一種高速led可見(jiàn)光通信系統(tǒng)及接收裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)及接收裝置，該系統(tǒng)包括發(fā)射裝置和接收裝置，所述發(fā)射裝置包括依次連接的編碼模塊、調(diào)制模塊以及用LED發(fā)射模塊；所述接收裝置包括依次連接的光接收模塊、用于將光接收模塊輸出的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及解碼模塊。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，成本較低，以LED可見(jiàn)光為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射裝置和接收裝置之間的高速數(shù)據(jù)通信，傳輸速率為2?10Mbps，傳輸距離為2?6m，使對(duì)通信速率有更高要求的應(yīng)用如信息廣播、室內(nèi)通信等成為可能。
【專利說(shuō)明】
一種高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)及接收裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于可見(jiàn)光通信領(lǐng)域，具體涉及一種高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)及該系統(tǒng)中配置的接收裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，發(fā)光二級(jí)管LED(Light-Emitting D1de)照明技術(shù)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED不僅功耗低，使用壽命長(zhǎng)，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調(diào)制性能好，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。利用LED的這種特性，它能被用作照明的同時(shí)，還可以通過(guò)把信號(hào)調(diào)制到LED可見(jiàn)光束上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)一種新興的光無(wú)線通信技術(shù)，即可見(jiàn)光通信(VisibleLight Communicat1n，VLC)技術(shù)。與傳統(tǒng)射頻無(wú)線技術(shù)相比，可見(jiàn)光通信可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾，也無(wú)需相應(yīng)頻段的許可授權(quán)，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高帶寬高速率的無(wú)線通信接入。
[0003]LED可見(jiàn)光通信可以提供很多應(yīng)用，如室內(nèi)定位、智能家居、智能交通等。但就目前的實(shí)際狀況來(lái)說(shuō)，該技術(shù)多數(shù)還是應(yīng)用在低速場(chǎng)合中，如物聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)定位等，雖然在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了速率可達(dá)Gbps數(shù)量級(jí)的通信，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、實(shí)現(xiàn)困難、通信距離短，所以超高速率可見(jiàn)光通信技術(shù)目前還很難得到實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了擴(kuò)展LED可見(jiàn)光通信技術(shù)的應(yīng)用范圍，本實(shí)用新型提供了一種通信距離較長(zhǎng)的、穩(wěn)定易實(shí)現(xiàn)的、較高通信速率(數(shù)Mbps)的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)及該系統(tǒng)中配置的接收裝置。
[0005]本實(shí)用新型提供的高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)包括發(fā)射裝置和接收裝置;數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)光鏈路從發(fā)射裝置傳輸?shù)浇邮昭b置，傳輸速率為2?10Mbps，傳輸距離2-6米。
[0006]所述發(fā)射裝置包括依次連接的對(duì)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)編碼的編碼模塊、對(duì)編碼模塊輸出的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行00K(0n-0ff Keying)調(diào)制的調(diào)制模塊，以及用于變換調(diào)制后的編碼數(shù)據(jù)為可見(jiàn)光信號(hào)的LED發(fā)射模塊；
[0007]所述接收裝置包括依次連接的光接收模塊、用于將光接收模塊輸出的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及解碼模塊，該解碼模塊用于解調(diào)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
[0008]其中，所述LED發(fā)射模塊由LED和向LED提供電源AC/DC轉(zhuǎn)換器組成。
[0009]所述調(diào)制模塊由一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管和反相放大器構(gòu)成，反相放大器的輸出端連接MOS開(kāi)關(guān)管的柵極，MOS開(kāi)關(guān)管的漏極接地，源極作為調(diào)制模塊的輸出端。
[0010]所述光接收模塊由藍(lán)光濾鏡和凸透鏡組成，該藍(lán)光濾鏡位于光入射側(cè)與該凸透鏡之間。所述藍(lán)光濾鏡為藍(lán)光帶通濾鏡或藍(lán)光短波通濾鏡等。藍(lán)光濾鏡是為了濾除LED白光中的黃光部分使藍(lán)光通過(guò)，常用的白光LED本身發(fā)射藍(lán)光而后激發(fā)黃色熒光，熒光會(huì)拖慢轉(zhuǎn)換速率，因此需將黃色熒光濾掉。凸透鏡是為了增加通信距離。
[0011]所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括光電二極管和寬帶運(yùn)算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端之間，寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)反饋電阻和電容，寬帶運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓。
[0012]所述放大模塊主要由一個(gè)寬帶運(yùn)算放大器構(gòu)成。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為一個(gè)高速比較器。
[0013]所述放大模塊中的寬帶運(yùn)算放大器、所述光電轉(zhuǎn)換模塊中的寬帶運(yùn)算放大器的帶寬為 200MHz-2GH。
[0014]用于上述高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的一種接收裝置，包括依次連接的光接收模塊、用于將光接收模塊輸出的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及用于解調(diào)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)獲得所傳輸數(shù)據(jù)的解碼模塊;其中
[0015]所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括光電二極管和寬帶運(yùn)算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端之間，寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)反饋電阻和電容，寬帶運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓;所述光接收模塊由藍(lán)光濾鏡和凸透鏡組成，該藍(lán)光濾鏡位于光入射側(cè)與該凸透鏡之間。所述光電轉(zhuǎn)換模塊中的寬帶運(yùn)算放大器的帶寬為200MHZ-2GH。
[0016]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為高速比較器;所述藍(lán)光濾鏡為藍(lán)光帶通濾鏡或藍(lán)光短波通濾
Ho
[0017]本實(shí)用新型高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)由發(fā)射裝置和接收裝置組成，發(fā)射裝置通過(guò)調(diào)制模塊把要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制到LED以可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射;接收裝置接收可見(jiàn)光信號(hào)、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并解調(diào)獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，以LED可見(jiàn)光為傳輸介質(zhì)使傳輸速率達(dá)2?10Mbps，傳輸距離為2?6米，使對(duì)通信速率有更高要求的應(yīng)用如視頻廣播等成為可能。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2是圖1系統(tǒng)中的發(fā)射裝置電路框圖；
[0020]圖3是圖1系統(tǒng)中的接收裝置電路框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]參照?qǐng)D1，實(shí)施例高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)包括發(fā)射裝置I和接收裝置2兩部分。發(fā)射裝置I通過(guò)調(diào)制模塊把要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制到LED以可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射;接收裝置2以光學(xué)元器件接收可見(jiàn)光信號(hào)、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并解調(diào)獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)光鏈路從發(fā)射裝置I傳輸?shù)浇邮昭b置2，傳輸速率為10Mbps，傳輸距離為5米。
[0023]發(fā)射裝置I包括依次連接的編碼模塊11、調(diào)制模塊12和LED發(fā)射模塊13。編碼模塊
11將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，調(diào)制模塊12對(duì)編碼模塊11生成的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行OOK(On-Off Keying)調(diào)制，以控制LED發(fā)射模塊13使LED發(fā)射明暗交替的光信號(hào)。
[0024]接收裝置2包括依次連接的光接收模塊21、用于將光接收模塊21輸出的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊22、放大模塊23、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊24以及解碼模塊25，該解碼模塊用于解調(diào)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
[0025]圖2為發(fā)射裝置電路框圖。編碼模塊11為基于MCU的編碼器(簡(jiǎn)稱M⑶編碼器)，該MCU編碼器為硬件編碼電路。該MCU編碼器也可以用編碼軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)編碼軟件將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的編碼處理，如加曼徹斯特編碼或4b6b編碼用于防閃爍，加起始位、終止位用于識(shí)別和糾錯(cuò)等等。
[0026]調(diào)制模塊12主要由一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管和反相放大器構(gòu)成，反相放大器的輸出端連接MOS開(kāi)關(guān)管的柵極，MOS開(kāi)關(guān)管的漏極接地，源極作為輸出端，反相放大器輸入端連接MCU編碼器的輸出端。所選MOS開(kāi)關(guān)管需具有高轉(zhuǎn)換速率并且能滿足LED的發(fā)射功率要求。由于MCU編碼器輸出的編碼數(shù)字信號(hào)(高電平為3.3V)驅(qū)動(dòng)能力不足，通過(guò)反相放大器對(duì)該信號(hào)放大(增益由Vmod決定)，以增強(qiáng)調(diào)制深度，使通信距離更長(zhǎng)。反相放大器放大后的編碼數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)OOK(On-Off Key ing)調(diào)制。
[0027]LED發(fā)射模塊13則由AC/DC轉(zhuǎn)換器和LED燈組成，AC/DC轉(zhuǎn)換器作為L(zhǎng)ED的供電電源，調(diào)制模塊12的輸出端(S卩MOS管源極)接LED燈一端，受調(diào)制模塊12控制LED燈可發(fā)射明暗交替的光信號(hào)以發(fā)射信息。
[0028]圖3為接收裝置電路框圖。光接收模塊21由藍(lán)光濾鏡和凸透鏡組成，該藍(lán)光濾鏡位于光入射側(cè)與該凸透鏡之間。藍(lán)光濾鏡為藍(lán)光帶通濾鏡或藍(lán)光短波通濾鏡等。藍(lán)光濾鏡是為了濾除LED白光中的黃光部分使藍(lán)光通過(guò)，常用的白光LED本身發(fā)射藍(lán)光而后激發(fā)黃色熒光，黃色熒光會(huì)拖慢轉(zhuǎn)換速率，因此需通過(guò)藍(lán)光濾鏡將黃色熒光濾掉。凸透鏡是為了利用其聚光效果增加通信距離。
[0029]光電轉(zhuǎn)換模塊22含有一個(gè)寬帶運(yùn)算放大器，和高轉(zhuǎn)換速率(轉(zhuǎn)換時(shí)間在10ns以內(nèi))的光電二極管(Photod1de，Η))，光電二極管連接在電源VCC與該寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端之間，寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)反饋電阻和電容，寬帶運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓。光電二極管F1D可以使明暗交替的光信號(hào)轉(zhuǎn)換強(qiáng)弱交替的電流信號(hào)，寬帶運(yùn)算放大器則將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓高低變化的電壓信號(hào)。
[0030]放大模塊23主要由一個(gè)寬帶運(yùn)算放大器構(gòu)成，其反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)電容實(shí)現(xiàn)低通濾波的功能；該寬帶運(yùn)放的反相輸入端連接光電轉(zhuǎn)換模塊22的寬帶運(yùn)算放大器的輸出端，輸出端接后極模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊24輸入端。
[0031 ]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊24采用一個(gè)高速比較器(轉(zhuǎn)換時(shí)間在10ns以內(nèi))，可將放大模塊23輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0032]解碼模塊25為基于M⑶的解碼器(簡(jiǎn)稱M⑶解碼器)，該解碼器為硬件解碼電路，由硬件解碼電路對(duì)來(lái)自放大模塊23的數(shù)字信號(hào)解碼，最終獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。該解碼器也可以用解碼軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)解碼軟件將來(lái)自放大模塊23的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼，最終獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
[0033]上述放大模塊23中的寬帶運(yùn)算放大器、光電轉(zhuǎn)換模塊22中的寬帶運(yùn)算放大器的帶寬為 200MHz-2GH。
[0034]以上通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做了詳細(xì)的說(shuō)明，這些描述不能認(rèn)為本實(shí)用新型僅僅限于這些實(shí)施例的內(nèi)容。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思、這些描述并結(jié)合本領(lǐng)域公知常識(shí)做出的任何改進(jìn)、等同替代方案，均應(yīng)包含在其權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，包括發(fā)射裝置和接收裝置，其特征是， 所述發(fā)射裝置包括依次連接的對(duì)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)編碼的編碼模塊、對(duì)編碼模塊輸出的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行00K(0n-0ff Keying)調(diào)制的調(diào)制模塊，以及用于變換調(diào)制后的編碼數(shù)據(jù)為可見(jiàn)光信號(hào)的LED發(fā)射模塊； 所述接收裝置包括依次連接的光接收模塊、用于將光接收模塊輸出的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及解碼模塊，該解碼模塊用于解調(diào)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)獲得所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述LED發(fā)射模塊由LED和向LED提供電源AC/DC轉(zhuǎn)換器組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述調(diào)制模塊包括一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管和反相放大器，反相放大器的輸出端連接MOS開(kāi)關(guān)管的柵極，MOS開(kāi)關(guān)管的漏極接地，源極作為輸出端。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述光接收模塊由藍(lán)光濾鏡和凸透鏡組成，該藍(lán)光濾鏡位于光入射側(cè)與該凸透鏡之間。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述藍(lán)光濾鏡為藍(lán)光帶通濾鏡或藍(lán)光短波通濾鏡。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括光電二極管和寬帶運(yùn)算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端之間，寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)反饋電阻和電容，寬帶運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為一個(gè)高速比較器。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述發(fā)射裝置和接收裝置之間的傳輸速率2?1Mbps，傳輸距離為2?6米。9.用于權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述高速LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的接收裝置，其特征是包括:依次連接的光接收模塊、用于將光接收模塊輸出的可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及用于解調(diào)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)獲得所傳輸數(shù)據(jù)的解碼模塊;其中 所述光電轉(zhuǎn)換模塊包括光電二極管和寬帶運(yùn)算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端之間，寬帶運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)反饋電阻和電容，寬帶運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓;所述光接收模塊由藍(lán)光濾鏡和凸透鏡組成，該藍(lán)光濾鏡位于光入射側(cè)與該凸透鏡之間。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的接收裝置，其特征是，所述寬帶運(yùn)算放大器的帶寬為200MHz-2GHz;所述藍(lán)光濾鏡為藍(lán)光帶通濾鏡或藍(lán)光短波通濾鏡。
【文檔編號(hào)】H04B10/116GK205596120SQ201620196798
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年3月15日
【發(fā)明人】權(quán)進(jìn)國(guó), 張瀟男, 金爽
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)深圳研究生院