多边形中心点芯片体121的编号为l1，第1个正多边形各顶点上芯片体121的编号分别为： l2，l3，
…
，lm 1；第2个正多边形上芯片体121的编号分别为：lm 2， lm 3，lm 4，
…
，l3m 1；第3个正多形上的芯片体121的编号分别为： l3m 2，l3m 3，l3m 4，
…
，l6m 1；依此类推，第k个正多形上芯片体 121的编号分别为：lk(k-1)m/2 2，lk(k-1)m/2 3，lk(k-1)m/2 4，
…
， lk(k 1)m/2 1；各个多边形上芯片体121的编号方向保持相同，可以是顺时针方向，也可是逆时针方向；当正多边形中心点不放置芯片体121时，则各多边形上芯片体121的编号减去1即可。
59.具体的，发射模块12中的芯片体121的颜色有p种，p≥q2，p、q均为正整数，且q≥2；本发明中，进行芯片体121颜色编号，分别为1，2， 3，
…
，p。则第一个多边形上芯片体121颜色排列为：1，2，3，
…
，q，循环布设，第二个多边形的颜色排列为：q 1，q 2，q 3，
…
，2q，循环布设，第三个多边形的颜色排列为：2q 1，2q 2，2q 3，
…
，3q，循环布设，依此类推，直到第q个多边形的颜色排列为：q2-q 1，q2-q 2，q2-q 3，
…
， q2，循环布设；第q 1个多边形的颜色排列与第1个多边形的相同，同理，第q 2个多边形的颜色排列与第2个多边形相同，第aq 1(a为大于1的正整数)个多边形的颜色排列与第1个多边形相同，第aq 2(a为大于1 的正整数)个多边形的颜色排列与第2个多边形相同，依此类推。如果正多边形的中心点有芯片体121，则它的颜色可以在第q个多边形上任选一种。通过这种颜色布局的设计，可以使接收端200相同颜色滤波体之间的距离尽可能变得更大，在相同的光信号传输条件下，有利于接收
端200的尺寸趋于微型化。
60.为更好的理解本发明的技术方案，特举例说明：
61.当n＝19，取红、黄、蓝、绿4种不同的颜色，发射模块12由4个不同颜色的芯片体121组成正六边形；
62.如图2所示，发射模块12采用由19个芯片体121组成的结构；本发明中接收模块22与发射模块12采用相同的结构；第1个正六边形上芯片体121颜色的排列为：黄、蓝、黄、蓝、黄和蓝；第2个正六边形上芯片体121颜色的排列为：红、绿、红、绿、红和绿；正六边形中心点的芯片体121颜色取第2个正六边形上任意一个颜色，本实施例选取为红色；通过这种合理的颜色布局，可以在保障不同信道之间没有码间串扰的情况下，尽可能有效的降低发射模块12的尺寸。
63.具体的，发射模块12中每个芯片体121对应一个独立的透镜模块13 中的透镜体，即透镜模块13在本实施例中有19个透镜体，且透镜体与芯片体121对应设置，且透镜体均设置在芯片体121与接收端200之间，并与芯片体121相邻设置；
64.实际运行过程中，19个芯片体121分别并行发送19个独立的信号，其中，信号类型包括语音信号、图像信号和视频信号等，具体以实际情况为准；每个芯片体121被独立的进行调制后进行信号传送；单个芯片体121 为传输信号的速率约为2.5gbps，19个芯片体121组成的发射模块12的速率可以达到约47.5gbps。
65.接收端200用于进行位置调整后进行发射端100传送来的信号进行过滤处理，并将过滤后的信号进行接收，并在接收后进行信号解调处理；且，发射端100与接收端200形成若干信道300；其中，接收端200包括：滤波模块21、接收模块22和解调模块23，该滤波模块21与发射端100相对设置，通过滤波模块21对发射端100发送的信号进行滤波处理；且在本发明中，滤波模块21包括若干滤波体，且若干滤波体为n个异色滤波体，且相邻滤波体的颜色不同；如图3所示，滤波体与对应芯片体121的颜色相同，滤波片固定在相应的检测单元前端，用于滤掉不同颜色的光；
66.接收模块22与滤波模块21相邻设置，通过接收模块22接收滤波模块 21滤波后的信号；本发明中，接收模块22包括若干接收体，且若干接收体的数量与芯片体121的数量相同；且优选的接收体为光电检测器；解调模块23与接收模块22连接，通过接收模块22对接收模块22接收的信号进行解调处理；
67.如图4所示，编号为l2的芯片体121在接收端2002的光强分布图；编号为l2的黄色芯片体121发出的光，在接收端200利用光电检测器将光信号转换成电信号；通过解调模块23进行信号解码，将模拟电信号转换为数字信号，实现通信功能；
68.具体的，在接收端200与编号为l2的芯片体121对应光电检测器的编号为l21；在接收端200，除编号为l21的接收体以外，还有一些接收体的接收区域能接收到信号；通过透镜模块13和滤波模块21的准直和聚焦，保证接收端200光斑的直径小于(其中d为相邻两个芯片体121的中心间距)，这些信号除了照在编号为l21的接收体的接收区域内的信号能够被接收以外，照在其他编号接收体接收区域内的信号都被接收体前的滤波体过滤掉；
69.如图5所示，为ofdm调制原理图，ofdm系统将宽带转化为子载波窄带信道，通过插入循环前缀，解决由于高速信号带来的同一信道的码间串扰和子载波干扰，在提高系统通信质量的同时，改善了系统的照明效果；
70.如图9-11所示，其中，图9为发射端100和接收端200正对的情况；图10为发射端100和接收端200不正对的情况；图11为发射端100和接收端200有相对水平位移。在发射端100中，第一偏转电机和接收端200 第二偏转电机作用下，进行初步调整，使得发射模块12和接收模块22的主角大小相同，发射端100的位置预先设置好，一般不作调整，主要调整接收端200，通过固定在第一轴144两端的第一调整部和第二调整部以及固定在第二轴两端的第三调整部和第四调整部分别进行发射模块12和接收模块22的精调辅角，达到收发端对准的目的；
71.如图11所示，此时对接收体接收范围内的光强最大，而且在本发明设计的信号接收模块22对发射模块12的追踪、跟瞄与校准方案中，接收模块22的偏转控制以光强为性能指标函数，通过带负反馈的自适应算法控制接收端200的第二偏转电机、第三调整部和第四调整部，实现接收体相对发射体偏转角度的自适应调控，该方案在保证通信性能的前提了，增加通信的传输距离，同时也解决了不同信道之间信号串扰的问题。当接收模块 22接收范围内光强最大时，发射端100和接收端200端正对，接收端200 的光强分布如图4所示，在接收端200，编号为l21的接收模块22只能接收到发射端100编号为l2的芯片体121发出的黄光信号，编号为l14和 l16发出的黄光信号不在l21的接收范围内；
72.本发明中，接收端200还包括第二控制装置，该第二控制装置与接收模块22连接，通过第二控制装置调整接收模块22位置；其中，第二控制装置包括第三调节部、第四调节部和第二偏转电机，该第三调节部和第四调节部相对设置在带动接收模块22旋转的第二轴上；第二偏转电机与第二轴连接；且第二轴上设置有第二基板，接收模块22设置在第二基板上，并在第二轴的带动下进行角度调整；由于接收模块22与发射模块12相对设置，且结构相同，因此，第二控制装置的结构与第一控制结构相同，且调整方式也相同，为节省篇幅，本发明对第二控制装置的结构和原理不再进一步限定；
73.通过上述技术，发射端100的发射模块12中的芯片体121和接收端200 的接收模块22中的接收体具有相同的空间布局，在每个发射体前加透镜体，并在接收端200对应的接收体前面加上相同颜色的滤波体，在光学层面，利用物理手段，直接、有效地减小了相邻信道的码间串扰。在同一信道中，利用ofdm调制，将宽带转化为子载波窄带信道，并行传输多个正交信号，同时插入循环前缀，有效地减少了同一信道的码间串扰和子载波间干扰，使得系统的照明能效也有了较大的提高。发射模块12和接收模块22上的第一基板和第二基板偏分别通过第一偏转电机和第二偏转电机控制，能够有效解决发射模块12和接收模块22的跟瞄与校准；接收模块22以光强为性能指标函数，通过带负反馈的自适应算法调控偏转角度，使接收模块22 自动对准发射模块12，满足工程应用中的机械灵活性与环境适应性；
74.如图8所示，使接收模块22自动对准发射模块12实现过程说明：
75.初始状态下，主角α与辅角β均处于归零状态，接收模块22探测到的光强是i0；以i0为初始值，第二偏转电机会驱动第二轴带动接收模块22以固定弧度(对应一个齿轮的间隔，例如图7中α0rad)顺时针(或逆时针) 旋转，旋转1个固定弧度后，接收模块22接收到光强为i1。如果i1＞i0，则将光强值i1逆反馈给控制单元(可以采用现有的控制芯片)并存储，接下来以i1为初始值继续旋转，依次类推，直到出现in＞i
n 1
，此时第二偏转电机将控制第二轴反向旋转到in位置，第二偏转电机旋转结束，反之亦然。完成主角α调控后，第二偏转电机停止运转。接下来，以in为初始值，由第三调节部和第四调节部的厚度差来控制辅角β(最小厚度
差对应辅角变化β0rad)，其控制方法与第二偏转电机类似；
76.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。