CN102624451A - 一种基于电力线载波的led可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力线载波的LED可见光通信系统，包括上行链路和下行链路，下行链路包括PC发射端，PC发射端通过一电力线PLC调制器接入电力电网，一电力线PLC解调器与电力电网连接，并连接一FPGA编码器，FPGA编码器连接一LED发光装置；还包括若干终端设备，每个终端设备连接一FPGA解码器，FPGA解码器连接一信号处理模块，信号处理模块连接一光电检测器，LED发光装置发射的光信号被光电检测器转换为电信号，然后由信号处理模块对电信号进行放大和处理恢复成与PC发射端调制信号一样的信号，最后经过FPGA解码器将信号输送给终端设备；上行链路采用与下行链路采用对称配置，实现全双工的通信方式。

Description

一种基于电力线载波的LED可见光通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体的涉及一种基于电力线载波的LED可见光通信系统。

背景技术

相对于单纯的LED光通信无线网络系统由于上行线路需要对移动终端的发射频率和角度要求较高，需要更多物理层技术的研究，区域内隔墙之间无法传输信息，需要辅助网络传输，目前传输速度不高，不能早期实现市场化应用，推广相对困难。

目前市场上无线电和红外等比较成熟的无线通信系统更有飞跃的技术创新和进步，现有技术存在如下不足：

(1)对人有伤害

正常情况下高质量通信需要得到较高功率和较高信噪比的接收信号，对于普通定向的无线光通信如红外光通信，由于受到人眼睛安全的限制，国际标准要求的发射功率很低，所以系统接收性能受到严重限制。对于无线电射频通信，射频信号对人体有害，也不能随意地增加发射功率。

(2)稳定性差、室内布局相对复杂

红外光通信系统需要另架设红外通信光源和线路，增加了成本和工时，RF也需要有布线才能达到相对好的控制效果，而且受室内结构与布局和材料的影响信号效果有很大的差别。由于房屋基本都是钢筋混凝土结构，并且格局复杂多样，环境对RF无线信号的衰减严重，因而无线网络的不稳定性是不可避免的。

(3)受阴影效应明显

红外光容易受其他遮挡物的影响。

(4)有电磁干扰，需申请频谱资源

当前无线电的频谱作为一种宝贵的资源受到了严格的管制，可以使用的民用无线电频率非常有限。

(5)发射功率受限，意味着传输距离受限

红外发射功率受国际限制以保护人的眼睛，所以传输距离只有不到10米，而RF也受国家统一管理的频段，传输距离一般不超过100米。

(6)安全保密性能差

RF无线系统由于采用的是公用无线频道传输信息，虽然有密码设置但非常容易被破解，现在市场都有针对无线网络解码器出售，一个楼里的无线密码信息都可以立刻破解，安全性能很差。

(7)信道速率低

红外无线通信理论速率为100MB/每秒，现在实现了16MB/每秒，目前使用的无线局域网也只在11MB/秒、54MB/每秒、108MB/每秒。

(8)需共享频谱，对设备要求苛刻

目前基于RF的WIFI接入点不同，RF需要无线网络跟必须在所有用户之间共享频谱，这对每一个电子设备都提出了苛刻的要求。

发明内容

为了克服现有技术中RF和红外无线网络通信过程中不稳定，安全性差，传输速度慢、传输距离短、对人身体有损害、容易受干扰等存在的技术缺陷以及单纯的LED可见光通信下无法实现区域内隔墙之间传输信息，需要辅助网络传输，传输速率不高的不足，本发明的目的在于提供一个健康、高效、安全稳定、便捷、低成本、可以实现市场服务的基于电力线载波的LED可见光通信系统，为互联网、物联网、3G、4G网络的发展与应用提供更好的技术和产品支撑。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种基于电力线载波的LED可见光通信系统，包括上行链路和下行链路，所述下行链路包括PC发射端，所述PC发射端通过一用于将数字信号调制为可以在电力线上传输的电信号的电力线PLC调制器接入电力电网，一用于将在电力线中传输的电信号解调为数字信号的电力线PLC解调器与所述电力电网连接，并连接一FPGA编码器，所述FPGA编码器连接一LED发光装置；还包括若干终端设备，所述的每个终端设备连接一FPGA解码器，所述FPGA解码器连接一信号处理模块，所述信号处理模块连接一光电检测器，所述LED发光装置发射的光信号被所述光电检测器转换为电信号，然后由所述信号处理模块对电信号进行放大和处理恢复成与PC发射端调制信号一样的信号，最后经过所述FPGA解码器将信号输送给所述终端设备；所述上行链路与所述下行链路对称配置，实现全双工的通信方式。

进一步的，所述LED发光装置包括若干LED光源，一用于分离出用于调制和控制LED光源发光强弱以形成调制后的光载波信号的带通滤波器和一通过电路整流成直流电后用于LED光源照明的交直流转换器，所述的每个LED光源的负极连接在一起，并与电力线的零线连接，所述电力线的火线分别连接所述带通滤波器和交直流转换器，所述带通滤波器和交直流转换器分别连接所述每个LED光源的正极。

本发明的基于电力线载波的LED可见光通信系统，相对于传统的无线电通信和红外光通信克服了受电磁干扰、通信速率低、距离短、安全稳定性差、布局复杂、成本高、对身体有害的缺点；相对于目前实施单一的可见光通信技术搭建成本更低，更方便，延展性更强，更早的进入市场，实现了绿色健康、高速安全、稳定强抗干扰、搭建简单、低成本的无线照明，具体的说具有以下有益效果：

(1)基于电力线载波的LED可见光通信系统光发射功率高而对人眼无伤害高质量通信需要得到较高功率和较高信噪比的接收信号。

(2)无电磁干扰，无需申请频谱资源当前无线电的频谱作为一种宝贵的资源受到了严格的管制，可以使用的民用无线电频率非常有限，而可见光通信系统不需要申请特定无线频率。另外，由于可见光通信系统不存在电磁干扰现象，可以使用在医院，飞机和空间站等对电磁干扰严格限制的场合。

(3)可见光无线通信系统与电力线传输系统结合较为容易，系统不需要做太大的改变，只是在发射端与FPGA的通信链中加入了电力线传输，系统原有的各项通信特性不会受影响。

(4)可见光无线通信系统与电力线传输系统结合可以减少室内可见光通信系统的构建成本，由于目前的建筑屋内全部都有电力线的存在，因此引入室内可见光无线通信系统的时候可以直接利用电力线路，节约了系统的构建成本。

(5)可见光无线通信系统与电力线传输系统的结合可以使室内可见光无线通信系统更加容易被推广，由于可以利用建筑物内已经存在的电力线，室内可见光无线通信系统的通信链条的构建不需要在建筑物内重新布线，因此可以使系统构建更为便捷和快速。

(6)由于基于电力线载波的LED可见光无线通信系统隔墙就不能传输，也就不会泄露信息，杜绝了隔墙有耳的发生，这在信息安全和保密方面起到重要，但在需要在多个房间信息交流方面，相对目前LED可见光通信将需要借助其他方式来完成，而电力线传输提供了这样需要，因为电力线在可以非常简单的实现墙体穿越，而且基本上是不需要增加附属设备，就可以低成本安全的实现了隔墙之间的可见光通信传输，这样就成为LED可见光通信系统延伸和扩容的有效补充。

(7)用基于电力线载波的LED可见光通信系统相对与目前的LED可见光通信系统，减少了可见光通信发射模块和编码器的环节，降低了信息的损耗，提高了可见光通信现阶段的传输速度，同时降低的网络成本。对于现阶段LED可见光通信的传输速率是10-20bit/秒来讲，结合电力线载波技术可以实现100-500bit/秒的传输速度，使LED可见光通信可以在现阶段更早的更易进行市场应用和推广。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的基于电力线载波的LED可见光通信系统的下行链路的通信原理图。

图2是本发明的基于电力线载波的LED可见光通信系统的LED发光装置的结构示意图。

图中标号说明：1、PC发射端，2、电力线PLC调制器，3、电力电网，4、电力线PLC解调器，5、FPGA编码器，6、LED发光装置，7、光电检测器，8、信号处理模块，9、FPGA解码器，10、终端设备，601、LED光源，602、带通滤波器，603、交直流转换器。

具体实施方式

参见图1所示，一种基于电力线载波的LED可见光通信系统，包括上行链路和下行链路，所述下行链路包括PC发射端1，所述PC发射端1通过一用于将数字信号调制为可以在电力线上传输的电信号的电力线PLC调制器2接入电力电网3，一用于将在电力线中传输的电信号解调为数字信号的电力线PLC解调器4与所述电力电网3连接，并连接一FPGA编码器5，所述FPGA编码器5连接一LED发光装置6；还包括若干终端设备10，所述的每个终端设备10连接一FPGA解码器9，所述FPGA解码器9连接一信号处理模块8，所述信号处理模块8连接一光电检测器7，所述LED发光装置6发射的光信号被所述光电检测器7转换为电信号，然后由所述信号处理模块8对电信号进行放大和处理恢复成与PC发射端1调制信号一样的信号，最后经过所述FPGA解码器9将信号输送给所述终端设备10；所述上行链路与所述下行链路对称配置，实现全双工的通信方式。

参见图2所示，所述LED发光装置6包括若干LED光源601，一用于分离出用于调制和控制LED光源601发光强弱以形成调制后的光载波信号的带通滤波器602和一通过电路整流成直流电后用于LED光源601照明的交直流转换器603，所述的每个LED光源601的负极连接在一起，并与电力线的零线连接，所述电力线的火线分别连接所述带通滤波器602和交直流转换器603，所述带通滤波器602和交直流转换器603分别连接所述每个LED光源601的正极。

本发明的基于电力线载波的LED可见光通信系统与传统的红外和RF无线电通信相比，基于电力线载波的LED可见光无线通信系统有发射功率高、无电磁干扰、无需申请频谱资源和室内不会出现数据泄漏，方便、稳定、成本低，传输距离更远等优点。基于电力载波技术与LED可见光通信相结合的无线系统可以更便捷、延展性更好、成本更低、更早的进入市场、更容易推广。可以广泛的应用在室内互联网局域无线组网，物联网信息高速传输，因此，基于电力线载波的LED可见光通信系统具有显著的研究意义和较大的发展前景，被认为是一种新兴的局域高速无线通信系统。应用领域非常广泛，涉及到通用照明领域，物联网领域、安防领域、智能家居领域、智能小区和智能建筑领域、信息管理领域，大量的用于公共设施、商业、工业、教育、家庭、公安、军队的局域无线网络。举例说明他的使用对象：

(1)构建局域便捷的无线网络系统：在办公室和家庭、酒店、商场、工厂等任何室内环境里，通过电力载波技术的LED光通信系统可以不需要发射模块，不用考虑发射角度和解码问题，结合LED照明设备，就可以构建一个超低成本，超高传输速度，长距离的无线传输网络，和每一个电子设备实现信息、数据了。

(2)建立低成本的教育网络资源。只需要在校园的入广域互联网，然后在每个教师通过电力网桥和耦合器将互联网植入到每层楼的电力线里，电力载波传输到每个LED灯泡，通过控制LED的光的强弱，实现信息数据传输，在通过PD光探测器接收到光数据信息，调制解码器变成通用互联网的数据信息。这样就可以无需布线，教室里的学生打开电脑，在电力线和LED照明下无需任何网线就可以自由使用互联网来同教授进行畅通的交流了。

(3)可以应用在3G融合领域里，在电信和移动，广播电视网融合基础上提供家庭和商业内的短距离无线网络，只要接入到户，通过电力线和LED照明就可以实现所以广电的视频、音频节目和数据信息在室内的高速无线传输，对国家正在大力推广数字电视和我的E家有极大的推动作用。

(4)基于电力线载波的LED光通信系统对高速发展的物联网信息传输起到重要作用，克服了目前ZIGBEE传输距离短和RF的低速和带宽拥挤问题。

(5)可以广泛应用在不久未来的4G通信领域里，作为4G在室内的局域无线网络组网系统。

(6)智能小区的局域组网，将广域互联网引入居民小区，通过电子载波技术接入到每栋楼和每家居民的电表，然后将报载信息传输到每个家庭的LED灯具上，在通过家庭的PD接收设备和编码设备无线传输给每台设备终端，就可以构建一个低成本，方便、高效的小区无线通信系统，各种物业系统都可以结合在这个平台中，实现网络传输。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于电力线载波的LED可见光通信系统，包括上行链路和下行链路，其特征在于：所述下行链路包括PC发射端(1)，所述PC发射端(1)通过一用于将数字信号调制为可以在电力线上传输的电信号的电力线PLC调制器(2)接入电力电网(3)，一用于将在电力线中传输的电信号解调为数字信号的电力线PLC解调器(4)与所述电力电网(3)连接，并连接一FPGA编码器(5)，所述FPGA编码器(5)连接一LED发光装置(6)；还包括若干终端设备(10)，所述的每个终端设备(10)连接一FPGA解码器(9)，所述FPGA解码器(9)连接一信号处理模块(8)，所述信号处理模块(8)连接一光电检测器(7)，所述LED发光装置(6)发射的光信号被所述光电检测器(7)转换为电信号，然后由所述信号处理模块(8)对电信号进行放大和处理恢复成与PC发射端(1)调制信号一样的信号，最后经过所述FPGA解码器(9)将信号输送给所述终端设备(10)；所述上行链路与所述下行链路对称配置，实现全双工的通信方式。

2.根据权利要求1所述的基于电力线载波的LED可见光通信系统，其特征在于：所述LED发光装置(6)包括若干LED光源(601)，一用于分离出用于调制和控制LED光源(601)发光强弱以形成调制后的光载波信号的带通滤波器(602)和一通过电路整流成直流电后用于LED光源(601)照明的交直流转换器(603)，所述的每个LED光源(601)的负极连接在一起，并与电力线的零线连接，所述电力线的火线分别连接所述带通滤波器(602)和交直流转换器(603)，所述带通滤波器(602)和交直流转换器(603)分别连接所述每个LED光源(601)的正极。

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