[发明专利]一种基于手机摄像头具有前向纠错的UPSOOK调制方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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 sensorfor 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。