一種高速led可見光通信系統(tǒng)及接收裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種高速LED可見光通信系統(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光信號轉換為電壓信號的光電轉換模塊、放大模塊、模數轉換模塊以及解碼模塊。本系統(tǒng)結構簡單，實現(xiàn)容易，成本較低，以LED可見光為傳輸介質實現(xiàn)了發(fā)射裝置和接收裝置之間的高速數據通信，傳輸速率為2?10Mbps，傳輸距離為2?6m，使對通信速率有更高要求的應用如信息廣播、室內通信等成為可能。
【專利說明】
一種高速LED可見光通信系統(tǒng)及接收裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于可見光通信領域，具體涉及一種高速LED可見光通信系統(tǒng)及該系統(tǒng)中配置的接收裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，發(fā)光二級管LED(Light-Emitting D1de)照明技術發(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，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調制性能好，響應靈敏度高等優(yōu)點。利用LED的這種特性，它能被用作照明的同時，還可以通過把信號調制到LED可見光束上實現(xiàn)數據傳輸，實現(xiàn)一種新興的光無線通信技術，即可見光通信(VisibleLight Communicat1n，VLC)技術。與傳統(tǒng)射頻無線技術相比，可見光通信可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產生電磁干擾，也無需相應頻段的許可授權，能夠以較低的成本實現(xiàn)高帶寬高速率的無線通信接入。
[0003]LED可見光通信可以提供很多應用，如室內定位、智能家居、智能交通等。但就目前的實際狀況來說，該技術多數還是應用在低速場合中，如物聯(lián)網、室內定位等，雖然在實驗室中已經實現(xiàn)了速率可達Gbps數量級的通信，但由于其結構復雜、成本高、實現(xiàn)困難、通信距離短，所以超高速率可見光通信技術目前還很難得到實際應用。

【發(fā)明內容】

[0004]為了擴展LED可見光通信技術的應用范圍，本實用新型提供了一種通信距離較長的、穩(wěn)定易實現(xiàn)的、較高通信速率(數Mbps)的LED可見光通信系統(tǒng)及該系統(tǒng)中配置的接收裝置。
[0005]本實用新型提供的高速LED可見光通信系統(tǒng)包括發(fā)射裝置和接收裝置;數據信號通過光鏈路從發(fā)射裝置傳輸到接收裝置，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所要發(fā)送的數據編碼的編碼模塊、對編碼模塊輸出的編碼數據進行00K(0n-0ff Keying)調制的調制模塊，以及用于變換調制后的編碼數據為可見光信號的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光信號轉換為電壓信號的光電轉換模塊、放大模塊、模數轉換模塊以及解碼模塊，該解碼模塊用于解調該模數轉換模塊輸出的數字信號獲得所傳輸的數據。
[0008]其中，所述LED發(fā)射模塊由LED和向LED提供電源AC/DC轉換器組成。
[0009]所述調制模塊由一個MOS開關管和反相放大器構成，反相放大器的輸出端連接MOS開關管的柵極，MOS開關管的漏極接地，源極作為調制模塊的輸出端。
[0010]所述光接收模塊由藍光濾鏡和凸透鏡組成，該藍光濾鏡位于光入射側與該凸透鏡之間。所述藍光濾鏡為藍光帶通濾鏡或藍光短波通濾鏡等。藍光濾鏡是為了濾除LED白光中的黃光部分使藍光通過，常用的白光LED本身發(fā)射藍光而后激發(fā)黃色熒光，熒光會拖慢轉換速率，因此需將黃色熒光濾掉。凸透鏡是為了增加通信距離。
[0011]所述光電轉換模塊包括光電二極管和寬帶運算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運算放大器的反相輸入端之間，寬帶運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寬帶運算放大器構成。所述模數轉換模塊為一個高速比較器。
[0013]所述放大模塊中的寬帶運算放大器、所述光電轉換模塊中的寬帶運算放大器的帶寬為 200MHz-2GH。
[0014]用于上述高速LED可見光通信系統(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光信號轉換為電壓信號的光電轉換模塊、放大模塊、模數轉換模塊以及用于解調該模數轉換模塊輸出的數字信號獲得所傳輸數據的解碼模塊;其中
[0015]所述光電轉換模塊包括光電二極管和寬帶運算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運算放大器的反相輸入端之間，寬帶運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，寬帶運算放大器的同相輸入端接參考電壓;所述光接收模塊由藍光濾鏡和凸透鏡組成，該藍光濾鏡位于光入射側與該凸透鏡之間。所述光電轉換模塊中的寬帶運算放大器的帶寬為200MHZ-2GH。
[0016]所述模數轉換模塊為高速比較器;所述藍光濾鏡為藍光帶通濾鏡或藍光短波通濾
Ho
[0017]本實用新型高速LED可見光通信系統(tǒng)由發(fā)射裝置和接收裝置組成，發(fā)射裝置通過調制模塊把要發(fā)送的數據調制到LED以可見光信號發(fā)射;接收裝置接收可見光信號、轉換為電信號并解調獲得所傳輸的數據。本實用新型結構簡單，實現(xiàn)容易，以LED可見光為傳輸介質使傳輸速率達2?10Mbps，傳輸距離為2?6米，使對通信速率有更高要求的應用如視頻廣播等成為可能。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型高速LED可見光通信系統(tǒng)結構圖；
[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。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0022]參照圖1，實施例高速LED可見光通信系統(tǒng)包括發(fā)射裝置I和接收裝置2兩部分。發(fā)射裝置I通過調制模塊把要發(fā)送的數據調制到LED以可見光信號發(fā)射;接收裝置2以光學元器件接收可見光信號、轉換為電信號并解調獲得所傳輸的數據。數據通過光鏈路從發(fā)射裝置I傳輸到接收裝置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)送的數據進行編碼處理，調制模塊12對編碼模塊11生成的編碼數據進行OOK(On-Off Keying)調制，以控制LED發(fā)射模塊13使LED發(fā)射明暗交替的光信號。
[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輸出的可見光信號轉換為電壓信號的光電轉換模塊22、放大模塊23、模數轉換模塊24以及解碼模塊25，該解碼模塊用于解調該模數轉換模塊輸出的數字信號獲得所傳輸的數據。
[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實現(xiàn)，通過編碼軟件將所要發(fā)送的數據進行必要的編碼處理，如加曼徹斯特編碼或4b6b編碼用于防閃爍，加起始位、終止位用于識別和糾錯等等。
[0026]調制模塊12主要由一個MOS開關管和反相放大器構成，反相放大器的輸出端連接MOS開關管的柵極，MOS開關管的漏極接地，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開關管需具有高轉換速率并且能滿足LED的發(fā)射功率要求。由于MCU編碼器輸出的編碼數字信號(高電平為3.3V)驅動能力不足，通過反相放大器對該信號放大(增益由Vmod決定)，以增強調制深度，使通信距離更長。反相放大器放大后的編碼數字信號驅動MOS管開關以實現(xiàn)OOK(On-Off Key ing)調制。
[0027]LED發(fā)射模塊13則由AC/DC轉換器和LED燈組成，AC/DC轉換器作為LED的供電電源，調制模塊12的輸出端(S卩MOS管源極)接LED燈一端，受調制模塊12控制LED燈可發(fā)射明暗交替的光信號以發(fā)射信息。
[0028]圖3為接收裝置電路框圖。光接收模塊21由藍光濾鏡和凸透鏡組成，該藍光濾鏡位于光入射側與該凸透鏡之間。藍光濾鏡為藍光帶通濾鏡或藍光短波通濾鏡等。藍光濾鏡是為了濾除LED白光中的黃光部分使藍光通過，常用的白光LED本身發(fā)射藍光而后激發(fā)黃色熒光，黃色熒光會拖慢轉換速率，因此需通過藍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]光電轉換模塊22含有一個寬帶運算放大器，和高轉換速率(轉換時間在10ns以內)的光電二極管(Photod1de，Η))，光電二極管連接在電源VCC與該寬帶運算放大器的反相輸入端之間，寬帶運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轉換強弱交替的電流信號，寬帶運算放大器則將此電流信號轉換為電壓高低變化的電壓信號。
[0030]放大模塊23主要由一個寬帶運算放大器構成，其反饋電阻上并聯(lián)一個電容實現(xiàn)低通濾波的功能；該寬帶運放的反相輸入端連接光電轉換模塊22的寬帶運算放大器的輸出端，輸出端接后極模數轉換模塊24輸入端。
[0031 ]模數轉換模塊24采用一個高速比較器(轉換時間在10ns以內)，可將放大模塊23輸出的模擬信號轉換為數字信號。
[0032]解碼模塊25為基于M⑶的解碼器(簡稱M⑶解碼器)，該解碼器為硬件解碼電路，由硬件解碼電路對來自放大模塊23的數字信號解碼，最終獲得所傳輸的數據。該解碼器也可以用解碼軟件來實現(xiàn)，通過解碼軟件將來自放大模塊23的數字信號進行解碼，最終獲得所傳輸的數據。
[0033]上述放大模塊23中的寬帶運算放大器、光電轉換模塊22中的寬帶運算放大器的帶寬為 200MHz-2GH。
[0034]以上通過具體實施例對本實用新型做了詳細的說明，這些描述不能認為本實用新型僅僅限于這些實施例的內容。本領域技術人員根據本實用新型構思、這些描述并結合本領域公知常識做出的任何改進、等同替代方案，均應包含在其權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種高速LED可見光通信系統(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所要發(fā)送的數據編碼的編碼模塊、對編碼模塊輸出的編碼數據進行00K(0n-0ff Keying)調制的調制模塊，以及用于變換調制后的編碼數據為可見光信號的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光信號轉換為電壓信號的光電轉換模塊、放大模塊、模數轉換模塊以及解碼模塊，該解碼模塊用于解調該模數轉換模塊輸出的數字信號獲得所傳輸的數據。2.根據權利要求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轉換器組成。3.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述調制模塊包括一個MOS開關管和反相放大器，反相放大器的輸出端連接MOS開關管的柵極，MOS開關管的漏極接地，源極作為輸出端。4.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述光接收模塊由藍光濾鏡和凸透鏡組成，該藍光濾鏡位于光入射側與該凸透鏡之間。5.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述藍光濾鏡為藍光帶通濾鏡或藍光短波通濾鏡。6.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述光電轉換模塊包括光電二極管和寬帶運算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運算放大器的反相輸入端之間，寬帶運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，寬帶運算放大器的同相輸入端接參考電壓。7.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述模數轉換模塊為一個高速比較器。8.根據權利要求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.用于權利要求1-8任一項所述高速LED可見光通信系統(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光信號轉換為電壓信號的光電轉換模塊、放大模塊、模數轉換模塊以及用于解調該模數轉換模塊輸出的數字信號獲得所傳輸數據的解碼模塊;其中 所述光電轉換模塊包括光電二極管和寬帶運算放大器，光電二極管連接在電源VCC與寬帶運算放大器的反相輸入端之間，寬帶運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，寬帶運算放大器的同相輸入端接參考電壓;所述光接收模塊由藍光濾鏡和凸透鏡組成，該藍光濾鏡位于光入射側與該凸透鏡之間。10.根據權利要求9所述的接收裝置，其特征是，所述寬帶運算放大器的帶寬為200MHz-2GHz;所述藍光濾鏡為藍光帶通濾鏡或藍光短波通濾鏡。
【文檔編號】H04B10/116GK205596120SQ201620196798
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】權進國, 張瀟男, 金爽
【申請人】清華大學深圳研究生院