可見光分集發射和接收裝置及可見光通信系統的製作方法
2023-05-21 11:05:01
可見光分集發射和接收裝置及可見光通信系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於LED陣列的可見光分集發射裝置，包括：LED陣列，該LED陣列包括多個LED單元，該多個LED單元中的每個LED單元連接至獨立的驅動單元和抗擾光學單元，每個LED單元發出的光信號通過相應的抗擾光學單元發射出去；以及編碼控制單元，該編碼控制單元連接至該多個LED單元中每個LED單元的相應驅動單元，用於向該多個LED單元的各驅動單元指派獨立的傳輸數據。本發明還提供了相應的可見光分集接收裝置。
【專利說明】可見光分集發射和接收裝置及可見光通信系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及可見光通信，尤其涉及基於LED陣列的可見光分集發射和接收裝置。【背景技術】
[0002]可見光(波長範圍380?740nm)通信技術是一種在LED技術上發展起來的新型無線光通信技術。通過LED光源的高頻率閃爍，有光代表I，無光代表O，可將信號調製在LED光源上，從而利用可見光波段作為通信載體來傳輸數據。可見光通信的傳輸速率最高達每秒千兆。可見光通信有著相當豐富的頻譜資源，這是包括微波通信在內的一般無線通信無法比擬的。同時，可見光通信可以適用任何通信協議、適用於任何環境，並且可見光通信的設備架設靈活便捷、成本低廉，適合大規模普及應用。隨著LED技術的發展，可見光通信成為新一代無線通信技術的研究熱點。
[0003]目前，可見光通信中的傳送裝置所採用的光源為一個LED或者LED同步陣列。所謂LED同步陣列是LED陣列的所有LED採用統一驅動，即發出的信號相同。採用這種LED陣列發射光信號可以提高傳輸距離，然而，缺陷是傳輸速率有限。隨著多媒體應用對更高數據傳輸速率的要求以及設備的小型化趨勢，如何利用有限的LED器件傳送更高速率的數據成變得至關重要。
[0004]因此，本領域亟需一種能夠以更高速率進行可見光通信的設備。
【發明內容】
[0005]以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構想到的方面的詳盡綜覽，並且既非旨在指認出所有方面的關鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的範圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍後給出的更加詳細的描述之序。
[0006]根據本發明的一方面，提供了一種基於LED陣列的可見光分集發射裝置，包括:LED陣列，該LED陣列包括多個LED單元，該多個LED單元中的每個LED單元連接至獨立的驅動單元和抗擾光學單元，每個LED單元發出的光信號通過相應的抗擾光學單元發射出去；以及編碼控制單元，該編碼控制單元連接至該多個LED單元相應的驅動單元，用於向該多個LED單元的各驅動單元指派獨立的傳輸數據。
[0007]在一實例中，該多個LED單元的抗擾光學單元包括帶通濾光片，並且該多個LED單元的帶通濾光片具有互不相同的通帶。
[0008]在一實例中，該多個LED單元的各帶通濾光片的通帶對應不同的可見光光譜。
[0009]在一實例中，該多個LED單元的抗擾光學單元包括起偏器，並且每相鄰的兩個LED單元的起偏器的偏振方向相互垂直。
[0010]在一實例中，該多個LED單元的抗擾光學單元包括光學準直鏡頭。
[0011]在一實例中，該LED單元包括一個LED或由多個LED並聯而成的LED組。
[0012]根據本發明的另一方面，提供了一種基於LED陣列的可見光分集接收裝置，包括:光電檢測器陣列，該光電檢測器陣列包括多個光電檢測器單元，該多個光電檢測器單元中的每個光電檢測器單元連接至獨立的抗擾光學單元，每個光電檢測器單元檢測通過相應的抗擾光學單元接收到的光信號；以及解碼控制單元，該解碼控制單元連接至該多個光電檢測器單元，用於接收分別由所述多個光電檢測器單元檢出的信號以恢復出傳輸數據。
[0013]在一實例中，該多個光電檢測器單元的抗擾光學單元包括帶通濾光片，並且該多個光電檢測器單元的帶通濾光片具有互不相同的通帶。
[0014]在一實例中，該多個光電檢測器單兀的抗擾光學單兀包括檢偏器，並且每相鄰的兩個光電檢測器單元的檢偏器的偏振方向相互垂直。
[0015]在一實例中，該多個光電檢測器單元的抗擾光學單元包括匯聚透鏡。
[0016]在一實例中，該光電檢測器單元包括一個光電檢測器或由多個光電檢測器並聯而成的光電檢測器組。
[0017]根據本發明的另一方面，提供了一種可見光通信系統，包括如上所述的可見光分集發射裝置和如上所述的可見光分集接收裝置，所述可見光分集發射裝置的LED單元與所述可見光分集接收裝置的光電檢測器單元一一對應，所述多個光電檢測單元分別用於檢測相對應的LED單元發出的光信號。
[0018]在一實例中，該可見光通信系統包括光子客戶端和與所述光子客戶端相匹配的光子接收端，該光子客戶端用於發射包含了預設信息的可見光信號至所述光子接收端，該光子接收端用於接收和解調來自該光子客戶端的可見光信號，並根據該可見光信號裡包含的預設信息進行相關操作，該光子客戶端包括該可見光分集發射裝置，該光子接收端包括該可見光分集接收裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]在結合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細描述之後，能夠更好地理解本發明的上述特徵和優點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪製，並且具有類似的相關特性或特徵的組件可能具有相同或相近的附圖標記。
[0020]圖1是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置的簡化框圖；
[0021]圖2是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置的LED陣列的示意圖；
[0022]圖3是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置的驅動單元的示意圖；
[0023]圖4是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置的抗擾光學單元的一個實施例的示意圖；
[0024]圖5是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置的抗擾光學單元的另一實施例的不意圖；
[0025]圖6a、6b分別是示出了在未使用光學準直透鏡和使用了光學準直透鏡情況下LED光斑的示意圖；
[0026]圖7是示出了根據本發明的一方面的光學準直透鏡的示意圖；
[0027]圖8是示出了根據本發明的一方面的可見光分集接收裝置的簡化框圖；
[0028]圖9是示出了根據本發明的一方面的可見光分集接收裝置的抗擾光學單元的一個實施例的示意圖；
[0029]圖10是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置和可見光分集接收裝置中的帶通濾光片的工作示意圖；
[0030]圖11是示出了根據本發明的一方面的可見光分集接收裝置的抗擾光學單元的另一實施例的示意圖；以及
[0031]圖12是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置和可見光分集接收裝置中的起偏器和檢偏器的工作示意圖。
【具體實施方式】
[0032]以下結合附圖和具體實施例對本發明作詳細描述。注意，以下結合附圖和具體實施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應被理解為對本發明的保護範圍進行任何限制。
[0033]傳統可見光通信系統採用LED同步陣列發光，提高了通信距離。然而，整個LED陣列傳送相同的信號，數據傳送效率低下。在本發明中，通過為LED陣列中的各LED單元提供獨立的驅動單元，從而為LED陣列提供不同的信號源，實現分集效果。同時，通過為各LED單元提供相應的抗擾光學單元以避免LED陣列中各LED單元之間的相互幹擾，保證LED陣列的各LED單元所傳送的信號能夠被接收裝置成功接收。以此分集發射和接收方式，顯著改善了 LED陣列的數據通信效率。
[0034]圖1是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置100的簡化框圖。如圖1所示，可見光分集發射裝置100包括多個LED單元106-k Ck= I~K)，這多個LED單元構成了可見光分集發射裝置100的LED陣列。圖2是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置100的該LED陣列的示意圖。在圖2中，LED陣列是3x3的LED陣列，即包括9個LED單元，K = 9。這9個LED單元按照行列順序依次編為LED I, LED2,…，LED9。然而，本領域技術人員很容易認識到，這僅是說明性而非限制性的LED陣列組成，LED陣列可以具有任何合適數目的LED單元，例如可以設計成PX q，P、q為正整數。另外，所編號的每個LED單元既可以是單個LED，也可以是由多個LED並聯而成的LED組以增加發射功率實現更遠的傳輸距離。`
[0035]回到圖1,每個LED單元106`-k連接至一獨立的驅動單元104_k Ck= I~K)。各驅動單元104-k分別將各自相應的LED單元106-k連接至一公共的編碼控制單元102。編碼控制單元102接收待發送的原始數據後執行必要的編碼和調製，將傳輸數據分配給各驅動單元104-k，後者將傳輸數據送至相應的LED單元106-k，並提供驅動電流以驅動LED單元106以可見光形式發射數據。注意，編碼控制單元102向每個驅動單元104-k分配的傳輸數據是不相同的。例如，編碼控制單元102可對要傳送的原始數據進行拆分，並向各驅動單元104-k提供原始數據的不同部分，其中每個數據部分可包括用以標識該數據部分在原始數據中的位置的位置標識符。
[0036]以圖2中的3x3的LED陣列為例。如果要傳送的原始數據為9m+n個字節，其中m為非負整數，η為小於9的非負整數。若η=0，可將9m個字節平均分配給9個LED，例如，將第I~m個字節分配給LED單元I,第m+1~2m個字節分配給LED單元2,...,第8m+l~9m個字節分配給LED單元9。若η > 0，可將第I~m+1個字節分配給LED單元1，依次類推，前η個LED都分配m+1個字節,其餘LED分配m個字節,字節按順序分配。提供給每個LED單元的驅動單元的傳輸數據除了分配給該LED單元的字節之外還包括一位置標識符以標識該字節在原始數據中所處的位置。本領域技術人員容易認識到，上述分配僅僅是用以解釋向各LED單元指派不同數據內容的說明性而非限制性示例。可以使用任何合適的分配方案來為各LED單元指派傳輸數據。
[0037]驅動單元104-k為相關聯的LED單元106_k提供驅動電流，以驅動LED單元106_k通過高頻閃爍的方式以可見光形式發射相應的傳輸數據。圖3是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置100的驅動單元的示意圖。圖3中示出了 MOS管驅動電路300，然而這僅是驅動單元104-k的說明性而非限制性實例，本領域技術人員容易了解可以使用任何合適的驅動電路，例如高速軌到軌運放0PA2377等。如圖3所示，MOS管驅動電路300的主體是一 N通道增強型MOS管，例如MOS管2N7002K。所分配的傳輸數據耦接至MOS管的柵極G，M0S管的源極S通過電阻Rl接地，漏極D接LED單元106_k的正極。保持MOS管的柵極G-源極S的門檻電壓為1-2.5V，通過控制MOS管的導通和關斷，從而間接控制LED單元106-k的關斷和導通。通過調節該MOS管驅動電路300，例如電阻Rl、R17和R22，可以調整LED的驅動電流。例如，假設電壓BAT2=4.2V，則當R22=lohm，R17=160ohm，Rl=68ohm時，LED驅動電流為20mA ;當R17=82ohm，Rl=68ohm時，LED驅動電流為37mA。
[0038]回到圖1，各LED單元106-k分別連接至一獨立的用於使這多個LED單元發出的光信號互不幹擾的抗擾光學單元108-k，從而LED單元106-k發出的光信號通過相應的抗擾光學單元108-k發射出去。由於各LED單元106-k之間傳送不同的傳輸數據，因此，在LED單元106-k之後應用抗擾光學單元108-k以保證這些傳輸數據之間互不幹擾地被正確接收。
[0039]圖4是示出了根據本發明的一方面的可見光分集發射裝置的抗擾光學單元400的一個實施例的示意圖。該抗擾光學單元400可以是圖1中的抗擾光學單元108-k。如圖4所示，抗擾光學單元400可包括帶通濾光片402和光學準直透鏡404。帶通濾光片402由電介質和金屬膜構成，能夠對特定波長實現幹涉相消，從而實現帶通的效果。帶通濾光片402可以是窄帶帶通濾光片，半峰值帶寬一般為IOnm和40nm。例如，在LED陣列包括9個以上的LED單元時，可以採用半峰值帶寬為IOnm的帶通濾光片402。對於圖1中的可見光分集發射裝置100的LED陣列中的`每個LED單元106_k，為其相關聯的帶通濾光片分配互不相同的通帶。LED的可用光譜範圍在400-700nm，但是在靠近可用光譜邊緣部分的功率很低。所以在一實例中，對波長進行分配時，可避開邊緣部分。例如對常用的藍光激發螢光粉的白光LED，可以選擇相對功率在0.3以上部分波長490nm~620nm來分配給各帶通濾光片。在傳輸信道較多而要使用可見光譜邊緣部分的另一實例中，對於相對功率在0.3以下波長部分，可以增大與使用這些波長的帶通濾光片相關聯的LED單元的功率為其他波長的I~3倍。例如，某個LED單元的帶通濾光片的通帶處於相對功率在0.3以下波長部分，可以調節該LED單元的驅動單元以提高驅動電流。以圖2所示的LED陣列為例,各LED單元所出射光線的波長範圍以及對應的帶通濾光片的通帶寬度範圍分配可如下表1所示。
[0040]表1——帶通濾光片通帶分配
[0041]
【權利要求】
1.一種基於LED陣列的可見光分集發射裝置，包括: LED陣列,所述LED陣列包括多個LED單元,所述多個LED單元中的每個LED單元連接至獨立的驅動單元和用於使所述多個LED單元發出的光信號互不幹擾的抗擾光學單元，每個LED單元發出的光信號通過相應的抗擾光學單元發射出去；以及 編碼控制單元，所述編碼控制單元連接至所述多個LED單元相應的驅動單元，用於向所述多個LED單元的各驅動單元分配獨立的傳輸數據。
2.如權利要求1所述的可見光分集發射裝置，其特徵在於，所述多個LED單元的抗擾光學單元包括帶通濾光片，並且該多個LED單元的帶通濾光片具有互不相同的通帶。
3.如權利要求2所述的可見光分集發射裝置，其特徵在於，所述多個LED單元的各帶通濾光片的通帶對應不同的可見光光譜。
4.如權利要求1所述的可見光分集發射裝置，其特徵在於，所述多個LED單元的抗擾光學單元包括起偏器，並且每相鄰的兩個LED單元的起偏器的偏振方向相互垂直。
5.如權利要求1所述的可見光分集發射裝置，其特徵在於，所述多個LED單元的抗擾光學單元包括光學準直透鏡。
6.如權利要求1所述的可見光分集發射裝置，所述LED單元為一個單獨的LED或由多個LED並聯而成的LED組。
7.一種基於LED陣列的可見光分集接收裝置，包括: 光電檢測器陣列，所述光電檢測器陣列包括多個光電檢測器單元，所述多個光電檢測器單元中的每個光電檢測器單元連接至獨立的用於使所述多個光電檢測單元接收的光信號互不幹擾的抗擾光學單 元，每個光電檢測器單元檢測通過相應的抗擾光學單元接收到的光信號；以及 解碼控制單元，所述解碼控制單元連接至所述多個光電檢測器單元，用於接收分別由所述多個光電檢測器單元檢出的信號以恢復出傳輸數據。
8.如權利要求7所述的可見光分集接收裝置，其特徵在於，所述多個光電檢測器單元的抗擾光學單元包括帶通濾光片，並且該多個光電檢測器單元的帶通濾光片具有互不相同的通帶。
9.如權利要求7所述的可見光分集接收裝置，其特徵在於，所述多個光電檢測器單元的抗擾光學單元包括檢偏器，並且每相鄰的兩個光電檢測器單元的檢偏器的偏振方向相互垂直。
10.如權利要求7所述的可見光分集接收裝置，其特徵在於，所述多個光電檢測器單元的抗擾光學單元包括匯聚透鏡。
11.如權利要求7所述的可見光分集接收裝置，其特徵在於，所述光電檢測器單元為一個光電檢測器或由多個光電檢測器並聯而成的光電檢測器組。
12.—種可見光通信系統，包括如權利要求1-6任一項所述的可見光分集發射裝置和如權利要求7-11任一項所述的可見光分集接收裝置，所述可見光分集發射裝置的LED單元與所述可見光分集接收裝置的光電檢測器單元一一對應，所述多個光電檢測單元分別用於檢測相對應的LED單元發出的光信號。
13.如權利要求12所述的可見光通信系統，其特徵在於，所述可見光通信系統包括光子客戶端和與所述光子客戶端相匹配的光子接收端，所述光子客戶端用於發射包含了預設信息的可見光信號至所述光子接收端，所述光子接收端用於接收和解調來自所述光子客戶端的可見光信號，並根據所述可見光信號裡包含的預設信息進行相關操作，所述光子客戶端包括所述可見光分集發射裝置，所述光子接收端包括所述可見光分集接收裝置。
【文檔編號】H04B10/116GK103812559SQ201310499406
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】不公告發明人 申請人:深圳光啟創新技術有限公司