CN103841732A

CN103841732A - 同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法

Info

Publication number: CN103841732A
Application number: CN201410109132.8A
Authority: CN
Inventors: 杨爱英; 李延坤; 孙雨南
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明涉及一种同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法，属于室内可见光光通信技术领域。通过设计包括数据信号放大电路与线性电流调光电路在内的大功率可见光LED的驱动电路，通过调节线性电流调光电路中可变电阻的阻值，实现对LED灯阵列组亮度等级的控制；在距离LED灯阵列组一定距离处安装包括光电探测模块和数据解调模块在内的接收端，接收解调出数据信号。本方法能同时实现室内亮度控制和数据传输，能实现对大功率LED灯（单只LED灯大于1w）的驱动，数据传输距离能达到3米。

Description

同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法

技术领域

本发明涉及一种同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法，属于室内可见光光通信技术领域。

背景技术

随着近几年半导体照明技术的发展，半导体照明取代传统照明的趋势越来越明显。大功率高亮度白光发光二极管（LED）的面世和其光效的逐步提高,使半导体发光二极管的应用已经从显示领域逐步向照明领域扩展，并迅速发展。与传统的照明设备相比,LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点,被视为第四代节能环保型照明产品。LED的另外一个突出优点是响应时间短,因此可以用LED进行高速数据通信。LED这两方面的优点使它既能提供室内照明，又能进行高速光信号传输。在实际的生活照明中，往往需要可以调节光照强度的照明；而在可见光通信系统中，要求照明亮度的调节不能影响系统的通信性能。

在基于可见光LED的室内照明应用中，常见的光强度调制方式有斩波调光(TRIAC Dimming)、数字调光(Digital Dimming)、脉宽调制调光(Pulse WidthModulation Dimming)、模拟调光(Analog Dimming)等。其中，TRIAC调光通过对输入的交流正弦波电压斩波来控制输出电压的平均值，从而改变通过LED的电流，实现对LED调光。由于斩波调光会对数据信号造成影响，不适合在可见光通信中使用。数字调光是采用单片机或其它微控制器的单线接口、I²C、SPI等串行接口给LED的驱动电路发送数字信号来调节LED的发光亮度。目前已经有文献对数字调光进行了研究。PWM调光是以一定频率打开与闭合的开关控制电流脉冲信号的占空比，实现对LED的发光强度调制。LED的发光频率在60Hz以上时，人眼就分辨不出LED的亮暗闪烁。因此，当亮暗刷新频率在100Hz以上，利用PWM对亮暗的时间比例进行调光，可实现室内照明的亮度调节。在照明方面，PWM调光可以通过线性的改变占空比来使LED的亮度线性改变，具有很宽的亮度调节范围。由于PWM调光是通过改变电流脉冲的占空比来进行亮度调节，对数据信号调制与调光同时进行的可见光通信系统来说，PWM调光信号与数据信号叠加后，会对原数据信号进行改变，增加接收波形的电平个数，使得接收端信号的解调变得相对困难。

在基于LED的室内可见光通信系统中，数据信号的调制方式主要有非归零开关键控(NRZ-OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)、OPPM-可重叠脉冲位置调制等。在NRZ-OOK调制中，每个信息位时隙内的光脉冲由高、低两种状态分别表示二进制的“0”和“1”，是一种简单易行的光信号调制方式。

可见光通信系统是绿色环保通信，具有照明和通信功能。照明要求能够依据环境变化进行亮度调节。通信则要求速率和距离尽可能高，因此LED的响应频率及其驱动带宽足够大。

发明内容

本发明的目的是为解决室内可见光通信中对室内照明亮度调节会影响可见光通信性能的问题，提供一种同时实现照明亮度控制与数据传输的室内可见光通信方法，通过设计大功率可见光LED的驱动电路，一方面保证系统的传输速率和距离能满足通信需求，另一方面实现照明亮度的多级调节，并且照明调节不干扰数据通信。

本发明的技术方案具体包括如下步骤：

步骤一，在LED灯阵列组的前端加入大功率可见光LED驱动电路。

驱动电路包括数据信号放大电路与线性电流调光电路。

所述数据信号放大电路为基于集成运放的驱动放大电路，包括一级放大电路和一级射极跟随电路；数据信号源的输出连接一级放大电路，一级放大电路的输出连接一级射极跟随电路，一级射极跟随电路的输出分别连接至LED灯阵列组中的多只受控LED灯。一级放大电路采用同相运放、电压串联负反馈实现。

所述线性电流调光电路采用流控降压芯片，实现模拟调光，并在芯片的模拟调光端连接一个可变电阻进行分压。流控降压芯片的输出端连接LED灯阵列组中的多只受控LED灯。线性电流调光电路的功能为产生线性调节的直流信号，驱动多只LED灯，实现可调光照明。

LED灯阵列组中的单只LED灯受线性电流调光电路或者数据信号放大电路控制。

步骤二，在距离LED灯阵列组一定距离处（1米至3米范围内）安装接收端，包括光电探测模块和数据解调模块，光电探测模块的输出连接至数据解调模块。其中，光电探测模块的功能为将可见光数据信号转化为电信号，数据解调模块将电信号解调为二进制代码（数据信号）。

步骤三，根据LED灯阵列组的所需亮度，通过调节线性电流调光电路中可变电阻的阻值，产生直流调光电信号，对LED灯的驱动电流进行线性调节，实现对LED灯阵列组亮度等级的控制，并由LED灯产生直流偏置光信号。

亮度等级以光电探测器接收的数据信号的有效电平为基准进行划分。

步骤四，与数据信号放大电路相连的基于FPGA的信号源产生调制后的数据小信号，数据信号放大电路对数据小信号进行放大，并驱动LED灯阵列组发射可见光数据传输光信号，实现将数据电信号转化为数据光信号。

步骤五，步骤三得到的直流偏置光信号和步骤四得到的数据光信号形成混合可见光信号，在室内空气链路中传输，由接收端的光电探测模块接收，并由数据解调模块解调出数据信号。

有益效果

本发明方法能同时实现室内亮度控制和数据传输，能实现对大功率LED灯（单只LED灯大于1w）的驱动，数据传输距离能达到3米。

附图说明

图1为本发明的产生同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光的方法流程图；

图2为依据本发明方法设计的同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信系统组成图；

图3为具体实施方式中一种同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信系统组成图；

图4为具体实施方式中一种可见光通信系统中光电探测器接收到的与7个亮度等级对应的混合光信号的波形图，其中，（a）为亮度等级为0时，光电探测器接收的信号波形图，（b）为亮度等级为1时，光电探测器接收的信号波形图，（c）为亮度等级为2时，光电探测器接收的信号波形图,（d）为亮度等级为3时，光电探测器接收的信号波形图,（e）为亮度等级为4时，光电探测器接收的信号波形图,（f）为亮度等级为5时，光电探测器接收的信号波形图,（g）为亮度等级为6时，光电探测器接收的信号波形图；

标号说明：201-LED灯阵列组，202-NRZ-OOK光信号，203-直流偏置光信号，204-后置透镜，205-光电探测器，206-示波器。

具体实施方式

本发明提供的一种照明亮度控制和数据传输同时进行的室内可见光通信实现方法流程如图1所示。下面结合附图和实施例，将本发明的实施方式阐述如下：

实施例一

图2为依照本发明提供的方法设计的一种可见光通信系统组成图。该系统中，线性电流调光和数据信号传输分别通过两组3W的白光LED实现。利用基于FPGA的信号源产生NRZ-OOK调制的数据小信号，对数据小信号利用数据信号放大电路放大后驱动LED阵列组201中的LED1与LED3，发出NRZ-OOK数据光信号，实现数据光传输。用线性电流调光电路产生可以线性调节的直流信号，驱动LED阵列组201中的LED2与LED4，发出直流偏置光信号203，用于照明。由于LED发散角较大，加之系统传输距离较长，可见光信号在空间链路传输损耗大，系统中通过加后置聚光透204提高光电探测器205对光信号的接收效率。示波器206对波形进行探测和数据采集。依照本发明提供的方法设计的一种可见光通信系统的7个调光亮度等级对应的调光电流值与光电探测器接收的电压幅值对照情况如表1。线性调光信号驱动的LED阵列组201中的LED2与LED4的发光强度依照探测器接收的信号强度划分为7个亮度等级：0级亮度等级定义为仅有数据信号驱动LED阵列组204中的LED1和LED3时，光电探测器205接收到的NRZ-OOK光信号的幅值，其大小为100mV，有效值为50mV。线性直流调光信号驱动LED阵列组201中的LED2和LED4产生的光信号203作为NRZ-OOK光信号的直流偏置光信号，光电探测器205接收的信号强度每增加50mV的偏置电压视为一个亮度等级，共7个等级。

表17个调光亮度等级对应的调光电流值与光电探测器接收的电压幅值对照表

图4为在实际实验中，依照本发明提供的方法设计的一种可见光通信系统中光电探测器205接收到的7个亮度等级下混合光信号的波形图。数据信号为NRZ-OOK随机信号。图4(a)是亮度等级为0时，光电探测器205接收的信号波形图，幅值为100mV，此时仅有LED1和LED3发出的光数据信号。图4（b），（c）,（d）,（e）,（f）,（g）中，线性直流调光信号使光电探测器205接收的信号波形幅值依次增加50mV；但波形图与图4(a)一样，可见线性直流调光信号203只对NRZ-OOK数据信号202进行幅值的改变，相当于在数据信号上加一个直流偏置光信号，对数据信号本身没有干扰，不影响接收端对数据信号的检测和解调。

该实施例实现了可见光LED的亮度等级的线性调节，达到对室内照明亮暗的线性控制。照明调节电路和数据调制电路分离，直流调光LED和数据光传输LED分离，照明亮度调节不干扰光数据传输。

以上对本发明“一种照明亮度控制和数据传输的室内可见光通信实现方法”进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤一，在LED灯阵列组的前端加入大功率可见光LED驱动电路；

驱动电路包括数据信号放大电路与线性电流调光电路；

所述数据信号放大电路为基于集成运放的驱动放大电路，包括一级放大电路和一级射极跟随电路；数据信号源的输出连接一级放大电路，一级放大电路的输出连接一级射极跟随电路，一级射极跟随电路的输出分别连接至LED灯阵列组中的多只受控LED灯；

所述线性电流调光电路采用流控降压芯片实现模拟调光，并在芯片的模拟调光端连接一个可变电阻进行分压；流控降压芯片的输出端连接LED灯阵列组中的多只受控LED灯；线性电流调光电路产生线性调节的直流信号，驱动多只LED灯，实现可调光照明；

LED灯阵列组中的单只LED灯受线性电流调光电路或者数据信号放大电路控制；

步骤二，距离LED灯阵列组1米至3米范围内安装接收端，接收端包括光电探测模块和数据解调模块，光电探测模块的输出连接至数据解调模块；其中，光电探测模块的功能为将可见光数据信号转化为电信号，数据解调模块将电信号解调为二进制代码数据信号；

步骤三，根据LED灯阵列组的所需亮度，通过调节线性电流调光电路中可变电阻的阻值，产生直流调光电信号，对LED灯的驱动电流进行线性调节，实现对LED灯阵列组亮度等级的控制，并由LED灯产生直流偏置光信号；

步骤四，与数据信号放大电路相连的基于FPGA的信号源产生调制后的数据小信号，数据信号放大电路对数据小信号进行放大，并驱动LED灯阵列组发射可见光数据传输光信号，实现将数据电信号转化为数据光信号；

2.根据权利要求1所述的同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法，其特征在于：一级放大电路采用同相运放、电压串联负反馈实现。

3.根据权利要求1所述的同时实现亮度控制和数据传输的室内可见光通信方法，其特征在于：亮度等级以光电探测器接收的数据信号的有效电平为基准进行划分。