Led到led的半雙工通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，使用LED同時作為發(fā)送端和接收端，半雙工通信系統(tǒng)包括LED發(fā)送端及LED接收端，LED發(fā)送端發(fā)射可見光信號，利用反向偏置的LED作為接收端，對接收到的可見光信息進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)通過時鐘控制模塊對LED的收發(fā)電路進(jìn)行切換，實現(xiàn)基于LED到LED之間半雙工通信條件下信號有效傳輸距離為16cm。本發(fā)明可通過近距離接觸實現(xiàn)移動終端的信息傳遞，無需對通信設(shè)備增加額外的光電二極管，耗能低、成本低。
【專利說明】
LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于可見光通信領(lǐng)域，具體涉及LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002] 可見光無線通信(Visible Light Communicat1n，VLC)作為一種短距離無線通信技術(shù)，已被廣泛的應(yīng)用在日常生活中。它通過利用LED的可見光信號快速閃爍來傳遞信息。
[0003]當(dāng)今無線頻譜資源緊張，很多頻段都已經(jīng)被占用。VLC利用的可見光波段尚屬空白頻譜，無需授權(quán)即可使用，因此VLC技術(shù)搶占空白頻譜，有效地利用資源，拓展了下一代寬帶通信的頻譜，可以解決光通信于無線通信網(wǎng)絡(luò)共存與兼容的問題。
[0004]可見光通信綠色環(huán)保，不受無線電干擾，只在直線方向上傳播，想要截斷信息則必須處于光線傳播的途徑上，所以安全性能極好，可見光頻譜的帶寬比射頻頻譜的帶寬來的更大，所以能達(dá)到更快的傳輸速率。因此，VLC是一個非常有前景的研究領(lǐng)域，特別是在以 LED為背景下進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。由于VLC擁有不受管制的巨大帶寬且不受電磁干擾的巨大優(yōu)勢，已使得其成為未來室內(nèi)無線通信的強(qiáng)有力候選方案。近年來，由于發(fā)光二極管(LED)更加節(jié)能高效等優(yōu)點，已使得它正在以飛快的速度替代白熾燈和熒光燈用于室內(nèi)照明等各個領(lǐng)域。除了室內(nèi)無線通信，VLC也可應(yīng)用到其他環(huán)境，如交通信號燈和室外車輛無線光通信。
[0005]目前，使用磷光和RGB的LED指示燈已經(jīng)分別獲得了超過lGbit/s和3Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是這些研究成果主要是在LED僅作為通信系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)，光接收器采用光電二極管進(jìn)行可見光信息的接收。
[0006]日本專利CN1914834公開了可見光通信用的帶照相機(jī)便攜式終端，通過設(shè)置朝向與照相機(jī)的感光鏡頭相同方向的感光部，利用其感光部接收來自可見光的信息；其中感光部采用的是諸如光電二極管等進(jìn)行構(gòu)成的，該技術(shù)如果使用在類似于智能手機(jī)的移動終端上需要額外添加光電二極管等器件的。中國專利CN105099555A公開了一種便攜式光通信終端，所述光信號發(fā)送模塊接收所述第二信號后，將其轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙信號、紅外信號或者無線網(wǎng)絡(luò)信號向外發(fā)送;這種便攜式光通信設(shè)備試圖借助一個單獨的紅外線或無線網(wǎng)絡(luò)鏈路去執(zhí)行反向信道，該方式將不同技術(shù)混在一起并復(fù)雜化，因此真正實現(xiàn)起來難度很大。
[0007]現(xiàn)有的可見光通信系統(tǒng)的研究中心主要是LED作為發(fā)送端，光電二極管作為接收端，而我們的研究目的是使用LED同時作為發(fā)送和接收端，一段時間以來，人們已經(jīng)知道了 LED在反向偏壓的情況下可以作為具有有效靈敏度的光檢測器。由于現(xiàn)在許多通訊設(shè)備如智能手機(jī)都會內(nèi)置一個LED燈，而沒有內(nèi)置一個光電二極管。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，無需對通信設(shè)備增加額外的光電二極管，耗能低、成本低。
[0009]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0010] LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，包括:LED發(fā)送端及LED接收端，所述LED發(fā)送端與LED接收端通過可見光進(jìn)行通信;所述LED發(fā)送端包括調(diào)制編碼模塊、發(fā)送控制模塊、LED驅(qū)動電路、LED光源及發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng)，所述調(diào)制編碼模塊、發(fā)送控制模塊、LED驅(qū)動電路、LED光源及發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng)依次相連，將原始信號進(jìn)行調(diào)制編碼并進(jìn)行電光轉(zhuǎn)化產(chǎn)生適合在信道中傳播的信號;所述LED接收端包括接收端光學(xué)系統(tǒng)、反向偏置LED、放大電路、接收控制模塊及解調(diào)解碼模塊，所述接收端光學(xué)系統(tǒng)、反向偏置LED、放大電路、接收控制模塊及解調(diào)解碼模塊依次相連，將反向偏置LED所接收到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成可以在電路中傳輸?shù)碾娦盘枺俳?jīng)過解調(diào)解碼模塊恢復(fù)LED發(fā)送端發(fā)送的原始信號;所述LED發(fā)送端及LED接收端均為集成電路，實現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換及電信號傳輸;所述反向偏置LED，將接收到的可見光信息轉(zhuǎn)化為電信號在接收端進(jìn)行傳輸。
[0011] 進(jìn)一步，通信系統(tǒng)可實現(xiàn)的通信距離為16cm;所述LED光源可選擇紅色、琥珀色及白色。[〇〇12]本發(fā)明的有益效果為:當(dāng)LED被外接反向偏壓時，外加電場與空間電荷區(qū)的內(nèi)電場方向一致，當(dāng)LED發(fā)送端發(fā)出光信號時，光信號照射到接收端正處在反向偏壓情況下的LED 的空間電荷區(qū)，LED發(fā)送端發(fā)出的可見光的能量使得空間電荷區(qū)變寬，使得反向偏置電流增大，作為具有波長選擇功能的光電檢測器實現(xiàn)近距離通信。LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)所實現(xiàn)的短距離通信可以大大地節(jié)約現(xiàn)有短距離通信的成本費用，在許多情況下甚至還可能實現(xiàn)免費;本發(fā)明可通過近距離接觸實現(xiàn)移動終端的信息傳遞，耗能低、成本低?！靖綀D說明】[〇〇13]圖1為本發(fā)明的技術(shù)設(shè)計方案總圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的LED到LED可見光通信鏈路測試圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的LED到LED可見光無線通信系統(tǒng)模塊組成圖；[〇〇16] 圖4為本發(fā)明的LED到LED半雙工原理圖。【具體實施方式】[〇〇17]下面將結(jié)合說明書附圖及具體實施例來對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0018] 如圖3所示，LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，包括:LED發(fā)送端及LED接收端，LED發(fā)送端與LED接收端通過可見光進(jìn)行通信；[〇〇19] LED發(fā)送端包括調(diào)制編碼模塊、發(fā)送控制模塊、LED驅(qū)動電路、LED光源及發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng)，調(diào)制編碼模塊、發(fā)送控制模塊、LED驅(qū)動電路、LED光源及發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng)依次相連， 將原始信號進(jìn)行調(diào)制編碼并進(jìn)行電光轉(zhuǎn)化產(chǎn)生適合在信道中傳播的信號；其中，發(fā)送控制模塊用來控制發(fā)送端有序的進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送;發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng):可見光通信系統(tǒng)中使用的LED 光源，在出廠封裝時LED生產(chǎn)廠家已經(jīng)對其進(jìn)行過一次光學(xué)設(shè)計，本發(fā)明對LED進(jìn)行了二次光學(xué)設(shè)計-在LED外加裝反射鏡，使得發(fā)射光線滿足要求。
[0020] LED接收端包括接收端光學(xué)系統(tǒng)、反向偏置LED、放大電路、接收控制模塊及解調(diào)解碼模塊，接收端光學(xué)系統(tǒng)、反向偏置LED、放大電路、接收控制模塊及解調(diào)解碼模塊依次相連，將反向偏置LED所接收到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成可以在電路中傳輸?shù)碾娦盘枺?再經(jīng)過解調(diào)解碼模塊恢復(fù)LED發(fā)送端發(fā)送的原始信號;其中，接收端光學(xué)系統(tǒng)添加了光濾波器、光匯聚器;接收控制模塊根據(jù)時鐘恢復(fù)對接收的信號進(jìn)行判決以控制接收端接收數(shù)據(jù)。 [0021 ] LED發(fā)送端及LED接收端均為集成電路，實現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換及電信號傳輸。[〇〇22]反向偏置LED利用LED被外接反向偏壓，使得外加電場與空間電荷區(qū)的內(nèi)電場方向一致，導(dǎo)致擴(kuò)散與漂移運動平衡狀態(tài)的破壞。外加電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強(qiáng)，造成多數(shù)載流子擴(kuò)散運動難于進(jìn)行，同時加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運動，形成N區(qū)流向P區(qū)的反向電流，但是由于常溫下少數(shù)載流子恒定且數(shù)量不多，故反向電流極小。當(dāng)LED發(fā)送端發(fā)出光信號時，光信號照射到接收端正處在反向偏壓情況下的LED的空間電荷區(qū)，LED發(fā)送端發(fā)出的可見光的能量使得空間電荷區(qū)變寬， 使得反向偏置電流增大，使得LED可以作為具有波長選擇功能的光電檢測器。
[0023]通過對LED的光檢測性能進(jìn)行測試，得出并不是所有LED的吸收和發(fā)射光譜都有重疊部分，因此并不是任意的LED都可以應(yīng)用在可見光通信的收發(fā)系統(tǒng)中，特別是綠色及藍(lán)色 LED，它們的發(fā)射和吸收光譜沒有重疊部分。測試實驗得出，LED光源可選擇紅色、琥珀色及白色作為光發(fā)送端和光接收端來實現(xiàn)半雙工通信系統(tǒng)的通信，而不需要光電二極管。本發(fā)明優(yōu)選白色LED光源作為半雙工通信系統(tǒng)的發(fā)送器和接收器，在實驗中可實現(xiàn)在誤碼率小于1〇_3時所得到的通信距離為16cm。
[0024]LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)是LED到LED的單工通信鏈路，區(qū)別于其它 LED可見光通信信息收發(fā)系統(tǒng)，通過對電路進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)單個LED可以在光電\電光轉(zhuǎn)換這兩種功能下自由轉(zhuǎn)換。[〇〇25]圖1所示為本發(fā)明的技術(shù)設(shè)計方案總圖，主要實現(xiàn)LED到LED的可見光通信鏈路的搭建，使得傳統(tǒng)可見光通信鏈路中的光電二極管被替換掉，讓通信設(shè)備的硬件電路更加簡潔實用，這一創(chuàng)新思路將有助于LED可見光通信的普及和廣泛應(yīng)用。[〇〇26] 為了確定LED到LED傳輸鏈路的頻率響應(yīng)情況，建立如圖2所示的LED到LED的可見光傳輸鏈路圖。通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦信號，將這個正弦信號加載到LED驅(qū)動電路， 驅(qū)動正向偏置LED產(chǎn)生可見光波，所獲得的可見光波發(fā)送到接收端反向偏置LED上進(jìn)行光檢測，光檢測后所得到的信號通過放大電路進(jìn)行放大，最后信號傳輸?shù)焦庾V分析儀，進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。[〇〇27]如圖4所示LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)的工作原理圖，利用時分控制電路控制LED 作為發(fā)送器或者接收器，在實際應(yīng)用中，時分控制電路將基于目前大多數(shù)移動設(shè)備實現(xiàn)的時鐘信息方式即全球定位系統(tǒng)的信號，選擇發(fā)送電路或者接收電路作為當(dāng)前實際工作的電路。
[0028]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于這里所描述的實現(xiàn)方案，這些實現(xiàn)方案描述的目的在于幫助本領(lǐng)域中的技術(shù)人員實踐本發(fā)明。任何本領(lǐng)域中的技術(shù)人員很容易在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，因此本發(fā)明只受到本發(fā)明權(quán)利要求的內(nèi)容和范圍的限制，其意圖涵蓋所有包括在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的備選方案和等同方案。
【主權(quán)項】
1.LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，其特征在于，包括:LED發(fā)送端及LED接收端，所述LED發(fā)送端與LED接收端通過可見光進(jìn)行通信;所述LED發(fā)送端包括調(diào)制編碼模塊、發(fā)送控制模塊、LED驅(qū)動電路、LED光源及發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng)，所述調(diào)制編碼模塊、發(fā)送控制模塊、LED驅(qū)動電路、LED光源及發(fā)送端光學(xué)系統(tǒng)依次相連，將原始信號進(jìn)行調(diào)制編碼并進(jìn)行電光轉(zhuǎn)化產(chǎn)生適合在信道中傳播的信號;所述LED接收端包括接收端光學(xué)系統(tǒng)、反向偏置LED、放大電路、接收控制模塊及解調(diào)解碼模塊，所述接收端光學(xué)系統(tǒng)、反向偏置LED、放大電路、接收控制模塊及解調(diào)解碼模塊依次相連，將反向偏置LED所接收到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成可以在電路中傳輸?shù)碾娦盘?，再?jīng)過解調(diào)解碼模塊恢復(fù)LED發(fā)送端發(fā)送的原始信號;所述LED發(fā)送端及LED接收端均為集成電路，實現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換及電信號傳輸;所述反向偏置LED，將接收到的可見光信息轉(zhuǎn)化為電信號在接收端進(jìn)行傳輸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，其特征在于，通信系統(tǒng)可實現(xiàn)的通信距離為16cm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED到LED的半雙工通信系統(tǒng)，其特征在于，所述LED光源可選擇紅色、琥珀色及白色。
【文檔編號】H04L5/16GK105959061SQ201610452340
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】李靈芝, 江曉明, 朱娜, 江浩斌, 李康飛, 陳瀟君, 曾健雄
【申請人】江蘇大學(xué)