CN105122684B - 在存在干扰的情况下接收编码可见光 - Google Patents

Abstract

一种编码可见光接收器，包括：传感器、变换模块和干扰消除模块。传感器接收包括根据编码方案调制到光中的数据的光。变换模块被配置成将数据变换到频域表示中，从而表示由数据根据编码方案而调制到光中所引起的频谱带。干扰消除模块被配置成通过确定超过阈值信号强度的带中的一个或多个分量并且消除那些分量来消除发生在数据带中的干扰。

Description

在存在干扰的情况下接收编码可见光

技术领域

本公开内容涉及在接收编码可见光时可能存在的干扰，并且涉及减轻这样的干扰的效果。

背景技术

编码光是指其中将数据调制到由光源（例如由基于LED的照明器）发射的可见光照中的技术。因此除了提供光照（为此目的光源可能已经存在于环境中）之外，光源还充当能够向编码光的合适接收器传送数据的传送器。调制典型地以对人类视觉而言不可感知的足够高的频率执行，即因此用户仅感知总体光照而没有数据被调制到该光照中的效果。以此方式，数据可以说成是嵌入到来自光源的光中。

编码光***的示例在K.D. Langer公开于通信***网络与数字信号处理（CSNDSP），2010中的“Implementation of a 84 Mbit/s Visible-Light Link based onDiscrete-Multitone Modulation and LED Room Lighting”中呈现。该文献呈现了基于商业上可得到的LED照明器的84 Mbit/s光学无线链路的实现。论文公开了如何在典型的室内距离内（例如在天花板灯与书写台之间）通过使用离散多频声调制来实现准无误差数据传送。

编码光可以使用在数个应用中。例如，一个应用是在例如作为智能照明***的部分的照明器之间进行通信。室内或室外环境中的多个照明器中的每一个可以配备有编码光传送器和接收器二者，并且经由编码光在它们之间进行通信的能力可以用于以至少部分分布式的方式控制环境中的光。例如，每一个照明器还可以配备有存在传感器以检测生物（典型地人类）的存在，并且信息可以在两个或更多照明器之间共享以便取决于所检测到的存在而确定如何控制来自不同照明器的光。

在另一示例应用中，编码光可以用于从照明器向远程控制单元提供信息以用于控制该照明器，例如以提供将它从远程单元可以控制的其它这样的照明器之中区分开的标识符，或者以提供关于照明器的状态信息（例如以报告错误、警告、温度、操作时间等）。在一个这样的示例中，远程控制单元可以包括诸如智能电话或平板之类的具有内置相机或其它光传感器的移动用户终端。利用终端运行合适的应用，用户可以将相机引导到照明器处并且由此检测编码到来自该照明器的光中的标识符。在给定其正看向的照明器的标识符的情况下，终端然后可以通过发送回返回信号（例如经由RF）来控制该照明器。

在又一应用中，编码光可以用于向用户提供信息，例如以提供用于在投用时使用的照明器的标识符，或者以使得能够提供位置相关信息。例如，室内和/或室外环境中（例如办公综合楼的房间和走廊中和/或校园的路径中）的每一个照明器可以布置成发射嵌入有在该环境内标识它的相应标识符的光。如果用户具有配备有相机或其它光传感器的移动终端以及用于检测编码光的相关联应用，则终端可以检测光照其当前位置的照明器的标识符。通过在将标识符映射到照明器位置的位置数据库中查找当前位置，这然后可以用于帮助用户导航环境。可替换地或此外，这可以用于查找与用户的当前位置相关联的信息，诸如关于博物馆的特定房间中的展览的信息。例如，查找可以经由终端能够访问的因特网或本地网络来执行，或者从用户终端上的本地数据库来执行。可替换地，信息可以直接编码到来自一个或多个照明器的光中。一般而言，编码光的适用性不受限制。

实现编码光的一种方式是通过幅度键控，通过在离散水平之间切换所发射的光的幅度或功率以便表示信道位（或更一般地信道符号）。例如在最简单的情况中，当光源接通（发射）时，这表示值1的信道位，并且当光源关断（不发射）时，这表示值0的信道位，或者反之亦然。编码光接收器中的光电传感器可以检测光何时接通或关断，或者在不同水平之间区分，并且从而接收信道位或符号。

为了输送数据，调制典型地涉及将数据位（有时称为用户位）映射到信道位上的编码方案。示例是常规曼彻斯特代码，其为二进制代码，其中将值0的用户位映射到信道符号断-通（信道位为0并且然后为1）上并且将值1的用户位映射到信道符号通-断（信道位为1并且然后为0）上，或者反之亦然。编码具有至少两个可能的目的，首先，如本领域技术人员将熟悉的，在比如曼彻斯特编码之类的许多编码方案中，其允许从相同的信号恢复时钟和数据（否则将必须发送分离的时钟或者传送器和接收器将必须被假定为是完美同步的）。其次，其可以具有修改所传送的信号的频谱的效果。

已经注意到，编码光易受来自诸如市电电源（在大多数国家中为50Hz或60Hz）之类的某些低频源的干扰的影响。现有编码光技术试图避免其中发生干扰的频谱部分（有时称为频谱限域）。可以因为其在较低频率处抑制所传送的信号的频谱密度曲线的效果而选择诸如曼彻斯特代码之类的代码，因而避免低频干扰区。

发明内容

然而，即使避免低频，也存在来自其它源的带内干扰的附加问题。在许多场景中，这可以包括可能位于想要的信号的频谱的不可避免区中的一个或多个潜在强烈的干扰毛刺。

例如，干扰可以源自可能是脉冲宽度调制的以便控制其亮度的显示屏的背光。脉冲宽度调制（PWM）意味着来自显示器的光输出在时域中采取恒定或准恒定矩形波的形式，从而对应于频域中的基音和一系列离散谐波。在另一示例中，除了发射期望的数据之外，可以在相同环境中的一个或多个其它照明器或光源中发现脉冲宽度调制或正弦调制。在一些情形中，干扰可能甚至比想要的信号强一个或多个幅度量级，例如如果编码光传感器直接看到干扰源而同时想要的信号仅是经由从诸如墙壁、地板或桌子之类的表面的反射而看到的话。

本发明提供诸如PWM背光或其它周期性干扰者之类的潜在强烈带内干扰者的消除。在频域中，在（有效地）利用随机数据调制的编码光信号的连续频谱与诸如在周期性干扰者的离散音调频谱中所发现的一个或多个干扰毛刺之间进行区分是可能的。通过从复合频谱移除干扰者的离散音调频谱，可以在存在干扰者的情况下更加可靠地检测编码光信号。

因而，根据本文中的公开内容的一个方面，提供了一种编码光接收器，包括光传感器、变换模块和干扰消除模块。传感器接收具有根据编码方案调制到其中的数据的光。变换模块被配置成将数据变换到频域表示中，从而表示由所述数据根据所述编码方案而调制到光中所引起的频谱带。干扰消除模块被配置成通过确定超过阈值信号强度的带中的一个或多个分量并且消除这些分量来消除发生在该带中的干扰。

根据另一方面，提供了一种包括代码的计算机程序产品，所述代码体现在计算机可读介质上并且被配置成以便在处理器上运行时操作编码光接收器以执行依照本文中的公开内容的干扰消除。

附图说明

为了更好地理解本公开内容并且示出实施例可以如何付诸实践，通过示例的方式对附图做出参考，其中：

图1是包括编码光和干扰的环境的示意性图示；

图2是编码光接收器处所接收到的信号的示意性表示；

图3是编码光接收器的示意性框图；

图4是干扰消除器的示意性框图；

图5是在不存在干扰的情况下阈值掩蔽和想要的信号的频谱的示意性表示；

图6是在存在干扰者的情况下阈值掩蔽和想要的信号的频谱的示意性表示，

图7是频谱密度曲线的示意性表示，

图8是如可以在编码光中传送的数据分组的示意性表示，

图9是在分组报头中接收到的时钟信号的频谱的示意性表示，

图10是窗口函数及其对频域中的干扰音调的效果的示意性表示，

图11是应用于所接收到的数据的重叠部分的窗口函数的示意性表示，

图12是低通滤波器的频率响应的示意性表示，

图13是三进制编码方案的脉冲波形式的示意性表示，以及

图14是根据三进制编码方法编码的位的样本序列的示意性表示。

具体实施方式

图1图示了其中可以采用本文所公开的干扰消除的环境的示例，例如办公室、家庭或其它房间或室内空间。环境包括例如安装在天花板或墙壁上的诸如照明器之类的编码光传送器2，其被安装用于光照环境的主要目的，但是还具有提供使用编码光技术嵌入到光照输出中的数据的辅助功能。环境还包括编码光接收器4。例如，编码光接收器4可以包括在另一照明器中，例如作为智能照明***的部分。可替换地，编码光接收器4可以是用于控制传送照明器2的远程控制单元的组件，或者诸如移动用户终端之类的用户终端的组件以用于从传送照明器2导出信息（诸如位置相关信息或用于在投用时使用的信息）。

典型地，传送照明器2的光经由从诸如地板或墙壁之类的一个或多个表面8的一个或多个反射而到达接收器4。随着接收器4和传送照明器2的灯之间的距离的增加，在接收器4处接收到的信号强度减小。例如在编码光通信的极限范围处，可以接收到具有大约0.1勒克斯的幅度的可见光信号。

在典型的用户场景中，可能存在生成干扰的一个或多个其它光源6，例如诸如膝上型计算机的显示屏之类的显示屏（特别是如果它们被调光的话）、TV屏幕的背光和/或使用脉冲宽度调制（PWM）调光的另一照明器。干扰通常是带内的（例如在0与4kHz之间），并且接收器4的检测器处的干扰幅度可能比编码光通信的极端范围处的信号幅度大得多（比方说强10至20dB，例如具有1勒克斯的量级）。例如，检测器可以直接“看”向干扰源6而编码光仅是经由一个或多个反射而间接看到的。

由这样的源6生成的干扰在性质上可以是周期性的，从而导致从传送器2输送的编码光数据的频谱中的一个或多个明显干扰音调。

例如，诸如PWM显示屏之类的经脉冲宽度调制的干扰者6将生成具有恒定（或准恒定）占空比的时域中的矩形波。示例在图2中图示，其中在检测器处接收到的信号包括编码分组加上来自经脉冲宽度调制的源的矩形波干扰（在该示例中PWM干扰在240Hz处，具有66%的占空比，信噪比为-20dB，并且分组存在于500与540ms之间）。频域中的矩形波的变换（例如傅里叶变换）由基波和一系列谐波构成，并且因此矩形PWM干扰对应于频域中的一系列窄干扰音调或“毛刺”（例如参见图6）。

在另一示例中，相同环境中的另一照明器或光源可以根据某种其它方案来调制，诸如利用正弦调制，从而导致干扰音调。

以下实施例能够减轻诸如在感兴趣的带中具有固定（或准固定）频率和占空比的正弦或PWM类型波形之类的周期性干扰的效果，例如如图2中那样。在实施例中，所公开的技术可以在存在比编码光信号强20至30dB的干扰者或者产生比编码光信号多20dB的干扰功率的干扰者混合的情况下可靠地检测物理层编码光信号。

这通过应用频域干扰切除以作为用于从所接收到的信号移除干扰的技术来实现。在频域中，在利用随机数据调制的编码光信号的连续频谱与周期性干扰者的离散音调频谱之间区分是可能的。例如参照图6，可以基于与用于编码光的编码方案相关联的预期功率谱密度（或幅度谱密度）来确定阈值曲线（例如“阈值2”）。其信号强度（功率或幅度）是超过阈值曲线的毛刺的任何分量被假定为干扰音调，并且通过将其功率或幅度设置成零而切除。通过从复合频谱移除干扰者的离散音调频谱（切除），可以可能的是，在存在比想要的信号强超过20dB的干扰者的情况下可靠地检测编码光信号。

不久之后将更加详细地解释图6中所例示的干扰消除，但是首先讨论接收器4和编码方案的示例。

图3给出编码光接收器4的示例框图，其被配置成使用依照本公开内容的实施例的频域干扰切除。接收器4包括模拟前端10，其包括光传感器12和模拟低通滤波器（LPF）14。接收器还包括模拟到数字（A/D）转换器16、匹配滤波器18、数字低通滤波器（LPF）20、第一下采样模块22、载波侦听模块24、开关25、第二下采样模块26、干扰消除模块28、上采样模块30、旁路路径31和基带模块32。光传感器12具有耦合到模拟LPF 14的输入的输出。进而，模拟LFP 14具有耦合到A/D转换器16的输入的输出，A/D转换器16具有耦合到匹配滤波器18的输入的输出，匹配滤波器18具有耦合到数字LPF 20的输入的输出，数字LPF 20具有耦合到第一下采样模块22的输入的输出，并且第一下采样模块22具有耦合到载波侦听模块24的输入的输出。另外，第一下采样模块26的输出经由开关25耦合到基带模块32。

当开关25被断言（assert）时，其将第一下采样模块24的输出耦合到第二下采样模块26的输入，并且将上采样模块30的输出耦合到基带模块32的输入，其中第二下采样模块26的输出耦合到干扰消除模块28的输入，并且干扰消除模块28的输出耦合到上采样模块30的输入。当开关25被解断言（de-assert）时，其经由绕过第二下采样模块26、干扰消除模块28和上采样模块30的旁路路径31而将第一下采样模块24的输出直接耦合到基带模块32的输入。

数字组件18,20,22,24,26,28,30和32中的每一个可以在存储于接收器4的存储设备上并且布置用于在接收器4的处理器上执行的软件中实现。可替换地，这些组件中的一些或全部可以在专用硬件电路或者诸如FPGA之类的可配置硬件电路或者软件与硬件的组合中实现。

在操作中，光传感器12接收包括来自传送器2的编码光信号和潜在地来自一个或多个干扰源6的干扰的传入光。编码光信号包括使用用于编码光的编码方案编码到光中的数据。在实施例中，所使用的编码方案是申请人自己的创造之一并且在本文中称为三进制曼彻斯特代码。这在图13和14中图示。

根据该方案，在传送器2处，将要传送的每一个数据位被映射到以相应脉冲波形或“帽”函数的形式的复合信道符号，如图13中所示。映射到值1的数据位的脉冲波形在图13的左手侧上示出，并且映射到值0的数据位的脉冲波形在图13的右手侧上示出。数据位是要传送的实际信息的位，有时称为“用户数据”（即使没有由用户明确地创建）。数据位周期在图13中用T_D标记，其中以竖直虚线示出用户位周期之间的边界。

每一个帽函数包括时间长度T_C的三个基本信道符号的序列，每一个为数据位周期T_D的长度的一半（即T_D=2T_C）。用于相应数据位的三个基本信道符号是邻近的，其中三个中的中间者位于相应数据位周期的中心处，使得相邻的第一和第三基本信道符号分别在任一侧以基本信道符号周期T_C的一半跨立在数据位周期的开始和结束边界处。

对于值1的数据位，这被映射到图13的左边所示出的正帽函数。正帽函数包括：在相应数据位周期的开始（较早）边界上定心的幅度-½单位的第一基本信道符号，随后是在相应数据位周期上定心的幅度+1单位的第二（中间）基本信道符号，随后是在相应数据位周期的结束（较晚）边界上定心的幅度-½的第三基本信道符号。

对于值0的数据位，这被映射到图13的右边所示出的负帽函数。负帽函数包括：在相应数据位周期的开始（较早）边界上定心的幅度+½单位的第一基本信道符号，随后是在相应数据位周期上定心的幅度-1单位的第二（中间）基本信道符号，随后是在相应数据位周期的结束（较晚）边界上定心的幅度+½的第三基本信道符号。

为了创建要传送的编码位流，相邻用户位的帽函数被加到彼此，通过其相应位周期的位置沿时间轴偏移。由于帽函数跨数据位周期之间的边界重叠，所以函数在相邻数据位之间的重叠区中相加。也就是说，帽函数沿数据位周期边界接合，因此一个数据位周期的较早边界A_n与在前的相邻数据位周期的较晚位边界A_n+1接合，其中在两个相邻脉冲波形重叠的情况下对信号的水平求和。在图14中示出时域中的所得信道符号序列的示例。

在两个相邻数据位具有值1的情况下，这意味着-½的两个重叠基本信道符号相加为重叠基本周期中的-1。在两个相邻数据位具有值0的情况下，+½的两个重叠基本信道符号相加为重叠基本周期中的+1。在两个相邻数据位具有不同值的情况下，+½和-½的两个重叠基本信道符号相加为重叠基本周期中的0。

在等同变型中，数据位值0和1到正和负帽函数的映射可以逆转。

然后将所得信号（例如图14的信号）转换成由传送光源2输出的信号强度中的变化（无论是在幅度方面还是在功率方面进行表示）。例如，基本信道符号-1可以由低光输出水平（例如灯关断）表示，基本信道符号+1可以由高输出光水平（例如灯接通）表示，并且基本信道符号0可以由高与低之间的中间光水平（例如灯处于输出功率或幅度的一半处）表示。

三进制曼彻斯特代码可以是有利的，因为其在数据位改变值时提供比常规曼彻斯特代码更平滑的过渡，并且导致在其中可能发生诸如电源哼声之类的带外干扰的情况下在低频周围更加被抑制的频域中的频谱。然而，本公开内容的适用性不限于三进制曼彻斯特，并且在其它实施例中可以使用合适的编码方案的其它示例，诸如常规（二进制）曼彻斯特代码，或者其它常规的二进制或三进制行代码。

无论使用什么方案，接收器4处的光传感器12都检测光并且生成表示作为时间的函数的所接收的光水平（例如幅度或功率）的电子信号。光传感器通过模拟LPF 14向AD转换器 16输出该电子信号，A/D转换器16例如以64kHz对该电子信号采样以产生信号的数字表示。通过包括编码光和干扰二者的效果，这导致例如可能看起来像是图2的那样的信号。

A/D转换器16向匹配滤波器18输出信号的数字版本。匹配滤波器18作用于将模板波形与所接收到的信号相关。模板是所检测的编码方案的脉冲波形，例如在三进制曼彻斯特代码的情况中，模板可以是在图13的左手侧上示出的正帽函数。通过使模板与所接收的内容相关，这使得匹配滤波器18能够以最小化信噪比的方式基于与该模板相关联的编码方案来检测信号的存在。

匹配滤波器18将其输出传递到数字LPF 20，其中应用另外的低通滤波，例如利用4kHz通带，并且数字LPF 20将该输出传递到第一下采样模块22，其中对它进行下采样，例如从64kHz到16kHz。匹配的、经滤波和下采样的信号然后被输出到开关25。

如果开关25被解断言，则干扰消除被旁路并且信号直接输出到基带接收器32以用于基带处理。基带处理包括诸如功率骤增检测的载波侦听、时钟生成、帧同步检测以及联合时钟和数据恢复之类的功能。另一方面，如果开关25被断言，则第二下采样模块、干扰消除模块28和上采样模块30在通过基带接收器模块32进行基带处理之前被切换到链中。在该情况中，信号从第一下采样模块22输出到第二下采样模块26，其中对它进行进一步下采样，例如从16kHz或8kHz。这种经下采样的信号从第二下采样模块26输出到干扰消除模块28，其将信号从时域变换到频域并且执行依照本公开内容的实施例的频域干扰切除。在干扰消除之后，然后将信号从干扰消除模块28输出到上采样模块30，其中对它进行上采样以逆转通过第二下采样模块26的下采样，例如从8kHz返回到16kHz，然后向前输出到基带模块32以用于基带接收处理。

图4给出用于实现干扰消除模块28的示例框图。干扰消除模块28包括快速傅里叶变换（FFT）滤波器34，其包括块选择模块38、窗口化模块40、快速傅里叶变换（FFT）模块42、频谱掩蔽模块44、逆FFT（IFFT）模块46和加法模块48。干扰消除模块28还包括背景处理模块36，其包括绝对频谱模块50、阈值发现器模块52和掩蔽限定模块54。块选择模块38具有布置为干扰消除模块28的输入、耦合到第二下采样模块26的输出的输入。进而，块选择模块38具有耦合到窗口化模块40的输入的输出，窗口化模块40具有耦合到FFT模块42的输入的输出，FFT模块42具有耦合到频谱掩蔽模块44的输入的输出，频谱掩蔽模块44具有耦合到IFFT模块46的输入的输出，并且IFFT 46模块具有耦合到加法模块48的输入的输出。加法模块48具有布置为干扰消除模块28的输出、耦合到上采样模块30的输入的输出。另外，FFT模块42的输出耦合到绝对频谱模块50的输入，绝对频谱模块的输出耦合到阈值发现器模块52的输入，并且阈值发现器模块52的输出耦合到掩蔽限定模块54的输入，并且掩蔽限定模块54的输出耦合到频谱掩蔽模块44的另一输入。

在操作中，块选择模块38接收要从其切除干扰的信号（来自第二下采样模块26的匹配的、经滤波、经下采样的信号）并且将该信号划分成部分或“块”，每一个在时域中具有某一长度N个样本，例如N=2048。在实施例中，块可以在时间上重叠，例如以N/2个样本重叠。将N个样本的每一个块输出到窗口化模块40，其分别将窗口函数应用到每一个块，例如诸如汉明窗口之类的升余弦窗口函数。窗口化模块40将每一个经窗口化的块输出到FFT模块42，其将每一个块从时域变换到频域中，从而生成每一个块的频域表示。块的频域表示包括多个频谱分量，即多个频率点中的每一个处的信号度量。FFT模块42将每一个块的频域表示从FFT模块42传递通过频谱掩蔽模块44，其应用频谱掩蔽以切除干扰分量。

为了确定频谱掩蔽，每一个块的频域表示还从FFT模块42输出到绝对频谱模块50，其确定经变换的块的绝对频谱，即在没有相位的效果的情况下块中的分量的绝对值。因此，根据多个频率点中的每一个处的信号强度来表示频谱分量（例如参见图5和6）。在实施例中，信号强度可以根据功率或幅度（功率的平方根）来表示。绝对频谱模块50将针对块的绝对频谱输出到阈值发现器模块52，其使用它来确定针对块的频谱密度曲线，在实施例中要么为功率谱密度要么为幅度谱密度，如对所使用的表示适当的那样。

频谱密度是针对理想化随机数据集合的每单位频率信号强度的预期分布。频谱密度曲线的形状是光编码方案的特性。因此针对三进制曼彻斯特方案的频谱密度曲线的形状将不同于常规的二进制曼彻斯特编码方案的情况，并且也不同于其它编码方案的情况。针对三进制曼彻斯特的频谱密度曲线的形状在图7中示意性地示出，例如具有2kHz处的峰值和4kHz处的空值。频谱密度还根据块中的分量的绝对值的积分进行缩放——即其表示预期为频率的函数的块的功率或幅度的比例。因此频谱密度曲线取决于用于编码光的编码方案以及块中的总信号强度（总功率或幅度）。

阈值发现器模块52修改频谱密度曲线以确定阈值曲线（例如图6中的阈值2）。掩蔽限定模块50然后确定其信号强度（功率或幅度）超过阈值曲线的任何分量并且限定掩蔽块的频谱中的这些分量的频谱掩蔽。掩蔽限定模块将掩蔽输出到频谱掩蔽模块44，其应用掩蔽以便从相应块的频域表示切除经掩蔽的分量。切除在以下的基础上工作：具有大于阈值掩蔽（例如图6中的阈值2）的信号强度的任何频谱分量可能是由于（至少大部分是由于）来自诸如PWM照明器或背光之类的源的干扰音调。

在干扰消除之后，将每一个块的频域版本从频谱掩蔽模块44传递通过IFFT模块46，其中相应块变换回到时域中。IFFT模块46将每一个块输出到加法模块48，其将块的重叠区加在一起以产生重构的时域信号，但是干扰已经消除。然后将重构的、干扰消除的时域信号向前输出到基带模块32，其中执行基带接收处理。

因此根据上文，干扰消除模块28使用N点FFT和IFFT（例如N=2048）来应用频域中的干扰切除。

在优选应用中，干扰切除是基于以下观察：在频域中，在想要的信号的连续频谱（由所传送的有效随机位引起）与周期性干扰者的离散频谱之间区分是可能的。

要指出的是，在实施例中，通过扰码使用户数据扰乱，使得数据保持伪随机质量而不管所传送的用户数据如何。例如，即使用户传送接连的1或接连的0或导致位的有序流的某种其它数据的流，扰乱的流将仍旧出现为有效随机的，因为其将对应于频域中的大概平滑的频谱。然而，甚至在没有扰乱的情况下，大多数用户数据在足够大量的样本之上仍旧是有效随机的（即使内容可能不随机，内容中的任何顺序不必在物理层中显著地列明自身）。

已经发现，由切除创建的频谱“空洞”相比于分量的数目和数据的频谱宽度而言往往是相对少和小的。作为结果，在移除干扰之后变换回到时域时，由于该切除所致的信号中的失真可忽略或者至少可容许。

例如，对于长度2048个样本的FFT和具有2KHz处的峰值和4kHz处的空值的如图5-7中图示的频谱，每一个宽度10Hz可以仅存在10个样本的量级。

要指出的是，编码光信号格式可能不允许强信号恢复算法，比如误差校正或扩展频谱。在实施例中，合期望的是，在其它接收器算法之中仔细挑选干扰切除算法及其位置以便减少信号失真。在实施例中，可以可选地实现一个或多个以下附加措施以进一步改进本文所公开的干扰消除的性能：

·应用用于确定阈值曲线的两步过程，包括确定超过第一阈值曲线的分量，然后在移除这些分量的效果的情况下基于频谱密度确定第二阈值曲线；

·在进行频域干扰切除之前应用匹配滤波器；

·在具有FFT块的N/2重叠的FFT之前应用时域汉宁窗口；

·使用频域中的成形（升余弦）阈值以用于在想要的频谱和干扰频率之间区分；

·使FFT和IFFT的结果的端点为零以用于最小化由于固定点计算所致的失真；和/或

·用于旁路切除算法从而允许接收器的信号处理延迟及其抵挡干扰的鲁棒性之间的交换的开关。

在实施例中，在匹配滤波器18之后，但是在诸如功率骤增检测的载波侦听、时钟生成、帧同步检测以及联合时钟和数据恢复之类的较传统基带接收器算法32之前，应用干扰切除（移除干扰频率）。

模拟前端10中的模拟LPF 14被设计成能够以64kHz对其输出进行采样而没有扰动混叠产物。在64kHz处，首先应用用于三进制曼彻斯特的匹配滤波器18。作为副产物，创建0Hz和4kHz附近的强宽空值（参见图5-7）。低频处的信号抑制帮助避免来自诸如市电电源之类的源的低频（带外）干扰。另外，图3的链中的匹配滤波器18的放置的优点在于，下一空值（在该示例中在4kHz处）可以布置成与用于后续数字LPF 20的过渡带重合。数字LPF 20移除4kHz以上的所有频率，从而允许到8kHz的下采样（根据奈奎斯特定理，为了避免混叠失真，合期望的是移除超过采样频率的一半的所有频率）。然而，如图12中示意性图示的，没有低通滤波器是完美的，并且实际上将具有通带64与阻带68之间的过渡带66。通过在LPF 20之前应用匹配滤波器18，4kHz（例如）处的空值可以布置成处于LPF 20的过渡带66内。另外，以上描述的干扰切除涉及从频域到时域并且再次返回的变换。这暗示着在时域中具有尽可能宽的窗口是合期望的，其暗示着想要尽可能低的采样频率。通过在LPF 20之前应用匹配滤波器18，已知整个频谱处于0Hz与4kHz之间。

干扰切除发生在8kHz采样频率处，从而对应于三进制曼彻斯特物理层的基带信号带宽（~4kHz）。如所提到的，通过使用N点FFT和IFFT，例如使用长度N=2048个点的FFT（8kHz处的接连时间样本），干扰切除发生在频域中。

将输入划分成N个接连时间样本的块。在实施例中，每一个块与以诸如汉明窗口之类的升余弦窗口（具有滚降(roll-off)1的升余弦）的形式的窗口函数40相乘，窗口在时域中具有宽度N。然后使用N点FFT将每一个块转换到频域，从而导致频率的N维矢量。时域中的乘法对应于频域中的卷积。因而在频域中，离散的干扰音调f_i（例如由于PWM所致的矩形波的基波或谐波）导致正弦曲线与窗口函数的卷积。矩形窗口函数60和升余弦窗口函数62的示例在图10的顶部处示意性地示出，并且窗口函数W与干扰音调f_i在频域中的所得卷积的示例在图10的底部处示意性地图示。如果窗口在其边缘不连续，则干扰音调的宽度在频域中伴随着1/f；如果窗口的一阶导数在其边缘不连续，则该音调的宽度伴随着1/f₂；并且如果二阶导数不连续，则音调的宽度伴随着1/f₃。合期望的是，使这些音调的宽度在频域中保持尽可能地窄（以在被切除时最小化失真），因此有利的是，选择仅在其二阶导数中不连续的窗口函数。升余弦窗口具有该性质。汉明窗口是以滚降1参数化的升余弦窗口。

在实施例中，划分输入使得N个接连时间样本的块彼此重叠。在汉明窗口（具有滚降参数1的升余弦）的情况中，给予每一个块与其相邻块的N/2个样本的重叠。这样的原因在图11中示意性地图示。非矩形窗口函数具有以下效果：来自窗口边缘的样本在时域中衰减。因而重叠区被布置成对应于其中时域信号通过窗口函数衰减的区。当块转换回到时域中并且加在一起时，重叠区组合以撤消来自窗口函数的边缘的衰减效果。在实施例中，这将在时域中恢复平坦函数。对于汉明窗口（具有滚降1的升余弦），半个块（N/2）的重叠将具有该效果。可替换地，具有小于1的滚降的升余弦窗口可以通过取决于滚降而将重叠布置成小于一半来实现这种相同效果。

在另外的实施例中，在频域中，干扰消除模块28可以舍弃所述频率的N维矢量的前几个和后几个分量。这是因为这些分量由于固定点计算而往往非常不稳定。

接下来，干扰消除模块28计算作为标准阈值曲线（频谱密度）的纯量倍数的频域阈值曲线。

图5示出在没有干扰的情况下阈值掩蔽和想要的信号的频谱。如使用2048点FFT所计算的随机频谱应用到所接收到的信号的汉明窗口部分（块）。对于每一个FFT块，计算频域阈值曲线，其将在想要的信号的连续频谱和干扰者的离散频谱之间区分。频域阈值曲线是三进制曼彻斯特的功率谱密度的经缩放版本或其简化近似。集中在1750Hz处的升余弦被用作针对从0到4kHz的频率的近似。

频域阈值曲线的缩放是所计算的随机频谱的积分的线性函数。缩放使得在没有干扰的情况下没有频率分量越过阈值，即不发生切除。

图6示出包含想要的信号和干扰信号（SIR=-20dB处的240HZ PWM）二者的所接收到的信号片段的随机频谱。用于切除的实际频域阈值曲线是“阈值2”，因为在实施例中，在两个步骤中确定期望的缩放（以及要切除的频率）。

首先，通过取所计算的随机频谱的绝对值的积分的线性函数来获得缩放（导致阈值1）。也就是说，用于相关光编码方案（例如三进制曼彻斯特）的理论（预期）频谱密度曲线通过相应块中的总信号强度（积分功率或幅度）来缩放。这还可以包括通过某个因子的缩放以允许某个误差裕度（即在实践中一些合法信号分量可能落在略微高于理论频谱密度曲线的地方）。在实施例中，该因子可以是1.2或1.3。

其次，通过将相同的函数应用于所计算的随机频谱的经修改的绝对值来获得第二缩放，其中通过将大于其“阈值1”的频谱分量设置成等于零来从所计算的随机频谱的绝对值获得所计算的随机频谱的经修改的绝对值。也就是说，频谱密度现在通过总信号强度（积分功率或幅度）进行缩放，其中移除落在超过阈值1的地方的分量。这还可以再次包括通过因子的缩放以允许误差裕度，例如再次为1.2或1.3。最终切除通过将其绝对值超过“阈值2”的频率分量设置成等于零而发生。

在以上的概括中，应用阈值、切除分量和重新计算阈值的步骤可以再次重复一次或多次。即可以存在导致“阈值3”的三个步骤等。

要指出的是，在实施例中，以上计算仅必须针对N/2（复合）频率分量（0到4kHz）完成，因为真实信号的频谱在频域中是复共轭的。

在将前面提到的频域切除应用于每一个FFT块之后，使用N点IFFT将每一个经切除的频率块变换回到时域，从而造成时域中的经切除的真实N维矢量。

接下来，将时域中的所述经切除的真实N维矢量的前几个和后几个分量设置成零，因为这些分量由于固定点计算而往往非常不稳定。最后，将所得时域矢量添加到其在输出时间序列中的对应位置。

已经发现，在没有切除的情况下，甚至FFT和IFFT的16位固定点实现都不产生明显失真。

在实施例中，编码光数据可以在一个或多个分组中传送，其示例在图8中图示。分组包括包含以上讨论的用户数据的有效载荷58，以及还有包括用于在同步中使用的前同步码的报头56。有效载荷58具有在以上的干扰消除中使用的多个块的长度（例如80字节的用户数据）。前同步码包括可以包括多个正弦循环（例如2kHz处的20个循环）的时钟信号。初看之下，可能看起来干扰消除模块28将具有消除该期望的时钟音调的效果。然而，如图9中示意性示出的，在频域中，时钟信号对应于正弦曲线与通过前同步码的长度创建的矩形窗口函数的卷积（与矩形窗口卷积的正弦曲线给出汇函数）。这可以具有100到200Hz量级的频谱宽度。然而，该相同正弦时钟信号与非矩形窗口函数40（例如升余弦）的卷积对应于所切除的窄得多的毛刺，可能地具有10Hz量级的宽度。因此可以指出的是，在实施例中，以及为实际数据58留下可忽略或可容许的失真，以上讨论的频率切除不需要破坏包括在分组前同步码中的时钟信号56。

将领会到的是，已经仅仅作为示例而描述以上实施例。

例如，本文所公开的技术不限于根据信号强度的任何特定度量而实现。例如，信号强度可以根据功率或幅度表达。另外，将领会到的是，在给定时间内累积的信号能量是功率的度量。类似地，有限时间窗口中的能量谱密度是功率谱密度的度量。还可以采用表示光中的信号的其它方式。另外，本公开内容不限于诸如傅里叶变换或FFT之类的任何特定形式的变换。其它种类的变换本身对本领域技术人员将是熟悉的，例如离散余弦变换（DCT）。

在以上讨论“离散”和“连续”信号的想法的情况下，将领会到的是，在任何数字表示中，差异在某种程度上是近似的。（伪）随机数据的频谱是连续的，因为连续点中的频谱分量的强度遵循近似“平滑”分布，而干扰音调可以被视为是离散的，因为它们仅导致从连续频谱之中“挑出”的非连续单独分量（点），或者可能地挑出的连续分量的小型非连续分组。

另外，在提到分量的强度“超过”阈值等的情况下，这可以是指“大于”或“大于或等于”类型的操作。

已经在消除来自诸如PWM光之类的矩形波形的干扰方面例示了上文，但是在其它应用中干扰可以采取其它形式，诸如正弦干扰或其它周期性干扰。另外，在干扰是“矩形”的情况下，包括方形波形的可能性。

在实施例中，干扰消除包括通过将其高度设置成零（将表示强度的值设置成零）来完全切除或掩蔽频谱分量。然而，在可替换的实施例中，消除可以包括降低这些分量的高度以降低干扰效果，而不是完全切除它们。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中叙述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，诸如与其它硬件一起供给或者作为其部分的光学存储介质或固态介质，但是还可以以其它形式分布，诸如经由因特网或其它有线或无线电信***。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种编码可见光接收器（4），包括：

传感器（12），其用于接收包括根据编码方案调制到光中的数据的光；

变换模块（42），其被配置成将数据变换到频域表示中，从而表示由所述数据根据所述编码方案而调制到光中所引起的频谱带；以及

干扰消除模块（28），其被配置成通过确定超过阈值信号强度的所述带中的一个或多个分量并且消除所述一个或多个分量来消除发生在所述带中的干扰。

2.权利要求1所述的接收器，其中阈值包括频域中的曲线，其中所述曲线是基于作为用于将数据调制到光中的编码方案的特性的频谱密度。

3.权利要求2所述的接收器，其中干扰消除模块（28）被配置成通过以下执行所述确定和消除：基于频谱密度确定第一阈值曲线，消除超过第一阈值曲线的一个或多个第一分量，基于排除第一分量的效果的频谱密度确定第二阈值曲线，并且消除超过第二阈值曲线的一个或多个第二分量。

4.权利要求3所述的接收器，其中第一阈值曲线是频谱密度的线性缩放版本，并且第二阈值曲线是排除所述第一分量的效果的频谱密度的线性缩放版本。

5.权利要求1或2所述的接收器，其中消除包括将所述一个或多个分量的信号强度设置成零。

6.权利要求1或2所述的接收器，包括基带模块（32）和逆变换模块（46），所述逆变换模块（46）被配置成在消除所述干扰之后将数据变换回到时域表示中以用于由基带模块进一步处理。

7.权利要求1或2所述的接收器，包括在通过变换模块（42）变换到频域中之前应用的匹配滤波器（18）。

8.权利要求1或2所述的接收器，包括低通滤波器（20），其中匹配滤波器（18）在低通滤波器之前应用并且被配置成抑制低通滤波器的过渡带中的频谱。

9.权利要求1或2所述的接收器，包括窗口化模块（40），其被配置成在通过变换模块（42）变换到频域中之前应用时域窗口函数，从而将数据划分成部分；

其中变换模块（42）被配置成生成由数据的每一个部分所引起的频谱带的相应频域表示，并且干扰消除模块（28）被配置成分别在每一个部分的频域表示上进行操作。

10.权利要求9所述的接收器，其中窗口化模块（40）被配置成将数据划分成部分序列，其中每一个部分包括N个时域样本，并且相继部分以N个样本的一小部分重叠。

11.权利要求10所述的接收器，其中所述窗口函数包括升余弦窗口函数并且所述重叠涉及升余弦窗口函数的滚降。

12.权利要求1或2所述的接收器，其中变换模块（42）被配置成在通过所述干扰消除模块（28）的干扰消除之前舍弃频域中的所述带的端点。

13.权利要求1或2所述的接收器，包括可操作成旁路干扰消除模块的开关（25）。

14.一种照明***，包括：

配置成发射编码可见光的照明器（2）；

包括任何前述权利要求的编码可见光接收器（4）的设备；以及

所述干扰的至少一个源（6），其中干扰在时间上是周期性的；

其中至少有时，通过编码可见光接收器（4）接收具有至少比包括所述数据的光的功率更大的幅度量级的干扰，和/或通过编码可见光接收器（4）经由从至少一个表面（8）的至少一个反射接收包括所述数据的光而同时通过编码可见光接收器（4）直接接收干扰。

15.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储用于操作编码可见光接收器（4）的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括代码，所述代码体现在计算机可读存储介质上并且被配置成以便在运行时执行以下操作：

经由编码可见光接收器的传感器（12），接收包括根据编码方案调制到光中的数据的光；

将数据变换到频域表示中，从而表示由所述数据根据所述编码方案而调制到光中所引起的频谱带；以及

通过确定超过阈值信号强度的所述带中的一个或多个分量并且消除所述分量，消除发生在所述带中的干扰。