一種基於可見光室內定位的CDMA編碼方法與流程
2024-01-29 08:36:15 1
本發明涉及可見光通信定位技術，特別涉及一種CDMA編碼方式。
背景技術：
：可見光通信技術(VisibleLightCommunication，VLC)是指利用可見光波段的光作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。可見光通信技術應用於室內定位技術中與傳統的室內定位技術相比具有許多優點，如定位精度高、無電磁幹擾、附加模塊少、保密性好、兼顧通信與照明等，在國際上引起了許多專家學者的關注。可見光室內定位系統中至少需要知道三個參考節點的位置，而不同參考點信源所發出的ID定位信息在時域和頻域上一般是重疊的，且會由於多徑效應的存在而產生碼間幹擾，進而大大限制了定位的精度。在CDMA擴頻調製技術中不同用戶傳輸信息所用的信號不是依據頻率不同或時隙不同來區分，而是用各自不同的編碼序列來區分。如果從頻域或時域來觀察，多個CDMA信號是互相重疊的，接收機用相關器可以在多個CDMA信號中檢出其中使用預定碼型的信號，其它使用不同碼型的信號因為和接收機本地產生的碼型不同而不能被解調，從而解決可見光室內定位中的碼間幹擾問題。技術實現要素：為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在於提出一種CDMA編碼方式，解決碼間幹擾問題的同時，大大簡化了系統控制的複雜程度，同時提升了定位的精度。本發明的目的通過以下技術方案實現。一種基於可見光室內定位的CDMA編碼方法，其包括以下步驟：步驟1、加載到每個LED上的定位信息，經過OOK基帶調製後形成帶寬為B1的基帶調製信號；步驟2、所述的基帶調製信號經PN碼產生器產生的PN碼進行直接相乘的擴頻操作後，形成帶寬為B2的擴頻信號，其中B2遠大於B1；步驟3、所述擴頻信號經過LED驅動電路後形成可見光信號；步驟4、所述光信號由光電檢測器件轉化為電信號經過放大電路以及自適應濾波器處理後形成解擴前的信號；步驟5、接收端產生與發送端相位一致的PN碼與所述解擴前的信號進行解擴處理，實現出ID信息的解擴還原。進一步地，所述步驟1中的OOK基帶調製是載波的振幅隨著數字基帶信號(數字基帶信號為二進位)而變化的數字調製。進一步地，所述步驟2中的PN碼產生器：採用m序列作為信道編碼，Walsh序列作為地址編碼，其中一組具有相關性的二進位Walsh序列能通過哈達瑪矩陣產生。進一步地，所述步驟5包括以下步驟：步驟5.1、通過內置的同步電路來捕捉LED燈具所發射的PN碼的準確相位；步驟5.2、由所獲得的PN碼相位經PN碼產生器產生同樣的PN碼和解擴前信號相乘形成初解擴信號；步驟5.3、令所述初解擴信號在一個ID信息碼長上對ID信息符號進行積分；步驟5.4、積分後的信號經過抽樣判決後獲得相應LED所發射的ID信息。本發明主要包括信道化編碼，基站碼和用戶碼，加載到LED上的ID信息流經過OOK基帶調製後通過和用戶特定的PN碼相乘進行擴頻，在接收端通過自適應濾波器後，與同樣的PN碼相乘實現解擴，然後把所獲得的輸出對ID信息符號進行積分，再經過抽樣判決後，即可獲得每個LED燈具所發射的ID信息。所述PN碼採用m序列作為信道的編碼，Walsh序列作為地址編碼。所述Walsh碼可以通過哈達瑪矩陣產生，生成一組具有良好相關性的二進位序列。與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：(1)本發明通過利用CDMA調製中擴頻碼的正交性，在克服了碼間幹擾的同時，增加了信道的容量，提升了通信質量。(2)本發明使得發射端發射的信息不需要進行同步發射的處理，大大簡化了系統控制的複雜程度，提升了定位的精度。附圖說明圖1為本發明基於CDMA調製的VLC定位系統框圖。圖2為本發明直接序列擴頻系統頻譜示意圖。圖3為本發明直接序列擴頻系統的原理框圖。具體實施方式下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。如圖1所示一種可見光室內定位系統，包括LED發射子系統、信道傳輸子系統和信號接收子系統。其中所述LED發射子系統具有：依次連接的OOK基帶調製模塊、CDMA擴頻調製模塊、LED驅動電路和LED燈具；所述信道傳輸子系統為室內光信號傳輸自由空間；所述信號接收子系統具有：依次連接的光電檢測器件、信號放大電路、自適應濾波電路和CDMA解擴模塊。原始的ID信息經過OOK基帶調製模塊後，形成基帶調製信號；所述基帶調製信號經過CDMA擴頻模塊後形成擴頻信號；所述擴頻信號經過LED驅動電路驅動LED燈具發射可見光信號；所述可見光信號經過自由空間到達光電檢測器件；所述光電檢測器件將可見光信號轉換為電信號；所述電信號再依次經過信號放大電路、自適應濾波電路和CDMA解擴模塊最終獲得ID信號以及空間傳播時信號的衰減因子；根據所述ID信號及衰減因子帶入計算公式即可獲得精確的位置信息。本實例的基於可見光室內定位的CDMA編碼方法，其包括以下步驟：步驟1、加載到每個LED上的定位信息，經過OOK基帶調製後形成帶寬為B1的基帶調製信號；步驟2、所述的基帶調製信號經PN碼產生器產生的PN碼進行直接相乘的擴頻操作後，形成帶寬為B2的擴頻信號，其中B2遠大於B1；步驟3、所述擴頻信號經過LED驅動電路後形成可見光信號；步驟4、所述光信號由光電檢測器件轉化為電信號經過放大電路以及自適應濾波器處理後形成解擴前的信號；步驟5、接收端產生與發送端相位一致的PN碼與所述解擴前的信號進行解擴處理，實現出ID信息的解擴還原。所述步驟1中的OOK基帶調製是載波的振幅隨著數字基帶信號(數字基帶信號為二進位)而變化的數字調製。所述步驟2中的PN碼產生器：採用m序列作為信道編碼，Walsh序列作為地址編碼，其中一組具有相關性的二進位Walsh序列能通過哈達瑪矩陣產生。所述步驟5包括以下步驟：步驟5.1、通過內置的同步電路來捕捉LED燈具所發射的PN碼的準確相位；步驟5.2、由所獲得的PN碼相位經PN碼產生器產生同樣的PN碼和解擴前信號相乘形成初解擴信號；步驟5.3、令所述初解擴信號在一個ID信息碼長上對ID信息符號進行積分；步驟5.4、積分後的信號經過抽樣判決後獲得相應LED所發射的ID信息。如圖3所示，加載到每個LED上的ID定位信息通過與用戶特定的PN碼(PseudoNoiseCode)相乘進行擴頻操作；擴頻操作位於OOK基帶調製之後和可見光信號形成之前。擴頻調製主要分為擴頻和加擾兩步，首先採用擴頻碼對數據進行擴頻，再將擾碼加載到擴頻後的信號中。本實例採用m序列作為信道的編碼，Walsh序列作為地址編碼。一個長度為2n、具有2n個元素的Walsh碼可以通過哈達瑪矩陣(Hadamardmatrix)產生，如式所示：H2n=HnHnHnHn]]>其中，下標n為哈達瑪矩陣的階數。二階的哈達瑪矩陣為：H2=0001H2=111-1]]>高階的哈達瑪矩陣可通過遞推關係得出，其中哈達瑪矩陣的每一列代表著一個Walsh序列，即生成一組具有良好相關性的二進位序列滿足：<CiCj>=Σk=1MCi,k*Cj,k=M,i=j0,ij]]>是內積運算，(·)*是共軛運算，M是正交碼的長度。一般來說，正交碼的數目為M，系統所能容納的最多的不同的ID位置信息(即不同LED燈)數目也為M。不同LED燈具的ID位置信息流經過OOK基帶調製後變成帶寬為B1的信號Si，然後不同的ID位置信息再由正交碼分別擴頻調製成帶寬為B2的寬帶信號(B2>B1)，經驅動電路驅動LED發出可見光信號，在接收端第k個定位用戶的第n個ID位置信息符號的混合光信號如下式：Rn,k=Pr(S1,nC1,k+S2,nC2,k+...+Sm,nCm,k)=PrΣi=1mSi,nCi,k]]>其中，Pr為接收端信號強度，Si,n為第i盞LED燈具發出的第n個ID信息符號，Ci，k為第i盞燈發出使用的第k個Walsh序列，而m為系統實際的LED燈具的數目，並且滿足1≤m≤M。由式(1)可得：第n個ID信息符號經過第j(j＝1,2,…,m)個自適應濾波器後的輸出為：所獲得的Yj,n再通過對ID信息符號進行積分：Yj=Σn=1NYj,n]]>其中，N為ID位置信息的碼長；再經過抽樣判決後，即可得到每個LED燈具所發射的ID信息並確定定位的位置區域以及獲得衰減因子H(0)，再通過RSS三角定位算法可以獲得定位區域內精確的位置信息。進一步地，由香濃公式C＝B*log2(1+S/N)可得：在擴頻系統中由於信號帶寬增大了，可以在信道信噪比較低的情況下實現通信，這樣對於噪聲的抗幹擾能力可大大增強；與此同時，通過接收端的解擴操作(如圖2所示)，可以使幹擾噪聲擴展到較寬的頻帶內，而有用信號恢復成窄帶信號，通過窄帶濾波器選取出有用的信號。從而解決了VLC定位系統中背景噪聲的幹擾而影響定位質量的問題。上述實施例僅為本發明的一種實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3