CN105553551A - 一种基于mimo技术的可见光语音对讲系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，其包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的音频编码模块、功分器、调制模块、第一LED驱动模块和LED阵列；接收端包括依次连接的PD阵列、第二LED驱动模块、RSSI指示电路、解调模块和音频解码模块。本发明中，LED阵列中的各LED灯和PD阵列中的各PD均分别等角度分开并在水平面上均匀分布，可弥补可见光通信绕射能力差的不足。使用时，将通信A端的LED阵列与通信B端的PD阵列相对，通信A端的PD阵列与通信B端的LED阵列相对，这样，通过通信A、B两端的PD阵列和LED阵列能实现收发两端在非视距场景下的正常通信，满足通信双方非视距场景下语音对讲功能。

Description

一种基于MIMO技术的可见光语音对讲系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种基于MIMO技术的可见光语音通信系统。

背景技术

随着移动互联网时代的到来，各种新内容新应用喷泉式涌现，智能移动终端风靡全球，移动用户数量与数据流量呈现爆炸式增长。射频通信将面临严重的频谱紧缺，因而急需开拓新频谱以从根本上解决超大容量通信需求与频谱危机的矛盾。可见光通信相对于射频通信具有独特的优势，首先，可见光信号的区域覆盖和定向传输可允许相邻光束交叉通过而互不影响，从而最小化互干扰，但相邻射频信号之间互干扰会严重制约通信系统的性能；其次，可见光不能穿透墙壁，保障了通信的安全性和私密性，而RF信号易被截获和监听；另外，与传统射频通信及自由空间激光通信相比，可见光可结合广泛普及密集覆盖的LED照明设施场所，实现泛在覆盖绿色通信，提供百Mbps甚至Gbps的无线光通信速率，且无需布设射频基站，消除对用户健康隐患、电磁干扰等方面的困扰，因此在对电磁信号敏感的医院或飞机上可以自由使用该系统。可见光通信具有低碳、环保、无害等特点，可开拓丰富的光谱资源，为新一代大容量移动通信系统提供解决方案。

可见光通信在一些特殊对于电磁敏感的场合有广泛的应用，如矿井下，机舱，医院等。其抗干扰能力强，保密性能好等优点。基于LED可见光通信具有转化效率高、节能省电、寿命长等优点，同时LED作为半导体器件具有高速调制特性，其发光强度能够随着输入电流的变化和高速变化，兼具照明和通信的功能。在频谱日益紧张的当下，可见光通信成为补充射频通信有效的手段之一。

多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)技术在射频通信系统中，能在不增加带宽和发射功率的情况下大幅提高信道容量，能通过分集提高传输可靠性和复用技术提高传输速率。将MIMO技术应用与可见光通信系统中，充分利用LED阵列多光源的特点，复用空间维度，获得更大的系统容量，如果发射端LED阵列发送相同光信号，可以明显提高系统可靠性。

但是，可见光通信通信无法替代射频通信，其存在以下缺点：首先，可见光沿直线传播，其绕射能力很差，大部分只能在视距场景下通信，在非视距场景下无法正常通信。此外，电磁波在自由空间中衰减速率与其频率的二次方成反比，可见光由于频率高，衰减速度快，无法实现较长距离的通信，这些大大限制了其应用。目前大部分基于可见光通信的成果为下行链路的单向通信，少有双向的可见光通信设备，而在大部分通信场景中，双向通信是必不可少的。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种可在非视距场景下正常通信的基于MIMO技术的可见光双向语音对讲系统。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的音频编码模块、功分器、调制模块、第一LED驱动模块和LED阵列；接收端包括依次连接的PD阵列、第二LED驱动模块、RSSI指示电路、解调模块和音频解码模块；所述LED阵列中的各LED灯之间等角度分开并在水平面上均匀分布，所述PD阵列中的各PD之间也等角度分开并在水平面上均匀分布。

所述各LED灯外均安装有LED聚光杯，所述各PD的前端均加有非球面准直透镜。

所述LED阵列中的LED灯有三个；所述功分器的输出分为三条支路，每条支路依次连接有FM调制模块、跨导放大模块、T型偏置器和一个所述LED灯。

采用上述方案后，本发明的一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，LED阵列中的各LED灯之间等角度分开并在水平面上均匀分布，使得LED灯光能覆盖更大空间范围，同时又保证通信距离；PD阵列中的各PD之间也等角度分开并在水平面上均匀分布，可以接收不同角度过来的LED灯光，弥补可见光通信绕射能力差的不足。使用时，将通信A端的LED阵列与通信B端的PD阵列相对，通信A端的PD阵列与通信B端的LED阵列相对，这样，通过通信A、B两端的PD阵列和LED阵列能实现收发两端在非视距场景下的正常通信，满足通信双方非视距场景下语音对讲功能。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明中LED阵列和PD阵列的排列方式示意图。

图3为本发明的使用状态示意图。

图4为本发明中发射端的结构示意框图(省略音频编码模块)。

图5为本发明中接收端的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明的一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，如1所示，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的音频编码模块11、功分器12、调制模块13、第一LED驱动模块14和LED阵列15；接收端包括依次连接的PD阵列21、第二LED驱动模块22、RSSI指示电路23、解调模块24和音频解码模块25。

音频编码模块11采用WM8960，包括放大模块、麦克风和耳机接口；麦克风输入模拟语音信息经过放大器ADC采样后进行音频编码。

结合图2所示，LED阵列15具有三个LED灯，此三个LED灯外分别安装有LED聚光杯(图中未示出)，用以增加系统通信距离，且LED阵列15的三个LED灯之间的等角度分开，并在水平面上均匀分布，使得LED灯光能覆盖更大空间范围，同时又保证通信距离。

PD阵列21由3个PD(光电二极管)构成，每个PD等角度在水平面内均匀分布，可以接收不同角度过来的LED灯光，弥补可见光通信绕射能力差的不足，为了增大接收功率，可在每个PD前端加上非球面准直透镜。

结合图4所示，输入的语音信号经过音频编解码模块11进行非失真放大，成为数字基带信号后通过功分器12分为三条支路，每条支路的语音信号分别通过FM调制模块131独立进行FM调制，将载频调制到高于20kHz，经过调制后的信号分别通过各自的驱动电路(跨导放大模块141和T型偏置器142)将电信号分别加载在LED灯151中，实现将语音信号加载到光信号上面。

结合图5所示，光信号进入接收端的PD阵列21，将光信号转化为电信号，由于PD阵列21中各个PD211的接收方向不同，每个PD211接收的光强不一致，各个PD211转化的电信号通过LED驱动模块22进行放大处理后，再通过RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator，接收信号强度指示器)指示电路23判断接收端信号强度，将多个PD211接收到的多路信号通过RSSI指示电路23，获取每个PD获得信号的强度。此时的接收信号较弱，在进入解调模块24之前先通过放大模块26对获取的信号进行放大，最后通过音频解码模块25进行解码和放大将电信号转化为语音信号输出，最后通过耳机播放音频信号。

如图3所示，通信A端和通信B端两个通信终端分别封装在相同规格的长方体盒子中，由3.5V蓄电池为其供电，系统在满足非视距场景通信下，LED阵列15和PD阵列21中LED灯的个数和PD的个数均为3个，LED阵列15中每个LED灯都安装有聚光杯，PD阵列21中每个PD的前端都加上非球面准直透镜，大大提高通信距离。

由于可见光绕射能力弱，基本无法实现非视距场景下通信，本发明采用MIMO技术，收发双方的多个LED灯和PD采用如图2所示的排列方式，将LED灯与PD在水平面内按一定的角度均匀分开排列，在发射端可以发射更大角度的光信号，接收端能够接受更大角度的信号，这样即使在通信A端和通过B端在非视距场景下仍然能满足正常通信，克服了可见光通信的主要缺陷。

本发明将射频通信MIMO技术应用在可见光通信中，通信A端和通信B端均由多个LED灯和多个PD构成，多个LED灯和PD分别构成通信两端的收发阵列，实现基于MIMO技术可见光语音通信系统。在本发明中，每个支路，每个LED灯发射相同的语音信号。

本发明中，音频编码模块11和音频解码模块25可采用一个共用的音频编解码模块，此音频编解码模块中的话筒和耳机为系统输入输出端口，其余为信号处理模块。本发明将发射端和接收端的信号处理部分集成在相同规格的PCB板上，由3.5V蓄电池分布为其供电，装置便于携带。

如图3所示，信号处理模块封装在长方体盒子3中，长方体盒子3的侧边沿留有控制LED阵列和PD阵列的两个开关41、42，两个开关41、42由黑色和红色颜色加以区别。本发明中，两个开关41、42分别控制LED阵列和PD阵列的工作状态，当只需要单向通信时可将通信A端和将通信B端各自关闭一个不同的开关，即，一个仅开通发射功能，另一个仅开通接收功能，以达到节能的目的。例如，当通信A端和通信B端各打开一个颜色不同的开关时(一个开通仅发射功能，另一个仅开通接收功能)，系统可以实现单向语音通信，用于教学，演示等；当通信A端和通信B端黑色和红色两个开关同时打开，则通信A端和通信B端的发射和接收功能均开通，能实现语音对讲通信。

本发明通过FM调制将语音信号调制到20kHz，由于其它光源，自然光，不可见光等背景光源的干扰，需要对这部分光源产生的噪声进行去除。由于背景光的光强变化缓慢，相对于快速变化的调制光信号而言，大部分干扰属于低频干扰，其范围在0～12kHz之间，通过FM调制，将其频率调制到高频20kHz，在接收端，由一个高通滤波器进行滤波，便可将背景噪声滤除。

Claims (3)

1.一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，其特征在于：包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的音频编码模块、功分器、调制模块、第一LED驱动模块和LED阵列；接收端包括依次连接的PD阵列、第二LED驱动模块、RSSI指示电路、解调模块和音频解码模块；所述LED阵列中的各LED灯之间等角度分开并在水平面上均匀分布，所述PD阵列中的各PD之间也等角度分开并在水平面上均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，其特征在于：所述各LED灯外均安装有LED聚光杯，所述各PD的前端均加有非球面准直透镜。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于MIMO技术的可见光通信双向语音对讲系统，其特征在于：所述LED阵列中的LED灯有三个；所述功分器的输出分为三条支路，每条支路依次连接有FM调制模块、跨导放大模块、T型偏置器和一个所述LED灯。