CN109067472A - 一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，包括以下步骤：考虑一个M色光的***，将可见光频段均匀划分为(N+1)/2个区间；每个频段区间采用一个矩形通带滤光片，每相邻2个滤光片接触处再增加1个同样的矩形通带滤光片，增加的矩形通带滤光片和左、右两个滤光片各重叠一半，从而构成一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，滤光片总个数为N；对于M个色光，分别用M个不同的权重向量将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号；对M路合并后的色光信号进行后续的检测，还原出发送信号。本发明公开的接收方法支持任意角度的光线入射，支持任意的色光个数，实现了信号接收的通用性。

Description

一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法
技术领域
本发明涉及一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法,属于可见光通信领域。
背景技术
近年来，传统无线电射频(RF)通信技术由于频谱资源的匮乏，已经无法满足移动互联网高速率的需求。在这种背景下，可见光通信受到了广泛的研究。可见光通信(VLC)利用驱动电路将传输信息加载在LED发出的快速变化的光线中，在LED调制速率足够高的情况下，人眼无法察觉出光线的变化，从而保证了数据通信和室内照明的同时进行，解决了通信传输“最后一米”的问题。
为了进一步提升可见光通信的传输速率，多色LED并行传输的方式受到越来越多的关注。通过多色光(如，三色RGB，四色RGBA，或者大规模多色光)混成一路白光，在接收端使用滤光片将各色光分开进行检测，可以在满足照明条件的同时，实现数据的波分复用(WDM)。然而，由于滤光片自身的干涉特性，它的通带范围会随着光线入射角度而改变。在非正常角度入射的情况下，滤光片的通带会偏离有用色光信号的波长范围，处于和相邻色光的过渡带或者相邻色光上，进而引发有用色光信号的衰减或者相邻色光的干扰，使得***的性能大大降低。另外，在未来的可见光通信网络中，同样是白光灯，频谱成分可能不尽相同，有些是RGB三色谱，有些是RGBA四色谱，甚至是大规模多色光组成的光谱，并且相同色光的单色谱的形状也可能有差别。现阶段，基于特定多色滤光片的接收方法，只能满足特定的多色光谱信号的接收，难以做到多色光谱信号接收的通用性。
针对目前存在的这一系列问题，设计一种满足不同入射角、不同多色光谱成分的通用型接收方法尤为重要。
发明内容
发明目的：本发明的目的是解决现有的可见光通信由于滤光片自身的干涉特性使得通带范围会随着光线入射角度而改变，在非正常角度入射的情况下，滤光片的通带会偏离有用色光信号的波长范围，处于和相邻色光的过渡带或者相邻色光上，进而导致有用色光信号的衰减或者相邻色光的干扰，使得***的性能大大降低的问题。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，包括以下步骤：在多色可见光通信中，
S1：考虑一个色光个数为M的***，将可见光频段均匀划分为(N+1)/2个区间；
S2：每个频段区间采用一个矩形通带滤光片，在这个基础上，每相邻2个滤光片接触处再增加1个同样的矩形通带滤光片，增加的矩形通带滤光片和左、右两个滤光片各重叠一半，从而构成一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，总的滤光片个数为N；
S3：对于M个色光，分别用M个不同的权重向量将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号；
S4：对M路合并后的色光信号进行后续的检测，还原出原始的发送信号。
进一步，所述步骤S1中，M色光的***为三色光RGB、四色光RGBA或者大规模多色光***，将可见光频段[380,780]波长范围均匀划分为(N+1)/2个区间，其中N为正的奇数。
进一步，所述步骤S2中，每个区间采用一个矩形通带滤光片，在这个基础上，每相邻2个滤光片接触处再增加1个同样的矩形通带滤光片，增加的矩形通带滤光和左、右两个滤光片各重叠一半，从而构成一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，总的滤光片个数为N，其中第i个滤光片的通带左右边界αi、βi分别为
根据滤光片自身固有的干涉特性，当入射角度偏转到θ时，第i个滤光片通带的左右边界αi(θ)、βi(θ)变为
式(2)中，n0为空气的等效折射系数，neff为滤光片的等效折射系数。
进一步，所述步骤S3中，对于M个色光，分别用M个不同的权重向量wj(wj是N×1维向量，j＝1,…,M)，将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号，其中得到的第j0路信号为：
其中：
表示第j0个色光原始的发送信号，方差为
表示从发送端第j0个色光到接收端N个滤光片的信道增益向量，其中表示从发送端第j0个色光到接收端第i个滤光片的信道增益，在实际的***中，可以用导频估计得到的值；
xj和hj＝[h1j,h2j,…,hNj]T(j≠j0)表示其余M-1个干扰色光的原始发送信号和信道增益向量；
z＝[z1,z2,…,zN]T表示信道噪声向量，其中zi(i＝1,…,N)表示第i个滤光片对应的加性高斯白噪声，自相关矩阵为其中Ε{·}表示求期望，为每一路的噪声方差，ΙN为单位矩阵；
表示用于合并得到第j0个色光信号时的滤光片权重向量，其中表示用于合并得到第j0个色光信号时的第i个滤光片的权重，最优的为矩阵最大的特征值对应的特征向量，可以实时地根据导频估计得到的和hj(j≠j0)的值来计算最优的
进一步，所述步骤S4中，对合并后的M路信号进行后续的检测，还原出原始的发送信号，其中第j0路信号检测时的信干噪比(SINR)为
最优的对应的为矩阵最大的特征值。
有益效果：本发明提出的多色可见光通信中一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，对于任何入射角度、任何色光光谱成分的信号都能够全部收集到，通过最优的加权合并，充分利用了收集到的能量，进而完成各色光信号的检测，实现了多色光信号接收的通用性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的示意图；
图2为色光个数为M＝3的情况下多色光谱的形状，以及重叠覆盖滤光片组的通带形状；
图3为色光个数为M＝4的情况下多色光谱的形状，以及重叠覆盖滤光片组的通带形状；
图4为色光个数为M＝7的情况下多色光谱的形状，以及重叠覆盖滤光片组的通带形状；
图5为本发明与传统的基于RGB三色滤光片的接收方法的性能比较示意图；
图6为本发明与传统的基于RGBA四色滤光片的接收方法的性能比较示意图；
图7为本发明与传统的基于七色滤光片的接收方法的性能比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，如图1所示，包括以下步骤：在多色可见光通信中，
S1：考虑一个色光个数为M的***，将可见光频段均匀划分为(N+1)/2个区间；
S2：每个频段区间采用一个矩形通带滤光片，在这个基础上，每相邻2个滤光片接触处再增加1个同样的矩形通带滤光片，增加的矩形通带滤光片和左、右两个滤光片各重叠一半，从而构成一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，总的滤光片个数为N；
S3：对于M个色光，分别用M个不同的权重向量将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号；
S4：对M路合并后的色光信号进行后续的检测，还原出原始的发送信号。
步骤S1中，对于一个色光个数为M的***，我们分别考虑M＝3、4、7的情况，多色光谱的形状如图2～图4的实线“—”所示，将可见光频段[380,780]的波长范围均匀划分为(N+1)/2个区间，这里N取15，区间数为8。
步骤S2中，每个区间采用一个矩形通带的滤光片，如图2～图4中的虚线“----”所示，对应的滤光片个数为8，在这个基础上，每相邻2个滤光片之间再增加1个同样的矩形通带的滤光片，通带和左、右两个滤光片各重叠一半，如图2～图4中的点线“….”所示，对应的滤光片个数为7，从而构成了一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，总的滤光片个数为15，其中第i个滤光片的通带左右边界αi、βi分别为
αi＝380+25(i-1),βi＝380+25(i+1)
根据滤光片自身固有的干涉特性，当入射角度偏转到θ时，第i个滤光片通带的左右边界αi(θ)、βi(θ)变为
式(2)中，n0为空气的等效折射系数，取值为1，neff为滤光片的等效折射系数，取值为2。
步骤S3中，对于M个不同的色光，用M个不同的权重向量wj(wj是N×1维向量，j＝1,…,M)，将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号，其中第j0路的信号为：
其中：
xj0表示第j0个色光原始发送信号，方差为这里P为总的发送功率，取值为4W，为第j0个色光所占的比例，这里考虑等功率分配，即
表示从发送端第j0个色光到接收端N个滤光片的信道增益向量，其中表示从发送端第j0个色光到接收端第i个滤光片的信道增益，在实际的***中，可以用导频估计得到的值；
xj和hj＝[h1j,h2j,…,hNj]T(j≠j0)表示其余M-1路干扰色光的原始发送信号和信道增益向量；
z＝[z1,z2,…,zN]T表示信道噪声向量，其中zi(i＝1,…,N)表示第i个滤光片对应的加性高斯白噪声，自相关矩阵为其中Ε{·}表示求期望，为每一路的噪声方差，取值为ΙN为单位矩阵；
表示用于合并得到第j0个色光信号时的滤光片权重向量，其中表示用于合并得到第j0个色光信号时的第i个滤光片的权重，最优的为矩阵最大的特征值对应的特征向量，可以实时地根据导频估计得到的hj0和hj(j≠j0)的值来计算最优的
所述步骤S4中，对合并后的M路色光信号进行后续的检测，还原出原始的发送信号，其中第j0路色光信号检测时的信干噪比(SINR)为
最优的对应的SINRj0为矩阵最大的特征值。
经过计算，我们提出的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，对色光个数为M＝3、4、7的情况，SINR随光线入射角度(AoI)变化分别如图5～图7的标号“☆☆☆”所示。另外，我们取传统的三色、四色、七色滤光片所对应的接收方法作为比较对象，
滤光片的具体参数如下：
表1传统的接收方法中的多色滤光片参数
其中，表格数据(α,β)中的表示滤光片通带的左右边界值。传统的三色、四色、七色滤光片所对应的接收方法的SINR随光线入射角度(AoI)变化分别如图5～图7的标号“+++”所示。
从图5～7中可以看到：
(1)我们提出的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法在AoI在0°～30°变化时，一直保持稳定的SINR性能，而传统的基于三色光RGB、四色光RGBA、七色光滤光片的接收方法在AoI偏转较大时SINR性能会降下来，相比较而言，我们提出的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法在移动情况下的通用性更强。
(2)我们用一套重叠覆盖的滤光片基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，实现了对发射端是三色光RGB、四色光RGBA、七色光信号的接收，而传统的方法需要用三套不同的多色滤光片来完成接收，相比较而言，我们提出的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法对色光光谱的通用性更强。
因此，我们提出的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法在不同入射角度、不同色光光谱成分的情况下，都能保持稳定的性能，实现了信号接收的通用性。

Claims (5)

1.一种基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，其特征在于：包括以下步骤：在多色可见光通信中，
S1：考虑一个色光个数为M的***，将可见光频段均匀划分为(N+1)/2个区间；
S2：每个频段区间采用一个矩形通带滤光片，在这个基础上，每相邻2个滤光片接触处再增加1个同样的矩形通带滤光片，增加的矩形通带滤光片和左、右两个滤光片各重叠一半，从而构成一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，总的滤光片个数为N；
S3：对于M个色光，分别用M个不同的权重向量将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号；
S4：对M路合并后的色光信号进行后续的检测，还原出原始的发送信号。
2.根据权利要求1所述的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，其特征在于：所述步骤S1中，M色光的***为三色光RGB、四色光RGB或大规模多色光***，将可见光频段[380,780]波长范围均匀划分为(N+1)/2个区间，其中N为正的奇数。
3.根据权利要求1所述的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，其特征在于：所述步骤S2中，每个区间采用一个矩形通带滤光片，在这个基础上，每相邻2个滤光片接触处再增加1个同样的矩形通带滤光片，增加的矩形通带滤光片和左、右两个滤光片各重叠一半，从而构成一个可见光频段重叠覆盖的滤光片组，总的滤光片个数为N，其中第i个滤光片的通带左右边界αi、βi分别为
根据滤光片自身固有的干涉特性，当入射角度偏转到θ时，第i个滤光片通带的左右边界αi(θ)、βi(θ)变为
式(2)中，n0为空气的等效折射系数，neff为滤光片的等效折射系数。
4.根据权利要求1所述的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，其特征在于：所述步骤S3中，对于M个色光，分别用M个不同的权重向量wj(wj是N×1维向量，j＝1,…,M)，将N个滤光片接收到的信号进行加权合并，得到M路合并后的色光信号，其中得到的第j0路信号为：
其中：
表示第j0个色光原始的发送信号，方差为
表示从发送端第j0个色光到接收端N个滤光片的信道增益向量，其中表示从发送端第j0个色光到接收端第i个滤光片的信道增益，在实际的***中，可以用导频估计得到的值；
xj和hj＝[h1j,h2j,…,hNj]T(j≠j0)表示其余M-1个干扰色光的原始发送信号和信道增益向量；
z＝[z1,z2,…,zN]T表示信道噪声向量，其中zi(i＝1,…,N)表示第i个滤光片对应的加性高斯白噪声，自相关矩阵为其中Ε{·}表示求期望，为每一路的噪声方差，ΙN为单位矩阵；
表示用于合并得到第j0个色光信号时的滤光片权重向量，其中表示用于合并得到第j0个色光信号时的第i个滤光片的权重，最优的为矩阵最大的特征值对应的特征向量，可以实时地根据导频估计得到的和hj(j≠j0)的值来计算最优的
5.根据权利要求1所述的基于重叠覆盖滤光片组的多色光信号接收方法，其特征在于：所述步骤S4中，对合并后的M路信号进行后续的检测，还原出原始的发送信号，其中第j0路信号检测时的信干噪比(SINR)为
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