本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于led的可见光通信系统。
背景技术：
随着射频通信的广泛使用，其频谱资源愈发紧张，为拓展通信频谱，微波、毫米波以及光通信技术正飞速发展。可见光通信（vlc）不受现有频谱资源紧张的限制，并且可以提供更高的通信速率，以及具有与照明相结合的优势，是对射频通信技术的一种有效补充，因此引起了人们的广泛重视。可见光通信系统主要利用led光源作为信号发射器，但商用led的调制带宽最高仅有数十mhz，极大地限制了通信速率。同时，在可见光通信系统中采用一种高效的调制方式也是影响通信质量、通信速率的关键因素。
专利公开号为110266385a的中国专利申请，公开了基于正交频分复用（ofdm）调制的可见光通信系统和ofdm子载波映射方法。其流程如图1所示。其缺点在于，系统设计中需要复杂的子载波映射和快速傅里叶转换，这会增加系统的复杂度，并且子载波间需要严格的正交关系，容易受到led非线性和信道噪声的影响，造成误码；而且，频带利用率相对较低。
micro-led作为一种新型光源，尺寸在微米级别，具有电流密度大、亮度高、结电容小等优点，其调制带宽可达几百mhz，使得采用micro-led的可见光通信技术可以获得高达gbps的传输速率，因此在可见光通信领域micro-led备受关注。
本发明公开了一种名为交错无载波幅度和相位（scap）调制的新型的多载波复用技术，具有频带利用率高、系统设计简单等特点，可以优化系统性能，并公开了一种基于scap调制的micro-led可见光通信系统，采用scap调制技术优化了信号调制的复杂度并简化了系统，采用micro-led光源克服了传统光源低调制带宽的缺点，是可见光通信系统的通信速率和频谱效率等方面得到了显著的提升。
本文中缩略语和术语定义：
scap：交错无载波幅度和相位调制；ofdm：正交频分复用调制；micro-led：微米级发光二极管；vlc：可见光通信；bias-tee：t型偏置器。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于scap调制的micro-led可见光通信系统，以改善当前可见光通信系统传输速率低、频带利用率低及结构复杂的问题。
本发明提供的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其组件依次包括：一个数模转换单元，一个信号混合单元，一个micro-led光源，多个透镜，一个光电探测器，一个模数转换单元，一个信号处理单元；其中：
所述的micro-led光源，用于发射光信号，完成电信号向光信号的转换；
micro-led光源的基本结构为衬底、n-gan层、ingan/gan量子阱层、p-gan外延层，每个micro-led形状根据实际需要可以为任意形状。
可选的，所述micro-led衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、gan衬底、碳化硅衬底、柔性pet衬底或其它晶格匹配的衬底。
优选的，所述micro-led尺寸大小为0.5—300μm，每个micro-led的-3db调制带宽从10mhz到2ghz不等。
所述的数模转换单元，即“dac”，利用调制数字信号生成电信号，完成数模转换，该电信号与直流电压结合用来驱动micro-led。
可选的，数模转换单元可以是各种型号波形发生器和数模转换器。
优选的，数模转换单元的发送码元速率（波特率）可从0到10gbaut/s。
所述的信号混合单元，具有多个端口，用来混合单个或多个调制信号和直流信号；其中，“rf”端口输入数模转换单元生成的模拟信号，“dc”端口输入直流信号，输出端口连接micro-led，输出上述两者结合的驱动信号。
可选的，信号混合单元可以是t型偏置器（bias-tee）或其它型号多端口信号混合设备。
所述的光电探测器，用来接收光信号并转化为电信号。
可使用高灵敏度光电探测器，可选的，包括但不限于以下种类：雪崩光电二极管、pin光电二极管、光电倍增管、肖特基光电二极管。
所述的透镜，主要为两个：发射端micro-led的准直透镜和接收端光电探测器的聚焦透镜，用来准直光束，使到达光电探测器的光斑最小，最大化接收光功率。
所述的模数转换单元，即“adc”，用来接收光电探测器获得的电信号，完成模数转换，得到其波形信息，并导出接收数据文件。
可选的，所述模数转换单元可以是各种型号的高速示波器、信号质量分析仪以及其它数模转换器。
所述的信号处理单元，将模数转换单元传来的数据，利用scap相应的解调算法恢复数据，并经过计算，得到信号的误码率和信噪比等信息。
在确保系统组件正常，并且光路搭建完善的情况下，首先对原始二进制数据进行编码调制，将调制信号与直流信号结合驱动micro-led；在接收端利用光电探测器接收光信号并转化为电信号，对采集到的数据进行解调解码实现数据恢复。这是本发明的基本技术思路。此外在该系统中，micro-led工作在限定范围内，为了使接收到的光信号最佳，采用准直透镜和聚焦透镜来使接收光功率最大。
该系统的（见图3所示）实现流程如下：
步骤1：将二进制比特流根据调制阶数映射码元；
步骤2：上采样数字信号。根据scap算法调制源信号，利用数模转换单元生成可以用来驱动micro-led的模拟信号；
步骤3：由信号混合单元将生成的调制信号与直流偏压混合，一起驱动micro-led发光，在发射端和接收端分别由一个透镜用来准直和聚焦；
步骤4：利用高灵敏度光电探测器接收光信号，实现光电信号转换；
步骤5：利用与光电探测器相连的模数转换单元，实现下采样，完成模数转换；
步骤6：采样数据输送到信号处理单元，利用scap相应的解调算法恢复数据，并获得信号的误码率和信噪比等信息。
本发明所述scap解调算法，其工作原理如图4所示，具体说明如下：
在一个码元周期内，将二进制比特流分割映射为4路脉冲振幅调制码元；之后对码元进行上采样并分别与对应的4个整形滤波器响应函数进行卷积操作，其中第二路要加一个半周期的时间偏移；产生的4路模拟信号相加，驱动光发射器，经过信道传播之后由光电探测器采集光信号；采集到的模拟信号分别经过对应的滤波器，这里的滤波器是发射端滤波器的时域反转，除第二路以外均添加半周期的时间偏移；最后进行信号下采样与逆映射之后，并串转换恢复数据。其中的关键点是滤波器的设计。
f0(n)、f1(n)、f2(n)和f3(n)代表4个正交整形滤波器，以f0(n)为基准，f0(n)是一个升余弦滤波器，f1(n)和f2(n)是一对具有希尔伯特关系的滤波器，f3(n)是f0(n)的上转换形式，其数学表达式为：
需要注意的是，f1(n)和f2(n)之间加了一个t/2的偏移，这样可以避免码间干扰，t是码元周期。
接收端滤波器是发射端滤波器的时域反转形式，即f0(-n)、f1(-n)、f2(-n)和f3(-n)，并且除f1(-n)外，其余滤波器均要添加半周期时间偏移。
将恢复的数据与发送数据对比，找出误码个数从而计算误码率，该过程可以利用程序处理，也可以利用误码仪等信号分析仪器实现。
本发明的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，一方面是通过micro-led作为发射光源，由于其结电容很小，响应频率高，其调制带宽可达230mhz，远超过普通大尺寸led的带宽，并且micro-led的工作电流密度极大，平均亮度很高，这使得采用该micro-led的可见光通信系统最高可以达到数gbps的通信速率，符合下一代高速通信的发展要求；另一方面是通过本发明公开的scap的调制方式，与传统频分复用调制技术相比，scap不需要附加载波，在设计时仅需要满足滤波器的正交性即可，达到简化系统和提高频谱利用率的效果。而且这种无载波的scap调制方式应用在micro-led可见光通信系统中，不像ofdm等调制方式那样需要大量子载波间严格的正交关系，从而可以完美地规避led非线性和信道噪声的影响。再者，在可见光通信领域，本发明基于scap调制的micro-led可见光通信系统结合了两者优势，通过scap调制方式100%地利用频谱来最大化地利用micro-led的高调制带宽，以获得超高速的通信速率。
在该系统的测试试验中，利用约230mhz调制带宽的micro-led最高获得了2gbps的通信速率，这相当于约9.12bit/s/hz的频谱效率，超过目前报道的数据。因此在一定的频谱资源下，本发明具有极大的应用前景。
附图说明
图1为现有技术中一种技术方案流程图。
图2位本发明的基本原理图。
图3为本发明的技术方案流程图。
图4为本发明的scap调制的原理图。
图5为本发明具体实例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，本发明提供的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，以实际中的scap-4和450nm的gan基micro-led为例，图5是该实验实例的实际结构图。
该实验装置包括直流信号单元501，用来给光源直流供电；数模转换单元502，可以将各种数字信号转换为电信号，比如视频信号、语音信号，或者波形发生器；信号混合单元503，比如t型偏制器，具有三个端口，用来混合直流信号与射频信号；micro-led504，实现电信号向光信号的转换；透镜系列505，准直光束；光电探测器506，比如雪崩光电二极管，pin光电二极管、光电倍增管，实现光电转换；模数转换单元507，比如示波器，获得语音视频或任意信号解码信息；信号处理单元508，包括各种对应的信号处理程序和信号质量分析仪器，用来获得传输信号的误码率和信噪比等信息。
其操作步骤为：
步骤1：利用数字信号产生单元生成一串伪随机二进制序列，之后将其映射为pam-4所对应的0、1、2、3数值码元；
步骤2：通过在每个码元之间补零进行上采样；
步骤3：通过scap算法进行数字信号调制，得到需要发送到任意波形发生器(tektronixawg710b4.2gs/s2.1ghz)中的数据文件；
步骤4：利用任意波形发生器产生的模拟信号与直流信号通过bias-tee结合驱动450nm的ganmicro-led。任意波形发生器设置信号发送速率2gbaud/s，电压峰峰值vpp为2v，直流电源设置电流为21ma；
步骤5：利用一个高速光电探测器，如雪崩光电二极管或pin探测器，接收光信号并转化为电信号；
步骤6：利用高速示波器(agilentdsa-x96204q160gs/s62ghz)接收光电探测器产生的信号并显示出波形，示波器采集频率设为5gbps，解调解码数据，计算误码率和信噪比。
最后误码率低于前向纠错码阈值3.8×10-3的情况下，成功获得了2gbps的传输速率，其频谱效率为9.12bit/s/hz。无论是传输速率还是频谱效率，本发明均有优异的表现。与传统调制方式相比，本发明的突出优点是其频谱利用率为100%。
本发明的基于scap调制的micro-led可见光通信系统采用scap调制方式，取代了传统的频分复用技术，采用正交滤波器实现频谱复用，而不需要额外的子载波，有效提高了可见光通信的频谱效率，并且使得系统设计大大简化。
此外，本发明以micro-led作为光源，micro-led具有尺寸小、亮度高的特点，并且其较小的结电容决定了它具有很高的响应频率，其调制带宽高出普通led数十倍，能有效提高可见光通信的数据速率。
最后，本发明结合了scap调制方式和micro-led，利用两者的优点，在调制带宽提高的基础上同时提高其利用效率，能最大化可见光通信系统的通信速率。
参考文献：
1、中国专利公开号cn110266385a，公开日期为2019年09月13日。
1.一种基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，依次包括：一个数模转换单元，一个信号混合单元，一个micro-led光源，多个透镜，一个光电探测器，一个模数转换单元，一个信号处理单元；其中：
所述的micro-led光源，用于发射光信号，完成电信号向光信号的转换；
所述的数模转换单元，利用调制数字信号生成电信号，完成数模转换，该电信号与直流电压结合用来驱动micro-led；
所述的信号混合单元，具有多个端口，用来混合单个或多个调制信号和直流信号；其中，“rf”端口输入数模转换单元生成的模拟信号，“dc”端口输入直流信号，输出端口连接micro-led，输出上述两者结合的驱动信号；
所述的光电探测器，用来接收光信号并转化为电信号；
所述的透镜，主要为两个：发射端micro-led的准直透镜和接收端光电探测器的聚焦透镜，用来准直光束，使到达光电探测器的光斑最小，最大化接收光功率；
所述的模数转换单元，用来接收光电探测器获得的电信号，完成模数转换，得到其波形信息，并导出接收数据文件；
所述的信号处理单元，将模数转换单元传来的数据，利用scap相应的解调算法恢复数据，并经过计算，得到信号的误码率和信噪比等信息。
2.根据权利要求1所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述micro-led光源的基本结构依次为衬底、n-gan层、ingan/gan量子阱层、p-gan外延层。
3.根据权利要求2所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述micro-led尺寸大小为0.5—300μm，每个micro-led的-3db调制带宽为10mhz--2ghz。
4.根据权利要求1所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述的数模转换单元的发送码元速率为0到10gbaut/s。
5.根据权利要求1所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述信号混合单元是t型偏置器或其它型号多端口信号混合设备。
6.根据权利要求1所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述光电探测器为雪崩光电二极管、pin光电二极管、光电倍增管或肖特基光电二极管。
7.根据权利要求1所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述的模数转换单元是高速示波器或信号质量分析仪。
8.根据权利要求1所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述信号处理单元，利用scap相应的解调算法恢复数据，并获得信号的误码率和信噪比信息；具体包括：
在一个码元周期内，将二进制比特流分割映射为4路脉冲振幅调制码元；之后对码元进行上采样并分别与对应的整形滤波器响应函数进行卷积操作，其中第二路要加一个半周期的时间偏移；产生的4路模拟信号相加，驱动光发射器，经过信道传播之后由光电探测器采集光信号；采集到的模拟信号分别经过对应的滤波器，这里的滤波器是发射端滤波器的时域反转，除第二路以外均添加半周期的时间偏移；最后进行下采样与逆映射之后，并串转换恢复数据。
9.根据权利要求8所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，所述滤波器设计如下：
设f0(n)、f1(n)、f2(n)和f3(n)代表4个正交整形滤波器，以f0(n)为基准，f0(n)是一个升余弦滤波器，f1(n)和f2(n)是一对具有希尔伯特关系的滤波器，f3(n)是f0(n)的上转换形式，其数学表达式为：
这里，f1(n)和f2(n)之间加了一个t/2的偏移，以避免码间干扰，t是码元周期；
接收端滤波器是发射端滤波器的时域反转形式，即f0(-n)、f1(-n)、f2(-n)和f3(-n)，并且除f1(-n)外，其余滤波器均要添加半周期时间偏移。
10.根据权利要求9所述的基于scap调制的micro-led可见光通信系统，其特征在于，实现流程如下：
步骤1：利用数字信号生成模块生成二进制比特流，并根据调制阶数映射码元；
步骤2：上采样数字信号；根据scap算法调制源信号，利用数模转换单元生成用来驱动micro-led的模拟信号；
步骤3：由信号混合单元将生成的调制信号与直流偏压混合，一起驱动micro-led发光，在发射端和接收端分别由一个透镜用来准直和聚焦；
步骤4：利用高灵敏度光电探测器接收光信号，实现光电信号转换；
步骤5：利用与光电探测器相连的模数转换单元，实现下采样，完成模数转换；
步骤6：采样数据输送到信号处理单元，利用scap相应的解调算法恢复数据，并计算获得信号的误码率和信噪比信息。
技术总结