CN116886190A - 一种基于可见光的望远式音频信息发送方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于可见光的望远式音频信息发送方法，应用于通信技术领域。所述方法包括：接收到音频的模拟信号；将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号。本发明能够显著提高可见光通信技术的通信距离。在不会影响电磁环境的前提下，可实现可见光通信在5000米距离内的传输，同时可以保证可见光通信技术在实施过程中的可靠性，同时抗干扰性强，即使是全频段阻塞干扰也无法影响到可见光传输。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于可见光的望远式音频信息发送方法。
背景技术
可见光通信技术(VLC)是指利用半导体发光器件高速亮灭的响应特性，用大功率LED发出的肉眼察觉不到的高速率调制的光载波信号，在实现照明的同时来对信息进行携带和传输。将可见光通信技术用于音频信息发送有广阔的前景。
首先它是在光通信技术的基础上发展而来的，利用的是光谱中可见光波段的频率范围，可提供高速的数据传输速度和高度的传输安全性，同时还具有低辐射、低电磁干扰等优点。与传统的无线通信技术相比，可见光通信技术具有更高的安全性，因为光信号只能在可见范围内传输。同时，可见光通信技术的传输速度也非常快，可以达到几百兆字节每秒，比传统的Wi-Fi和蓝牙技术更快。同时可见光波段具有丰富的频谱资源，无需频谱认证，而且可见光通信技术融合了光通信技术、LED照明技术与无线通信技术。可见光通信技术相比较于其他无线通信技术，不存在电磁干扰、保密性能好、绿色环保、照明的同时进行通信因而成本低。
在实际应用中，可见光通信技术通常只能支持有限距离内的音频传输。需要满足一定的条件才能可靠的实现远距离音频信息传输。首先，需要大功率LED来保证光源的强度。而发光强度会影响LED的使用寿命、工作时长等。其次，准确的定向的接收音频信息。而远距离定向存在一定的挑战。
目前缺少一种通信距离远且可靠性强的基于可见光通信技术的音频信息发送方法，能有效的解决可见光通信系统存在的通信距离短，可靠性不强等问题。
发明内容
本发明提供了一种基于可见光的望远式音频信息发送方法，以解决目前缺少一种通信距离远且可靠性强的基于可见光通信技术的音频信息发送方法，能有效的解决可见光通信系统存在的通信距离短，可靠性不强等问题。
为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一方面，一种基于可见光的望远式音频信息发送方法，所述方法包括：
接收到音频的模拟信号；将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号。
优选地，所述将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号包括：利用音频模数转换器将音频模拟信号编码成I2S协议数字信号；利用FPGA编码芯片将音频模数转换器输出的I2S协议数字信号二次编码成可用于可见光信道传输的串行信号。
优选地，所述光学望远镜有测距功能。
优选地，使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数：使用光学望远镜对信号接收端进行测距和目标锁定，输出发送距离和照射区域。
优选地，所述对串行信号进行放大包括：利用光强度的反比定律公式计算驱动光源的最低光强度,所述反比定律公式为，I＝E/d2，
其中：
I：光强度，E：光源的光通量，d：光源到被照射表面的距离；
基于所述驱动光源的最低光强度，计算所需电压和电流；
通过利用LED驱动电路中的功率放大器放大串行信号到所需电压和电流。
优选地，所述望远式音频信息接收方法包括：使用光学望远镜对信号发射端进行观测和瞄准，获取发送距离信息；
根据发送距离信息计算接收功率和自适应放大倍数；
利用光学透镜将LED光源的光束集中到光电探测器的有效接收区域，并接收光信号；
将接收到的光信号转换成数字信号；
将所述数字信号恢复成原始的音频模拟信号。
优选地，
所述根据发送距离信息计算接收功率和自适应放大倍数包括：所述计算接收功率包括：
其中：
A：接收功率，a:发射端的角度大小，d0：光学透镜到发射端距离，di：光学透镜到接收器距离。。
优选地，所述将所述数字信号恢复成原始的音频模拟信号包括：利用放大电路用于将光电探测器输出的电流信号转换并放大成电压信号；利用滤波电路滤去所述放大电路输出的电压信号中有效信号以外的高频噪声；利用二级放大电路将经过滤波电路滤波后的电压信号再一次放大；利用判决电路将经过二级放大电路再一次放大后的电压信号转换成可供解码模块处理的3.3V数字信号。
优选地，所述解码模块包括FPGA解码芯片和音频数模转换器；所述FPGA解码芯片用于将所述信号恢复电路输出的数字信号解码成I2S协议数字信号；所述音频数模转换器用于将FPGA解码芯片输出的I2S协议数字信号恢复成原始的音频模拟信号。
另一方面，麦克风模块，用于接收到音频的模拟信号；编码模块，用于将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；望远镜模块，用于使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；可见光驱动模块，用于根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；发送模块，用于根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号，所述定向发送信号适用于望远式音频信息接收方法。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案提供的基于可见光的望远式音频信息发送方法能显著提高可见光通信技术的通信距离，在不会影响电磁环境的前提下，可实现可见光通信在5000米距离内的传输；同时可以保证可见光通信技术在实施过程中的可靠性；同时抗干扰性强，即使是全频段阻塞干扰也无法影响到可见光传输；另一方面，本发明的基于可见光的音频通信方法既能照明，又能通信，环境空间利用率高，符合节能环保政策要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于可见光的望远式音频信息发送系统的框图；
图2为本发明的一种基于可见光的望远式音频信息发送方法的流程图；
图3为本发明的将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号的方法的流程图；
图4为本发明的FPGA编码时序图；
图5为本发明的对串行信号进行放大的方法的流程图；
图6为本发明的大功率LED驱动电路；
图7为本发明的一种基于可见光的望远式音频信息接收方法的流程图；
图8为本发明的一种基于可见光的望远式音频信息发送装置800的框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明提供了一种基于可见光的望远式音频信息发送方法，以解决目前缺少一种通信距离远且可靠性强的基于可见光通信技术的音频信息发送方法，能有效的解决可见光通信系统存在的通信距离短，可靠性不强等问题。
图1为本发明的基于可见光的望远式音频信息发送系统的框图。基于可见光的望远式音频信息发送系统系统100中包括发射端110和接收端120。
如图1所示，
110是发射端；
在一些实施例中，发射端包括编码模块，发射模块和光学望远镜；在一些实施例中，所述编码模块用于将需要发送的音频模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；所述编码模块包括音频模数转换器和FPGA编码芯片；其中，所述音频模数转换器用于将音频模拟信号编码成I2S等协议数字信号；所述FPGA编码芯片连接于所述音频模数转换器，用于将音频模数转换器输出的数字信号二次编码成可用于可见光信道传输的串行信号。
在一些实施例中，所述发射模块连接于所述编码模块，用于将所述编码模块输出的串行信号转换成光信号发送出去。所述发射模块包括LED驱动电路和大功率LED光源；其中，所述LED驱动电路用于将所述FPGA编码芯片输出的串行信号调制成可驱动大功率LED灯的电流信号；所述LED光源连接于所述LED驱动电路，用于在所述LED驱动电路的驱动下，通过LED灯光的明暗变化发送二进制光信号。
在一些实施例中，所述光学望远镜用于对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数。所述光学望远镜有测距功能。发送参数包括发送距离和照射区域。
120是接收端；
在一些实施例中，所述接收端包括接收模块和解码模块；所述接收模块连接于所述解码模块，用于接收光信号，并将接收到的光信号转换成数字信号；所述解码模块用于将接收模块输出的数字信号恢复成原始的音频模拟信号。
在一些实施例中，所述接收模块包括光电探测器，信号恢复电路和光学望远镜；所述光电探测器用于接收光信号并将接收到的光信号转换成电流信号；所述信号恢复电路连接于所述光电探测器，用于将所述光电探测器输出的微弱的电流信号恢复成可供所述解码模块处理的数字信号。另外，接收模块还包括光学透镜，光学透镜用于将LED光源的光束集中到符合有效面积的区域。
在一些实施例中，所述解码模块包括FPGA解码芯片和音频数模转换器；其中，所述FPGA解码芯片连接于所述接收模块，用于将所述信号恢复电路输出的数字信号解码成I2S协议数字信号；所述音频数模转换器连接于所述FPGA解码芯片，用于将FPGA解码芯片输出的I2S协议数字信号恢复成原始的音频模拟信号。
图2为本发明的一种基于可见光的望远式音频信息发送方法的流程图。
如图2所示，
在210处，接收到音频的模拟信号；
在一些实施例中，通过拾音器将声波转换为模拟信号。
在220处，将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；
在一些实施例中，可以通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，可以采用不同的编码格式，其中I2S是一种常用的编码格式之一。I2S标准采用了高速时钟信号和低速时钟信号的组合，可以实现高精度的音频数据传输，同时还可以支持多声道音频。除了I2S,还有PCM，TDM等编码格式。
在230处，使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；
在一些实施例中，获取串行信息发送参数主要包括发送角度，发送距离和发散角度，望远镜光轴与光发射端及接收端的光学结构方向一致，可以在使用望远镜寻找目标的同时锁定准确的发射角度。
在240处，根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；
在一些实施例中，建立可见光通信链路，经过FPGA编码芯片编码后的DOUT信号即在光路传输的串行信号，由FPGA编码芯片的IO引脚输出。但是此时的信号不足以点亮大功率LED，所以需要LED驱动电路对信号进行放大，产生高达1A的电流才可以让LED正常工作。这个过程通常由功率放大器完成，需要注意的是，LED驱动电路中的功率放大器通常是专门设计的。在实际应用中，需要根据具体的要求选择适当的功率放大器，并进行合理的电路设计和优化，以确保LED驱动电路的性能和稳定性。
在250处，根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号；
在一些实施例中，可以通过多次实验获取发送距离和最低光强度关系表。根据发送距离和最低光强度关系表，判断最低光强度。
在一些实施例中，使用大功率LED，单颗灯珠功率10W，采用多个LED灯并联的方式同步发射信号，可有效增加传输距离。根据最低光强度计算需要使用LED灯的数量。
在一些实施例中，根据发散角度，利用光学工具，约束光束的发散角度，使其发送距离上仍有3lux以上照度。
图3为本发明的将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号的方法的流程图。
如图3所示，
在310处，利用音频模数转换器将音频模拟信号编码成I2S协议数字信号；
在一些实施例中，具体数据包括：由音频模数转换芯片编码成I2S格式的数字信号，包含BCK、LRC、DATA三路信号，其中，BCK和LRC为时钟信号。DATA信号包含了音频数据本身。以上三路信号一起工作，可以实现音频数据的传输和同步。
在320处，利用FPGA编码芯片将音频模数转换器输出的I2S协议数字信号二次编码成可用于可见光信道传输的串行信号；
在一些实施例中，音频模数转换芯片编码完成的信号发送至FPGA编码芯片进行二次编码，此时需要将三路信号合并成一路串行信号，才能在光路中传输，编码方式如图2所示，包括：FPGA编码芯片读取到LRC的上升沿或者下降沿时，计数器开始对BCK的下降沿计数，此时DOUT和DATA一致；当计数器计数至24时，DOUT开始插入8位帧头数据11011011，计数器归零并重新计数；当计数器计数至8时，一个数据包结束，LRC再次出现上升沿或者下降沿，计数器归零并重新计数。基于此，将三路信号合并成一路串行信号，在DATA信号中的8位无效数据处加入帧头数据，完成编码，得到DOUT信号。
图5为本发明的对串行信号进行放大的方法的流程图。
如图5所示，
在510处，利用光强度的反比定律公式计算驱动光源的最低光强度；
在一些实施例中，光强度的反比定律指出，光源的光强度与距离的平方成反比，即，I＝E/d2，
其中：
I：光强度，E：光源的光通量，d：光源到被照射表面的距离；
根据这个公式，可以计算出驱动光源的最低光强度。在实际应用中，E的值取决于光源的特性和环境因素，通常需要进行实验测量或模拟计算。
在520处，基于所述驱动光源的最低光强度，计算所需电压和电流；
在一些实施例中，通过实验获取所选LED灯光强度和电流关系表。根据最低光强度获取最低电压和电流。
在530处，通过利用LED驱动电路中的功率放大器放大串行信号到所需电压和电流；
在一些实施例中，针对大功率LED，其驱动电路的设计至关重要，直接影响LED的使用寿命、工作时长等，为此本实施例设计了如图6所示的大功率LED驱动电路。该电路采用推挽电路(push-pull)设计，内部集成了逻辑信号输入处理电路、死区时控制电路、闭锁电路、电平位移电路、脉冲滤波电路及输出驱动电路，专用于大功率控制器中的驱动电路。本实施例用其驱动LED光源发出光信号。
图7为本发明的一种基于可见光的望远式音频信息接收方法的流程图。
如图7所示，
在710处，使用光学望远镜对信号发射端进行观测和瞄准，获取发送距离信息；
在一些实施例中，首先利用光学望远镜对信号发送端进行观测和瞄准。调整接收端的角度，并获取发送端距离。
在720处，根据发送距离信息计算接收功率和自适应放大倍数；
在一些实施例中，计算接收功率包括：
其中：
A：接收功率，a:发射端的角度大小，d0：光学透镜到发射端距离，di：光学透镜到接收器距离。
在730处，利用光学透镜将LED光源的光束集中到符合有效面积的区域，并接收光信号；
在一些实施例中，按照有效面积计算结果，将光学透镜放置在合适的位置，确保能把LED光源集中到有效面积。有效面积和光电探测器的光敏面积一致。
在740处，将接收到的光信号转换成数字信号；将所述数字信号恢复成原始的音频模拟信号；
在一些实施例中，利用信号恢复电路将所述数字信号恢复成原始的音频模拟信号。信号恢复电路包括IV放大电路、RC滤波电路、自适应放大电路以及判决电路；其中，所述IV放大电路与所述光电探测器电连接，所述RC滤波电路与所述IV放大电路电连接，所述自适应放大电路与所述滤波电路电连接，所述判决电路与所述自适应放大电路电连接；所述IV放大电路用于将所述光电探测器输出的电流信号转换并放大成电压信号；所述RC滤波电路用于滤去所述放大电路输出的电压信号中有效信号以外的高频噪声；所述自适应放大电路用于将经过所述RC滤波电路滤波后的电压信号再一次放大；所述判决电路用于将经过所述二级放大电路再一次放大后的电压信号转换成可供所述解码模块处理的5V数字信号。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本公开所述方案进行进一步说明。
图8为本发明的一种基于可见光的望远式音频信息发送装置800的框图。
装置800可以被包括在图1的110中。如图8所示，装置800包括：麦克风模块810，用于接收到音频的模拟信号；编码模块820，用于将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；望远镜模块830，用于使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；可见光驱动模块840，用于根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；发送模块850，用于根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号。
综上，本实施例结合自然光的环境特点与可见光通信技术的优势，设计了一种基于可见光的望远式音频信息发送方法。本实施例的系统通过通信设备中的大功率LED发送串行信号，通信设备的接收端接收信号并还原出音频信号，并利用光学望远镜实现串行信号的精准定向发送和信号的增强接收。实现双工语音的远距离通信，具有绿色安全，无电磁干扰，实时性好，保密性能好等优点。
有以下几点需要说明：
(1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于可见光的望远式音频信息发送方法，其特征在于，所述方法包括：
接收到音频的模拟信号；
将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；
使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；
根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；
根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号，所述定向发送信号适用于望远式音频信息接收方法。
2.根据权利要求1所述的基于可见光的望远式音频信息发送方法，其特征在于，所述将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号包括：
利用音频模数转换器将音频模拟信号编码成I2S协议数字信号；
利用FPGA编码芯片将音频模数转换器输出的I2S协议数字信号二次编码成可用于可见光信道传输的串行信号。
3.根据权利要求1所述的基于可见光的望远式音频信息发送方法，其特征在于，所述光学望远镜有测距功能。
4.根据权利要求1所述的基于可见光的望远式音频信息发送方法，其特征在于，所述使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数包括：使用光学望远镜对信号接收端进行测距和目标锁定，输出发送距离和照射区域。
5.根据权利要求1所述的基于可见光的望远式音频信息发送方法，其特征在于，所述对串行信号进行放大包括：利用光强度的反比定律公式计算驱动光源的最低光强度,所述反比定律公式为，I＝E/d2，
其中：
I：光强度，E：光源的光通量，d：光源到被照射表面的距离；
基于所述驱动光源的最低光强度，计算所需电压和电流；
通过利用LED驱动电路中的功率放大器放大串行信号到所需电压和电流。
6.根据权利要求1所述的基于可见光的望远式音频信息发送方法，其特征在于，所述望远式音频信息接收方法包括：
使用光学望远镜对信号发射端进行观测和瞄准，获取发送距离信息；
根据发送距离信息计算接收功率和自适应放大倍数；
利用光学透镜将LED光源的光束集中到光电探测器的有效接收区域，并接收光信号；
将接收到的光信号转换成数字信号；
将所述数字信号恢复成原始的音频模拟信号。
7.根据权利要求6所述的基于可见光的望远式音频信息接收方法，其特征在于，所述根据发送距离信息计算接收功率和自适应放大倍数包括：所述计算接收功率包括：
其中：
A：接收功率，a:发射端的角度大小，d0：光学透镜到发射端距离，di：光学透镜到接收器距离。
8.根据权利要求6所述的基于可见光的望远式音频信息接收方法，其特征在于，所述将所述数字信号恢复成原始的音频模拟信号包括：利用放大电路用于将光电探测器输出的电流信号转换并放大成电压信号；利用滤波电路滤去所述放大电路输出的电压信号中有效信号以外的高频噪声；利用二级放大电路将经过滤波电路滤波后的电压信号再一次放大；利用判决电路将经过二级放大电路再一次放大后的电压信号转换成可供解码模块处理的3.3V数字信号。
9.根据权利要求6所述的基于可见光的望远式音频信息接收方法，其特征在于，所述解码模块包括FPGA解码芯片和音频数模转换器；所述FPGA解码芯片用于将所述信号恢复电路输出的数字信号解码成I2S协议数字信号；所述音频数模转换器用于将FPGA解码芯片输出的I2S协议数字信号恢复成原始的音频模拟信号。
10.一种基于可见光的望远式音频信息发送装置，其特征在于，包括：麦克风模块，用于接收到音频的模拟信号；编码模块，用于将音频的模拟信号编码成可用于可见光信道传输的串行信号；望远镜模块，用于使用光学望远镜对信号接收端进行观测和瞄准，获取串行信息发送参数；可见光驱动模块，用于根据所述发送参数，计算所述串行信息的驱动光源的最低光强度，对串行信号进行放大；发送模块，用于根据所述发送参数和所述最低光强度，进行定向发送信号，所述定向发送信号适用于望远式音频信息接收方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310945357.6A CN116886190A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种基于可见光的望远式音频信息发送方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202310945357.6A CN116886190A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种基于可见光的望远式音频信息发送方法 |
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| CN116886190A true CN116886190A (zh) | 2023-10-13 |
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| CN (1) | CN116886190A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117713931A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-03-15 | 苏州大学 | 一种基于可见光通信的智能导盲系统及方法 |
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2023
- 2023-07-28 CN CN202310945357.6A patent/CN116886190A/zh active Pending
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