一种可见光跳频通信编解码方法

摘要

本发明公开了一种可见光跳频通信编解码方法。建立一种可见光跳频通信收发装置，该装置有发射端和接收端。发射端有发射控制器、编码器、驱动器、n个光发射天线。每个光发射天线都有发射滤镜、LED；接收端有接收控制器、解码器、判决器、n个光接收天线；每个光接收天线都有接收滤镜、光电接收器。n为大于或等于3的自然数。发射滤镜和接收滤镜采用带通滤镜。n个光发射天线与n个光接收天线对应构成n个通信线路。方法将每个通信线路扩展成一个2bit数，得到2­²ⁿ条编解码规则，并筛选出有效编解码规则，构建有效编解码表，建立通信线路与编解码规则对应关系，实现有效的信号在不同的编码和通信线路中频繁跳变，以达到较高的安全级别。

主权项

一种可见光跳频通信编解码方法，其特征在于具体步骤为：(1)建立一种可见光跳频通信收发装置，该装置包括发射端和接收端；发射端包括发射控制器、编码器、驱动器和光发射天线组；光发射天线组有n个光发射天线，每一个光发射天线都含有发射滤镜和LED；接收端包括接收控制器、解码器、判决器、光接收天线组；光接收天线组有n个光接收天线，每一个光接收天线都含有接收滤镜和光电接收器，其中，n为大于或者等于3的自然数；发射控制器与编码器电连接；驱动器分别与光发射天线组、编码器电连接；接收控制器与解码器电连接；判决器分别与光接收天线组、解码器电连接；发射滤镜和接收滤镜都采用带通滤镜；带通滤镜只能通过某个波长范围内的光，用于滤除掉这个波长范围以外的光；光发射天线和光接收天线的光信号通带，取决于所使用的带通滤镜的通带范围，即取决于带通滤镜可通过的光波长范围；光发射天线组满足条件：第1个光发射天线的光信号通带包括可见光范围，第n‑j个、第n个光发射天线的光信号通带都是第1个的子集，且第n‑j个、第n个的各光发射天线的光信号通带没有交集；j为小于n且大于0的自然数，且n‑j不等于1；发射控制器,用于从外部设备获取数据，并将获取的数据按照4位二进制一组的半个字节为单位划分，并每次向编码器输出半个字节的数据；编码器，将一个由发射控制器输入的4位二进制数，并编码成一组n个的4位二进制数，再输出这n个4位二进制数到驱动器；驱动器，用于根据编码器输出的n个4位二进制数的“1”和“0”信号，驱动n路通信线路上的光发射天线，以LED亮度不同的两种状态分别表示“1”和“0”；驱动器，将编码器输出的一组n个4位二进制数，分别用于n个光发射天线；在用每个由编码器输入的4位二进制数驱动光发射天线时，将这个4位二进制数按照自左到右的顺序，每一个时钟周期输出一位，依次用于驱动LED；光发射天线，用于在驱动器控制下，用LED亮度不同的两种状态变化，产生光信号，并经过发射滤镜过滤后，以某一个波长范围的光信号发送出去；光接收天线，用于接收来自发射端发出的光信号；光接收天线组满足条件：每个光接收天线的光信号通带都不同；第1个光接收天线的光信号通带包括可见光范围，第n‑j个、第n个光接收天线的光信号通带都是第1个的子集，且第n‑j个、第n个的各光接收天线的光信号通带没有交集；同时，第1个光接收天线的光信号通带，又是第1个发射滤镜光信号通带的子集，第n‑j个光接收天线的光信号通带，又是第n‑j个发射滤镜信号通带的子集，第n个光接收天线的光信号通带，又是第n个发射滤镜光信号通带的子集；光电接收器，用于接收经接收滤镜过滤后的光信号，并转换成模拟电信号输出；判决器，用于接收光电接收器输出的模拟电信号，并转换为数字信号输出，对于每个光电接收器，都可以在每一个时钟周期，输出一个判决的数字信号；解码器，用于将判决器输出的数字信号还原成一组n个的4位数，并将该n个的4位数解码成一个4位二进制数，并输出；接收控制器，用于将解码器的输出还原成原数据，并将接收并还原出的原数据输出到外部设备；(2)将步骤(1)中的光发射天线组的n个光发射天线，与光接收天线组的n个光接收天线，按照光信号的通带一一对应，构成n个通信线路；编码器和解码器的编解码方法为：将每个通信线路用一个2位二进制表示，n个线路就得到n个2位二进制数：a_2m a_2m‑1，a_m为1位二进制数1或者0，即：a_m={0,1}，m为大于等于1且小于等于n；因此，第1个天线对应a₂ a₁，第2个天线对应a₄ a₃，第m个天线对应a_2m a_2m‑1；对于2位二进制数：a_2m a_2m‑1，就有00、01、10、11四种情况，然后对a_m进行编码，当a_m=0时，编码成二进制数01；当a_m= 1时，编码成二进制数10；即，a_2m a_2m‑1的四种情况就对应得到4个4位二进制0101、0110、1001、1010；n个通信线路对应的n个a_2m a_2m‑1，可以得到一组2n位的二进制组合A=a_2n a_2n‑1…a_m…a₂ a₁，由于每个a_2m a_2m‑1有00、01、10、11四种组合，因此就有2­²ⁿ条编解码规则；每一条编解码规则有一组S1、S2、Sm、Sn‑1、Sn，以及R1、R2、Rm、Rn‑1、Rn；其中，S1为第1个线路的发送码，S2为第2个线路的发送码，Sm为第m个线路的接收码，Sn‑1为第n‑1个线路的发送码，Sn为第n个线路的发送码；R1为第1个线路的接收码，R2为第2个线路的接收码，Rm为第m个线路的接收码，…，Rn‑1为第n‑1个线路的接收码，Rn为第n个线路的接收码； 每一个Sm为a_2m a_2m‑1得到的4个4位二进制0101、0110、1001、1010的四种组合之一；R1为同一条编解码规则中的S1、S2、Sm、Sn‑1、Sn的每一位的n进制加和；对于剩余的R2、Rm、Rn‑1、Rn，有Rm=S1+Sm；在2­²ⁿ条编解码规则中，找出有效编解码规则，构建有效编解码表，方法为：第1步：在2­²ⁿ条编解码规则中，首先筛选出AAAA型的R1；AAAA型表示R1的4位数都相等，如果没有AAAA型的R1，则进入第2步，否则进入第3步；第2步：在2­²ⁿ条编解码规则中，筛选出ABAB型的R1；ABAB型表示R1的4位数中，第1、3位一样，第2、4位一样，同时，第1位和第2位数值相差1，即|A‑B|的绝对值为1，并进入第3步；第3步：在经过第一步或第二步筛选出的各条编解码规则中，筛选R2、Rm、Rn‑1、Rn中AAAA型最多的那些编解码规则，由于Rm=S1+Sm，即筛选出R2、Rm、Rn‑1、Rn中各4位二进制数，1111最多的k个条目，k为大于或等于16的自然数；第4步：将经过第3步筛选出来的各条编解码规则，汇总并列成有效编解码表；表格至少包括的列有：S1、S2、Sm、Sn‑1、Sn，以及R1、R2、Rm、Rn‑1、Rn；在发射端，编码器的编码使用有效编解码表的S1列、S2列、Sm列、Sn‑1列、Sn列；在接收端，解码器的解码使用有效编解码表的R1列、R2列、Rm列、Rn‑1列、Rn列； 对于发射控制器的输出数据，需要与有效编解码表建立对应关系；通过对n为3、4、5、6的推导可知，经过构建有效编码表，可供使用的编解码条目数，一定大于或等于16；因此，可以结合条目数，在输入数据与有效编解码表各条目之间建立对应关系；对应关系可以是静态和动态两种；静态对应：在有效编码表的k个条目中，固定的选择其中的16个条目与数据的16个4位二进制输入相应；动态对应：在有效编解码表的k个条目中，变化的选择其中的16个条目与数据的16个4位二进制输入相应；编解码条目与数据的对应关系在通信过程中不固定，会根据设定的规则变化；装置的编码过程如下：在发送端，编码器对于发射控制器的输出数据4位二进制，在有效编解码表中找到相对应的编解码条目，将该输入的4位二进制数编码成表格相应条目行的S1列、S2列、S3列、Sm列、Sn‑1列、Sn列的列的n个4位二进制数，S1列、S2列、S3列、Sm列、Sn‑1列、Sn列的各列的数值分别用作驱动器驱动n路通信线路的信号输出；S1列的数值用于驱动第1路通信线路上的第1个光发射天线的LED；S2列的数值用于驱动第2路通信线路上的第2个光发射天线的LED；S3列的数值用于驱动第3路通信线路上的第3个光发射天线的LED；依次类推；装置的解码过程如下：在接收端，解码器对于判决器输出的n个4位二进制数，在有效编解码表中找到相对应的编解码条目的R1列、R2列、Rm列、Rn‑1列、Rn列的n列的数值，并由此确定所对应的编解码条目；再根据约定的发射端输入数据与有效编解码表中各条目之间的对应关系；解码出接收端的接收数据输出；R1列、R2列、Rm列、Rn‑1列、Rn列的n列的数值为接收端的n路通信线路上的n个光接收天线接收到发射端发出的光信号并经过判决器处理后的输出；其中，R1列为第1路通信线路的判决器输出，R2列为第2路通信线路的判决器输出，R3列为第3路通信线路的判决器输出，R4列为第4路通信线路的判决器输出，以此类推；其中，R1列为第1路、第2路、第m路、第n‑1路、第n路的n路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；R2列为第1路和第2路的2路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；Rm列为第1路和第m路的2路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出；Rn列为第1路和第n路的2路通信线路的发射端发出的光信号的叠加后的判决器输出。