同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法，屬于室內(nèi)可見光光通信【技術(shù)領(lǐng)域】。通過設(shè)計包括數(shù)據(jù)信號放大電路與線性電流調(diào)光電路在內(nèi)的大功率可見光LED的驅(qū)動電路，通過調(diào)節(jié)線性電流調(diào)光電路中可變電阻的阻值，實現(xiàn)對LED燈陣列組亮度等級的控制；在距離LED燈陣列組一定距離處安裝包括光電探測模塊和數(shù)據(jù)解調(diào)模塊在內(nèi)的接收端，接收解調(diào)出數(shù)據(jù)信號。本方法能同時實現(xiàn)室內(nèi)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸，能實現(xiàn)對大功率LED燈（單只LED燈大于1w）的驅(qū)動，數(shù)據(jù)傳輸距離能達到3米。
【專利說明】同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法，屬于室內(nèi)可見光光通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近幾年半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體照明取代傳統(tǒng)照明的趨勢越來越明顯。大功率高亮度白光發(fā)光二極管(LED)的面世和其光效的逐步提高，使半導(dǎo)體發(fā)光二極管的應(yīng)用已經(jīng)從顯示領(lǐng)域逐步向照明領(lǐng)域擴展，并迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明產(chǎn)品。LED的另外一個突出優(yōu)點是響應(yīng)時間短，因此可以用LED進行高速數(shù)據(jù)通信。LED這兩方面的優(yōu)點使它既能提供室內(nèi)照明，又能進行高速光信號傳輸。在實際的生活照明中，往往需要可以調(diào)節(jié)光照強度的照明；而在可見光通信系統(tǒng)中，要求照明亮度的調(diào)節(jié)不能影響系統(tǒng)的通信性能。
[0003]在基于可見光LED的室內(nèi)照明應(yīng)用中，常見的光強度調(diào)制方式有斬波調(diào)光(TRIACDimming)、數(shù)字調(diào)光(Digital Dimming)、脈寬調(diào)制調(diào)光(Pulse Width ModulationDimming)、模擬調(diào)光(Analog Dimming)等。其中，TRIAC調(diào)光通過對輸入的交流正弦波電壓斬波來控制輸出電壓的平均值，從而改變通過LED的電流，實現(xiàn)對LED調(diào)光。由于斬波調(diào)光會對數(shù)據(jù)信號造成影響，不適合在可見光通信中使用。數(shù)字調(diào)光是采用單片機或其它微控制器的單線接口、I2C、SPI等串行接口給LED的驅(qū)動電路發(fā)送數(shù)字信號來調(diào)節(jié)LED的發(fā)光亮度。目前已經(jīng)有文獻對數(shù)字調(diào)光進行了研究。PWM調(diào)光是以一定頻率打開與閉合的開關(guān)控制電流脈沖信號的占空比，實現(xiàn)對LED的發(fā)光強度調(diào)制。LED的發(fā)光頻率在60Hz以上時，人眼就分辨不出LED的亮暗閃爍。因此，當(dāng)亮暗刷新頻率在IOOHz以上，利用PWM對亮暗的時間比例進行調(diào)光，可實現(xiàn)室內(nèi)照明的亮度調(diào)節(jié)。在照明方面，PWM調(diào)光可以通過線性的改變占空比來使LED的亮度線性改變，具有很寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。由于PWM調(diào)光是通過改變電流脈沖的占空比來進行亮度調(diào)節(jié)，對數(shù)據(jù)信號調(diào)制與調(diào)光同時進行的可見光通信系統(tǒng)來說，PWM調(diào)光信號與數(shù)據(jù)信號疊加后，會對原數(shù)據(jù)信號進行改變，增加接收波形的電平個數(shù)，使得接收端信號的解調(diào)變得相對困難。
[0004]在基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號的調(diào)制方式主要有非歸零開關(guān)鍵控(NRZ-OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、差分脈沖位置調(diào)制(DPPM)、OPPM-可重疊脈沖位置調(diào)制等。在NRZ-OOK調(diào)制中，每個信息位時隙內(nèi)的光脈沖由高、低兩種狀態(tài)分別表示二進制的“O”和“ 1”，是一種簡單易行的光信號調(diào)制方式。
[0005]可見光通信系統(tǒng)是綠色環(huán)保通信，具有照明和通信功能。照明要求能夠依據(jù)環(huán)境變化進行亮度調(diào)節(jié)。通信則要求速率和距離盡可能高，因此LED的響應(yīng)頻率及其驅(qū)動帶寬足夠大。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是為解決室內(nèi)可見光通信中對室內(nèi)照明亮度調(diào)節(jié)會影響可見光通信性能的問題，提供一種同時實現(xiàn)照明亮度控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法，通過設(shè)計大功率可見光LED的驅(qū)動電路，一方面保證系統(tǒng)的傳輸速率和距離能滿足通信需求，另一方面實現(xiàn)照明亮度的多級調(diào)節(jié)，并且照明調(diào)節(jié)不干擾數(shù)據(jù)通信。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟:
[0008]步驟一，在LED燈陣列組的前端加入大功率可見光LED驅(qū)動電路。
[0009]驅(qū)動電路包括數(shù)據(jù)信號放大電路與線性電流調(diào)光電路。
[0010]所述數(shù)據(jù)信號放大電路為基于集成運放的驅(qū)動放大電路，包括一級放大電路和一級射極跟隨電路；數(shù)據(jù)信號源的輸出連接一級放大電路，一級放大電路的輸出連接一級射極跟隨電路，一級射極跟隨電路的輸出分別連接至LED燈陣列組中的多只受控LED燈。一級放大電路采用同相運放、電壓串聯(lián)負(fù)反饋實現(xiàn)。
[0011]所述線性電流調(diào)光電路采用流控降壓芯片，實現(xiàn)模擬調(diào)光，并在芯片的模擬調(diào)光端連接一個可變電阻進行分壓。流控降壓芯片的輸出端連接LED燈陣列組中的多只受控LED燈。線性電流調(diào)光電路的功能為產(chǎn)生線性調(diào)節(jié)的直流信號，驅(qū)動多只LED燈，實現(xiàn)可調(diào)光照明。
[0012]LED燈陣列組中的單只LED燈受線性電流調(diào)光電路或者數(shù)據(jù)信號放大電路控制。
[0013]步驟二，在距離LED燈陣列組一定距離處(I米至3米范圍內(nèi))安裝接收端，包括光電探測模塊和數(shù)據(jù)解調(diào)模塊，光電探測模塊的輸出連接至數(shù)據(jù)解調(diào)模塊。其中，光電探測模塊的功能為將可見光數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為電信號，數(shù)據(jù)解調(diào)模塊將電信號解調(diào)為二進制代碼(數(shù)據(jù)信號)。
[0014]步驟三，根據(jù)LED燈陣列組的所需亮度，通過調(diào)節(jié)線性電流調(diào)光電路中可變電阻的阻值，產(chǎn)生直流調(diào)光電信號，對LED燈的驅(qū)動電流進行線性調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對LED燈陣列組亮度等級的控制，并由LED燈產(chǎn)生直流偏置光信號。
[0015]亮度等級以光電探測器接收的數(shù)據(jù)信號的有效電平為基準(zhǔn)進行劃分。
[0016]步驟四，與數(shù)據(jù)信號放大電路相連的基于FPGA的信號源產(chǎn)生調(diào)制后的數(shù)據(jù)小信號，數(shù)據(jù)信號放大電路對數(shù)據(jù)小信號進行放大，并驅(qū)動LED燈陣列組發(fā)射可見光數(shù)據(jù)傳輸光信號，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)光信號。
[0017]步驟五，步驟三得到的直流偏置光信號和步驟四得到的數(shù)據(jù)光信號形成混合可見光信號，在室內(nèi)空氣鏈路中傳輸，由接收端的光電探測模塊接收，并由數(shù)據(jù)解調(diào)模塊解調(diào)出數(shù)據(jù)信號。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明方法能同時實現(xiàn)室內(nèi)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸，能實現(xiàn)對大功率LED燈(單只LED燈大于Iw)的驅(qū)動，數(shù)據(jù)傳輸距離能達到3米。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的產(chǎn)生同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光的方法流程圖；
[0021]圖2為依據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計的同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信系統(tǒng)組成圖；
[0022]圖3為【具體實施方式】中一種同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信系統(tǒng)組成圖；
[0023]圖4為【具體實施方式】中一種可見光通信系統(tǒng)中光電探測器接收到的與7個亮度等級對應(yīng)的混合光信號的波形圖，其中，Ca)為亮度等級為O時，光電探測器接收的信號波形圖，(b)為亮度等級為I時，光電探測器接收的信號波形圖，(c)為亮度等級為2時，光電探測器接收的信號波形圖，(d)為亮度等級為3時，光電探測器接收的信號波形圖，(e)為亮度等級為4時，光電探測器接收的信號波形圖，(f)為亮度等級為5時，光電探測器接收的信號波形圖，(g)為亮度等級為6時，光電探測器接收的信號波形圖；
[0024]標(biāo)號說明:201-LED燈陣列組，202-NRZ-00K光信號，203-直流偏置光信號，204-后置透鏡，205-光電探測器，206-示波器。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明提供的一種照明亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸同時進行的室內(nèi)可見光通信實現(xiàn)方法流程如圖1所示。下面結(jié)合附圖和實施例，將本發(fā)明的實施方式闡述如下:
[0026]實施例一
[0027]圖2為依照本發(fā)明提供的方法設(shè)計的一種可見光通信系統(tǒng)組成圖。該系統(tǒng)中，線性電流調(diào)光和數(shù)據(jù)信號傳輸分別通過兩組3W的白光LED實現(xiàn)。利用基于FPGA的信號源產(chǎn)生NRZ-OOK調(diào)制的數(shù)據(jù)小信號，對數(shù)據(jù)小信號利用數(shù)據(jù)信號放大電路放大后驅(qū)動LED陣列組201中的LEDl與LED3，發(fā)出NRZ-OOK數(shù)據(jù)光信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)光傳輸。用線性電流調(diào)光電路產(chǎn)生可以線性調(diào)節(jié)的直流信號，驅(qū)動LED陣列組201中的LED2與LED4，發(fā)出直流偏置光信號203,用于照明。由于LED發(fā)散角較大,加之系統(tǒng)傳輸距離較長,可見光信號在空間鏈路傳輸損耗大，系統(tǒng)中通過加后置聚光透204提高光電探測器205對光信號的接收效率。示波器206對波形進行探測和數(shù)據(jù)采集。依照本發(fā)明提供的方法設(shè)計的一種可見光通信系統(tǒng)的7個調(diào)光亮度等級對應(yīng)的調(diào)光電流值 與光電探測器接收的電壓幅值對照情況如表1。線性調(diào)光信號驅(qū)動的LED陣列組201中的LED2與LED4的發(fā)光強度依照探測器接收的信號強度劃分為7個亮度等級:0級亮度等級定義為僅有數(shù)據(jù)信號驅(qū)動LED陣列組204中的LEDl和LED3時，光電探測器205接收到的NRZ-OOK光信號的幅值，其大小為100mV，有效值為50mV。線性直流調(diào)光信號驅(qū)動LED陣列組201中的LED2和LED4產(chǎn)生的光信號203作為NRZ-OOK光信號的直流偏置光信號，光電探測器205接收的信號強度每增加50mV的偏置電壓視為一個亮度等級，共7個等級。
[0028]表17個調(diào)光亮度等級對應(yīng)的調(diào)光電流值與光電探測器接收的電壓幅值對照表
【權(quán)利要求】
1.同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 步驟一，在LED燈陣列組的前端加入大功率可見光LED驅(qū)動電路； 驅(qū)動電路包括數(shù)據(jù)信號放大電路與線性電流調(diào)光電路； 所述數(shù)據(jù)信號放大電路為基于集成運放的驅(qū)動放大電路，包括一級放大電路和一級射極跟隨電路；數(shù)據(jù)信號源的輸出連接一級放大電路，一級放大電路的輸出連接一級射極跟隨電路，一級射極跟隨電路的輸出分別連接至LED燈陣列組中的多只受控LED燈； 所述線性電流調(diào)光電路采用流控降壓芯片實現(xiàn)模擬調(diào)光，并在芯片的模擬調(diào)光端連接一個可變電阻進行分壓；流控降壓芯片的輸出端連接LED燈陣列組中的多只受控LED燈；線性電流調(diào)光電路產(chǎn)生線性調(diào)節(jié)的直流信號，驅(qū)動多只LED燈，實現(xiàn)可調(diào)光照明； LED燈陣列組中的單只LED燈受線性電流調(diào)光電路或者數(shù)據(jù)信號放大電路控制；步驟二，距離LED燈陣列組I米至3米范圍內(nèi)安裝接收端，接收端包括光電探測模塊和數(shù)據(jù)解調(diào)模塊，光電探測模塊的輸出連接至數(shù)據(jù)解調(diào)模塊；其中，光電探測模塊的功能為將可見光數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為電信號，數(shù)據(jù)解調(diào)模塊將電信號解調(diào)為二進制代碼數(shù)據(jù)信號； 步驟三，根據(jù)LED燈陣列組的所需亮度，通過調(diào)節(jié)線性電流調(diào)光電路中可變電阻的阻值，產(chǎn)生直流調(diào)光電信號，對LED燈的驅(qū)動電流進行線性調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對LED燈陣列組亮度等級的控制，并由LED燈產(chǎn)生直流偏置光信號； 步驟四，與數(shù)據(jù)信號放大電路相連的基于FPGA的信號源產(chǎn)生調(diào)制后的數(shù)據(jù)小信號，數(shù)據(jù)信號放大電路對數(shù)據(jù)小信號進行放大，并驅(qū)動LED燈陣列組發(fā)射可見光數(shù)據(jù)傳輸光信號，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)光信號； 步驟五，步驟三得到的直流偏置光信號和步驟四得到的數(shù)據(jù)光信號形成混合可見光信號,在室內(nèi)空氣鏈路中傳輸，由接收端的光電探測模塊接收，并由數(shù)據(jù)解調(diào)模塊解調(diào)出數(shù)據(jù)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法，其特征在于:一級放大電路采用同相運放、電壓串聯(lián)負(fù)反饋實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時實現(xiàn)亮度控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖覂?nèi)可見光通信方法，其特征在于:亮度等級以光電探測器接收的數(shù)據(jù)信號的有效電平為基準(zhǔn)進行劃分。
【文檔編號】H05B37/02GK103841732SQ201410109132
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】楊愛英, 李延坤, 孫雨南 申請人:北京理工大學(xué)