本實(shí)用新型涉及光通信領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于極化碼糾錯(cuò)的可見光通信裝置。

背景技術(shù)：

可見光通信(Visible Light Communication,VLC)具有可同時(shí)用于照明和通信的優(yōu)勢(shì)，隨著LED在照明、通信和傳感技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技術(shù)。與現(xiàn)有的射頻通信技術(shù)相比，可見光通信以其綠色高能效、免疫電磁干擾、光譜資源豐富和保密性高等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為室內(nèi)/外短距離通信的熱點(diǎn)技術(shù)。

可見光通信最常用的調(diào)制方式是開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制。由于通信線路中的1/0碼元控制了照明LED的開/關(guān)，可能對(duì)照明造成影響，故此可見光通信系統(tǒng)在提供通信功能的同時(shí)，還需要滿足照明的要求：亮度穩(wěn)定以及無閃爍，即通信的碼元必須具有直流均衡和短游程的性質(zhì)。但是，當(dāng)前可見光通信系統(tǒng)為了提高通信可靠性所采用的信道編碼并不能滿足這兩個(gè)條件，故此常常還需引入線路編碼、隨機(jī)加擾、比特鑿孔及交織等輔助單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。例如，典型的可見光通信系統(tǒng)包括發(fā)送子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)，其中發(fā)送子系統(tǒng)主要包括信源編碼、信道編碼、隨機(jī)加擾、比特鑿孔、線路編碼、交織、數(shù)字調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路等模塊和LED光源；接收子系統(tǒng)主要包括光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘恢復(fù)/數(shù)據(jù)提取、數(shù)字解調(diào)、去交織、線路解碼、消加擾、信道解碼等模塊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于極化碼糾錯(cuò)的可見光通信裝置，采用簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即可滿足通信與照明的要求，并且編碼效率可達(dá)到香農(nóng)極限。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型公開了一種基于極化碼的可見光通信裝置，包括用于發(fā)射可見光信號(hào)的發(fā)射子系統(tǒng)和用于接收可見光信號(hào)的接收子系統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)包括用于信道編碼提高傳輸可靠性的極化碼糾錯(cuò)編碼單元，所述接收子系統(tǒng)包括用于糾正可見光通信過程中信號(hào)的錯(cuò)誤并恢復(fù)出信息的極化碼糾錯(cuò)譯碼單元，所述發(fā)射子系統(tǒng)還包括OOK信號(hào)調(diào)制單元、用于驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行照明和可見光通信的LED電路驅(qū)動(dòng)單元，以及用于照明和發(fā)送可見光通信信號(hào)的LED燈具單元，所述極化碼糾錯(cuò)編碼單元、OOK信號(hào)調(diào)制單元、LED電路驅(qū)動(dòng)單元和LED燈具單元順序連接；

所述接收子系統(tǒng)還包括用于可見光信號(hào)的接收以及將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大、濾波和限幅處理的光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元和OOK信號(hào)解調(diào)單元，所述光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元、OOK信號(hào)解調(diào)單元和極化碼糾錯(cuò)譯碼單元順序連接。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述極化碼糾錯(cuò)編碼單元核心為4比特極化碼糾錯(cuò)編碼單元，長(zhǎng)度為N的極化碼糾錯(cuò)編碼單元可由多級(jí)4比特極化碼糾錯(cuò)編碼單元依照模-2均勻洗牌置換移位層疊構(gòu)成，在4比特極化碼糾錯(cuò)編碼單元中：PolarEnc_G2:S1[0]、PolarEnc_G2:S1[1]、PolarEnc_G2:S2n[0]、PolarEnc_G2:S2n[1]均為二輸入異或電路模塊；

其中4比特信息dataIn[0],dataIn[1],dataIn[2],dataIn[3]經(jīng)過4個(gè)異或門電路運(yùn)算后，輸出編碼后信息dataOut[0],dataOut[1],dataOut[2], dataOut[3]。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述OOK信號(hào)調(diào)制單元由DC-DC穩(wěn)壓器電路和OOK信號(hào)調(diào)制電路組成，所述DC-DC穩(wěn)壓電路將電源輸入的高壓穩(wěn)壓至OOK調(diào)制電路所需電壓，再由OOK信號(hào)調(diào)制電路對(duì)可見光通信系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述LED電路驅(qū)動(dòng)單元采用高調(diào)光比的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元包括：光電傳感器、雙通道運(yùn)算放大器U4、第一電源、第二電源以及電容，所述雙通道運(yùn)算放大器U4包括放大器U4-A和放大器U4-B，其中光電傳感器檢測(cè)到LED電路驅(qū)動(dòng)LED燈具所發(fā)出的LED燈光，通過放大器U4-A將接收到的LED光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過電容進(jìn)行隔直流處理，產(chǎn)生交變電壓信號(hào)，并經(jīng)過運(yùn)算放大器U4-B進(jìn)行兩級(jí)放大后，輸出到OOK信號(hào)解調(diào)單元，其中第一電源一直持續(xù)供電，第二電源通過電阻和第一電源給放大器U4-B提供虛地電壓。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述OOK信號(hào)解調(diào)單元包括：運(yùn)算放大器U5、二極管、和第三電源，其中第三電源一直提供元器件正常工作電壓運(yùn)算放大器U5接收到光電檢測(cè)模塊中產(chǎn)生的交變電壓信號(hào)，其中將運(yùn)算放大器U5的一個(gè)通道輸入交變電壓，實(shí)現(xiàn)電壓跟隨輸出功能，而運(yùn)算放大器U5另一通道進(jìn)行滯回比較后將接收到的調(diào)制信號(hào)輸出到兩個(gè)二極管形成的鉗位電路，并最后輸出到極化碼糾錯(cuò)譯碼單元。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述極化碼糾錯(cuò)譯碼單元包括：F電路運(yùn)算模塊與G電路運(yùn)算模塊，其中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元將接收到的OOK解調(diào)單元中的信號(hào)，計(jì)算成似然值信息，按照與編碼器相反的規(guī)則進(jìn)行n＝log₂(N)層的模-2均勻洗牌 置換移位再輸入到F與G電路運(yùn)算模塊；F電路運(yùn)算單元包括第一加法器、比較器、以及第一數(shù)據(jù)選擇器，首先通過F電路運(yùn)算單元將接收到的似然值信息通過第一加法器后，輸出到比較器和第一數(shù)據(jù)選擇器，最終輸出計(jì)算后的似然值信息；G電路運(yùn)算單元包括第二加法器與第二數(shù)據(jù)選擇器，G電路運(yùn)算單元將接收到的似然值信息，通過第二加法器后，輸出計(jì)算結(jié)果，在通過接收到的Z信息，第二數(shù)據(jù)選擇器將根據(jù)Z信息輸出計(jì)算結(jié)果。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需額外的線路編碼、隨機(jī)加擾、比特鑿孔等單元模塊；

(2)本實(shí)用新型的極化碼糾錯(cuò)單元編譯碼復(fù)雜度低，編碼效率高，理論上可以達(dá)到香農(nóng)極限；

(3)本實(shí)用新型極化碼糾錯(cuò)單元可支持調(diào)光比自適應(yīng)，滿足均勻照明無閃爍的要求，無需增加額外的編碼平衡技術(shù)；

(4)本實(shí)用新型支持從編碼上實(shí)現(xiàn)物理層安全。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型可見光通信裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；

圖2是本實(shí)用新型可見光通信裝置中N(本例中N＝4)比特極化碼糾錯(cuò)編碼單元模塊連接圖；

圖3是本實(shí)用新型可見光通信裝置中極化碼糾錯(cuò)編碼單元中N(本例中N＝4)比特移位異或運(yùn)算電路的原理圖；

圖4是本實(shí)用新型可見光通信裝置中極化碼糾錯(cuò)編碼單元中N(本例中 N＝4)比特異或運(yùn)算硬件電路圖；

圖5是本實(shí)用新型可見光通信裝置中集成OOK信號(hào)調(diào)制單元與LED電路驅(qū)動(dòng)單元的LED恒流調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路原理圖；

圖6是本實(shí)用新型可見光通信裝置中集成了光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元與OOK信號(hào)解調(diào)單元的光電集成傳感器放大濾波比較電路原理圖；

圖7是本實(shí)用新型可見光通信裝置中N(本例中N＝4)比特極化碼糾錯(cuò)譯碼單元的原理圖；

圖8是本實(shí)用新型可見光通信裝置中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元中F函數(shù)計(jì)算模塊電路原理圖；

圖9是本實(shí)用新型可見光通信裝置中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元中G函數(shù)計(jì)算模塊電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本實(shí)用新型可見光通信裝置包括發(fā)射可見光信號(hào)的發(fā)射子系統(tǒng)和用于接收可見光且將可見光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的接收子系統(tǒng)。所述發(fā)射子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行極化碼編碼及信號(hào)調(diào)制以后，輸出連續(xù)的調(diào)制波形，驅(qū)動(dòng) LED光源發(fā)光并傳輸信號(hào)；所述接收模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)光電探測(cè)元件接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與入射能量成比例的光電流，光電流經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)理成適合數(shù)字解調(diào)器電路的信號(hào)輸入到數(shù)字解調(diào)器中，經(jīng)過數(shù)字解調(diào)器解調(diào)和極化碼譯碼，最終恢復(fù)出信息。

所述發(fā)射子系統(tǒng)包括用于信道編碼提高傳輸可靠性的極化碼糾錯(cuò)編碼單元，用于可見光通信系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制的OOK信號(hào)調(diào)制單元，用于驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行照明和可見光通信的LED電路驅(qū)動(dòng)單元，用于照明和發(fā)送可見光通信信號(hào)的LED燈具單元；所述極化碼糾錯(cuò)編碼單元、OOK信號(hào)調(diào)制單元、LED電路驅(qū)動(dòng)單元和LED光燈具單元依次連接組成可見光通信系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)。

所述接收子系統(tǒng)包括用于可見光信號(hào)的接收以及光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大、濾波和限幅等信號(hào)處理的光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元，用于系統(tǒng)時(shí)鐘的恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取的時(shí)鐘恢復(fù)/數(shù)據(jù)提取單元，用于對(duì)可見光通信系統(tǒng)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的OOK信號(hào)解調(diào)單元，用于糾正可見光通信過程中信號(hào)的錯(cuò)誤并恢復(fù)出信息的極化碼糾錯(cuò)譯碼單元；所述光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘恢復(fù)/數(shù)據(jù)提取單元、OOK信號(hào)解調(diào)單元、極化碼糾錯(cuò)譯碼單元依次連接組成可見光通信系統(tǒng)接收子系統(tǒng)S12。

下面結(jié)合附圖對(duì)一些重要功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的說明：

一、發(fā)射子系統(tǒng)

發(fā)射子系統(tǒng)由極化碼糾錯(cuò)編碼單元、OOK信號(hào)調(diào)制單元、LED電路驅(qū)動(dòng)單元和LED燈具單元組成。

1.極化碼糾錯(cuò)編碼單元

如圖2所示為本實(shí)用新型可見光通信裝置中N(本例中N＝4)比特極化碼糾錯(cuò)編碼單元模塊連接圖，其作用是將輸入的N個(gè)信息比特通過n＝log₂(N)(本 例中n＝2)輪的奇偶位異或運(yùn)算和模-2均勻洗牌置換移位得到編碼輸出比特；其中，PolarEnc_G2:S1[0]、PolarEnc_G2:S1[1]、PolarEnc_G2:S2n[0]、PolarEnc_G2:S2n[1]均為二輸入異或電路模塊，其對(duì)應(yīng)的輸入輸出比特運(yùn)算電路如圖3所示。其中整個(gè)4比特編碼硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示：將要輸入的4比特信息通過硬件電路異或門，進(jìn)行移位異或計(jì)算。

2.OOK信號(hào)調(diào)制單元與LED電路驅(qū)動(dòng)單元

如圖5所示為本實(shí)用新型可見光通信裝置中集成了OOK信號(hào)調(diào)制單元與LED電路驅(qū)動(dòng)單元的LED恒流調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，其作用是根據(jù)輸入的比特信息DIM控制LED燈的開和關(guān)，從而驅(qū)動(dòng)LED燈具進(jìn)行照明和發(fā)射可見光通信信號(hào)。本實(shí)施例中，采用具有高調(diào)光比的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115，其輸入電壓范圍從8伏到30伏，輸出電流可通過外置的電流采樣電阻設(shè)置，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1.2安培，并具有5％的輸出電流精度。PT4115芯片采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和寬范圍的PWM調(diào)光，最大PWM調(diào)光頻率可達(dá)50KHz。PT4115芯片內(nèi)置功率開關(guān)，當(dāng)DIM的電壓低于0.3伏時(shí)，功率開關(guān)關(guān)斷，LED熄滅，PT4115芯片進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)，因此OOK信號(hào)調(diào)制單元輸出的調(diào)制信號(hào)從DIM腳輸入即可驅(qū)動(dòng)LED燈具單元實(shí)現(xiàn)照明并發(fā)出調(diào)制過的可見光通信信號(hào)。

二、接收子系統(tǒng)

接收子系統(tǒng)由光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘恢復(fù)/數(shù)據(jù)提取單元、OOK信號(hào)解調(diào)單元和極化碼糾錯(cuò)譯碼單元組成。

1.光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元與OOK信號(hào)解調(diào)單元

如圖6所示為本實(shí)用新型可見光通信裝置中集成了光電探測(cè)/轉(zhuǎn)換單元與OOK信號(hào)解調(diào)單元的光電集成傳感器放大濾波比較電路圖，其作用是對(duì)接收到 的可見光信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和限幅等處理。其中，Q1為光電傳感器，U4、U5為通用雙通道運(yùn)算放大器，由單電源進(jìn)行供電。電阻R15、R17進(jìn)行分壓產(chǎn)生VCC/2的電壓為運(yùn)算放大器U4、U5提供一個(gè)虛地。Q1與電阻R13、電容C15、U4的一個(gè)通道運(yùn)算放大器U4-A組合將光電傳感器接收到的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過電容C15隔離直流處理，只允許接收到的交變信號(hào)通過。轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器U4兩級(jí)放大，電阻R10和電容C14構(gòu)成低通濾波，輸入運(yùn)算放大器U5的其中一個(gè)通道運(yùn)算放大器作跟隨輸出，經(jīng)過U5的另一個(gè)通道運(yùn)算放大器進(jìn)行滯回比較后輸出接收到的調(diào)制信號(hào)。二極管D4、D5起到鉗位作用，防止輸出信號(hào)的電壓過高。本實(shí)施例中，采用LXD/GB5-A1DPZ光電集成傳感器。

2.極化碼糾錯(cuò)譯碼模塊

如圖7所示為本實(shí)用新型可見光通信裝置中N(本例中N＝4)比特極化碼糾錯(cuò)譯碼電路圖。根據(jù)解調(diào)得到的信息比特值，計(jì)算信道的初始似然比信息；由信息位集合與已譯碼序列，計(jì)算當(dāng)前比特似然比；進(jìn)行譯碼判決，并給出譯碼序列。

其中，y₀、y₁、y₂、y₃是接收端接收的比特值。按照與編碼器相反的規(guī)則進(jìn)行n＝log₂(N)層的模-2均勻洗牌置換移位和兩兩進(jìn)行似然比運(yùn)算得到最終判決似然比。在最右側(cè)一層，y₀與y₂成對(duì)輸入到F函數(shù)和G函數(shù)中分別計(jì)算；而y₁與y₃也成對(duì)輸入到F函數(shù)和G函數(shù)中分別計(jì)算；第一層計(jì)算所得到的4個(gè)新的似然比值向左進(jìn)入下一層次交叉運(yùn)算，最終輸出的4個(gè)似然比值用硬判決得到解碼結(jié)果和

如圖8所示為本實(shí)用新型可見光通信裝置中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元中F函數(shù)計(jì)算模塊電路原理圖，本實(shí)施例中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼為現(xiàn)有技 術(shù)中常規(guī)的手段，主要基于硬件電路的改進(jìn)。其作用是對(duì)輸入的兩個(gè)似然比值(inX和inY)的絕對(duì)值進(jìn)行比較，輸出絕對(duì)值較小的似然比值，符號(hào)則為兩個(gè)似然比值的乘積，該運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算規(guī)則：

F(inX,inY)＝sign(inX)sign(inY)min(|inX|,|inY|)；

如圖9所示為本實(shí)用新型可見光通信裝置中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元中G函數(shù)計(jì)算模塊電路原理圖，本實(shí)施例中極化碼糾錯(cuò)譯碼單元進(jìn)行糾錯(cuò)解碼為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的手段，主要基于硬件電路的改進(jìn)。其作用是根據(jù)前一個(gè)解碼比特(inBitZ)對(duì)輸入的兩個(gè)似然比值(inX和inY)的進(jìn)行加法運(yùn)算或者減法運(yùn)算，如果為0，則輸出兩個(gè)似然比值的加法結(jié)果；否則輸出inY減去inX的結(jié)果，該運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算規(guī)則：

應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，該實(shí)施的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。