集成光电探测器的cmos图像传感器双模通信接收系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信技术领域，特别涉及一种集成光电探测器的CMOS图像传感器双模通信的接收系统，用于可见光通信。
【背景技术】
[0002]可见光通信VLC作为一种新兴的通信技术正在全球范围内掀起研究热潮。与其他无线通信技术相比，VLC拥有保密性高、无电磁干扰、绿色健康等特点。可见光通信是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的通信技术。目前，可见光通信根据接收机的不同，可以分为两种通信模式:
[0003]第一种是以光电探测器作为接收机的可见光通信系统，用以传输高速率的通信信号。在该可见光通信系统中，以LED作为光源，对其明暗闪烁加以高速编码调制，用光电探测器接收，其传输的数据速率可以达到Mbps级别甚至更高。
[0004]第二种是以图像传感器作为接收机的可见光通信系统，用以传输低速率的通信信号。在该可见光通信系统中，受限于图像传感器捕获图片的帧率，光源明暗闪烁的速率即编码速率受到限制，以LED作为光源，加以编码调制，用图像传感器接收，其传输的数据速率最高可达Kbps级别。
[0005]以上高速与低速的两种通信模式在可见光通信中客观存在，并且往往是并存的。在现有的可见光通信系统中，接收系统中用到的图像传感器主要有电荷耦合器件CCD图像传感器和互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器。其中，CCD图像传感器和CMOS图像传感器都采用硅光电二极管作为基本的光电转换单元，在CCD像素单元中只有一个简单的光电二极管，其被称为无源像素传感器PPS，而CMOS像素单元中集成了光电二极管、有源的晶体管开关和放大电路，其被称为有源像素传感器APSt3CMOS图像传感器的一个重要特点就是CMOS图像传感器的集成性，利用CMOS集成半导体工艺可以轻易地将像素阵列及与其相关的电路结构，还有其他的CMOS模拟和数字电路集成到单一硅片上。利用此特点，可以在CMOS图像传感器上集成特定用途的CMOS电路，丰富CMOS图像传感器的功能。但是现有以CMOS图像传感器作为接收机的可见光通信接收系统，CMOS图像传感器接收速率受限于其接收图片的帧率，只能适用于数据低速传输的可见光通信系统，无法完成高速与低速两种通信速率同时接收的功能，特别是在有背景光干扰时，其接收性能会严重下降，抗干扰性能差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对上述问题，提供一种集成光电探测器的CMOS图像传感器双模通信接收系统，以实现对高速与低速两种通信速率的同时接收，并在有背景光干扰时，能更准确地识别光源，提高抗干扰性能。
[0007]为实现上述目的，本发明的双模通信接收系统，包括:
[0008]集成光电探测器的CMOS图像传感器，用于获取图像信号和接收通信信号，并将获取的图像信号分别输入到01图片生成模块和灰度图片生成模块，将接收到的通信信号分别输入到高速通信信号处理模块和低速通信信号处理模块；
[0009]01图片生成模块，其与集成光电探测器的CMOS图像传感器、光源探测器模块和阈值生成模块连接，用于接收集成光电探测器的CMOS图像传感器输出的图像信号和阈值生成模块的阈值，输出有O和I两种数值的标志图片给光源探测模块，其中I代表光源及一些背景光噪声，O代表背景；
[0010]阈值生成模块，其与01图片生成模块和灰度图片生成模块连接，用于接收灰度图片，利用图像分析、处理的方法，提取灰度图片的背景部分灰度值Vbd与图片中最亮部分的灰度值VMaX的均值V' Ref，即V' Ref = (VBack+VMaX)/2，输出阈值V' Ref，并将V' Ref输入到O I图片生成模块作为参考电压值；
[0011]光源探测模块，其与集成光电探测器的CMOS图像传感器和01图片生成模块连接，用于接收标志图片，利用连通组件标记算法，探测出光源的位置坐标，并将其反馈给集成光电探测器的CMOS图像传感器；
[0012]灰度图片生成模块，其与集成光电探测器的CMOS图像传感器和阈值生成模块连接，用于接收集成光电探测器的CMOS图像传感器的图像信号，输出灰度图片并将其输入到阈值生成模块；
[0013]高速通信信号处理模块，其与集成光电探测器的CMOS的图像传感器连接，用于接收数据传输速率为不低于Mbps级别的高速通信信号，输出高速通信信息；
[0014]低速通信信号处理模块，其与集成光电探测器的CMOS的图像传感器连接，用于接收数据传输速率为不高于Kbps级别的低速通信信号，输出低速通信信息。
[0015]为实现上述目的，本发明按照上述系统进行双模通信接收的方法，包括以下步骤:
[0016]I)光源开始发送高速通信信号和低速通信信号，集成光电探测器的CMOS图像传感器启动并开始工作，获取图像信号，并将该图像信号传输至灰度图片生成模块和01图片生成模块；
[0017]2)灰度图片生成模块利用图像信号输出灰度图片，并将其输入至阈值生成模块，阈值生成模块对灰度图片进行阈值生成处理，产生阈值V'Rrf，并将其输入到Ibit图像生成模块作为参考电压值；
[0018]3)01图片生成模块在同时接收到参考电压值和图像信号后开始工作，产生标志图片输入到光源探测模块，探测出光源二维坐标(x，y)，将该坐标值反馈给集成光电探测器的CMOS图像传感器；
[0019]4)集成光源探测器的CMOS图像传感器接收到位置坐标值后，激活对应位置的通信单元及其周围的部分通信单元接收高速通信信号，输入到高速通信信号处理模块，输出高速通信信息；同时，集成光源探测器的CMOS图像传感器也激活对应位置的像素单元及其周围的部分像素单元接收低速通信信号，输入到低速通信信号处理模块，输出低速通信信息，实现双模通信接收；
[0020]5)循环执行以上1)-4)操作，实现集成光电探测器的CMOS图像传感器双模通信的接收。
[0021]本发明具有以下优点:
[0022]1.本发明利用自身产生的灰度图片反馈处理产生阈值，并结合01图片生成模块，输出标志图片以进行光源探测，有效地消除了大部分背景光噪声，使得光源探测更加准确，有效地提高了抗噪声干扰的性能。
[0023]2.本发明利用CMOS的集成度高特性，将通信单元与像素单元以列的形式交替集成到一片硅片上，形成了集成光电探测器的CMOS图像传感器，实现了在可见光通信中高速与低速两种通信速率同时接收的功能。
【附图说明】
[0024]图1是本发明的双模通信接收系统框图
[0025]图2是本发明系统中的集成光电探测器的CMOS图像传感器结构框图；
[0026]图3是本发明系统中通信单元电路和像素单元电路图；
[0027]图4是本发明系统中01图片生成模块框图；
[0028]图5是本发明系统中灰度图片生成模块框图；
[0029]图6是本发明系统中通信信号处理电路框图；
[0030]图7是本发明系统中通信单元和像素单元被激活的状态图；
[0031 ]图8是本发明进行双模通信接收的流程图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
[0033]如图1所示，本发明包括集成光电探测器的CMOS图像传感器1、01图片生成模块2、阈值生成模块3、光源探测模块4、灰度图片生成模块5、高速通信信号处理模块6、低速通信信号处理模块7。其中:
[0034]集成光电探测器的CMOS图像传感器I，用于获取图像信号和接收通信信号，并将获取的图像信号分别输入到01图片生成模块2和灰度图片生成模块5，将接收到的通信信号分别输入到高速通信信号处理模块6和低速通信信号处理模块7;
[0035]01图片生成模块2，其与集成光电探测器的CMOS图像传感器1、光源探测器模块和阈值生成模块3连接，用于接收集成光电探测器的CMOS图像传感器I输出的图像信号和阈值生成模块3的阈值，输出有O和I两种数值的标志图片给光源探测模块4，其中I代表光源及一些背景光噪声，O代表背景；
[0036]阈值生成模块3，其与01图片生成模块2和灰度图片生成模块5连接，利用图像分析、处理的方法，提取灰度图片的背景部分灰度值VBac；k与图片中最亮部分的灰度值VMax，再通过下式计算出阈值^ Ref:
[0037]V Ref=(VBack+VMax)/2,
[0038]然后将该值输入到01图片生成模块作为参考电压值；
[0039]光源探测模块4，其与集成光电探测器的CMOS图像传感器I和01图片生成模块2连接，利用连通组件标记算法处理接收到的标志图片，找到光源的位置坐标(x，y)，并将该坐标数据反馈到集成光源探测器的CMOS图像传感器I，用于其控制、接收对应位置的通信信号；
[0040]灰度图片生成模块5，其与集成光电探测器的CMOS图像传感器I和阈值生成模块3连接，用于接收集成光电探测器的CMOS图像传感器I的图像信号，输出灰度图片并将其输入到阈值生成模块3;
[0041]高速通信信号处理模块6，其与集成光电探测器的CMOS的图像传感器I连接，用于接收数据传输速率为不低于Mbps级别的高速通信信号，输出高速通信信息；
[0042]低速通信信号处理模块7，其与集成光电探测器的CMOS的图像传感器I连接，用于接收数据传输速率为不高于Kbps级别的低速通信信号，输出低速通信信息；
[0043]参照图2，所述的集成光电探测器的CMOS图像传感器I，包括:像素单元11、通信单元12、像素单元列控制电路13、像素单元行控制电路14、通信单元列控制电路15和通信单元行控制电路16。其中，该像素单元11和通信单元12分别组成像素单元阵列和通信单元阵列，像素单元11与通信单元12以列的形式纵向交替排列分布。像素单元11规模为= 320X480，即每行单元个数为320，每列单元个数为480;通信单元12规模为:320 X480;像素单元11组成的列与通信单元12组成的列输出于不同的方向，便于分别处理。像素单元11和通信单元12的具体CMOS电路如图3所示。其中，像素单元11，用于获取图像信号和低速通信信号，其包含一个光电二极管H)和四个晶体管，即第一光电二极管PDl、第一晶体管Mll、第二晶体管M12、第三晶体管M13和第四晶体管M14;通信单元12，用于获取高速通信信号，其包括一个等效为一个接地的η沟道结型场效应管n-