本發(fā)明涉及可見光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙電平脈沖寬度編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法及l(fā)ed可見光通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

可見光通信是基于led的無線通信新技術(shù)，它是利用led比熒光燈和白熾燈切換得快的優(yōu)點，通過led光源的高頻閃爍來進行通信，有光代表1，無光代表0，發(fā)出高速的光信號，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換而獲取信息。由于可見光通信照明的深度兼容，隨著新型節(jié)能照明燈led的日益普及，可見光通信技術(shù)發(fā)展前景不可限量。與傳統(tǒng)的射頻通信及其它無線通信系統(tǒng)相比較，可見光通信技術(shù)具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾、無電磁輻射、節(jié)約能源等優(yōu)點。目前可見光通信技術(shù)已經(jīng)成為多個國家研究熱點，但大多數(shù)處于試驗階段，雖然整體系統(tǒng)已有實現(xiàn)，但離實用階段還有一定距離，系統(tǒng)的各項性能指標有待進一步提高，實現(xiàn)方案也需要進一步完善。

目前存在的問題之一是led可見光通信系統(tǒng)的信道編碼設(shè)計問題：

可見光通信屬于無線通信領(lǐng)域，以大氣空間為通信信道，不可避免地受到大氣特性的影響，這種影響稱之為大氣障礙。大氣雜質(zhì)和湍流造成的大氣障礙使可見光通信系統(tǒng)的信噪比下降，誤碼率提高，通信性能大為下降。要降低大氣障礙對可見光通信造成的影響，除了在搭建通信系統(tǒng)的時候，需要選擇大氣惡劣程度較低、環(huán)境條件相對良好的地方，還應(yīng)該采用高效的信道編碼技術(shù)，至少應(yīng)該滿足以下幾點：1、定時信息要豐富，2、基線漂移要小或直流電平漂移量要小，3、要有一定的規(guī)律。如果線路碼型或碼流不滿足這些要求，將會發(fā)生以下問題：1、引起不良的抖動特性，時定時提取發(fā)生困難，2、直流不平衡的碼流將會使信號脈沖的直流電平發(fā)生漂移，降低通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，3、數(shù)字序列沒有一定的規(guī)律，通信期間無法監(jiān)測線路的誤碼率。由于可見光通信中可能會受到諸多噪音干擾，信道編碼作為重要的通信糾錯手段，得到了廣泛重視。目前的可見光通信研究，大都采用ook或vppm調(diào)制方式，結(jié)合rz碼或nrz碼對白光led直接進行強度調(diào)制從而進行信號傳輸。這樣的做法易于實現(xiàn)，但是頻譜資源利用率太低，資源浪費嚴重，而且信號的碼流直流不平衡嚴重，編碼的效率很低，導致整個通信的傳輸時長較短。

此外目前存在的問題之二是led結(jié)電容引起的額外功率消耗問題：

可見光通信的傳輸介質(zhì)為自由空間，用于照明的led發(fā)光二極管的發(fā)散角比較大，因此信號傳輸?shù)膸缀螕p耗較大，最終到達接收器的信號遠遠小于發(fā)射端。雖然已報道了傳輸速率大于1gbt/s的實驗系統(tǒng)，但是實現(xiàn)高速傳輸?shù)牡木嚯x只有幾厘米。

當通信距離變大時，信號損耗嚴重，誤碼率上升，就不能達到信號傳輸?shù)囊罅?。要提高傳輸?shù)木嚯x需要增加發(fā)射信號的功率，即增加led的光功率輸出，這就需要增大led的發(fā)光面積，而面積的增大，導致器件的結(jié)電容增大，頻率響應(yīng)特性下降，最大通信速率又受到限制。不單是led器件，所有半導體器件的功率特性和頻率特性在器件設(shè)計上的矛盾，是長久以來所有半導體器件設(shè)計者所共同面臨的問題。目前國內(nèi)外的報道還沒有能兼顧兩方面性能的，預期在短時間內(nèi)也不能解決，只能在一定程度上改善。

在現(xiàn)有l(wèi)ed器件的基礎(chǔ)上，通過外部驅(qū)動電路來改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實現(xiàn)高速通信，通常的方案是采用預加重或均衡。但是，由于照明用led的結(jié)電容通常較大，在nf的量級，高速驅(qū)動信號對這一電容的充放電將產(chǎn)生較大的功率消耗，從而降低照明系統(tǒng)的發(fā)光效率。目前還沒有一個可以較好地解決led結(jié)電容引起的額外功率消耗問題的方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，獲得沒有基線漂移的通信信號和led光照的高照明效率，本發(fā)明提出一種雙電平脈沖寬度編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法及l(fā)ed可見光通信系統(tǒng)，既可以達到傳輸碼流的dc平衡，又能提高頻帶的利用率，從而控制信號傳輸?shù)臅r長，保證通信和照明功能皆不受影響。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述問題：

一種雙電平脈沖寬度編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

發(fā)送端采用雙電平脈沖寬度編碼：利用高、低電平的寬度來進行編碼，高、低電平的跳變作為時間參考點，將待傳輸數(shù)據(jù)分為n位一組，根據(jù)每組數(shù)據(jù)的值，輸出不同寬度的高電平或低電平脈沖信號，每組數(shù)據(jù)的碼值對應(yīng)不同的脈沖電平發(fā)生跳變的位置；

接收端采用雙電平脈沖寬度解碼：通過數(shù)據(jù)位有無電平的跳變來識別碼元傳輸?shù)膶挾群鸵粋€數(shù)據(jù)位傳輸?shù)慕Y(jié)束，以收到的脈沖電平的上升或下降沿跳變作為時間參考點，根據(jù)下一個電平跳變沿時刻，判斷高電平或低電平脈沖的寬度，恢復出待傳輸數(shù)據(jù)對應(yīng)的碼值，完成數(shù)據(jù)傳輸。

進一步地，采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)n位的雙電平脈沖寬度編碼，具體實現(xiàn)方法是：

計數(shù)器的計數(shù)周期用τ表示，n位待傳輸數(shù)據(jù)的值用k表示，在每個周期開始，編碼器輸出高電平或者低電平，同時計數(shù)器開始計數(shù)，當計數(shù)器的計數(shù)值與待傳輸數(shù)據(jù)值相同時，編碼器發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)跳變，并復位計數(shù)器，這樣編碼器的輸出的高電平或低電平脈沖寬度等于kτ，就對應(yīng)于待傳輸數(shù)據(jù)的值。

進一步地，采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)n位的雙電平脈沖寬度解碼，具體實現(xiàn)方法是：

在每個信號電平跳變的時候，計數(shù)器開始計數(shù)，直到下一次信號電平出現(xiàn)跳變的時候停止計數(shù)，計數(shù)值就對應(yīng)脈沖寬度，得到對應(yīng)的待傳輸數(shù)據(jù)值。

一種led可見光通信系統(tǒng)，采用所述雙電平脈沖寬度編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

n位合并電路，用于將待傳輸數(shù)據(jù)分成n位一組的數(shù)據(jù)組；

碼型發(fā)生器，用于接收待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組，轉(zhuǎn)化成雙電平脈沖寬度編碼信號；

功率驅(qū)動器，用于將碼型發(fā)生器的輸出信號經(jīng)過放大后，驅(qū)動led，產(chǎn)生光通信信號；

led，用于根據(jù)功率驅(qū)動器的驅(qū)動產(chǎn)生光通信信號；

光電轉(zhuǎn)換器，用于接收光通信信號；

比較器，用于經(jīng)過判決恢復出雙電平脈沖寬度編碼信號；

解碼器，用于將恢復出的雙電平脈沖寬度編碼信號進行解碼，得到n位數(shù)據(jù)組；

數(shù)據(jù)恢復電路，用于將n位數(shù)據(jù)組恢復出待傳輸數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

1)、采用雙電平脈沖寬度編碼方案，屬于dc平衡編碼，碼流中直流分量的起伏較小，使得數(shù)據(jù)在傳輸中不受其直流分量的影響，避免了信號輸出基線的漸移現(xiàn)象，簡化了光接收端機的電路設(shè)計。該編碼電路也非常簡單，信號無需擾碼，并可以不用鎖相技術(shù)，直接從信號中恢復時鐘，大大簡化了時鐘提取電路，同時也提高了頻帶的利用率；

2)、采用雙電平脈沖寬度編碼方案，減少了led結(jié)電容的充放電次數(shù)，從而減少了因為充放電消耗的功率，提高了照明效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為雙電平脈沖寬度編碼的信號波形示意圖，其中(a)為編碼原理圖，(b)為編碼示例圖；

圖2為led可見光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為led可見光通信系統(tǒng)的實施例示意圖；

圖4為雙電平脈沖寬度編碼系統(tǒng)(led可見光通信系統(tǒng))的通信過程示意圖；

圖5為傳輸長連nrz-l碼時引起的接收機基線漂移現(xiàn)象示意圖；

圖6為常用的led驅(qū)動示意圖；

圖7為當led的驅(qū)動信號分別是高、低電平時，電流的流動方向示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面將結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。需要指出的是，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

本發(fā)明提供一種雙電平脈沖寬度編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

發(fā)送端采用雙電平脈沖寬度編碼：利用高、低電平的寬度來進行編碼，高、低電平的跳變作為時間參考點，將待傳輸數(shù)據(jù)分為n位一組，根據(jù)每組數(shù)據(jù)的值，輸出不同寬度的高電平或低電平脈沖信號，每組數(shù)據(jù)的碼值對應(yīng)不同的脈沖電平發(fā)生跳變的位置；

采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)n位的雙電平脈沖寬度編碼，具體實現(xiàn)方法是：

計數(shù)器的計數(shù)周期用τ表示，n位待傳輸數(shù)據(jù)的值用k表示，在每個周期開始，編碼器輸出高電平或者低電平，同時計數(shù)器開始計數(shù)，當計數(shù)器的計數(shù)值與待傳輸數(shù)據(jù)值相同時，編碼器發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)跳變，并復位計數(shù)器，這樣編碼器的輸出的高電平或低電平脈沖寬度等于kτ，就對應(yīng)于待傳輸數(shù)據(jù)的值。

接收端采用雙電平脈沖寬度解碼：通過數(shù)據(jù)位有無電平的跳變來識別碼元傳輸?shù)膶挾群鸵粋€數(shù)據(jù)位傳輸?shù)慕Y(jié)束，以收到的脈沖電平的上升或下降沿跳變作為時間參考點，根據(jù)下一個電平跳變沿時刻，判斷高電平或低電平脈沖的寬度，恢復出待傳輸數(shù)據(jù)對應(yīng)的碼值，完成數(shù)據(jù)傳輸；

采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)n位的雙電平脈沖寬度解碼，具體實現(xiàn)方法是：

在每個信號電平跳變的時候，計數(shù)器開始計數(shù)，直到下一次信號電平出現(xiàn)跳變的時候停止計數(shù)，計數(shù)值就對應(yīng)脈沖寬度，得到對應(yīng)的待傳輸數(shù)據(jù)值。

如圖1所示，圖1(a)為其編碼原理，發(fā)送端采用雙電平脈沖寬度編碼，在每個碼元開始時，編碼器把待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每n位分為一組，根據(jù)每組數(shù)據(jù)的值，輸出不同寬度的脈沖信號，以電平跳變作為時間參考點，每一個脈沖的跳變沿既是上一個碼元的結(jié)束，也是本次碼元的開始。設(shè)脈沖的最小時隙間隔為τ，則脈沖的最大寬度為2ⁿ·τ。其電平跳變的時刻與待傳輸數(shù)據(jù)組的值對應(yīng)。接收端以收到的脈沖電平的跳變作為時間參考點，根據(jù)信號的電平跳變沿時刻，恢復出待傳輸數(shù)據(jù)的值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1(b)為編碼示例，第1組待傳輸數(shù)據(jù)的值為“0”，所以脈沖只占用1個單位的時隙寬度；第2組待傳輸數(shù)據(jù)的值為“1”，所以脈沖占用2個單位的時隙寬度；第3組待傳輸數(shù)據(jù)的值為“3”，所以脈沖占用4個單位的時隙寬度。這種波形看起來像是模擬電源中常用的脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制方案的結(jié)合，但是有著本質(zhì)的區(qū)別：脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制技術(shù)是用數(shù)字信號表示模擬信號，是對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，而本發(fā)明是用脈沖電平跳變沿或脈沖寬度表征二進制數(shù)據(jù)組的值，屬于一種多元編碼方式。

實施例2

如圖2所示，本發(fā)明還提供一種led可見光通信系統(tǒng)，采用所述雙電平脈沖寬度編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

n位合并電路，用于將待傳輸數(shù)據(jù)分成n位一組的數(shù)據(jù)組；

碼型發(fā)生器，用于接收待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組，轉(zhuǎn)化成雙電平脈沖寬度編碼信號；

功率驅(qū)動器，用于將碼型發(fā)生器的輸出信號經(jīng)過放大后，驅(qū)動led，產(chǎn)生光通信信號；

led，用于根據(jù)功率驅(qū)動器的驅(qū)動產(chǎn)生光通信信號；

光電轉(zhuǎn)換器，用于接收光通信信號；

比較器，用于經(jīng)過判決恢復出雙電平脈沖寬度編碼信號；

解碼器，用于將恢復出的雙電平脈沖寬度編碼信號進行解碼，得到n位數(shù)據(jù)組；

數(shù)據(jù)恢復電路，用于將n位數(shù)據(jù)組恢復出待傳輸數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的led可見光通信系統(tǒng)的工作過程如下：

待傳輸數(shù)據(jù)通過n位合并電路，被分成n位一組的數(shù)據(jù)組；

碼型發(fā)生器接收待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組，轉(zhuǎn)化成雙電平脈沖寬度編碼信號，例如，要實現(xiàn)n位的多元脈沖寬度編碼，可以采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)：設(shè)計數(shù)器的計數(shù)周期為τ，n位待傳輸數(shù)據(jù)的值為k，在每個周期開始，編碼器輸出高電平，同時計數(shù)器開始計數(shù)，當計數(shù)器的計數(shù)值與待傳輸數(shù)據(jù)值相同時，編碼器出現(xiàn)高低電平的跳變，并復位計數(shù)器；

碼型發(fā)生器的輸出信號經(jīng)過功率驅(qū)動器放大后，驅(qū)動led，產(chǎn)生光通信信號；

在接收端，光電轉(zhuǎn)換器接收光通信信號，經(jīng)過比較器的判決，恢復出雙電平脈沖寬度編碼信號；

恢復出的雙電平脈沖寬度編碼信號經(jīng)解碼器解碼，得到n位數(shù)據(jù)組，再由數(shù)據(jù)恢復電路恢復出待傳輸數(shù)據(jù)，解碼器也可以采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)：在每個信號電平跳變的時候，計數(shù)器開始計數(shù)，直到下一次信號電平出現(xiàn)跳變的時候停止計數(shù)，計數(shù)值就對應(yīng)脈沖寬度，可以得到對應(yīng)的待傳輸數(shù)據(jù)值。

本發(fā)明的基本原理是通過采用雙電平脈沖寬度編碼，使得傳輸數(shù)據(jù)中的高低電平持續(xù)時間幾乎相等，保持電路中的dc(直流)平衡，以減少接收機出現(xiàn)的基線漂移現(xiàn)象。減少led的驅(qū)動電壓的跳變次數(shù)，降低因為led結(jié)電容引起的額外功率消耗。同時采用可變長碼元寬度，盡可能縮短低電平持續(xù)時間，提高信號的占空比，在保證照明亮度不變的前提下，減小峰值電流。

常規(guī)的碼元傳輸?shù)闹饕毕菔墙邮斩藳]有時鐘，沒有時鐘也就無法識別收到的數(shù)據(jù)位的開始和結(jié)束以及數(shù)據(jù)位的寬度；而雙電平脈沖寬度編碼解決了沒有時鐘的問題。接收端可以通過數(shù)據(jù)位有無電平的跳變來識別碼元傳輸?shù)膶挾群鸵粋€數(shù)據(jù)位傳輸?shù)慕Y(jié)束；接收端以收到的電平跳變的時刻作為時間參考點，根據(jù)下一次電平發(fā)生跳變的位置，恢復出對應(yīng)的碼值，完成數(shù)據(jù)傳輸。

如圖3所示，優(yōu)選地，led可見光通信系統(tǒng)發(fā)送端主要包含由fpga構(gòu)成的n位合并電路和碼型發(fā)生器，功率驅(qū)動器和led。接收端主要包含光電轉(zhuǎn)換器，比較器和fpga構(gòu)成的解碼器和數(shù)據(jù)恢復電路。n位合并電路和碼型發(fā)生器接收待傳輸數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為雙電平脈沖寬度編碼信號，這一信號經(jīng)功率驅(qū)動器放大后，驅(qū)動led，產(chǎn)生光通信信號。在接收端，光電轉(zhuǎn)換器接收光通信信號，經(jīng)過比較器的甄別，恢復出雙電平脈沖寬度編碼信號，最后經(jīng)過fpga構(gòu)成的解碼器解碼，恢復出待傳輸信號。

上述fpga采用altera公司cyclone-ⅱ系列的ep2c5芯片，邏輯單元4068個，片上動態(tài)存儲器總比特數(shù)119808bit，嵌入式18x18乘法器13個，片上鎖相環(huán)2個。

上述功率驅(qū)動器采用mimi-circuit公司的zhl-6a放大器，通頻帶0.0025-500mhz，增益25db，最大輸出功率22dbm。

上述led采用osram公司的le_cw_e2b發(fā)光二極管，額定電流700ma，光通量240-610lm。

上述光電轉(zhuǎn)換器采用newport公司的1601光電轉(zhuǎn)換器，其光譜響應(yīng)范圍320-1000nm，帶寬1ghz，上升時間400ps，等效輸入噪聲功率31pw，轉(zhuǎn)換增益360/w。

上述比較器采用美信公司的max961比較器，其傳播時延4.5ns，供電電壓3-5v，輸出電平兼容ttl和cmos標準。

通信過程如圖4所示：待傳輸數(shù)據(jù)通過n位合并電路，被分成n位一組的數(shù)據(jù)組。碼型發(fā)生器接收待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組，轉(zhuǎn)化成雙電平脈沖寬度編碼信號。例如，要實現(xiàn)n位的雙電平脈沖寬度編碼，可以采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)：設(shè)計數(shù)器的計數(shù)周期為τ，n位待傳輸數(shù)據(jù)的值為k，在每個周期開始，編碼器輸出高電平(或者低電平)，同時計數(shù)器開始計數(shù)，當計數(shù)器的計數(shù)值與待傳輸數(shù)據(jù)值相同時，編碼器發(fā)生電平跳變，并復位計數(shù)器。這樣編碼器的輸出脈沖寬度等于kτ，就對應(yīng)于待傳輸數(shù)據(jù)的值。編碼器發(fā)生電平跳變之后，立即進行下一個碼元的傳輸。碼型發(fā)生器的輸出信號經(jīng)過功率驅(qū)動器放大后，驅(qū)動led，產(chǎn)生光通信信號。

在接收端，光電轉(zhuǎn)換器接收光通信信號，經(jīng)過比較器的判決，恢復出雙電平脈沖寬度編碼信號，最后經(jīng)過解碼器解碼，得到n位數(shù)據(jù)組，再由數(shù)據(jù)恢復電路恢復出待傳輸數(shù)據(jù)。解碼器也可以采用n位計數(shù)器來實現(xiàn)：在每個信號跳變沿，計數(shù)器開始計數(shù)，信號的下一個電平跳變沿停止計數(shù)，計數(shù)值就對應(yīng)脈沖寬度，可以得到對應(yīng)的待傳輸數(shù)據(jù)值。

根據(jù)上述方案的原理，現(xiàn)在分別分析此方案在led可見光通信系統(tǒng)中遇到的基線漂移問題以及在led結(jié)電容引起的功率消耗和照明亮度方面的特性：

1、led可見光通信系統(tǒng)中遇到的基線漂移問題

基線漂移也稱為基線浮動，是由于數(shù)字信號通過交流耦合網(wǎng)絡(luò)時產(chǎn)生的。這是因為光信道與電纜傳輸?shù)那闆r不同，光通信中不可能有負光，因此不能象電纜那樣采用雙極性的脈沖，而只能采用單極性的脈沖。在數(shù)字光通信系統(tǒng)中，對應(yīng)“1”為發(fā)光，“0”為不發(fā)光，在單極性的數(shù)字碼流中必然含有一定的直流成分，而交流耦合網(wǎng)絡(luò)不能通過碼流所包含的直流分量，當矩形脈沖加到交流耦合網(wǎng)絡(luò)時，輸出脈沖將出現(xiàn)相反極性的拖尾，這拖尾的幅度和持續(xù)時間將取決于交流耦合網(wǎng)絡(luò)的低頻特性。低頻截止頻率越低，尾巴就越長。脈沖序列經(jīng)過交流耦合網(wǎng)絡(luò)時，各個脈沖的拖尾將相互疊加起來，由此造成“基線浮動”，當接收機的判決電平不變時，這種浮動就會影響接收機判決脈沖的有無的能力。

用于光傳輸系統(tǒng)的數(shù)字光端機有兩種工作方式：同步和異步。這兩種不同工作方式的光端機無論從傳輸信號的結(jié)構(gòu)、設(shè)計思想、電路構(gòu)成上，還是再生判決方法上都有很大的差別，基線漂移產(chǎn)生的原因及其影響也不同。對于同步式光端機，它傳輸?shù)氖沁B續(xù)的數(shù)字序列，基線浮動出現(xiàn)的原因主要是由于數(shù)字碼流中的“1”和“0”出現(xiàn)不均勻，出現(xiàn)長時間的連“1”或連“0”時，引起直流成分的幅度發(fā)生變化，當直流成分變化幅度較大時，就可能出現(xiàn)誤碼。

如圖5所示的是傳輸長連nrz-l碼時引起的接收機基線漂移現(xiàn)象示意圖。由圖可以看出，通過交流耦合后，基線會逐漸下沉，此時如果判決門限固定不變，就會使一部分“1”碼誤判為“0”碼。在這種情況下，只有依靠增大信號幅度的辦法來克服誤碼，但這樣使最小可接收到的平均光功率變大，對接收機的靈敏度造成一定損失。

由圖可以看出光脈沖只能采取單極性，因此光脈沖含有直流分量，但是交流網(wǎng)絡(luò)不能通過碼流包含的直流分量，所以矩形脈沖通過交流耦合網(wǎng)絡(luò)時會出現(xiàn)反極性的拖尾，而脈沖序列的拖尾相互交疊就會造成基線漂移，而對于已經(jīng)給定的固定的判決閾值電平而言，漂移就會影響判讀出現(xiàn)誤碼，如圖5所示。

因此希望在有線鏈路的情況下，期望利用沒有dc和少量低頻內(nèi)容的代碼，以便允許驅(qū)動器和接收器電路與傳輸線的dc(直流)隔離或者說編碼可以實現(xiàn)dc平衡，從而減少線路上的信號失真。直流平衡，是指在一組數(shù)據(jù)中0和1的個數(shù)相等，則這組數(shù)據(jù)是直流平衡的。在使用隔直電容時，電流僅在狀態(tài)切換時流入接收器的終接網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的led可見光通信系統(tǒng)，采用高、低電平同時編碼的可變長碼元寬度編碼，在考慮信號的占空比時，設(shè)最小的低電平寬度為tl，下降沿不同碼值的時隙間隔為tc則，對于n位m元編碼，每個碼元的高電平的平均寬度為而每個碼元的低電平的平均寬度也為由此可以看出傳輸數(shù)據(jù)中的高低電平持續(xù)時間幾乎相等，故而可以保持電路中的dc(直流)平衡，以提高基線，因此不會出現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸過程中因交流耦合而使連0或連1的數(shù)據(jù)發(fā)生誤碼、丟數(shù)的現(xiàn)象，從而可以消除通信鏈路中的基線漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2、led結(jié)電容引起的能量消耗

如圖6(a)所示是常用的led驅(qū)動示意圖，通常使用一個高速的驅(qū)動器來驅(qū)動led。但是，由于照明用led的結(jié)電容通常較大，在nf的量級，高速驅(qū)動信號對這一電容的充放電將產(chǎn)生較大的功率損耗，從而降低照明系統(tǒng)的發(fā)光效率。結(jié)電容充放電引起的功率消耗可以根據(jù)圖6分析。圖6(b)是用led的等效電路替換之后的驅(qū)動示意圖，其中虛線框里的是led的等效電路圖。因為主要研究led結(jié)電容的影響，所以忽略led的串聯(lián)電阻等因素，把led等效為一個理想發(fā)光二極管d與led結(jié)電容cled的并聯(lián)。

當led的驅(qū)動信號分別是高、低電平時，電流的流動方向如圖6所示。因為電容的充放電只發(fā)生在信號的上升或下降沿，所以下面分別對信號上升沿和下降沿的情況進行分析：

(1)、信號上升沿時，led結(jié)電容引起的電路能量消耗

圖7(a)是輸入為高電平時的電流方向，此時驅(qū)動器內(nèi)部開關(guān)s閉合，電源vh通過驅(qū)動器內(nèi)阻ro給理想led供電使其發(fā)光，同時給led的結(jié)電容充電。

電源對led結(jié)電容充電消耗的能量不參與發(fā)光，是電路的能量消耗。因為電容不消耗電功率，所以實際功率都消耗在驅(qū)動電路上，即驅(qū)動電路的內(nèi)阻上。驅(qū)動信號上升沿跳變對結(jié)電容的充放電引起的能量消耗可以用式(1)計算

式中，ic為流過led結(jié)電容的電流，vro為驅(qū)動器內(nèi)阻上的電壓，vh為驅(qū)動信號高電平的電壓，vled為led上的電壓(等于led結(jié)電容上的電壓)，tr為信號上升時間。

對于流過led結(jié)電容的電流等于

因為在信號保持高電平或低電平時，led的電壓保持不變，其結(jié)電容沒有充放電，led的結(jié)電阻和驅(qū)動器的內(nèi)阻構(gòu)成簡單的分壓電路，所以有

式中rled為led的結(jié)電阻，ro為驅(qū)動器的內(nèi)阻。因為led的內(nèi)阻遠大于驅(qū)動器的內(nèi)阻，所以在上升沿之前，led上的電壓約等于低電平vl，上升沿之后的電壓約等于vh，將式(2)(3)和(4)代入式(1)可得

式中vm為高低電平的差值。由式(5)可知，信號上升沿時，結(jié)電容引起的電路能量消耗與結(jié)電容的大小成正比，與驅(qū)動信號的峰峰值的平方成正比。

(2)信號下降沿時，led結(jié)電容引起的電路能量消耗

圖7(b)是當輸入電壓是低電平時，各部分的電流方向。此時驅(qū)動器內(nèi)部開關(guān)s閉合，led結(jié)電容在高電平時積累的電荷通過驅(qū)動器的內(nèi)阻放電，并同時通過理想led放電，放電電流逐漸減小，led逐漸熄滅。所以有

流過驅(qū)動器的內(nèi)阻的能量是無用的，所以結(jié)電容引起的電路能量消耗為

式中id為流過理想發(fā)光二極管的電流，理想led的正向伏安特性遵循的方程為

式中，i0為led的反向飽和電流，q為電子電荷量，vd為led兩端電壓，n為與led的材料有關(guān)的常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為絕對溫度。

將式(6)和式(8)代入式(7)，可以得到信號下降沿時，led的結(jié)電容引起的能量消耗為

式中第一項為led結(jié)電容上儲存的能量，第二項為下降沿過程中l(wèi)ed消耗的能量，這部分能量雖然對通信信號沒有貢獻，但是用于發(fā)光。因為led的內(nèi)阻遠大于驅(qū)動器的內(nèi)阻，所以信號下降沿時，驅(qū)動器內(nèi)阻消耗的能量遠大于led消耗的能量，led結(jié)電容引起的能量耗散約等于

(3)信號跳變時，led結(jié)電容引起的電路功率消耗

led結(jié)電容引起的電路功率消耗等于單位時間內(nèi)每次跳變的能量消耗。因此，對每個周期跳變的概率因子為α，信號頻率為f的驅(qū)動信號，根據(jù)式(5)和(10)，結(jié)電容的充放電引起的功率消耗為

以普通功率1w的led為例，其典型的結(jié)電容1nf，設(shè)驅(qū)動電壓切換頻率100mhz，調(diào)制電壓3v，采用單極性非歸零碼時(對單極性非歸零碼α＝0.5，別的碼型α會高得多)，其功耗達到了150mw，這將引起發(fā)光效率的極大降低。如果頻率進一步提升，或者結(jié)電容增大(大功率led的情況)，這一問題將更加嚴重。

(4)降低led結(jié)電容引起的電路功率消耗的方法

根據(jù)式(11)，要降低led結(jié)電容引起的電路功率消耗，可以通過降低驅(qū)動信號跳變的概率，降低時鐘頻率，降低led結(jié)電容，降低驅(qū)動信號幅度等方法實現(xiàn)。因為一旦led選定，其結(jié)電容大小就基本確定了，為了獲得足夠高的信噪比，驅(qū)動信號幅度也必須足夠高，所以最可行的方法就是通過改進通信系統(tǒng)的編碼或調(diào)制方式，降低驅(qū)動信號跳變的概率，以及降低時鐘頻率。

本發(fā)明采用雙電平脈沖寬度編碼方案即可有效的降低驅(qū)動信號跳變的概率和時鐘頻率：以采用n位m元編碼為例，系統(tǒng)發(fā)射端采用驅(qū)動脈沖的上升沿(或者下降沿)作為定時參考，根據(jù)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用m元編碼，每個碼值對應(yīng)不同的電平跳變的位置，驅(qū)動脈沖電平發(fā)生跳變之后，立即以系統(tǒng)最快可能的速度上升或者(下降)，進行下一個碼元的傳輸。

可以看到在一個碼元時間內(nèi)，信號跳變了一次，傳輸了n位二進制數(shù)，其每個周期跳變的概率因子為α＝1，其信號的平均頻率為因此其結(jié)電容充放電引起的功率消耗為

因此led結(jié)電容引起的功率消耗相比基本的單極性非歸零碼信號，減少到了原來的當n足夠大時，可以極大地減小led結(jié)電容引起的額外功率消耗問題。

本發(fā)明可以提高其照明效率以及消除通信鏈路中信號的基線漂移問題，利用信號高、低電平的寬度來進行編碼，采用多元編碼的編碼方案，減少了led結(jié)電容的充放電次數(shù)，從而減少了因為充放電消耗的功率，提高了led的照明效率；對高、低電平的寬度同時進行編碼，使得傳輸數(shù)據(jù)中的高低電平持續(xù)時間幾乎相等，可以保持信號的dc(直流)平衡，消除可見光通信鏈路中信號的基線漂移問題，增強通信鏈路中的抗干擾能力，提高了頻帶利用率。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。