[发明专利]基于多色可见光技术的成像通信系统及方法

摘要

本发明实施例公开了一种基于多色可见光技术的成像通信系统及方法，所述系统包括发送端及接收端，所述发送端包括调制模块及LED模块，所述LED模块包括多种不同颜色的LED灯芯；所述接收端包括解调模块及CMOS摄像头，CMOS摄像头接收发送端发送的可见光信号；所述调制模块将原始数据依次进行串并转换、编码、交织、调制、放大，驱动LED灯芯叠加传输；所述解调模块将每帧图像分解成多种颜色的图像，分别提取数据，再进行解码以及并串转换，得到原始数据。本发明实施例通过对多种颜色的LED灯芯以及采用多色解调技术联合检测以抑制不同颜色之间的干扰，解决了可见光成像通信速率低以及不同颜色光线之间存在干扰的问题，进而实现了多路发送信号的多色复用。

主权项

1.一种基于多色可见光技术的成像通信系统，包括发送端及接收端，其特征在于，所述发送端包括调制模块及LED模块，所述LED模块包括多种不同颜色的LED灯芯；所述接收端包括解调模块及CMOS摄像头，CMOS摄像头接收发送端发送的可见光信号；所述调制模块将原始数据u经过串并转换分为z个子序列{u₁,u₂,u₃,…u_z}，z为LED灯芯颜色种类的数量；将第i(i＝1、2、…、或z)个子序列u_i经第i层的曼彻斯特编码器编码生成码元序列c_i；将码元序列c_i经随机交织器充分交织得到v_i；将交织后的数据v_i经非归零OOK调制成码元序列s_i，再经过对应的放大器进行放大，得到信号x_i；再根据信号x_i形成基带的电信号驱动各色LED灯芯发光；z种颜色的LED灯芯合成白光发出对应的光信号；所述解调模块对CMOS摄像头接收到的视频文件进行处理，对视频中每帧图像分别分解得到对应z种颜色的z个通道的图像数据，对每个通道的灰度图像分别进行数据提取；对每个通道提取出的数据进行曼切斯特解码，去同步头，恢复得到每路数据，经过并串转换，得到发送端发送的原始数据；所述解调模块采用如下算法计算得到对应的图像数据：设发送端发送的数据矩阵为X＝[x₁,x₂,x₃,…x_z]^T，则接收端接收的数据矩阵Y＝[y₁,y₂,y₃,…y_z]^T表示为：Y＝JHX+X_z；其中，X_z是z维加性高斯白噪声，服从N(0,σ²)分布；JH为信道增益矩阵，矩阵H和矩阵J的表达式分别为：和h_ii为链路直流增益，且链路直流增益表示为：其中，ε为干扰系数，ε取值范围为[0,0.5)，m＝‑ln2/ln(cosθ_1/2)为对应LED模块的LED光源的调制阶数，θ_1/2为LED光源的半功率角，φ_ii为第i个LED灯芯到第i个像素的光线入射角，ψ_c为CMOS摄像头的视场角度，θ_ii为第i个LED灯芯到第i个像素的光线发光角，A为CMOS摄像头的像素的有效面积、d_ii表示阵列中第i个LED灯芯到第i个像素的光线传输距离、T(φ_ii)为CMOS摄像头的滤光器增益、g(φ_ii)为CMOS摄像头的透镜增益，即：其中，矩阵函数rect(x)定义为：则发送端发送的数据X表示为：X＝γS；其中，γ＝[γ₁,γ₂,γ₃,…γ_z]^T为放大器的放大系数；接收端采用LMMSE滤波器过滤接收的数据矩阵Y，得到过滤后的数据且其中，X_N为N维加性高斯白噪声，W为LMMSE的加权系数矩阵，W＝(JH)^H((JH)^HJH+σ²I)^‑1；根据下式计算出接收到第i种颜色的LED灯芯发出的数据为：其中，w_i为加权系数矩阵的行向量，ξ_i为经过CMOS摄像头的滤光片后相邻颜色间的干扰，为第i维高斯分布方差，σ²为高斯分布方差矩阵；接收端以最小信干噪比最大化为优化目标函数，优化对应的各个放大器的放大系数和各个LED灯芯的光通量，表达式为：优化目标函数的约束条件包括如下公式：0≤γ≤I；其中，L＝[L₁,L₂,L₃,…L_z]^T，(x_i,y_i)为第i个LED灯芯的色品图坐标，(x₀,y₀)为麦克亚当椭圆的中心点，ζ∈(0,7]，ζ为麦克亚当椭圆的阶数，g₁₁、g₁₂和g₂₂为麦克亚当椭圆常数；L为各个LED灯芯的光通量构成的光通量矩阵，L_i为第i个LED灯芯的光通量；P为恒定的光通量之和；γ为放大器的放大系数，且I＝[I₁,I₂,I₃,…I_z]^T，I表示一个向量矩阵，而其中的每个元素对应每个LED灯芯线性区域可以通过的最大电流。