CN104038283A - Led照明通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明的LED照明通信系统，由发射装置和接收装置组成，所述发射装置包括依次连接的发送主控模块、RGB-PPM调制模块、脉冲整形模块、RGBLED驱动电路模块、RGBLED光源；所述接收装置包括依次连接的光电探测模块、信号处理电路模块、RGB-PPM解调模块、接收主控模块。本发明实现三路并行通信传输不同的信息，提高了数据的传输速率，采用RGB-PPM调制有效解决了传统的PPM带宽使用效率和脉冲持续时间短等问题，在相同的传输效率（4bit）条件下，将带宽减少为16PPM的1/4，采用的光电探测模块可以选择波长，最终实现了照明与通信双重功能。

Description

LED照明通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信，具体涉及一种RGB LED可见光通信技术的LED照明通信系统。

背景技术

LED具有使用寿命长、发光效率高、低成本、体积小与响应速度快等特点而广泛的应用于室内照明、景观照明设备、交通灯、各种平面显示器等日常设备中。可见光通信正是利用LED照明的同时进行通信，增加了照明附加（值），提高经济效益。

然而如何提高可见光通信的传输速率是需要解决的关键技术之一。目前，许多研究希望在有限的调制带宽尽可能的提高传输速率，如OFDM调制、MIMO、均衡等技术，这无疑增加了系统的复杂度和成本。市场上照明LED多是蓝光激发黄色荧光粉，其调制带宽十分有限，从而限制可见光通信的传输速率。因此，本发明根据RGB LED可以分别调制的特点，从而增加系统传输速率。

发明内容

本发明旨针对现有技术的不足，至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提供一种系统简单、成本更低且传输速率快的LED照明通信系统，采用三基色（RGB）LED，通过控制红（R）、绿（G）、蓝（B）三色的比例可以合成各种颜色的光，在提供照明的同时，将不同的信息分别调制至RGB LED上，可以实现3路数据并行通信从而提高传输速率。

一种LED照明通讯系统，包括：发射装置和接收装置，其特征在于

所述发送装置包括依次连接的发送主控模块、RGB-PPM调制模块、脉冲整形模块、RGB LED驱动电路模块、RGB LED光源；所述接收装置包括依次连接的光电探测模块、信号处理电路模块、RGB-PPM解调模块、接收主控模块；发送装置通过光传输通道与接收装置连接；

所述发射装置包括：

发送主控模块，所述发送主控模块用于发送数据；

RGB-PPM调制模块，接收所述发送主控模块发送过来的数据，并进行基于RGB LED的脉冲位置调制，将所述数据按RGB-PPM调制成三路并行脉冲数据;

脉冲整形模块，用于接收所述三路并行脉冲数据，并通过调节外围电阻可以改变三路脉冲并行数据的脉冲宽度；

RGB LED驱动电路模块，所述驱动为恒流驱动，所述RGB LED驱动电路接收经过脉冲宽度整形后输出的三路并行脉冲数据，并用于控制LED光源的发光强度；

RGB LED光源，所述RGB LED光源可以发出红光（R）、蓝光（G）、绿光（B），所述RGB LED光源分别受所述RGB驱动电路模块的控制并根据所述RGB LED驱动电路模块的直流电压发出特定强度的可见光；

所述接收装置包括：

光电探测模块，所述光电探测模块为三路，接收所述RGB LED光源所发出的光信号并根据所接收到的光信号的强度形成对应的三路并行电信号输出；

信号处理电路模块，与所述光电探测模块连接，接收并将所述三路并行电信号放大；

RGB-PPM解调模块，与所述信号处理电路模块连接，接收并将所述放大后的三路并行电信号进行RGB-PPM解调后形成并行信号输出；

接收主控模块，接收所述RGB-PPM解调模块发出的并行信号。

所述发射装置利用RGB LED以波分复用的方式在照明的同时进行三路数据并行传输，将4bit的数据信息分配给RGB LED，提高了数据的传输速率并改善了PPM所需带宽，通过脉冲整型电路可以调节RGB-PPM调制后脉冲的宽度，从而改变RGB LED合成光的颜色。

进一步的，所述光电探测模块包括聚光透镜、滤光片、光电检测器（PIN），所述滤光片位于所述光电检测器和聚光透镜之间，所述光电检测器（PIN）位于所述聚光透镜焦点位置处，所述光电检测器（PIN）分别接收红光（R）、蓝光（G）和绿光(B)信号并转化成电信号输出至所述信号处理电路模块。

所述滤光片包括光学带通滤光片的波长范围分别为560-650nm的红光滤光片、波长范围500至550nm的绿光滤光片和波长范围440-490nm的蓝光滤光片。

进一步的，所述RGB LED光源所发可见光的波长范围分别为620-630nm的红光(R)、520至540nm的蓝光（G）、460-470nm的绿光（B）。

进一步的，所述信号处理电路模块包括三路依次连接前置跨阻放大器、AGC电路 、滤波电路单元和限幅放大电路，所述前置跨阻放大器接收所述光电探测模块输出的电信号，所述限幅放大电路连接至所述RGB-PPM解调模块。

进一步的，所述RGB-PPM调制模块按RGB-PPM调制的方式为将串形数据中的4位数字构成的一组数据并以如下方式转换成3路并行数据：

所述一组数据的低2位信息由RGB LED的蓝光LED采用4PPM传输，第3位信息由RGB LED的绿光LED采用2PPM传输，高位信息由RGB LED的红光LED采用2PPM传输。

本发明的技术方案，具有以下有益效果：

发射装置将待传递的信息通过RGB-PPM调制后调制到RGB LED光源上，实现三路并行传输不同的信息，提高了数据的传输速率。光电探测模块中的滤光片用于选择波长，PIN将光信号转化为电信号，随后进行信号处理并恢复出原始信号，从而实现了照明与通信双重功能。

采用RGB LED作为照明与通信的光源，其具有显色性高和发光效率高的特点，并且通过调节三种颜色的比例可以合成各种颜色的光从而实现动态照明的效果；

采用RGB-PPM调制可以有效的解决传统的PPM带宽使用效率和脉冲持续时间短等问题，在相同的传输效率（4bit）条件下，这种方法将带宽减少为16PPM的1/4；

采用滤光片将各种波长的光信号分离，避免了周围环境光的干扰及码间干扰，提高了系统的抗干扰能力。

本发明的附加方面效果和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面效果和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的LED照明通信系统的构成示意图；

图2是在本发明RGB-PPM脉冲位置调制原理示意图；

其中，图1和附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100 发射装置，110 发送主控模块，120 RGB-PPM调制模块， 130 脉冲整形模块， 140 RGB LED驱动电路模块， 150 RGB LED光源， 300 光传输通道， 200 接收装置， 210 接收主控模块， 220 RGB-PPM解调模块， 230 信号处理电路模块， 231 前置跨阻放大器 ， 232 AGC电路， 233 滤波电路 ， 234 限幅放大电路， 250 光电探测模块， 251 聚光透镜， 252 滤光片， 253 PIN。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图描述根据本发明一些实施例。

本发明提供的LED照明通信系统，如图1、图2所示，包括：发射装置100和接收装置200，发送装置100发出的光信号通过光传输通道300到达接收装置200，所述发送装置包括依次连接的发送主控模块110、RGB-PPM调制模块120、脉冲整形模块130、RGB LED驱动电路模块140、RGB LED光源150；所述接收装置200包括依次连接的光电探测模块250、信号处理电路模块230、RGB-PPM解调模块220、接收主控模块210。所述发送主控模块110发出串行数据至RGB-PPM调制模块120；RGB-PPM调制模块120进行基于RGB LED的脉冲位置调制，并将所述串行数据按RGB-PPM调制成三路并行脉冲数据；所述脉冲整形模块130用于接收所述三路并行脉冲数据，并可通过调节外围电阻可以改变三路脉冲并行数据的脉冲宽度；所述RGB LED驱动电路模块140为恒流驱动，所述驱动电路接收经过脉冲宽度整形后输出的三路并行脉冲数据，并用于控制RGB LED光源150的发光强度；所述RGB LED光源150分别为发出红光（R）、蓝光（G）、绿光（B）的LED光源，所述RGB LED光源150分别受所述驱动电路模块140的控制并根据所述驱动电路模块的直流电压发出特定强度的可见光；所述光电探测模块250为三路，其接收所述RGB LED光源150所发出的光信号并根据所接收到的光信号的强度形成对应的三路并行电信号输出；信号处理电路模块230接收并将所述并行三路电信号放大后输出；RGB-PPM解调模块220接收将所述并行三路放大后的电信号进行RGB-PPM解调后形成并行信号输出至接收主控模块210。

如图2所示，所述RGB-PPM调制模块120按RGB-PPM调制的方式为将串形数据中的4位数字构成的一组数据并以如下方式转换成3路并行数据：这一组的低2位信息由RGB LED的蓝光（B）LED采用4PPM传输，第3位信息由RGB LED的绿光(G)LED采用2PPM传输，高位信息由RGB LED的红光(R)LED采用2PPM传输。RGB-PPM可以有效的解决传统的PPM带宽使用效率和脉冲持续时间短等问题，在相同的传输效率（4bit）条件下，这种方法将带宽减少为16PPM的1/4；

本实施例中，脉冲整形模块130由下降沿触发器组成的脉冲整型电路，调节电位器可以改变脉冲宽度，所述脉冲整型电路的输出端连接至RGB LED驱动电路模块140，从而将不同的信息分别调制到RGB LED上，通过调节R、G、B的驱动直流电压可以改变RGB LED光源150的R、G、B光强从而调节混合光的颜色。具体的，发送主控模块110使用MCU AT89C52，所述脉冲整型电路由74LS122及外围电路组成，RGB LED驱动电路模块由3片DD311及外围电路构成。

所述光电探测模块250包括三个聚光透镜251、三个滤光片252、三个PIN 253，所述滤光片252位于所述PIN 253和聚光透镜251之间，所述PIN 253位于所述聚光透镜251焦点位置部处，所述三个PIN分别接收红光（R）、蓝光（G）和绿光(B)信号并将光信号转化成电信号输出至所述信号处理电路模块230。所述滤光片252只让特定波长光通过，因而可以有效滤除携带其它信息的光信号和减少背景光的干扰，选择滤光片需要考虑中心波长、半波带宽、透射率，而中心波长和半波带宽由RGB LED光源150发光波长范围决定，并且滤光片透过率越大越好，为了更好的有效利用PIN，要求滤波片直径应大于PIN有效接收范围；PIN放置在聚光透镜251的焦点处，PIN把聚焦和滤波后的红光（R）、蓝光（G）和绿光（B）信号转换为电信号；PIN的输出端连接至信号处理电路模块230，信号处理电路模块230包括3路依次连接的前置跨阻放大器231、AGC电路232、滤波电路单元233和限幅放大器234，所述前置跨阻放大器231接收所述PIN输出的电信号，所述3路电信号经过信号处理模块230放大后通过限幅放大器234输出至RGB-PPM解调模块220；RGB-PPM解调模块220对所述放大后的3路电信号进行RGB-PPM解调后输送至接收主控210，解调原理与调制过程逆向。具体的，本实施例中，接收主控选为单片机，PIN的型号为S6968，由于蓝光脉冲持续时间为其它光源的一半且携带信息是其它光源的2（倍），并且PIN 253响应度在蓝光波长范围小于其它波长的响应度，且红光衰减的最快。因此，系统的性能应以最差的一个来衡量。跨阻放大器具有动态范围大、低噪声、低功耗等特点，限幅放大器具有设计简单、功耗低、外接元件少等优点，具体的可以采用OPA4354及外围电路构成跨阻放大器和限幅放大器；另外采用可见光通信可能受到日光、荧光灯等环境光的干扰，为了更好的排除其它光的干扰，在AGC电路后设计由OPA820及外围电路构成的带通滤波器实现只允许特定频段的信号通过，抑制不属于这个频段的干扰和噪声。

一个具体实施例，所述RGB LED光源所发可见光的波长范围分别为620-630nm的红光(R)、520至540nm的蓝光（G）、460-470nm的绿光（B）。

所述滤光片所采用的光学带通滤光片的波长范围分别为560-650nm的红光滤波片、波长范围500至550nm的绿光滤波片和波长范围440-490nm的蓝光滤波片。

RGB LED作为可见光通信的光源，并采用RGB-PPM调制，可以将传输速率提高2（倍），在相同的传输效率（4bit）条件下，这种方法将带宽减少为16PPM的1/4。接收端用滤波片将三路不同信息的信号分离可有效的滤除环境光和噪声的干扰。采用本发明RGB LED在可见光通信中可有效的提高系统的传输速率及带宽利用率。

在本发明的描述中，术语“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是电信号连接，光信号连接或其他信号连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种LED照明通讯系统，包括：发射装置和接收装置，其特征在于

所述发送装置包括依次连接的发送主控模块、RGB-PPM调制模块、脉冲整形模块、RGB LED驱动电路模块、RGB LED光源；所述接收装置包括依次连接的光电探测模块、信号处理电路模块、RGB-PPM解调模块、接收主控模块；发送装置通过光传输通道与接收装置连接；

所述发射装置包括：

发送主控模块，所述发送主控模块用于发送数据；

RGB-PPM调制模块，接收所述发送主控模块发送过来的数据，并进行基于RGB LED的脉冲位置调制，将所述数据按RGB-PPM调制成三路并行脉冲数据;

脉冲整形模块，用于接收所述三路并行脉冲数据，并通过调节外围电阻可以改变三路脉冲并行数据的脉冲宽度；

RGB LED驱动电路模块，所述驱动为恒流驱动，所述RGB LED驱动电路接收经过脉冲宽度整形后输出的三路并行脉冲数据，并用于控制LED光源的发光强度；

RGB LED光源，所述RGB LED光源可以发出红光（R）、蓝光（G）、绿光（B），所述RGB LED光源分别受所述RGB驱动电路模块的控制并根据所述RGB LED驱动电路模块的直流电压发出特定强度的可见光；

所述接收装置包括：

光电探测模块，所述光电探测模块为三路，接收所述RGB LED光源所发出的光信号并根据所接收到的光信号的强度形成对应的三路并行电信号输出；

信号处理电路模块，与所述光电探测模块连接，接收并将所述三路并行电信号放大；

RGB-PPM解调模块，与所述信号处理电路模块连接，接收并将所述放大后的三路并行电信号进行RGB-PPM解调后形成并行信号输出；

接收主控模块，接收所述RGB-PPM解调模块发出的并行信号。

2.根据权利要求1所述的LED照明通讯系统，其特征在于，

所述光电探测模块包括聚光透镜、滤光片、光电检测器，所述滤光片位于所述光电检测器和聚光透镜之间，所述光电检测器位于所述聚光透镜焦点位置处，所述光电检测器分别接收红光（R）、蓝光（G）和绿光(B)信号并转化成电信号输出至所述信号处理电路模块。

3.根据权利要求2所述的LED照明通信系统，其特征在于，所述滤光片包括光学带通滤光片的波长范围分别为560-650nm的红光滤光片、波长范围500至550nm的绿光滤光片和波长范围440-490nm的蓝光滤光片。

4.根据权利要求2所述的LED照明通信系统，其特征在于，

所述RGB LED光源所发可见光的波长范围分别为620-630nm的红光(R)、520至540nm的蓝光（G）、460-470nm的绿光（B）。

5.根据权利要求1所述的LED照明通讯系统，其特征在于，

所述信号处理电路模块包括三路依次连接前置跨阻放大器、AGC电路 、滤波电路和限幅放大电路，所述前置跨阻放大器接收所述光电探测模块输出的电信号，所述限幅放大电路连接至所述RGB-PPM解调模块。

6.根据权利要求1所述的LED照明通讯系统，其特征在于，

所述RGB-PPM调制模块按RGB-PPM调制的方式为将串行数据中的4位数字构成的一组数据并以如下方式转换成3路并行数据：

所述一组数据的低2位信息由RGB LED的蓝光LED采用4PPM传输，第3位信息由RGB LED的绿光LED采用2PPM传输，高位信息由RGB LED的红光LED采用2PPM传输。