陳 勇 韓照中 劉煥淋 胡陳毅 吳志倩

①(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400065)

②(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

1 引言

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)終端接入設(shè)備的增多，持續(xù)增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)量促進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)[1]獲取可拓展的頻譜資源。射頻頻譜的需求持續(xù)增長(zhǎng)。為了緩解射頻(Radio Frequency， RF)頻譜短缺問(wèn)題，業(yè)界提出使用毫米波、太赫茲以及更高頻段在內(nèi)的諸多頻段進(jìn)行通信[2，3]，并考慮對(duì)傳統(tǒng)燈光進(jìn)行賦能，在不影響正常生產(chǎn)生活下，使用閃爍的燈光進(jìn)行發(fā)送信息。具有高效節(jié)能、無(wú)電磁干擾、通信安全性好等特點(diǎn)的可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication，VLC)已成為一種熱門(mén)的新型無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，復(fù)旦大學(xué)的遲楠等人[4]指出未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)是一種使用各式各樣通信方式的全頻譜網(wǎng)路，其中 6G 藍(lán)圖的重點(diǎn)內(nèi)容之一就是將 VLC 技術(shù)與6G 中其他信息通信技術(shù)融合形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，共同提供海量連接、更高網(wǎng)速、穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)傳輸。6G中可見(jiàn)光通信的應(yīng)用場(chǎng)景包括：室內(nèi)無(wú)線(xiàn)接入、室內(nèi)定位、智能交通、星間激光通信以及海底通信等[4，5]。

VLC技術(shù)可以根據(jù)接收器的不同分為：基于光電二極管的傳統(tǒng)VLC技術(shù)和基于圖像傳感器的新型VLC技術(shù)?；趫D像傳感器的VLC也被稱(chēng)之為OCC。與傳統(tǒng)VLC相比，OCC具有更大的接收視場(chǎng)角(Field Of View， FOV)，良好的空間分離特性，硬件成本低等特點(diǎn)。OCC技術(shù)可以運(yùn)用在例如室內(nèi)定位及導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)支付和短距離通信等現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。

對(duì)于OCC系統(tǒng)，待傳輸?shù)男畔⒁园l(fā)光二極管(Light-Emitting Diode， LED)的明暗光信號(hào)進(jìn)行發(fā)送與接收，而數(shù)據(jù)信息在干擾環(huán)境下的正確解碼是研究的重點(diǎn)。Shi等人[6]傾向于將數(shù)字圖像處理方法用于信號(hào)解調(diào)，在解碼過(guò)程中引入恒定偏移量，導(dǎo)致其不能夠滿(mǎn)足多種場(chǎng)合通信需求；Zhang等人[7]提出多階項(xiàng)式擬合閾值算法進(jìn)行解調(diào)，但該算法更著重于整體走勢(shì)，解碼過(guò)程中受異常值影響較大，造成解碼錯(cuò)誤，限制通信性能；Liu等人[8]則使用一種自適應(yīng)閾值方法直接判斷邏輯值，其魯棒性較差，解碼效果受步長(zhǎng)設(shè)置影響較深，受灰度值波動(dòng)影響易造成解碼錯(cuò)誤；Hsu等人[9]則與之不同地使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判斷邏輯值概率，該方法準(zhǔn)確度較高，但需大量樣本數(shù)據(jù)用以訓(xùn)練，所需時(shí)間成本高，遷移能力有待提升。

針對(duì)上述研究中存在的問(wèn)題，本文提出一種基于指數(shù)權(quán)重濾波的參考條紋寬度判決解調(diào)方法。在發(fā)送端設(shè)定1.67 kbps發(fā)送速率，并設(shè)計(jì)較為合理的幀結(jié)構(gòu)；在接收端解調(diào)過(guò)程中首先利用直方圖均衡化操作對(duì)接收?qǐng)D像進(jìn)行預(yù)處理，從而提高圖像整體對(duì)比度以增強(qiáng)明暗條紋區(qū)分。針對(duì)灰度值波動(dòng)導(dǎo)致錯(cuò)碼，使用指數(shù)權(quán)重濾波算法，同時(shí)兼顧灰度曲線(xiàn)整體與細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)參考條紋寬度判決的解調(diào)解碼策略。本文采用比特誤碼率(Bit Error Ratio， BER)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，衡量本文算法在信息解調(diào)解碼時(shí)的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)原理

基于光學(xué)相機(jī)的可見(jiàn)光通信結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。OCC系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)LED燈具進(jìn)行明暗變換，將編碼調(diào)制后的數(shù)據(jù)以可見(jiàn)光的形式在自由信道中傳輸，然后在接收端使用具有卷簾快門(mén)效應(yīng)的光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)記錄LED的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成不同寬度的黑白條紋圖像，最后對(duì)圖像進(jìn)行離線(xiàn)解調(diào)解碼處理。

圖1 光學(xué)相機(jī)通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 發(fā)送設(shè)置

2.1.1 信息幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于OCC系統(tǒng)，視頻中每?jī)蓭瑘D像之間存在間隔(gap)時(shí)間，即圖像傳感器讀出并存儲(chǔ)圖像所需要的工作時(shí)間。本文使用IQOO Z5手機(jī)進(jìn)行拍攝條紋信息實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在30 fps的相機(jī)幀率下，發(fā)射端連續(xù)發(fā)送PWM信號(hào)時(shí)，圖像幀與幀之間存在讀出時(shí)間，連續(xù)幀圖片之間存在條紋信息缺失。且將1行像素視作1個(gè)采樣點(diǎn)，按照香農(nóng)定理，最少需要2行像素才可完成信號(hào)恢復(fù)，所以L(fǎng)ED狀態(tài)需要持續(xù)一定時(shí)間才能保證相機(jī)準(zhǔn)確接收信息，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定每bit數(shù)據(jù)周期時(shí)間為600 μs。改進(jìn)信息幀結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低間隔時(shí)間影響是實(shí)現(xiàn)正確通信的關(guān)鍵，本文在保證信息傳輸速率的同時(shí)，保證信息可以實(shí)現(xiàn)成功解碼，進(jìn)而對(duì)信息幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。Li等人[10]針對(duì)幀間間隔時(shí)間提出基于Beacon的設(shè)計(jì)思路及拼接方法較為新穎，但所提方案復(fù)雜度較大。

基于上述數(shù)據(jù)周期時(shí)間考慮，并且保證單幀圖像中可以包含1個(gè)信息幀的全部數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了如圖2(a)系統(tǒng)信息幀結(jié)構(gòu)：幀同步頭、數(shù)據(jù)、幀尾3部分。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定幀同步頭采用1 bit二進(jìn)制“0”作為起始標(biāo)志，數(shù)據(jù)由14 bit二進(jìn)制符號(hào)表示，幀尾由1 bit二進(jìn)制“1”表示。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于白黑條紋順序明顯，有利于判斷照片成像時(shí)的掃描方向，有效避免反向讀取信息，從而降低數(shù)據(jù)解碼錯(cuò)誤率，該信息幀結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足接收時(shí)間超過(guò)幀間間隔時(shí)間的情況下，避免1幀數(shù)據(jù)被2幀圖像記錄，同時(shí)增強(qiáng)幀與幀之間的隔離作用，使幀同步頭檢測(cè)更簡(jiǎn)單，以免所有條紋信息混淆而無(wú)法正確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息。為防止信息傳輸過(guò)程遇到幀間間隔時(shí)，相機(jī)丟失LED狀態(tài)信息，設(shè)定每個(gè)數(shù)據(jù)包中有3個(gè)相同信息幀，如圖2(b)所示，確保完整傳輸。

圖2 系統(tǒng)信息幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及發(fā)送圖

所提出的信息幀方案實(shí)驗(yàn)效果如圖3所示，系統(tǒng)相隔10 cm進(jìn)行發(fā)送信息，在拍攝的視頻幀中，存在gap時(shí)間，LED在此時(shí)間內(nèi)仍發(fā)送信息，而相機(jī)無(wú)法進(jìn)行接收，造成部分信息在相鄰幀之間存在缺失。信息幀重復(fù)3次作為數(shù)據(jù)包發(fā)送后，可觀(guān)察到在接收?qǐng)D中具有完整信息數(shù)據(jù)，可供系統(tǒng)后續(xù)解調(diào)處理，并且數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可以有效區(qū)分幀同步頭、幀尾和數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)距離10cm接收數(shù)據(jù)“2”和“3”時(shí)存在幀間間隔示意圖

2.1.2 調(diào)制格式

目前OCC系統(tǒng)大多調(diào)制方法為二進(jìn)制開(kāi)關(guān)鍵控(On-Off Keying， OOK)[11]調(diào)制，可以直接調(diào)制管控LED的光照強(qiáng)度，但可能導(dǎo)致明顯的閃爍效果，影響正常照明，甚至對(duì)人眼造成干擾。對(duì)此，本文提出使用PWM調(diào)制，通過(guò)將滿(mǎn)幅值的直流供電實(shí)現(xiàn)全通(ON)或者全斷(OFF)。以重復(fù)通斷的脈沖序列加載到模擬負(fù)載，有效降低OOK調(diào)制可能造成的頻閃。本文將數(shù)據(jù)、幀同步頭和幀尾分別設(shè)置不同的占空比，分辨幀同步頭和幀尾更容易，可快速確定數(shù)據(jù)信息位置。如圖4所示，幀同步頭和幀尾分別設(shè)定“0”占空比為0%和“1”占空比為100%(如圖4(a))；如圖4(b)所示有效數(shù)據(jù)信息設(shè)定“0”占空比為25%，“1”占空比為50%。整體信息幀的PWM信號(hào)如圖4(c)所示。

圖4 本文系統(tǒng)提出的調(diào)制方案圖

2.2 卷簾效應(yīng)

與傳統(tǒng)光電二極管接收器不同，CMOS光學(xué)相機(jī)具有獨(dú)特的卷簾快門(mén)效應(yīng)[12]。每一幀圖像中獲取一段時(shí)間光源變換的狀態(tài)(開(kāi)或關(guān))，同樣可看作每行像素按時(shí)間順序?qū)ED燈具狀態(tài)進(jìn)行采樣，記錄成相應(yīng)的明暗條紋。通常情況下，黑白條紋的寬度不會(huì)隨著相機(jī)接收方向而變化，而是由相機(jī)本身相機(jī)幀率Cr和 LED的發(fā)送頻率Fs共同決定。Li[13]認(rèn)為每幀圖像的完全成像時(shí)間為T(mén)im，由全部圖像傳感器掃描時(shí)間Ts和幀間處理間隔時(shí)間Tg構(gòu)成。式(1)為T(mén)im的計(jì)算公式。

光學(xué)相機(jī)能否獲取信息依賴(lài)于通信系統(tǒng)發(fā)送比特速率Sf與手機(jī)成像速率和行掃描頻率是否相匹配。當(dāng)通信比特速率低于手機(jī)成像速率時(shí)，使用多幀圖像表示LED同一狀態(tài)，將嚴(yán)重限制傳輸速率；而當(dāng)通信比特速率遠(yuǎn)高于行像素掃描頻率，又將會(huì)造成傳輸信息丟失，增大誤碼率。式(3)為系統(tǒng)正常通信的比特率條件。

最終圖像傳感器接收處理后的畫(huà)面所呈現(xiàn)為黑白條紋相間圖案。在理想狀態(tài)下，相機(jī)完美捕獲LED狀態(tài)變化，獲取條紋圖片效果如圖5(a)所示，收到干擾的實(shí)際條紋圖像效果如圖5(b)所示。圖像中較粗的黑色條紋代表幀同步頭，較粗的白色條紋代表幀尾，中間存在次數(shù)較多的黑白轉(zhuǎn)換的條紋是有效數(shù)據(jù)信息。

圖5 接收黑白條紋圖

3 解調(diào)算法的提出

3.1 解調(diào)算法流程

飽和灰度值和較高條紋對(duì)比度，選取排序后灰度值中200到400列共200列灰度值數(shù)據(jù)，求取平均值Y，作為候選列矩陣數(shù)據(jù)，如圖7(c)。該灰度數(shù)據(jù)

(3)構(gòu)建列矩陣。在圖片邊緣區(qū)域中選取一列數(shù)據(jù)，該列像素點(diǎn)灰度值如圖7(a)所示，灰度值偏低，條紋信息不明顯，對(duì)比度較?。欢谑苓^(guò)度曝光影響的中心區(qū)域選取一列數(shù)據(jù)，如圖7(b)所示，較多灰度值趨近飽和，以及出現(xiàn)白色條紋污染周?chē)谏珬l紋，即灰度值為0的數(shù)據(jù)大幅上移，灰度條紋寬度縮減，影響后續(xù)正確解碼。本文將每行像素進(jìn)行按灰度值高低排序，為保證候選列中存在較少既能滿(mǎn)足黑白條紋的強(qiáng)烈對(duì)比要求，又降低了過(guò)飽和導(dǎo)致的曝光溢出現(xiàn)象。式(8)為候選列灰度值數(shù)據(jù)表達(dá)式

圖6 接收?qǐng)D像灰度值分布圖

圖7 邊緣列、中間列、候選列灰度值對(duì)比圖

(4)平滑濾波處理。針對(duì)候選列矩陣數(shù)據(jù)中，存在部分“毛刺”和波動(dòng)問(wèn)題，提出使用指數(shù)加權(quán)平均算法進(jìn)行濾波平滑處理，使數(shù)據(jù)在符合原數(shù)據(jù)走向趨勢(shì)的同時(shí)，降低局部波動(dòng)，降低誤碼率；

(5)條紋寬度解碼。與傳統(tǒng)的基于最小二乘法準(zhǔn)則的多項(xiàng)式擬合解碼算法、分段自適應(yīng)閾值算法等不同。本文在列數(shù)據(jù)經(jīng)增大峰值與谷值對(duì)比的平滑濾波處理后，通過(guò)使用黑白條紋寬度對(duì)比，與系統(tǒng)調(diào)制的PWM信號(hào)相對(duì)應(yīng)，以確定有效數(shù)據(jù)；

(6)1維解碼信息。通過(guò)步驟(5)解調(diào)解碼后，原每周期數(shù)據(jù)恢復(fù)成單個(gè)bit值，即1維信息，不需要進(jìn)行額外的下采樣操作，便可得到14 bit有效數(shù)據(jù)；

(7)誤比特率分析。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，通信距離、發(fā)送頻率、解調(diào)解碼性能都可能更改信號(hào)邏輯值，產(chǎn)生誤碼。本文將發(fā)送的數(shù)據(jù)與解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，使用較為精確的誤比特率作為指標(biāo)，衡量所提出的算法在OCC系統(tǒng)中規(guī)定發(fā)送速率下，不同通信距離的信息傳遞可靠性。式(9)為誤比特率計(jì)算公式。

3.2 平滑濾波處理

在信號(hào)解調(diào)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)用于信號(hào)解調(diào)的圖片信息中的灰度值數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的隨機(jī)噪聲干擾和波動(dòng)，每比特對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)不是固定值，并且存在偶爾的畸變，這一問(wèn)題會(huì)降低后續(xù)灰度值數(shù)據(jù)處理判斷為相應(yīng)邏輯值的正確率，進(jìn)而提高誤碼率。目前針對(duì)隨機(jī)噪聲，常見(jiàn)有效的方法為小波降噪[14]對(duì)此，本文將結(jié)合上述方法進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)過(guò)兩種對(duì)比算法與本文算法處理之后的歸一化列灰度值，見(jiàn)圖8。雖然經(jīng)過(guò)本文算法后，整體歸一化值低于0.8，但曲線(xiàn)中較高灰度值與較低灰度值之間仍然存在強(qiáng)烈對(duì)比效果，可以進(jìn)行后續(xù)解碼。并且與小波濾波方法[14]進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：(1)小波降噪處理后，信號(hào)存在失真，可能是分解層數(shù)過(guò)大導(dǎo)致，但分解層數(shù)越小，信號(hào)與噪聲之間的小波系數(shù)難以區(qū)分；(2)本文采用指數(shù)加權(quán)均值算法對(duì)于小的變化比較靈敏，灰度值數(shù)據(jù)峰值較為均勻，原波動(dòng)嚴(yán)重的灰度值曲線(xiàn)變得較為平滑，“毛刺”也較少，既可保證鄰近像素行對(duì)估計(jì)灰度值的影響，又能反應(yīng)目標(biāo)像素行鄰近區(qū)域的變化趨勢(shì)。

圖8 種濾波方式處理后的灰度值曲線(xiàn)圖

3.3 條紋寬度解碼

在OOC系統(tǒng)的解調(diào)解碼中，其合理的閾值選擇方案決定分辨bit“1”和bit“0”的準(zhǔn)確性，類(lèi)似于圖像處理中進(jìn)行圖片二值化。本文對(duì)濾波后灰度值曲線(xiàn)的波形分析，發(fā)現(xiàn)在接收到的灰度值分布中，灰度值曲線(xiàn)在峰值與谷值處，含有曲線(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)最多，對(duì)此，本文從數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)入手，結(jié)合圖像象素點(diǎn)分析條紋寬度，實(shí)現(xiàn)條紋解調(diào)解碼，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

在遍歷整個(gè)信號(hào)曲線(xiàn)后，得以尋找?guī)筋^(含“0”最多的數(shù)據(jù)段)與幀尾(含“1”最多的數(shù)據(jù)段)，幀同步頭可由一個(gè)設(shè)定周期內(nèi)獲取“0”的近似像素點(diǎn)個(gè)數(shù)Lb進(jìn)行表示，幀尾則由一個(gè)設(shè)定周期內(nèi)獲取“1” 的近似像素點(diǎn)個(gè)數(shù)Lw進(jìn)行表示，接著以L(fǎng)～=(Lb+Lw)/2作為每個(gè)“0”或“1”的周期范圍(像素點(diǎn)個(gè)數(shù))，在此范圍內(nèi)尋找邏輯值“1”與邏輯值“0”轉(zhuǎn)換點(diǎn)。本文考慮可能存在的噪聲干擾，以轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)作為判斷該周期內(nèi)條紋是否為有效數(shù)據(jù)的憑證，周期范圍內(nèi)邏輯數(shù)據(jù)“1”的個(gè)數(shù)為L(zhǎng)1， “0”的個(gè)數(shù)為L(zhǎng)0，對(duì)同一周期內(nèi)L0和L1進(jìn)行判斷邏輯值數(shù)量是否符合合理范圍。若是存在畸變(灰度值波動(dòng))造成邏輯值誤判，則其條紋長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于求取的周期內(nèi)數(shù)據(jù)數(shù)量范圍。

并對(duì)L0和L1進(jìn)行分析，判斷該周期內(nèi)，接收信號(hào)的占空比大小，判斷該周期范圍代表的比特信息為“1”或“0”，最終實(shí)現(xiàn)解碼。流程圖如圖9所示。

圖9 條紋寬度解調(diào)解碼流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)設(shè)置

表1給出實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)置參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在發(fā)送端由上位機(jī)發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成14 bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將二進(jìn)制數(shù)據(jù)視為有效數(shù)據(jù)封裝在帶有幀同步頭和幀尾的數(shù)據(jù)幀中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀都以PWM生成調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路控制單個(gè)白光LED狀態(tài)；在接收端處，經(jīng)過(guò)自由信道，調(diào)制后的光信號(hào)被CMOS型的光學(xué)相機(jī)(手機(jī)攝像頭)接收，以多幀條紋圖片形式進(jìn)行保存LED是否點(diǎn)亮的狀態(tài)，再由MATLAB進(jìn)行解調(diào)解碼處理。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

4.2 誤比特率測(cè)試

系統(tǒng)在30 cm內(nèi)等距離下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。上位機(jī)在每個(gè)距離下發(fā)送1000個(gè)十進(jìn)制字符，重復(fù)發(fā)送3次進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)的接收比較。每個(gè)十進(jìn)制字符在上位機(jī)處轉(zhuǎn)換成14 bit二進(jìn)制數(shù)作為發(fā)送幀的有效數(shù)據(jù)，固定每比特?cái)?shù)據(jù)的周期時(shí)間為600 μs。在解碼后，與發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果存在字符錯(cuò)誤，則記錄二進(jìn)制比特?cái)?shù)的錯(cuò)碼個(gè)數(shù)，得出3次實(shí)驗(yàn)誤比特率的算術(shù)平均值。

為了更好地驗(yàn)證本文所提方法的性能，選取多項(xiàng)式擬合解碼算法[17，18]和分段自適應(yīng)閾值算法[19，20]作為對(duì)比算法。從圖10(a)所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，球形LED與方形LED的BER性能不同。當(dāng)傳輸距離較短時(shí)，相同解碼算法情況下，球形LED的BER性能比較差。這是因?yàn)榍蛐蜭ED在較近范圍內(nèi)，產(chǎn)生較強(qiáng)的光暈效應(yīng)，導(dǎo)致白色條紋增大，黑色條紋縮短，可能造成有效數(shù)據(jù)的占空比分析模糊，或?qū)筋^幀尾的判斷有誤；信道距離較遠(yuǎn)時(shí)，不同像素點(diǎn)接收到的球形LED所發(fā)光功率不如方形LED所發(fā)光功率均勻，存在較大誤差。

在使用球形LED進(jìn)行通信時(shí)，在系統(tǒng)BER性能滿(mǎn)足前向糾錯(cuò) (Forward Error Correction， FEC)閾值條件下，多項(xiàng)式擬合解碼算法能實(shí)現(xiàn)的傳輸距離為26.7 cm；分段自適應(yīng)閾值算法可以實(shí)現(xiàn)的傳輸距離為27.9 cm；所提算法可以實(shí)現(xiàn)的傳輸距離為28.1 cm。

當(dāng)方形LED作為發(fā)射端時(shí)，與多項(xiàng)式擬合解碼算法[17，18]和分段自適應(yīng)閾值算法[19，20]相比，本文所提參考條紋寬度判決算法在較短距離時(shí)的解碼性能優(yōu)勢(shì)比較明顯。并且在方形LED發(fā)送的OCC系統(tǒng)的BER性能滿(mǎn)足FEC要求時(shí)，所提算法可以實(shí)現(xiàn)在30 cm的傳輸距離，優(yōu)于多項(xiàng)式擬合解碼算法[17，18]和分段自適應(yīng)閾值算法[19，20]。光學(xué)相機(jī)應(yīng)用的解調(diào)解碼算法處理速率與處理時(shí)間成反比，比較每種算法在方形LED發(fā)射端情況下的解碼處理時(shí)間，不同距離的3次實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)間的算術(shù)平均值結(jié)果如圖10(b)所示。傳統(tǒng)多項(xiàng)式擬合解碼算法、分段自適應(yīng)解碼算法和本文參考條紋寬度解碼算法的解碼時(shí)間中位數(shù)分別為：732.31 ms， 347.44 ms和279.77 ms。本文算法無(wú)需使用最小二乘法對(duì)灰度閾值進(jìn)行曲線(xiàn)擬合判決和多次迭代以求取灰度值閾值，數(shù)據(jù)解碼處理效率高，執(zhí)行時(shí)間較低，證明參考條紋算法可以有效地提升OCC系統(tǒng)的通信性能。

圖10 不同距離下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的BER性能

4.3 解碼方法效果分析

以方形LED作為發(fā)送端，在距離13 cm時(shí)，使用同一幀圖像經(jīng)過(guò)本文濾波后的灰度值進(jìn)行邏輯值判斷。分段自適應(yīng)閾值解碼效果如圖11(a)所示，圖11(a)中綠色框圖區(qū)域的放大效果為圖11(b)。圖11(b)中顯示使用步長(zhǎng)設(shè)定為特定值的分段自適應(yīng)閾值法有較多誤碼，即邏輯值與灰度值不匹配，該算法在灰度值具有波動(dòng)時(shí)，其抗干擾能力較差，存在本該為明條紋的灰度值將其誤判為邏輯“0”以及本該為暗條紋的灰度值將其判斷為邏輯“1”，導(dǎo)致在后續(xù)下采樣恢復(fù)中產(chǎn)生錯(cuò)碼，并且該解碼參數(shù)設(shè)置需要人為設(shè)定，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改參數(shù)。相較之下，本文算法在解碼處理中，雖然在兩側(cè)丟失部分灰度值較小的條紋信息(如圖11(c))，但本文通過(guò)提出的算法利用含有較多像素點(diǎn)的灰度等級(jí)進(jìn)行重構(gòu)PWM信號(hào)，邏輯值與灰度值較為匹配，可實(shí)現(xiàn)恢復(fù)信息邏輯操作，在接收到重復(fù)發(fā)送的信息情況下，仍可滿(mǎn)足正常通信的要求，并且通過(guò)同時(shí)設(shè)定參考周期進(jìn)行去除極小數(shù)量判斷錯(cuò)誤的邏輯值，可將干擾邏輯值濾除，具有更好的魯棒性。

圖11 解碼方法效果對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

為了降低室內(nèi)光學(xué)相機(jī)通信中由于灰度值波動(dòng)產(chǎn)生較高誤碼率的問(wèn)題，考慮整體趨勢(shì)和鄰近細(xì)節(jié)進(jìn)行曲線(xiàn)平滑處理，本文提出基于指數(shù)加權(quán)濾波的方法分配抽樣行和測(cè)試行不同權(quán)重進(jìn)行預(yù)測(cè)灰度值，抑制灰度值波動(dòng)的干擾。在此基礎(chǔ)上，本文提出的基于參考條紋寬度判決的解調(diào)方法，在去除較少錯(cuò)誤邏輯值的同時(shí)優(yōu)化了解碼時(shí)間。本文搭建OCC相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方形白光LED通過(guò)PWM信號(hào)傳輸上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。光學(xué)相機(jī)接收數(shù)據(jù)并離線(xiàn)進(jìn)行恢復(fù)數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)定幀同步頭、數(shù)據(jù)及幀尾的占空比進(jìn)行識(shí)別和分離信息，結(jié)合不同等級(jí)下像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)PWM信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)距離為25 cm時(shí)，本文設(shè)計(jì)的OCC系統(tǒng)使用兩種不同LED時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)正常通信；使用方形LED時(shí)，可達(dá)到30 cm的有效傳輸距離。本文可作為未來(lái)OCC系統(tǒng)的解調(diào)解碼提供了一種參考。