CN103763029A - 可见光通信中的偏振复用系统、数据发送和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光通信领域，公开了一种可见光通信中的偏振复用系统、数据发送和接收方法。本发明中，可见光通信系统采用多个起偏器，以及与起偏器相同数目的检偏器，检偏器与起偏器一一对应；在发送端，LED灯与起偏器一一对应，不同LED灯发出的可见光通过对应的起偏器，得到不同偏振方向的线偏振光，并发送出去；在接收端，检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成预设角度，并且每一个检偏器检测出经对应的起偏器发送的可见光，根据不同探测器检测到的光强，经过数字信号处理算法，可以恢复多路发射信号，从而可以成倍地提高可见光通信系统的数据传输速率。

Description

可见光通信中的偏振复用系统、数据发送和接收方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，特别涉及可见光通信中的偏振复用系统的、数据发送和接收方法。

背景技术

LED（Light-Emitting Diode，发光二极管）作为一种固态光源具有发光效率高、尺寸小、寿命长等优点，将取代传统的照明设备成为下一代环保照明光源。作为一种半导体光子器件，LED的快速响应特性使其具有高速调制的特点，可以将信号以人眼无法感知的速度调制到LED光源上进行数据传输。基于LED的上述特点，产生了一种深度耦合照明与数据传输的新技术，即可见光通信技术（Visible Light Communication,简称VLC）。VLC技术作为一种光无线通信技术具有发射功率高、无需频谱申请、带宽高、无电磁干扰并且安全可靠等优点，可以作为频谱日益紧张的无线射频通信技术的补充。

实现可见光LED通信的基本原理是以传送数据对所发光进行某种调制，比如脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称为PWM）、脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,简称为PPM)，或者脉冲幅度调制（Pulse AmplitudeModulation，简称为PAM）。这种调制的光能量通过空间信道传输并被目标装置上的光电探测器（传感器）接收，光电探测器将光信号转换为电信号后经过后续处理再解调出所发送的数据。可以是在设计上附加有这种功能的普通便携设备，如手机、数码相机、笔记本电脑等。但是，可见光通信中的可见光传输信道中存在散射、漫射等，使得在利用可见光进行通信时存在由多径传播造成的码间串扰、光强衰弱等影响，而且也存在环境光（背景噪声）的影响，上述调制方式不能克服码间串扰，其频谱利用率也不高，很难实现高速（比如，大于每秒100兆比特的信息传输速率）通信。

光波是横电磁波，具有偏振特性。如图1所示，自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q。根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光通信中的偏振复用系统的、数据发送和接收方法，使得可见光通信系统的传输速率成倍提高。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种可见光通信中的偏振复用系统，包含发送端和接收端，采用LED灯发出的可见光携带需传送的信息；

所述发送端具有至少2个起偏器；所述LED灯与所述起偏器一一对应；不同LED灯发出的可见光通过对应的起偏器，得到不同偏振方向的线偏振光，并发送至所述接收端；

所述接收端具有与所述起偏器相同数目的检偏器，所述检偏器与所述起偏器一一对应；所述检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成预设角度，并且每一个检偏器检测出经对应的起偏器发送的可见光。

本发明的实施方式还提供了一种可见光通信中的偏振复用系统的数据发送方法，包含以下步骤：

将信号分成至少2路；

对每一路信号分别进行低通滤波和放大，并加直流偏置，驱动LED灯发出可见光；

每一路LED灯发出的可见光通过对应的起偏器发送出去。

本发明的实施方式还提供了一种可见光通信中的偏振复用系统的数据接收方法，包含以下步骤：

接收端的各检偏器检测发送端发送的可见光；

对每一路检偏器检测到的可见光，通过光电转换器转成电信号；

对每一路电信号分别放大和低通滤波处理后，进行采样；

对采样的信号进行离线信号处理，分别估计发送端每一路的发送信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，可见光通信系统采用多个起偏器，以及与起偏器相同数目的检偏器，检偏器与起偏器一一对应，该系统采用LED灯发出的可见光携带需传送的信息，LED灯与起偏器一一对应，不同LED灯发出的可见光通过对应的起偏器，得到不同偏振方向的线偏振光，并发送至接收端；在接收端，检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成预设角度，并且每一个检偏器检测出经对应的起偏器发送的可见光，根据不同探测器检测到的光强，经过数字信号处理算法，可以恢复多路发射信号，从而可以成倍地提高可见光通信系统的数据传输速率。

另外，所述预设角度为0度，使检偏器与对应的起偏器之间的透振方向平行，可以使接收端检测到的可见光信号尽可能强。

另外，所述发送端具有2个起偏器，分别为第一起偏器和第二起偏器，所述接收端对应的检偏器分别为第一检偏器和第二检偏器；

所述第一检偏器与所述第一起偏器之间的透振方向成第一角度α₁₁，所述第二检偏器与所述第二起偏器之间的透振方向成第二角度α₂₂，所述第一检偏器与所述第二起偏器之间的透振方向成第三角度α₁₂，所述第二检偏器与所述第一起偏器之间的透振方向成第四角度α₂₁，并且cos²α₁₁cos²α₂₂≠cos²α₁₂cos²α₂₁。

采用2个起偏器和相应的检偏器进行可见光通信，实现两路复用，从而可以成倍地提高可见光通信系统的传输速率。

另外，所述α₁₁、α₂₂的值为0度，所述α₁₂、α₂₁的值为90度。两路起偏器的透振方向正交，并且检偏器的透振方向与起偏器的透振方向平行，可以简化计算，从而提高可见光通信系统的信息处理速度，为高速可见光通信奠定基础。

另外，所述起偏器和所述检偏器均为偏振片，无需复杂的分光器等器件即可实现光的分离，从而为高速可见光通信系统的商用打下基础。

附图说明

图1是根据现有技术的光的偏振特性说明示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的可见光通信中的偏振复用系统的示意图；

图3是检偏器的透振方向与起偏器的透振方向之间的偏离角度α与归一化透射强度之间的关系示意图；

图4是根据本发明第二实施方式的可见光通信中的偏振复用系统的示意图；

图5是两路可见光通信中的偏振复用系统的仿真系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种可见光通信中的偏振复用系统，包含发送端和接收端，采用LED灯发出的可见光携带需传送的信息；如图2所示，发送端具有至少2个起偏器；LED灯与起偏器一一对应；不同LED灯发出的可见光通过对应的起偏器，得到不同偏振方向的线偏振光，并发送至接收端。接收端具有与起偏器相同数目的检偏器，检偏器与起偏器一一对应；检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成预设角度，并且每一个检偏器检测出经对应的起偏器发送的可见光。通过起偏器，可以使每一个LED灯发出的可见光携带的信息不同，并且在接收端通过检偏器可以很容易将不同LED灯发出的可见光进行区分，从而实现偏振复用，成倍提高可见光通信系统的传输速率。

根据马吕斯定律（1809），如果LED灯发出的可见光的强度为I₀，检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成α角（也就是，检偏器的透振方向偏离起偏器的透振方向的角度），在检偏器之后检测出的偏振光的强度为I，那么I与I₀之间的关系可用下式表示：

$I=\frac{1}{2}{I}_0{\cos }^2\mathrm{\α}$

请参阅图3所示，是检偏器的透振方向与起偏器的透振方向之间的偏离角度α与归一化透射强度之间的关系，从图中可以看出，α越小，透射强度越大，也就是说，检偏器的透振方向偏离起偏器的透振方向越接近平行，在检偏器之后检测出的偏振光的强度越大。因此，作为本实施方式的一种优选方案是选择检偏器与对应的起偏器之间的透振方向平行，也就是，使预设角度为0，这样可以使接收端检测到的可见光信号尽可能强。

此外，值得一提的是，本实施方式中的起偏器和检偏器均可采用偏振片实现，无需复杂的分光器等器件即可实现光的分离，从而为高速可见光通信系统的商用打下基础。

与现有技术相比，本实施方式的可见光通信系统采用多个起偏器，以及与起偏器相同数目的检偏器，检偏器与起偏器一一对应，该系统采用LED灯发出的可见光携带需传送的信息，LED灯与起偏器一一对应，不同LED灯发出的可见光通过对应的起偏器，得到不同偏振方向的线偏振光，并发送至接收端；在接收端，检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成预设角度，并且每一个检偏器检测出经对应的起偏器发送的可见光，根据不同探测器检测到的光强，经过数字信号处理算法，可以恢复多路发射信号，也就是，通过探测到的光强与发射端发射可见光的光强之间的关系，可以恢复发射端发送的可见光的强度。由于信号通过可见光的强度携带，因此可以分别恢复多路发送信号，从而可以成倍地提高可见光通信系统的数据传输速率。

本发明的第二实施方式涉及一种可见光通信中的偏振复用系统。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，采用N个起偏器及相应的检偏器进行可见光通信，实现N路复用。而在本发明第二实施方式中，采用2个起偏器和相应的检偏器进行可见光通信，实现两路复用。

具体地说,如图4所示,发送端具有2个起偏器，分别为第一起偏器1和第二起偏器2，接收端对应的检偏器分别为第一检偏器3和第二检偏器4。在发送端的两路LED灯之后，使用两个偏振片，即图4中1和2；在接收端，两路光电检测之前，使用两个偏振片，即图中的3和4；假设两路LED灯发出的可见光的强度分别为X₁和X₂，偏振片3用于检测从偏振片1透射的可见光，检测出的偏振光的强度为Y₁；偏振片4用于检测从偏振片2透射的可见光，检测出的偏振光的强度为Y₂。

如果第一检偏器与第一起偏器之间的透振方向成第一角度α₁₁，第二检偏器与第二起偏器之间的透振方向成第二角度α₂₂，第一检偏器与第二起偏器之间的透振方向成第三角度α₁₂，第二检偏器与第一起偏器之间的透振方向成第四角度α₂₁，那么，根据马吕斯定律，偏振片3和4检测出的偏振光的强度与在偏振片1和2之前可见光的强度之间的关系如下：

$Y_1=\frac{1}{2}{X}_1{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{11}+\frac{1}{2}{X}_2{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{12}$

$Y_2=\frac{1}{2}{X}_2{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{22}+\frac{1}{2}{X}_1{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{21}$

由上式可见，接收端检测到Y₁和Y₂之后，如果已知α₁₁、α₁₂、α₂₂、α₂₁，并且cos²α₁₁cos²α₂₂≠cos²α₁₂cos²α₂₁，可以唯一求解出X₁和X₂，也就是可以唯一确定两路发送端分别发送的可见光强度，由于通过可见光的强度携带需传送的信息，因此可以在接收端唯一确定发送端发送的信息，实现可见光的两路偏振复用，从而可以成倍地提高可见光通信系统的传输速率。

此外，值得一提的是，两路起偏器的透振方向正交，并且检偏器的透振方向与起偏器的透振方向平行，可以简化计算。根据光的偏振特性，可通过偏振片3检测得到透过偏振片1的线偏振光，而由于偏振片4与偏振片1的透振方向成90度，通过偏振片4检测不到透过偏振片1的线偏振光；同理，可通过偏振片4检测得到透过偏振片2的线偏振光，通过偏振片3检测不到透射偏振片2的线偏振光。也就是说，使α₁₁、α₂₂的值为0度，α₁₂、α₂₁的值为90度，得到：

$Y_1=\frac{1}{2}{X}_1{\cos }^{2}0+\frac{1}{2}{X}_2{\cos }^{2}90$

$Y_2=\frac{1}{2}{X}_2{\cos }^{2}90+\frac{1}{2}{X}_1{\cos }^{2}0$

也就是， $Y_1=\frac{1}{2}{X}_1,$ $Y_2=\frac{1}{2}{X}_2.$

如图5给出了两路正交偏振复用的可见光通信系统的仿真系统框图，首先将信号分成两路，经系统发射端低通滤波及放大器放大后，加上一定直流偏置后驱动LED灯，将携带了信息的可见光通过偏振片产生线偏振光发射出去。两路正交的线偏振光以及周围环境的自然光（噪声），形成全方向的自然光传输至接收端。在接收端采用透镜进行聚光后，通过与发射端的偏振片平行的用于检偏的偏振片（也就是接收端的偏振片的透振方向与发送端的偏振片的透振方向之间的夹角为0度），分别对两路携带信息的偏振光进行检测，将检测到的偏振光采用光电二极管进行直接探测，对探测到的电信号再次经过放大与低通滤波处理后，进行采样。最后采用离线信号处理根据检测到的光强与发射端发射可见光的光强之间的关系，恢复发射端发送的可见光的强度；由于信号通过可见光的强度携带，因此可以分别恢复两路发送信号。由于两路复用信号同时传输，因此采用两路复用的可见光通信系统进行数据传输的传输速率是不采用偏振复用的可见光通信系统的数据传输速率的两倍。此外，由于采用正交的两路线偏振光携带信号，接收端每一路检测到的光强即为发送端发送的可见光的一半，并且通过接收端的偏振片，一条支路上不能检测到另一支路上传输的偏振光，在进行离线信号处理时，只需要简单地加倍即可恢复发送端发送的可见光的强度，非常易于计算，从而提高可见光通信系统的信息处理速度，为高速可见光通信奠定基础。

本发明的第三实施方式涉及一种可见光通信中的偏振复用系统。第三实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，采用N个起偏器及相应的检偏器进行可见光通信，实现N路复用。而在本发明第三实施方式中，采用3个起偏器和相应的检偏器进行可见光通信，实现三路复用。

具体地说,发送端具有3个起偏器，接收端具有3个相对应的检偏器。在发送端，使用三个偏振片分别对每一支路的发送可见光进行起偏；在接收端，使用三个对应的偏振片进行检偏；假设发送端发出的可见光的强度分别为X₁、X₂、X₃，接收端的三个偏振片检测到的光强分别为Y₁、Y₂、Y₃，第i支路的检偏器的透振方向与第j支路的起偏器的透振方向之间的偏离角度为α_ij，其中，i=1、2或3，j=1、2或3，那么接收端检测到的光强与发送端发出的光强之间存在以下关系：

$\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ Y_3\end{array}\right]=P\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ X_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{11}& \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{12}& \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{13}\\ \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{21}& \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{22}& \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{23}\\ \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{31}& \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{32}& \frac{1}{2}{\cos }^2{\mathrm{\α}}_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ X_3\end{array}\right]$

上式中如果P存在逆矩阵，那么可以根据下式求解出发送端发送的可见光的光强：

$\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ X_3\end{array}\right]=P^{-1}\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ Y_3\end{array}\right]$

合理地设置第i支路的检偏器的透振方向与第j支路的起偏器的透振方向之间的偏离角度α_ij，使矩阵P存在逆矩阵，即可在接收端恢复出发送端发送的可见光强度，从而实现三路复用，可三倍地提高可见光通信系统的信息传输速率。理论上来说，i或j取值为N（N≥2），合理设置α_ij，使P存在逆矩阵，就可以在接收端恢复出发送端发送的可见光的强度，从而实现N路复用，可N倍地提高可见光通信系统的信息传输速率。

本发明第四实施方式涉及一种可见光通信中的偏振复用系统的数据发送的方法，该方法首先将信号分成至少2路；接着，对每一路信号分别进行低通滤波和放大，并加直流偏置，驱动LED灯发出可见光；接着，每一路LED灯发出的可见光通过对应的起偏器发送出去。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种可见光通信中的偏振复用系统的数据接收的方法，在该方法中接收端的各检偏器首先检测发送端发送的可见光；接着，对每一路检偏器检测到的可见光，通过光电转换器转成电信号；接着，对每一路电信号分别放大和低通滤波处理后，进行采样；然后，对采样的信号进行离线信号处理，分别估计发送端每一路的发送信号。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种可见光通信中的偏振复用系统，包含发送端和接收端，采用LED灯发出的可见光携带需传送的信息，其特征在于，

所述发送端具有至少2个起偏器；所述LED灯与所述起偏器一一对应；不同LED灯发出的可见光通过对应的起偏器，得到不同偏振方向的线偏振光，并发送至所述接收端；

所述接收端具有与所述起偏器相同数目的检偏器，所述检偏器与所述起偏器一一对应；所述检偏器与对应的起偏器之间的透振方向成预设角度，并且每一个检偏器检测出经对应的起偏器发送的可见光。

2.根据权利要求1所述的可见光通信中的偏振复用系统，其特征在于，所述预设角度为0度。

3.根据权利要求1所述的可见光通信中的偏振复用系统，其特征在于，所述发送端具有2个起偏器，分别为第一起偏器和第二起偏器，所述接收端对应的检偏器分别为第一检偏器和第二检偏器；

所述第一检偏器与所述第一起偏器之间的透振方向成第一角度α₁₁，所述第二检偏器与所述第二起偏器之间的透振方向成第二角度α₂₂，所述第一检偏器与所述第二起偏器之间的透振方向成第三角度α₁₂，所述第二检偏器与所述第一起偏器之间的透振方向成第四角度α₂₁，并且cos²α₁₁cos²α₂₂≠cos²α₁₂cos²α₂₁。

4.根据权利要求3所述的可见光通信中的偏振复用系统，其特征在于，所述α₁₁、α₂₂的值为0度，所述α₁₂、α₂₁的值为90度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的可见光通信中的偏振复用系统，其特征在于，所述起偏器和所述检偏器均为偏振片。

6.一种可见光通信中的偏振复用系统的数据发送方法，其特征在于，包含以下步骤：

将信号分成至少2路；

对每一路信号分别进行低通滤波和放大，并加直流偏置，驱动LED灯发出可见光；

每一路LED灯发出的可见光通过对应的起偏器发送出去。

7.一种可见光通信中的偏振复用系统的数据接收方法，其特征在于，包含以下步骤：

接收端的各检偏器检测发送端发送的可见光；

对每一路检偏器检测到的可见光，通过光电转换器转成电信号；

对每一路电信号分别放大和低通滤波处理后，进行采样；

对采样的信号进行离线信号处理，分别估计发送端每一路的发送信号。

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