一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的可見光通信接收方法及其系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及可見光通信技術，特別涉及一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的可見光通信接收方 法及其系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 與傳統(tǒng)的紅外和無線通信相比，LED可見光通信技術具有發(fā)射功率高、無電磁干 擾、無需申請頻譜資源和信息的保密性等優(yōu)點。然而，可見光通信仍然面臨不少挑戰(zhàn)，其中 最大挑戰(zhàn)之一是碼間干擾大大限制了可見光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。用于照明的白光LED 一般為LED陣列形式，不同的點光源LED對應著不同的光路徑，而光路徑間信號傳輸?shù)难舆t 會產(chǎn)生碼間干擾；同時當系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率比較高時，由于LED帶寬的限制，會造成一個信 號的影響擴展到相鄰信號上，產(chǎn)生碼間干擾而使系統(tǒng)誤碼率大大提升；并且由于信道不理 想，碼元在發(fā)送過程中會發(fā)生拓寬和時延，在波形上表現(xiàn)為碼元脈沖產(chǎn)生拖尾，相鄰脈沖的 拖尾會互相重疊，亦會產(chǎn)生碼間干擾，提升了誤碼率，從而影響了通信的質(zhì)量。一般情況下， 可通過改變編碼方式，如：將OOK調(diào)制方式中不歸零編碼改為歸零碼或使用正交頻分復用 技術來降低碼間干擾。然而卻大大地增加了可見光通信系統(tǒng)的復雜程度。
[0003] 在散射、中繼、微波等通信領域中，常使用分集接收技術來解決由于信道參數(shù)的不 穩(wěn)定性而導致的多徑效應。分集接收技術是同一信號通過不同的路徑、時間、角度、頻率等 方式分散傳輸，接收端獲得多組獨立信號，并通過合適的合并方式，如選擇合并、等增益合 并或最大比值相加等；將多組獨立信號合并成總的接收信號。同時在分集接收系統(tǒng)中，由于 接收模塊具有多個光電探測器，相當于增大了光電二極管的接收面積，從而為系統(tǒng)提供了 分集增益，故可使用分集接收技術來改善可見光通信系統(tǒng)的性能。然而，由于無線信道的時 變性與隨機性，不同的環(huán)境下所選取的合并方式不同；且所接收的數(shù)據(jù)是信道中受干擾的 原始數(shù)據(jù)，并沒有對數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種基于神經(jīng) 元網(wǎng)絡的可見光通信接收方法，該可見光通信接收方法進一步優(yōu)化了 VLC系統(tǒng)信道性能， 在不增加器件帶寬前提下，成倍提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0005] 為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本發(fā)明的另一目的在于提供基于神經(jīng)元網(wǎng) 絡的可見光通信接收方法的可見光通信接收系統(tǒng)，該可見光通信接收系統(tǒng)基于簡單的基帶 調(diào)制技術，通過運用角度分集接收技術來減弱碼間干擾對系統(tǒng)的影響，并使用人工神經(jīng)元 網(wǎng)絡來對分集接收所獲得的數(shù)據(jù)進行合并以及優(yōu)化以降低系統(tǒng)的誤碼率?？朔藗鹘y(tǒng)的分 集接收技術在不同環(huán)境下合并方式的多樣性。
[0006] 本發(fā)明的首要目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的可見光通信接 收方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、第一可編程門陣列將信源發(fā)出的視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0008] 步驟2、所述數(shù)字信號通過LED驅(qū)動電路驅(qū)動LED燈具發(fā)射光信號；
[0009] 步驟3、所述光信號經(jīng)過η個光電檢測器件進入接收子系統(tǒng)，其中，η為正整數(shù)；所 述η個光電檢測器對應傳輸子系統(tǒng)的η個子信道；所述η個子信道對應接收子系統(tǒng)的η個 數(shù)據(jù)流；
[0010] 步驟4、所述的η個數(shù)據(jù)流經(jīng)過放大處理、濾波處理后，輸?shù)浇?jīng)過訓練后的神經(jīng)元 合并申吳塊中；
[0011] 步驟5、所述神經(jīng)元合并模塊將所述η個數(shù)據(jù)流作均衡處理并輸出合并數(shù)據(jù)流；所 述合并數(shù)據(jù)流經(jīng)第二可編程門陣列解調(diào)處理轉(zhuǎn)化為視頻信號。
[0012] 所述步驟5中的經(jīng)過訓練后的神經(jīng)元合并模塊包括以下步驟：
[0013] 步驟41、訓練時，把一組輸入值和與之相匹配的期望值給予所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡，按 這組訓練數(shù)據(jù)來調(diào)整連接加權值，通過所述的期望值與正向傳播的實際輸出值對比得到誤 差?目號；
[0016] 步驟42、利用梯度下降法進行誤差反向傳播和權值校正，通過反復學習使所述的 誤差信號達到或低于設定值；
[0018] 步驟43、通過上述方程的訓練可以使所述的連接加權值調(diào)整到使神經(jīng)網(wǎng)絡的實際 輸出與所述的期望輸出間的均方誤差最??；經(jīng)過BP算法訓練后，對于任意輸入值，神經(jīng)元 均衡器均能給出相對較為合適的輸出，以完成對信道的均衡處理。
[0019] 本發(fā)明的另一目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)：一種實現(xiàn)所述的基于神經(jīng)元網(wǎng)絡 的可見光通信接收方法的可見光通信接收系統(tǒng)，包括：發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)和接收子系 統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)具有：第一可編程門陣列、LED驅(qū)動電路和LED燈具，所述接收子系統(tǒng)具 有：η個光電檢測器件、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、神經(jīng)元合并模塊和第二可編程門陣列；所述傳輸子 系統(tǒng)用于把LED燈具發(fā)出的可見光信號傳輸給η個光電檢測器件；所述η個光電檢測器件 對應傳輸子系統(tǒng)的η個子信道；所述第一可編程門陣列、LED驅(qū)動電路、LED燈具、光電檢測 器件、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、神經(jīng)元合并模塊和第二可編程門陣列依次連接；所述第一可編程門 陣列將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把所述數(shù)字信號傳輸給LED驅(qū)動電路；所述LED驅(qū)動電 路驅(qū)動LED燈具發(fā)射光信號；所述光信號經(jīng)過自由空間進入光電檢測器件；所述η個光電 檢測器件把光信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，形成η路數(shù)據(jù)流；所述ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器把光電檢測器件 輸出的模擬信號取樣成η路數(shù)字信號；所述的η路數(shù)字信號經(jīng)神經(jīng)元合并模塊進行合并以 及均衡處理后，輸?shù)降诙删幊涕T陣列；所述第二可編程門陣列把信號經(jīng)過解調(diào)還原為視 頻信號。
[0020] 所述LED驅(qū)動電路包括：信源、可變電阻、高速緩沖器、Bias Tee模塊、直流電流源 和限流電阻，所述的信源、可變電阻、高速緩沖器、Bias Tee模塊和限流電阻依次連接；所述 直流電流源的正極和信源連接，所述直流電流源的負極和Bias Tee模塊連接；所述的Bias Tee模塊包括電容和電感；所述電感的一端與直流電流源的負極連接，所述電感的另一端 與電容的負極連接，所述電容的正極與高速緩沖器連接；所述信源輸出的電信號經(jīng)過高速 緩沖器傳輸?shù)紹ias Tee模塊，所述直流電流源所輸出的直流電信號與高速緩沖器所傳輸?shù)?信號在Bias Tee模塊中進行耦合，生成耦合電信號；所述耦合電信號通過限流電阻輸出到 LH)燈具。
[0021] 所述神經(jīng)元合并模塊其合并處理通過可編程門陣列信號處理芯片或數(shù)字信號處 理芯片中完成。
[0022] 所述發(fā)射子系統(tǒng)還包括：第一液晶顯示器和攝影機，所述接收子系統(tǒng)還包括放大 電路、濾波電路和第二液晶顯示器；所述的第一液晶顯示器和攝影機均與第一可編程門陣 列連接，光電檢測器件通過前置放大電路和后置放大電路與ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，第二可 編程門陣列和第二液晶顯示器連接；所述的攝影機將視頻信號傳輸給第一可編程門陣列； 所述第一可編程門陣列把視頻信號傳輸給第一液晶顯示器；所述光電檢測器件把模擬信號 通過放大電路進行放大處理；放大后的所述模擬信號經(jīng)過濾波電路進行濾波處理再傳輸給 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述第二可編程門陣列把視頻信號傳輸給第二液晶顯示器。
[0023] 本發(fā)明的另一目的也可以通過以下技術方案實現(xiàn)：一種基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的可見光 通信接收方法的可見光通信接收系統(tǒng)，包括：發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)，所述 發(fā)射子系統(tǒng)通過LED驅(qū)動電路將數(shù)據(jù)輸入LED燈具中，發(fā)出可見光，通過傳輸子系統(tǒng)將光信 號進行有效地傳輸，最后通過接收子系統(tǒng)把感應光強的變化與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)通信。
[0024] 所述發(fā)射子系統(tǒng)由攝影機、第一可編程門陣列、第一液晶顯示器、LED驅(qū)動電路、 LED燈具組成，進一步地，所述LED驅(qū)動電路由電容與電感等電學元件組成。
[0025] 所述傳輸子系統(tǒng)為自由空間，具有η條子信道，其中，η為正整數(shù)。
[0026] 所述接收子系統(tǒng)由η個光電檢測器、放大電路、濾波電路、神經(jīng)元合并模塊、第二 可編程門陣列、第二液晶顯示器組成。
[0027] 本發(fā)明的原理：本發(fā)明利用率分集接收技術與神經(jīng)元合并網(wǎng)絡，所述分集接收技 術是同一信號通過不同的路徑、時間、角度、頻率等方式分散傳輸，在接收端由多個光電檢 測器件獲得多組獨立信號，并通過合適的合并方式，如選擇合并、等增益合并或最大比值相 加等；將多組獨立信號合并成總的接收信號。同時由于分集接收技術有多個光電檢測器， 相當于增大了接收器光接收的有效面積，故在信源的信噪比不變的情況下增大了接收信噪 比，從而使到系統(tǒng)誤碼率更低、容錯性更強。所述神經(jīng)元合并模塊是對所獲得的多組數(shù)據(jù)進 行合并優(yōu)化構成總的輸出信號。通過使用非線性的傳遞函數(shù)來實現(xiàn)輸入輸出的非線性映射 關系。進而對受到干擾的信號進行濾波處理、對信道進行相移的估計與補償?shù)纫詫崿F(xiàn)均衡 處理。由于碼間干擾的影響，導致可見光通信系統(tǒng)的誤碼率提升，為此，通過運用分集接收 技術來減弱碼間干擾對系統(tǒng)的影響，并使用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡來對分集接收所獲得的數(shù)據(jù)進 行合并以及優(yōu)化以降低系統(tǒng)的誤碼率。該接收系統(tǒng)可以有效地降低碼間干擾對系統(tǒng)的影 響，提高接收信號的信噪比，降低系統(tǒng)的誤碼率。在不增加器件帶寬前提下，成倍提高無線 通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)傳輸速率；具有廣闊的應用前景。
[0028] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：
[0029] 1、本發(fā)明基于簡單的基帶調(diào)制技術，比起傳統(tǒng)的使用正交分頻復用調(diào)制、離散多 音調(diào)制技術等，大大簡化了系統(tǒng)的復雜程度，且可以不增加