[发明专利]可见光多选3+1路混合光的MIMO通信收发装置

摘要

本发明公开了一种可见光多选3+1路混合光的MIMO通信收发装置。该装置包括发射端和接收端。发射端包括发射控制器、编码器、选频器、驱动器、光发射天线组。光发射天线组有n个光发射天线，每一个光发射天线都有发射滤镜、LED；接收端包括接收控制器、解码器、分频器、判决器、光接收天线组；光接收天线组有n个光接收天线，每一个光接收天线都有接收滤镜、光电接收器。发射滤镜和接收滤镜都采用带通滤镜。光发射天线和光接收天线的光信号通带，取决于所使用的带通滤镜的通带范围。本发明装置结合选频序列、3个编解码规则表，在n个天线中，频繁切换的通信线路和编码信号，提供了一个安全而隐蔽的可见光通信的多输入多输出装置。

主权项

一种可见光多选3+1路混合光的MIMO通信收发装置，其特征在于该装置发射端和接收端；发射端包括发射控制器、编码器、发射时钟、选频器、驱动器和光发射天线组，光发射天线组含有n个光发射天线，每一个光发射天线都包含发射滤镜和LED；接收端包括接收控制器、解码器、接收时钟、分频器、判决器和光接收天线组；光接收天线组含有n个光接收天线，每一个光接收天线都包含接收滤镜和光电接收器；其中，n为大于或者等于4的自然数；发射控制器分别与编码器、选频器和发射时钟电连接；光发射天线组分别与选频器、驱动器电连接；驱动器与发射时钟电连接；接收控制器分别与解码器、分频器、接收时钟电连接；光接收天线组分别与分频器、判决器电连接；判决器与接收时钟电连接；发射滤镜和接收滤镜都采用带通滤镜；带通滤镜只能通过某个波长范围内的光，用于滤除掉这个波长范围以外的光；光发射天线和光接收天线的光信号通带，取决于所使用的带通滤镜的通带范围，即取决于带通滤镜可通过的光波长范围；光发射天线组满足条件：第1个光发射天线的光信号通带包括可见光范围，第2个、第n‑m个、第n个光发射天线的光信号通带都是第1个的子集，且第2个、第n‑m个、第n个的各光发射天线的光信号通带没有交集；m为小于n且大于0的自然数，且n‑m不等于1和2；发射控制器,用于从外部设备获取数据，并将获取的数据按照8位二进制的一个字节为单位划分，每次向编码器输出一个字节的数据，对于划分的最后一组数据不足8位二进制的，将有效数据置于高位，后面的低位用0补足8位；同时，给编码器输出补位指令，给选频器发出选频指令，给发射时钟发送驱动时钟指令；选频指令，用于指示选频器，选择当前数据发送所采用的光发射天线；补位指令，用于向编码器说明最后一个分组有多少位是补位，并用于说明发射控制器从外部设备获取的数据发送完毕；驱动时钟指令，用于指示发射时钟，确定发射时钟驱动光发射天线发射光信号应采用的驱动时钟周期；发射时钟，用于确定发射端发送光信号的速度，接收发射控制器的驱动时钟指令，并生成给驱动器提供驱动光发射天线发射光信号的时钟信号，时钟信号为一段占空比为50％的方波信号，方波的频率根据发射控制器的驱动时钟指令决定；编码器，用于接收发射控制器输出的数据和补位指令，将由发射控制器输入的一个字节的8位二进制数，分成高四位和低四位的两组，对照编解码规则表1，将高四位所对应的16个4位二进制数按照Bin列的值，对应到编解码规则表1的第1至16行，再对照编解码规则表2，将低四位所对应的16个4位二进制数按照Bin列的值，对应到编解码规则表2的第1至16行；对于发射控制器发来的最后一个字节，编码器根据发射控制器发来的补位指令，确定所采用的补位编码：如果高4位有补位，则首先对照编解码规则表1按照Bin列的值确定所采用的对应行，再根据补位的数量，对照编解码规则表3的BB列的值确定所采用的对应行；如果高4位无补位，而低4位有补位，则首先对照编解码规则表1按照Bin列的值确定高4位所采用的对应行，对照编解码规则表2按照Bin列的值确定低4位所采用的对应行，再根据补位的数量，对照编解码规则表3的Bin列的值确定所采用的对应行；编解码规则表1、编解码规则表2、编解码规则表3中的每一行的S1列、S2列、S3列、S4列的4个4位二进制数，用作为驱动器驱动4个光发射天线LED的驱动信号；使得要发送的一个字节数据对应为2组4个4位二进制数，再按先高4位后低4位的顺序，先后输出这2组4位二进制数所对应的S1列、S2列、S3列、S4列的4个4位二进制数；对于最后一个字节，如果高4位有补位，则按照先高四位后补位的先后顺序输出；如果高4位无补位，而低4位有补位，则按先高四位后低4位再补位的先后顺序输出；选频器，用于提供选频序列，并根据选频序列，在n个光发射天线中选择第1个光发射天线为第1路通信线路和剩余n‑1个光发射天线中的任意3个光发射天线作为通信的第2路、第3路、第4路通信线路；驱动器，用于根据编码器输出的4个4位二进制数的‘1’和‘0’信号，以及选频器选择的4路通信线路，用这4个4位二进制数分别驱动选频器选择的4路通信线路上的光发射天线，以LED亮度不同的两种状态分别表示“1”和“0”，发送光信号；驱动器，在用每个由编码器输入的4位二进制数驱动光发射天线时，由发射时钟提供驱动时钟，将这个4位二进制数按照从左到右的顺序，每一个时钟周期输出一位，依次驱动LED；驱动器，驱动LED用亮度不同的两种状态分别表示“1”和“0”，同时还要保证驱动LED发出的光信号的光强度还满足：对于4路通信线路在发射端的4个发射天线发出的光信号“1”在到达接收端时的光强度保持一致，发出的光信号“0”在到达接收端时的光强度也保持一致；光发射天线，用于在驱动器控制下，用LED亮度不同的两种状态变化产生光信号，并经过发射滤镜过滤后，以某一个波长范围的光信号发送出去；光接收天线，用于接收来自发射端发出的光信号；光接收天线组满足条件：每个光接收天线的光信号通带都不同；第1个光接收天线的光信号通带包括可见光范围，第2个、第n‑m个、第n个光接收天线的光信号通带都是第1个的子集，且第2个、第n‑m个、第n个的各光接收天线的光信号通带没有交集；同时，第1个光接收天线的光信号通带，又是第1个发射滤镜光信号通带的子集；第2个光接收天线的光信号通带，又是第2个发射滤镜信号通带的子集；第n‑m个光接收天线的光信号通带，又是第n‑m个发射滤镜信号通带的子集；第n个光接收天线的光信号通带，又是第n个发射滤镜光信号通带的子集；分频器，用于根据分频指令提供选频序列，并根据选频序列，在n个光接收天线中选择第1个光接收天线为第1路通信线路和剩余n‑1个光接收天线中的任意三个光接收天线作为通信的第2路、第3路、第4路通信线路；使得接收端选用的4个光接收天线所覆盖的光信号通带能分别与4个光发射天线的光信号通带对应：接收端的第1路通信线路的光接收天线能接收到发射端的第1路、第2路、第3路、第4路通信线路的4个光发射天线发送的光信号；接收端的第2路通信线路的光接收天线的能接收到发射端的第1路、第2路通信线路的2个光发射天线发送的光信号；接收端的第3路通信线路的光接收天线的能接收到发射端的第1路、第3路通信线路的2个光发射天线发送的光信号；接收端的第4路通信线路的光接收天线的能接收到发射端的第1路、第4路通信线路的2个光发射天线发送的光信号；光电接收器，用于接收经接收滤镜过滤后的光信号，并转换成模拟电信号输出；接收时钟，用于根据判决时钟指令，给判决器提供对光电接收器输出的电信号进行采样判决的判决时钟信号；在发射端和接收端同步前，为判决器提供接收时钟可以达到的最快的时钟；当同步完成之后，根据接收控制器的时钟指令，为判决器提供判决时钟；判决器，用于接收光电接收器输出的模拟电信号，并转换为数字信号输出，对于每个光接收天线都可以在每一个接收时钟周期，输出一个判决的数字信号；解码器，用于将判决器对4个光接收天线后判决输出的数字信号还原成每组4个4位数，对照编解码规则表1、编解码规则表2和编解码规则表3，找到同一行中的一组R1列、R2列、R3列、R4列的4个数值，并将这4个4位数解码成一个4位二进制数；将由判决器先后输出并由编码器还原和解码得到的2组4位二进制数，合并成一个字节，再将这个字节的二进制数输出到接收控制器；并根据编码结果，向接收控制器发出接收完毕信息或者报错信息；当解码还原得到正确的编解码规则表3中补位的数值时，向接收控制器发出接收完毕信息；解码器的字节合并方法为：HW1、如果当前还原得到的一组4个4位数为编解码规则表2中的数，而上一组还原得到的一组4个4位数为编解码规则表1中的数，则将上一组还原解码得到的4位二进制数作为高四位，将当前一组还原解码得到的4位二进制数作为低四位，合并为一个字节的二进制数；HW2、如果当前还原得到的一组4个4位数为编解码规则表3中的数，而上一组还原得到的一组4个4位数为编解码规则表1中的数，则将上一组还原解码得到的4位二进制数作为高四位，将当前一组数解码得到的4位二进制数作为低四位，合并为一个字节的二进制数，并向接收控制器发出补位还原指令；HW3、如果在进行了HW1的合并后还原得到的一组4个4位数为编解码规则表3中的数，则向接收控制器发出补位还原指令；HW4、如果前后还原得到的两组4个4位数，同时为编解码规则表1、编解码规则表2、编解码规则表3中同一个表的数，则说明接收到的数据有误，并向接收控制器发出报错信息；HW5、如果当前还原得到的一组4个4位数都不为编解码规则表1、编解码规则表2、编解码规则表3中的任何一组数，则说明接收到的数据有误，并向接收控制器发出报错信息；接收控制器，用于将解码器的输出还原成原数据，给接收时钟提供判决时钟指令，根据补位还原指令，确定数据已经接收完毕，并从最后一个分组中提取出有效数据，将接收并还原出的原数据输出到外部设备，给分频器输出分频指令；补位还原指令，用于说明数据接收完毕以及最后一个分组有多少位是补位；判决时钟指令，用于确定判决器采样判决输出数字信号的判决时钟；分频指令，用于为分频器确定应采用的选频序列；发射端和接收端，采用的是同样的选频序列；发射端和接收端在通信时，每发送x组数据后，就改变一个选频序列，根据选频序列，更换第2路、第3路、第4路通信线路所选用的光发射天线和光接收天线；x为大于0的自然数；编码器和解码器采用的编解码规则，详见表1、表2和表3；表格的第一行为各列的列号，第一列为各行的行号；表1编解码规则表1表2编解码规则表2表3编解码规则表3表1和表2中，Hex列为一组16进制数，Bin列为与Hex列所对应的4位二进制数；编码器将Bin列的每个4位二进制数编码成表格相应行的S1列、S2列、S3列、S4列的4个4位二进制数，S1列、S2列、S3列、S4列四列的数值分别用作驱动器驱动4路通信线路的信号输出；S1列的数值用于驱动第1路通信线路上的第1个光发射天线的LED；S2列、S3列、S4列的数值，则分别用于驱动由选频器选择的剩余n‑1个光发射天线中的第2路、第3路、第4路通信线路上的三个光发射天线的LED；R1列、R2列、R3列、R4列的四列的数值分别为接收端的分频器选择的4路通信线路上的4个光接收天线接收到发射端发出的光信号并经过判决器处理后的输出，R1列为第1路通信线路的判决器输出，R2列为第2路通信线路的判决器输出，R3列为第3路通信线路的判决器输出，R4列为第4路通信线路的判决器输出；其中，R1列为第1路、第2路、第3路、第4路的4路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；R2列为第1路和第2路的2路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；R3列为第1路和第3路的2路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；R4列为第1路和第4路的2路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；R1列同时又是一个光信号通带满足如下条件的光接收天线的判决器输出数值：光信号通带同时包含第2路、第3路、第4路的光信号通带，且与第1路的光信号通带有除了第2路、第3路、第4路的光信号通带之外的交集；R2列同时又是一个光信号通带满足如下条件的光接收天线的判决器输出数值：光信号通带包含第2路，且不包含第3路、第4路的光信号通带；R3列同时又是一个光信号通带满足如下条件的光接收天线的判决器输出数值：光信号通带包含第3路，且不包含第2路、第4路的光信号通带；R4列同时又是一个光信号通带满足如下条件的光接收天线的判决器输出数值：光信号通带包含第4路，且不包含第2路、第3路的光信号通带；当判决器的数字信号为二值化输出，即只有“0”和“1”两个值时，以上的R1列、R2列、R3列、R4列四列的值则分别依次对应为R1'列、R2'列、R3'列、R4'列四列中的值；表3中各行的BB列表示在编码器划分的高4位或者低4位的一个4位二进制数中，有效的数据后用0补位的数量；第33行表示前一个发送或者接收到的4位二进制数，有效数字有1位，补0数量为3，第34行表示前一个发送或者接收到的4位二进制数，有效数字有2位，补0数量为2，第35行表示前一个发送或者接收到的4位二进制数，有效数字有3位，补0数量为1，第36行表示前一个发送或者接收到的4位二进制数，有效数字有0位，补0数量为4；表3中，S1列、S2列、S3列、S4列、R1列、R2列、R3列、R4列、R1'列、R2'列、R3'列、R4'列这12列的作用和意义，与表1、表2一致；发射端和接收端通信时首先需要进行收发同步，收发同步的方法为：在发射端，由发射控制器给编码器发出同步启动指令，编码器驱动第1路通信线路的LED发送一段启动光信号，第2路、第3路、第4路不发送光信号；并向发射时钟发出驱动时钟指令，确定发射端发送光信号的速度；启动光信号中，包括了时钟同步信号和采用的初始选频序列，用于确定光信号的发送的速度和发射端将采用的初始的4个光发射天线；在接收端，由于第1路通信线路的光信号通带包含了剩余的n‑1个光接收天线的光通带，所以n个光接收天线都可以接收到这一启动光信号；接收端由第1路通信线路、判决器和解码器识别出启动光信号，由接收时钟为判决器提供接收时钟可以达到的最快的时钟，用作采样判决的时钟；并将启动光信号输出到接收控制器，从而确定光信号的速度以及接收端开始接收正式数据的光信号时应采用的初始选频序列。