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新型可见光成像通信信号解调方案研究.docx
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新型可见光成像通信信号解调方案研究.docx
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摘要
可见光成像通信(OCC)是利用手机摄像头的卷帘快门工作方式拍摄快速闪烁的发光二极管
(LED),接收明暗相隔的条纹图像,并通过对该图像进行解码恢复,实现数据通信的一种新兴的
无线光通信技术。然而数据传输过程中出现的灰度值波动会影响通信过程中的误码率
(BER)、传输距离和数据速率。提出了一种新型的 OCC 信号解调方案。利用基于膨胀腐蚀
的自适应图像增强算法消除灰度值整体波动,利用膨胀算法消除灰度值局部波动,从整体和
局部两个方面综合处理,最大程度上消除灰度值波动,提高判决的准确性,从而提高系统的通
信性能。为验证所提方案的性能,评估了该方案在不同传输距离和数据速率环境下的
BER。实验结果表明,所提方案的平均误码率较传统信号解调算法低两个数量级。
Abstract
Optical camera communication (OCC) is a new wireless optical communication
technology,which uses the rolling shutter working mode of mobile phone camera to shoot
fast flashing light emitting diode (LED), receives the stripe image separated by light and
dark, and decodes and recovers the image to realize data communication. However, the
fluctuation of gray value in the process of data transmission will affect the bit error rate
(BER), transmission distance, and data rate in the process of communication. A new
demodulation scheme of OCC signal is proposed. The adaptive image enhancement
algorithm based on expansion corrosion is used to eliminate the overall fluctuation of
gray value, and the expansion algorithm is used to eliminate the local fluctuation of gray
value. It is comprehensively processed from the overall and local aspects to eliminate the
fluctuation of gray value to the greatest extent and improve the accuracy of judgment, so
as to improve the communication performance of the system. To verify the performance
of the proposed scheme, BER under different transmission distance and data rate is
evaluated. The experimental results show that the average BER of the proposed scheme
is two orders of magnitude lower than that of the traditional signal demodulation
algorithm.
1 引言
可见光通信(VLC)是一种新兴的无线光通信技术
[1-3]
,该技术采用室内照明白光发光二极管
(LED)作为光源,通过使用高频率的调制信号驱动 LED 进行闪烁变化,实现数据通信,可应用
于室内定位导航
[4-6]
、水下通信
[7]
等各个领域。随着不断增强的高数据传输速率、超宽带宽
等方面的需求,传统的基于射频的无线通信面临着频谱资源紧张等严峻问题。蔚然兴起的
VLC 因频谱资源丰富、绿色节能、成本低廉、数据传输速率高等优点恰可作为现有无线通
信的有效补充,以解决频谱资源短缺等问题
[8]
。
智能手机的发展,为一种特殊的 VLC 技术——可见光成像通信(OCC)
[9-10]
的实际应用铺设了
硬件基础。如何高效解调是 OCC 研究中亟需解决的问题。在 OCC 中,列矩阵的选择和阈
值方案是信号解调的关键。为了缓解晕染效应对解调性能的影响,文献[ 11]提出了一种选取
晕染效应周围的列来解调信号的列选取算法,该方案选取了对比度较高的区域实现信号的恢
复,但未考虑灰度值在该区域的波动情况。文献[ 12]则选取了整张条纹图像来解调信号,该方
案明显降低了复杂度,但未消除晕染效应对系统性能的影响。传统的阈值方案多数基于多项
式拟合(如三阶多项式拟合
[13]
)和自适应阈值算法
[14]
。然而,基于多项式拟合的阈值分割方法
不能抵抗灰度值的波动,且具有很高的计算复杂度。另外,在不使用曲线拟合阈值方案的情
况下,Zhang 等
[15]
提出了一种基于边界像素的分段线性函数阈值方法来提高数据的精度。最
新的研究中,Meng 等
[12]
提出了一种新的导数判决方案,求导方法作为一种新的阈值方法,不仅
操作简单,且只需要考虑亮暗条纹边界处灰度值的变化情况,但该解调方案并不能从根本上
消除灰度值波动。灰度值的波动有 2 种情况:灰度值的整体波动和灰度值的局部波动。灰度
值的整体波动是 LED 的发光功率不均匀导致的,即当 LED 发射光经光学透镜被投射到摄像
头图像传感器时,不同位置处的像素接收到的光功率不相同,进而灰度值也不相同,并且呈现
以 LED 发射光为中心向四周逐渐减小的趋势。灰度值的局部波动是由于电容效应的影响,
亮暗条纹转换中间呈现出非亮非暗的条纹,导致亮暗条纹的分界不显著
[16]
。灰度值波动严重
会导致灰度值点不能分布在阈值两侧,影响灰度值转化为逻辑值的正确率,进而影响系统的
性能。针对以上问题,本文设计了一种新型的 OCC 信号解调方案。首先采用基于感兴趣区
域(ROI)提取的晕染消除方法缓解晕染效应的影响;其次采用基于膨胀腐蚀的自适应图像增
强算法进行图像增强,从而消除灰度值的整体波动;然后采用膨胀操作消除局部灰度值波动;
最终采用求导判决等一系列措施完成信息的解调,提升系统的通信性能。
2 系统模型
图 1 为 OCC 系统模型。发送端(Tx)首先对原始数据采用不归零开关键控(NRZ-OOK)的调
制方式进行调制。为避免出现发送端发送的二进制数据包含一长串连续的“1”或者“0”导致
LED 光源出现肉眼可见的闪烁现象而影响照明使用的情况,在 NRZ-OOK 调制后再进行曼
彻斯特编码,编码后的信息经 LED 驱动电路用于控制 LED 发光。接收端(Rx)根据 LED 发出
的可见光信号频繁闪烁的特性和手机 CMOS 图像传感器的卷帘快门工作方式捕获到具有明
暗条纹形式的图像。捕获到条纹图像后,对图像进行一系列的处理,包括 ROI 提取、图像增
强、膨胀算法和求导判决等,最终恢复发送端传输的数据信息。经过一系列操作解调出信息
后,将每帧图像得到的比特序列与原始发送序列作对比,即可得到本次实验的误码率(BER)数
据。
图 1. OCC 系统的原理图
Fig. 1. Schematic diagram of OCC system
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图像传感器的卷帘工作方式如图 2 所示。当 LED 不发送脉冲信号时,传感器对应列像素表
现为暗条纹,相当于发射端发送比特信息“0”;当 LED 发送高电平脉冲信号时,对应列像素表现
为亮条纹,相当于发射端发送比特信息“1”。上述过程持续到所有行像素曝光完成,最终形成
亮暗相间的条纹图像。不同行像素包含了不同时刻的可见光信息,通过对该条纹图像进行解
调,就可以提取出图像中包含的二进制信息,从而恢复出发送端的原始信息。
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