一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法
技术领域
本发明涉及通信与信息处理技术，具体涉及一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法。
背景技术
目前，自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)融合了微波通信和光纤通信的优势，具有高数据传输速率、高安全性、无需频率许可、组网灵活和性价比高等特点，是未来极具发展前景的一种无线宽带接入技术。近年来，已经有越来越多的研究者开始重点研究自由空间光通信系统信息处理技术，并且采用FSO链路实现数据、语音、图像等信息的传输，但是，近地面自由空间光通信由于受到大气衰减、大气湍流效应等大气环境的影响，限制了FSO的通信距离和应用。
可见光通信技术，是利用实际照明中使用的发光二极管（Light Emitting Diode，LED）发出快速的、人眼所无法察觉的明暗变化的闪烁信号来传输信息的，在接收端利用可见光探测器接收明暗闪烁的光信号并解调以获得通信数据。
利用LED做成的无线通信系统能够覆盖室内灯光达到的范围，通信终端不需要电线连接，并且LED具有节能、环保、安全、经济等特点，因而具有广泛的开发前景。
LED通信相对于射频通信有成本低、传输速率高、保密性好、不必受频谱限制、应用场合广等很多优点。基于可见光LED的通信技术，可以以低廉的价格同时实现照明和通信，适用于多种场景，得到了日本、美国和欧洲等各国专家学者的广泛关注和支持，从可见光通信兴起至今，取得了一个又一个突破性进展。
日本研究者最先提出了可见光通信的概念。
2000年，日本庆应义塾大学的Tanaka等人采用强度调制直接检测方式对可见光通信系统进行了建模和仿真。2007年，爱丁堡大学采用正交相移键控调制的编码正交频分复用技术进行可见光通信，实验结果表明应该在小于90厘米范围传输，系统误码率为2×10-5。2008年在日本九十九里海滩进行了利用灯塔上的LED作为发射机的可见光通信实验，通信距离为2km，最大通信速率为1Kbps。2009年，日本展出了应用可见光通信系统的数字广告牌，该广告牌利用其背光LED传输数据，其使用者可以根据需要下载信息。2009年，Vucic等人使用大功率荧光激发式白光LED以及基于正交幅度调制的离散多音调制技术，实现了230Mbps的通信速率，误码率小于10-3，其数据处理为离线方式。
2010年日本以图像传感器作为接收机，利用LED交通信号灯作为发射机进行通信实验并取得成功，该系统传输速率4800Kbps，通信距离可达300m。2011年，德国海因里希·赫兹研究所Grunor和Langer首次提出了可见光通信系统的传输速率会受到LED调制带宽的限制，研究出了多电平调制方法来提高大功率白光LED的调制带宽，将可见光通信系统的数据传输速率提高到500Mbps。2012年，意大利的圣安娜高等研究学院Khalid等人基于DMT技术和1024QAM技术，采用雪崩光电二极管作为接收机，实现了1Gbps的可见光通信数据传输最大速率。
2013年，Azhar等人提出的利用多输入多输出和OFDM技术，实现了基于室内的可见光通信系统1Gbps的速率传输。2013年Shuailong等人实现了1.5Gbps的多通道可见光通信系统。2014年，Cossu等展示了可见光与红外波段组成的混合通信方案，该方案是可见光作为下行链路，红外光作为上行链路的波分双工通信系统，上下行链路均采用离散多音频调制技术，在通信距离为2m的条件上实现了400Mbit/s的双工通信。2015年，佐治亚理工学院的Mossaad针对可见光通信中OFDM调制技术的高峰均比的问题进行研究，提出在发射端将高峰均比的OFDM信号分割为多个低峰均比信号并分别通过多个LED进行传输的方式，减少了LED光源的非线性对峰均比过大的信号的影响。2017年意大利国家研究委员会的Masini等设计了一种应用于道路交通设备的可见光通信系统，用以解决城市交通中车辆拥堵的问题。2017年英国爱丁堡大学的Basnayaka设计了一种结合射频与可见光通信技术的室内可见光通信系统，用以解决室内可见光通信系统中，光照度不均衡引起的室内可见光通信信号覆盖不均的问题。
由于可见光通信独特的优势，也同样获得了国内学者的广泛关注。
可见光通信技术在近十年中得到了非常迅猛的发展，通信速率已经从几十兆比特每秒发展到100Mb/s、200Mb/s、500Mb/s、800Mb/s，现在已突破了Gb/s，而且其应用也越来越广泛。但现有的研究主要集中在提高数据传输速率，随着可见光通信系统传输速率的增加，通信系统性能提高技术的研究显得尤为重要。
综上所述，可见光通信具有诸多优点，比如：安全性高、传输速率快等，但是室内的多径干扰会产生接收信号串扰等问题，所以为了优化接收端性能，本专利采用自适应均衡算法对接收信号进行处理，采用神经网络进行自适应均衡处理，从而大幅度优化接收信号的质量，满足可见光短距离通信的需要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种自由空间可见光通信系统及其通信性能优化算法。
根据本发明的一个方面，提供了一种自由空间可见光通信系统，包括发送终端、接收终端；
所述发送终端包括信号输入接口、信号调制电路、信号驱动电路；
所述接收终端包括信号检测接收放大电路、信号解调电路、信号输出接口；
所述信号输入接口与信号调制电路连接，信号输入接口包括语音输入接口和数字信号输入接口；
语音输入接口采用麦克风接口，麦克风接口采集外部需要传输的语音信号，信号输入电路将语音输入接口输入的语音信号编码后，将模拟信号转换为0-3V数字信号传输给DSP；
所述信号调制电路与信号驱动电路连接，信号调制电路用于将数字信号进行编码，通过信号驱动电路将信号调制电路输出的信号加上偏置驱动LED后输出为已调制光信号，并发送至自由空间信道中；
所述信号检测接收放大电路与信号解调电路连接，信号检测接收放大电路采用PIN光电二极管接收发射端载有信息的已调制光信号，由PIN光电二极管光电感应转化为微弱的电流信号，经过放大器将电流信号转化为电压信号并进行二级放大；
所述信号解调电路用于光通信接收端的信号检测接收放大电路输出电信号的解调；
所述信号解调电路与信号输出接口连接，用于信号解调后由数字信号与语音信号进行输出；
所述信号解调电路由DSP完成对接收信号的自适应非线性补偿，并进行信号判决，信号解调电路通过对接收信号的非线性补偿达到改善通信性能的目的。
进一步地，所述信号输入接口的语音输入部分包括麦克风及语音编码芯片TLV320AIC23；
麦克风用于通过无源的麦克进行现场的声音采集，麦克通过麦克风接口与语音编码芯片TLV320AIC23的MICIN端和MICBIAS端连接，语音编码芯片TLV320AIC23用于前端语音模拟信号转变为数字信号，完成语音信号采集和语音信号发送，在电路中采用语音编码芯片TLV320AIC23的数字接口与发送端DSP的MCASP0端相连，语音编码芯片TLV320AIC23的控制接口与发送端的DSP的IIC1端相连。
更进一步地，所述信号调制电路用于可见光通信系统发送端接收从信号输入接口得到的信号，并对信号进行编码处理，其调制方式采用OOK的调制方式和OFDM的调制方式；信号调制电路包括DSP芯片TMS320C6713和语音编码电路，所述语音编码电路电性连接DSP芯片TMS320C6713。
更进一步地，所述信号驱动电路包括运放U1，电阻R1、R2、R4、R5，电位器R3，电容C1、C2、C3、C4，发光二极管LED；
所述电阻R4跨接于运放U1的反相端与输出端之间，所述电阻R5与电容C4串联后与电阻R4并联；电阻R1一端连接于运放U1的反相端，另一端通过电容C2连接地；
所述电容C3一端连接运放U1的输出端，另一端连接发光二极管LED的正极；发光二极管LED的负极分别连接电位器R3的一端和中间抽头，电位器R3的另一端连接地；
所述电容C1一端连接信号驱动电路3的输入端Ui，另一端分别连接运放U1的反相端和电阻R2；电阻R2的另一端连接地。
更进一步地，所述信号检测接收放大电路4包括一级放大电路和二级放大电路；所述一级放大电路连接二级放大电路；
所述一级放大电路包括运放U2，电阻R1、R2，光电二极管D1；
所述电阻R1跨接于运放U2的反相端和输出端之间；
所述光电二极管D1一端连接-5V电源，另一端连接运放U2的反相端；所述电阻R2一端连接运放U2的同相端，另一端连接地；
所述二级放大电路包括运放U3，电阻R4、R5、R6，电容C2；所述电容C2与电阻R4并联后跨接于运放U3的反相端和输出端之间；
所述运放U2的输出端和运放U3的反相端之间设有串联的电容C1和电阻R3；
所述电阻R5一端连接运放U2的同相端，另一端连接地；
所述电阻R6一端连接运放U3的输出端，另一端连接信号检测接收放大电路4的输出端Vout。
更进一步地，所述信号解调电路包括7个DSP互联的并行系统；
主处理器采用一片DSP作为通信控制器，对系统的输入输出数据及整个系统进行管理；从处理器采用6片DSP进行智能算法处理；主处理器通过HPI口向从DSP加载程序，对从DSP进行控制，通过HPI口向DSP写入待处理的数据或通过HPI口读取从DSP从机处理完的数据，从DSP之间的数据通过HPI口由主处理器进行中转。
根据本发明的又一个方面，提供了一种自由空间可见光通信系统的通信性能优化算法，包括：
自适应均衡器工作在两种模式：训练模式和跟踪模式；训练模式用于对基于神经网络的自适应均衡器的网络参数系数确定，跟踪模式用于数据传输时信号的解调；
在训练模式下，需要提供输入和期望的数据集，发送一个训练样本信息对接收端均衡滤波器系数
步骤1、采用3层网络结构，各层节点数分别采用6、6、1，初始化网络权值系数
步骤2、将训练样本集中信息码串Xi送入网络，按公式（1）计算各层网络的输出值：
其中，
发送端发送每组样本数为254个，在公式（1）中，每个样本X依次送给数据总线，同时在6个DSP中运算，送完6个数据就可以得到6个计算值，每个计算值由（2）式可得到隐含层输出值：
其中，
经过同样的254次相同的操作，可以完成由输入层向隐含层的传播，再同样经过254次操作，可以完成由隐含层向输出层的传播；
输入层信号与相应权值相乘累加后传播到隐藏层，
步骤3、神经网络采用有监督的训练模式，反向传播阶段快速算出所有参数的偏导数；反向传播阶段按公式（3）、公式（4）计算各层网络的误差值，其中用p表示第p个样本，L表示网络的层数，k表示第k层，i、j表示节点数，则第k层第i个神经元处的误差用
步骤4、按公式（5）、（6）对权值进行修改，用
步骤5、判断网络是否训练结束，没结束则继续执行步骤2；
训练模式结束后进入跟踪模式，按照训练好的神经网络参数进行自适应均衡接收通信数据。
本发明的优点：
本发明主要用于空间短距离光通信，在接收端实现自适应均衡技术提高通信性能。本发明在光通信发送端采用强度调制方式，使用DSP进行信源信号采集和处理，在接收端采用DSP实现基于神经网络的自适应均衡器，能在不同湍流强度下进行自适应均衡改善接收信号质量，进而降低误码率，提高通信性能；
本发明的光发送端通过DSP进行可见光LED调制，采用运放搭建驱动电路，调制带宽达到50MHz，基本满足局域网短距离通信的高速数据传输需求；
本发明光通信接收端采用自适应均衡算法处理空间光接收信号，一定程度上克服了大气环境的影响，在语音传输和数字信号传输时系统改善通信效果明显；
本发明同时采用外部信号和语音信号输出，能保证系统在各种天气情况下稳定可靠地工作，对短距离和特殊场合的高速率通信的具有很大的应用意义和推广价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的自由空间可见光通信系统的结构框图；
图2为本发明实施例的自由空间可见光通信系统的信号输入接口电路1与信号调制电路2连接示意图；
图3为本发明实施例的自由空间可见光通信系统的信号驱动电路3示意图；
图4为本发明实施例的自由空间可见光通信系统的信号检测放大电路4示意图；
图5为本发明实施例的自由空间可见光通信系统的信号解调电路5示意图；
图6为本发明实施例的自由空间可见光通信系统的自适应均衡算法流程图；
图7为本发明实施例的在MATLAB下对数据传输过程进行仿真结果图。
附图标记：
1为信号输入接口、2为信号调制电路、3为信号驱动电路、4为信号检测接收放大电路、5为信号解调电路、6为信号输出接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考图1，如图1所示，一种自由空间可见光通信系统，包括发送终端、接收终端；
发送终端包括信号输入接口1、信号调制电路2、信号驱动电路3；
接收终端包括信号检测接收放大电路4、信号解调电路5、信号输出接口6；
信号输入接口1与信号调制电路2连接，信号输入接口1包括语音输入接口和数字信号输入接口；
语音输入接口采用麦克风接口，麦克风接口采集外部需要传输的语音信号，信号输入电路将语音输入接口输入的语音信号编码后，将模拟信号转换为0-3V数字信号传输给DSP；
信号调制电路2与信号驱动电路3连接，信号调制电路2用于将数字信号进行编码，通过信号驱动电路3将信号调制电路2输出的信号加上偏置驱动LED后输出为已调制光信号，并发送至自由空间信道中；
信号检测接收放大电路4与信号解调电路5连接，信号检测接收放大电路4采用PIN光电二极管接收发射端载有信息的已调制光信号，由PIN光电二极管光电感应转化为微弱的电流信号，经过放大器将电流信号转化为电压信号并进行二级放大；
信号解调电路5用于光通信接收端的信号检测接收放大电路4输出电信号的解调；
信号解调电路5与信号输出接口6连接，用于信号解调后由数字信号与语音信号进行输出；信号解调电路5的DSP从串行输出接口输出解调后的串行数字电平信号，通过BNC接口输出。
信号解调电路5由DSP完成对接收信号的自适应非线性补偿，并进行信号判决，信号解调电路通过对接收信号的非线性补偿达到改善通信性能的目的。
本发明的系统采用强度调制/直接检测的方法，通信性能优化算法对通信链路中的多径传输影响进行补偿优化。
本发明主要用于空间短距离光通信，在接收端实现自适应均衡技术提高通信性能。本发明在光通信发送端采用强度调制方式，使用DSP进行信源信号采集和处理，在接收端采用DSP实现基于神经网络的自适应均衡器，能在不同湍流强度下进行自适应均衡改善接收信号质量，进而降低误码率，提高通信性能；
本发明的光发送端通过DSP进行可见光LED调制，采用运放搭建驱动电路，调制带宽达到50MHz，基本满足局域网短距离通信的高速数据传输需求；
本发明光通信接收端采用自适应均衡算法处理空间光接收信号，一定程度上克服了大气环境的影响，在语音传输和数字信号传输时系统改善通信效果明显；
本发明同时采用外部信号和语音信号输出，能保证系统在各种天气情况下稳定可靠地工作，对短距离和特殊场合的高速率通信的具有很大的应用意义和推广价值。
参考图2，如图2所示，信号输入接口1的语音输入部分包括麦克风及语音编码芯片TLV320AIC23；
麦克风用于通过无源的麦克进行现场的声音采集，麦克通过麦克风接口与语音编码芯片TLV320AIC23的MICIN端和MICBIAS端连接，语音编码芯片TLV320AIC23用于前端语音模拟信号转变为数字信号，完成语音信号采集和语音信号发送，在电路中采用语音编码芯片TLV320AIC23的数字接口与发送端DSP的MCASP0端相连，语音编码芯片TLV320AIC23的控制接口与发送端的DSP的IIC1端相连。
本发明实施例中，信号调制电路2用于可见光通信系统发送端接收从信号输入接口1得到的信号，并对信号进行编码处理，其调制方式采用OOK的调制方式和OFDM的调制方式；信号调制电路2包括DSP芯片TMS320C6713和语音编码电路，所述语音编码电路电性连接DSP芯片TMS320C6713。
信号输入接口1的语音输入部分由麦克风与语音编码芯片TLV320AIC23构成。麦克风输入主要通过无源的麦克进行现场的声音采集，麦克通过麦克风接口与AIC23的MICIN和MICBIAS连接，在电路中采用AIC23的数字接口与发送端DSP的MCASP0相连，AIC23的控制接口与发送端的DSP的IIC1相连。如图2所示，信号调制电路2，用于可见光通信系统发送端接收从信号输入接口1得到的信号，并对信号进行编码处理。图2电路中，信号调制电路2由TMS320C6713构成。TMS320C6713内有8个并行的处理单元，分为相同的两组，单指令长32位，8个指令组成一个指令包，总共字长为8×32=256位，芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个256位的指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行，芯片的最高时钟频率达300MHz，这是通过片内锁相环路将输入时钟倍频后获得的。TMS320C6713的8个独立的功能单元中有两个乘法器和6个算数逻辑单元，数据在多处理器之间传输依靠32位通用寄存器，TMS320C6713芯片内部集成了7Mb片内SRAM，片内RAM分为两块：一是内部程序/Cache存储器，采用了L1P/L2两级缓冲结构；二是内部数据/Cache存储器，分为两路，也采用了L1D/L2两级缓冲结构。
参考图3，如图3所示，信号驱动电路3包括运放U1，电阻R1、R2、R4、R5，电位器R3，电容C1、C2、C3、C4，发光二极管LED；
电阻R4跨接于运放U1的反相端与输出端之间，电阻R5与电容C4串联后与电阻R4并联；电阻R1一端连接于运放U1的反相端，另一端通过电容C2连接地；
电容C3一端连接运放U1的输出端，另一端连接发光二极管LED的正极；发光二极管LED的负极分别连接电位器R3的一端和中间抽头，电位器R3的另一端连接地；
电容C1一端连接信号驱动电路3的输入端Ui，另一端分别连接运放U1的反相端和电阻R2；电阻R2的另一端连接地。
信号驱动电路3，由德州仪器公司的精密运放OPA690放大电路构成100MHz驱动电路，对信号调制电路2输出的外部信号驱动放大。LED的偏置电流为60mA，检测信号经过OPA690放大，对LED的工作电流进行调制，从而使LED发出光强随着信号变化的光信号并发送到自由空间。
电路中，放大电路的闭环增益为：
式（7）中，Z2、Z1分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗。只有C4选得足够小，C3选得足够大，则在要求宽带的中频范围内，C4的阻抗很大，它所在的支路可视为开路，而C3阻抗很小，它所在的支路可视为短路，在此情况下，放大电路的闭环增益
参考图4，如图4所示，信号检测接收放大电路4包括一级放大电路和二级放大电路；一级放大电路连接二级放大电路；
一级放大电路包括运放U2，电阻R1、R2，光电二极管D1；
电阻R1跨接于运放U2的反相端和输出端之间；
光电二极管D1一端连接-5V电源，另一端连接运放U2的反相端；电阻R2一端连接运放U2的同相端，另一端连接地；
二级放大电路包括运放U3，电阻R4、R5、R6，电容C2；电容C2与电阻R4并联后跨接于运放U3的反相端和输出端之间；
运放U2的输出端和运放U3的反相端之间设有串联的电容C1和电阻R3；
电阻R5一端连接运放U2的同相端，另一端连接地；
电阻R6一端连接运放U3的输出端，另一端连接信号检测接收放大电路4的输出端Vout。
信号检测接收放大电路4采用PIN光电二极管检测空间可见光，接收端信号检测放大电路4为将接收信号通过二级放大到0-3.3V的转换电路，实现模拟量的变换。装置采用滨松公司的S6968PIN管，其响应速度高达50MHz，可灵敏地将接收到的光信号转化为电信号。接收端放大电路主要OPA690以及配合该精密运放的常见电阻、电容等组成。OPA690具有1650MHz的增益带宽积，放大倍数10倍以上时有300MHz的响应速度，可以将PIN管转化的电信号放大还原，最大程度上降低了波形的失真，提高了整套装置的传输质量。
参考图5，如图5所示，信号解调电路5包括7个DSP互联的并行系统；
主处理器采用一片DSP作为通信控制器，对系统的输入输出数据及整个系统进行管理；从处理器采用6片DSP进行智能算法处理；主处理器通过HPI口向从DSP加载程序，对从DSP进行控制，通过HPI口向DSP写入待处理的数据或通过HPI口读取从DSP从机处理完的数据，从DSP之间的数据通过HPI口由主处理器进行中转。
利用TMS320C6713的HPI并行接口实现7个DSP互联的并行系统，主处理器采用一片C6713作为通信控制器，对系统的输入输出数据及整个系统进行管理。从处理器采用6片C6713，用来进行智能算法处理。主处理器通过HPI向从DSP加载程序，对从DSP进行控制，可以通过HPI向DSP写入待处理的数据或通过HPI读取DSP从机处理完的数据，DSP从机之间的数据可以通过HPI由主处理器进行中转。
实施例2
参考图6，如图6所示一种自由空间可见光通信系统的通信性能优化算
法，包括：
自适应均衡器工作在两种模式：训练模式和跟踪模式；训练模式用于对基于神经网络的自适应均衡器的网络参数系数确定，跟踪模式用于数据传输时信号的解调；
在训练模式下，需要提供输入和期望的数据集，发送一个训练样本信息对接收端均衡滤波器系数
步骤1、采用3层网络结构，各层节点数分别采用6、6、1，初始化网络权值系数
步骤2、将训练样本集中信息码串Xi送入网络，按公式（1）计算各层网络的输出值：
其中，
发送端发送每组样本数为254个，在公式（1）中，每个样本X依次送给数据总线，同时在6个DSP中运算，送完6个数据就可以得到6个计算值，每个计算值由（2）式可得到隐含层输出值：
其中，
经过同样的254次相同的操作，可以完成由输入层向隐含层的传播，再同样经过254次操作，可以完成由隐含层向输出层的传播；
输入层信号与相应权值相乘累加后传播到隐藏层，
步骤3、神经网络采用有监督的训练模式，反向传播阶段快速算出所有参数的偏导数；反向传播阶段按公式（3）、公式（4）计算各层网络的误差值，其中用p表示第p个样本，L表示网络的层数，k表示第k层，i、j表示节点数，则第k层第i个神经元处的误差用
步骤4、按公式（5）、（6）对权值进行修改，用
步骤5、判断网络是否训练结束，没结束则继续执行步骤2；
训练模式结束后进入跟踪模式，按照训练好的神经网络参数进行自适应均衡接收通信数据。
参考图7，如图7所示，在MATLAB下对数据传输过程进行初步仿真，仿真结果如图7所示。从仿真结果看，本文算法可以较好的改善自由空间接收信号质量，与直接检测相比可以进一步降低误码率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
