一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，属于可见光通信领域，具体是首先，构建包括发送端和接收端的可见光通信系统模型；发送端产生数据包，设计了基于UPSOOK的数据帧结构并基于欠采样调制方案实现信号的调制；然后，接收端的手机摄像头对单LED灯录制视频，经图像处理后，得到自适应阈值的判决门限；送入解调器利用自适应的阈值对各帧图像进行解调，得到解调序列S，即数据的初始序列；利用针对帧率抖动的前向纠错机制对解调序列进行纠错，恢复信息序列；通过解码器输出最终解码信息。本发明专利技术消除了收发端之间存在的相位误差，避免了收发端之间距离和角度的差异对采样亮度值造成的影响，实现了可见光信息的可靠传输。息的可靠传输。息的可靠传输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法


[0001]本专利技术属于可见光通信领域，具体是一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法。

技术介绍

[0002]近年来，LED(Light
‑
Emitting Diode，发光二极管)的高能效和快速开关的特性，使得基于LED的可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术受到广泛关注。VLC系统通常利用生活中常见的LED照明设备作为发射机，结合一定的调制编码技术，发出人眼察觉不到的频闪信号实现信息发送；在接收端，利用光电二极管(Photodiodes，PD)或者图像传感器(Image Sensor,IS)检测可见光信号，结合相应的解调解码技术实现数据接收。
[0003]基于PD的可见光通信系统一般用于高速数据传输场景，可以实现Gbps速率级别的数据传输；基于IS的可见光通信系统则主要用于低速数据传输场景，例如室内环境中的定位和设备配对信息传输、车辆通信中的碰撞检测以及危险路况信息传递等。相比于PD，IS作为接收端接收视场角更大，能够更大范围的接收VLC信号。此外，IS在移动端更具有泛在性，因此研究基于IS的可见光通信技术对于实际应用具有重要意义。
[0004]近年来，随着半导体技术的迅速发展，大多数智能手机都内置了互补金属氧化物半导体(Complementary Metal
‑
Oxide
‑
Semiconductor，CMOS)相机，为可见光通信提供了广泛的硬件支持。然而由于手机摄像头的标准帧率为30fps，即相机的采样频率f
camera
＝30Hz，而LED的闪烁频率为至少100Hz才能不被人眼察觉到闪烁，频率的差距意味着接收机不能完整地把每一个频闪信息记录下来。由于手机摄像头存在帧率抖动的问题，会造成误码率上升。帧率低且不稳定，基于手机CMOS相机实现高可用的可见光通信系统仍面临巨大挑战。
[0005]VLC应用场景分为：高速数据传输场景和低速数据传输场景。具体而言，家庭、办公室甚至飞机舱室都是高速数据传输场景之一。与Wi
‑
Fi相比，商用照明LED已经实现每秒数百兆比特的链路数据速率，而由于空间复用程度高，在存在墙壁以隔离VLC信号的情况下，VLC网络的总吞吐量可以远远大于WiFi网络。低速数据传输场景包括移动设备在室内环境中的定位和设备配对。
[0006]现有基于手机摄像头的可见光通信研究主要是利用CMOS相机的“卷帘效应”进行基于图案明亮条纹信息的调制，接收端根据亮暗条纹的宽度或频率解码。如文献[1]：C.Danakis,M.Afgani,G.Povey,I.Underwood and H.Haas,"Using a CMOS camera sensor for visible light communication,"2012IEEE Globecom Workshops,2012,pp.1244
‑
1248.通过反射表面捕捉图像，以缓解LED光斑的晕染效应，但是该方案造成了光功率的逸散，需要较高的LED功率；文献[2]：张振山.基于手机摄像头的可见光通信关键技术研究[D].北京邮电大学,2019.利用灰度图像的所有灰度值数据进行信号解调来提高系统的鲁棒性，相比于传统解调方案中利用单列灰度值实现解调，其计算量成倍提升；文献[3]：李宗泽.基于手机摄像头的可见光通信系统与应用研究[D].北京邮电大学,2018.通过灰度校正、直方图均衡、高通滤波等实现复杂光环境中的数据传输，但是需要较长的数据处理时
间。
[0007]另外还有文献利用大量的数字图像处理手段来提高系统的误码性能，但是其通信距离受到LED大小和手机摄像头硬件的限制，一般小于1m，例如文献[4]J.He,Z.Jiang,J.Shi,Y.Zhou and J.He,"A Novel Column Matrix Selection Scheme for VLC System With Mobile Phone Camera,"in IEEE Photonics Technology Letters,vol.31,no.2,pp.149
‑
152,15Jan.15,2019.提出了一种基于LED能量扩散的列灰度值选择方案，有效提高了图像的对比度，但通信距离只能达到30cm；文献[5]Y.Meng,X.Chen,T.Pan,T.Shen and H.Chen,"HyperSight:A Precise Decoding Algorithm for VLC With Mobile
‑
Phone Camera,"in IEEE Photonics Journal,vol.12,no.4,pp.1
‑
11,Aug.2020,Art no.7904211.提出了HyperSight图像解码算法，利用灰度特征矩阵和临界灰度值来替代传统的单列灰度值和函数拟合阈值，可以实现距离为50cm的通信。
[0008]综上所述，目前基于图案明亮条纹信息调制方式的可见光通信系统中尚存在系统复杂度高、计算量大和通信距离短等问题。与此对应的是，基于LED亮灭状态的欠采样调制方案复杂度低，计算量小且不存在收发端距离的限制，例如文献[6]P.Luo,Z.Ghassemlooy,H.Le Minh,X.Tang and H.Tsai,"Undersampled phase shift ON
‑
OFF keying for camera communication,"2014Sixth International Conference on Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2014,pp.1
‑
6.提出了UPSOOK调制方案，通信距离可达15m。
[0009]然而，手机摄像头帧率不稳定的问题对于收发端同步要求很高的欠采样调制方案而言是一个不小的挑战。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对手机摄像头帧率不稳定的问题，提出了一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，通过联合收端自适应阈值解调策略和针对帧率抖动的前向纠错机制，从而实现可见光信息的可靠传输，相比于传统的UPSOOK系统，FEC
‑
UPSOOK的系统误码率从10
‑1下降到10
‑3，满足室内定位、设备配对信息传输等可见光通信场景需求。
[0011]本专利技术所述一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，具体步骤为：
[0012]步骤一、构建包括发送端和接收端的可见光通信系统模型；
[0013]发送端包括依次连接的编码器、数据封装模块、调制器、光驱动器以及单LED照明模块；调制器采用欠采样相移开关键控(UPSOOK)方式调制；
[0014]接收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，UPSOOK即欠采样相移开关键控；其特征在于，具体步骤为：首先，构建包括发送端和接收端的可见光通信系统模型；发送端产生数据包，经过编码器将其数据位编码后封装；然后，将封装好的数据包通过UPSOOK调制后，调制信号经光驱动电路驱动单LED照明模块发送至接收端；接收端的手机摄像头对单LED灯录制视频，经图像处理后，得到自适应阈值的判决门限；将各帧图像送入解调器，利用自适应的阈值对各帧图像进行解调，得到解调序列S，即数据的初始序列；对于解调数据序列S，利用纠错模块的前向纠错算法，消除手机摄像头的帧率抖动，恢复信息序列；最后，利用解码器，对恢复的信息序列进行解码，完成信号调制。2.如权利要求1所述的一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，其特征在于，所述的发送端包括依次连接的编码器、数据封装模块、调制器、光驱动器以及单LED照明模块；调制器采用UPSOOK方式调制；接收端包括依次连接的手机摄像头、图像处理模块、解调器、纠错模块和解码器。3.如权利要求1所述的一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，其特征在于，所述的数据包包括起始帧分隔符SFD和数据位，SFD包括帧头FH和标志位；数据位使用CRC循环冗余编码；每个数据包的长度为N，即包含符号个数为N。4.如权利要求1所述的一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法，其特征在于，所述的图像处理得到自适应阈值的判决门限的过程具体为：步骤401、图像处理模块将视频流中每帧图片分别进行灰度化和二值化，得到三个灰度值范围；灰度化后LED呈现“半亮”状态，二值化信息码字“1”和“0”分别为全亮和全暗状态，三种状态分别对应着三个灰度值范围；步骤402、针对每帧图像，利用灰度值获取该LED的像素范围，并以像素中心为圆心，计算7
×
7像素点亮度值之和：其中表示第k帧图像的亮度值之和，表示第k帧图像的单LED像素中心坐标，表示第k帧图像中坐标为(i,j)的像素亮度值；步骤403、选择M帧图像的亮度值之和，并从小到大排序得到序列G
sorted
；步骤404、对序列G
sorted
中的相邻两个元素作差，得到差值序列G
diff
；
序列其中第i个差值为：步骤405、差值序列G
diff
中最大的两个值分别记为和作为区分三种状态的两种阈值：高阈值和低阈值；定义高阈值HT为“全亮”和“半亮”状态的分界线，低阈值LT为“半亮”和“全暗”状态的分界线，计算公式如下：界线，计算公式如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨洋，彭朗，包荣珍，冯春燕，贾博文，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：