CN104283611B - 电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统及方法，将所传数据信息通过光电变换，将其以光作为信息载体，传送给对方，对方通过光电探测器将光信号再还原为电信号，从而完成设备间的高速通信，由于目前器件限制，最大通信速率为100Mbps，其通信速率也已远远超过现有的近场非接触传输方式。本发明技术可应用于手机、智能终端、平板电脑、笔记本电脑等电子设备中，可以实现信息高速无线互联，具有高速率、安全保密、绿色环保无辐射和交互式通信等多个优点，在未来智能终端之间的信息非接触传输领域，具有较大的前景。

Description

电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统及方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统及方法，具体是一种短距离的光无线通信技术，允许电子设备间进行非接触式点对点数据传输。

背景技术

随着电子设备和大容量数据通信业务的飞速发展，人们对电子设备之间能够随处随地通过无线传输的方式，传输大数据量、高效率的信息要求越来越迫切。显然，电子设备间的无线互连是限制设备间提高数据通信量的重要瓶颈。目前电子设备之间的近场非接触通信主要有三种形式：1、蓝牙无线通信；2、红外无线通信；3、NFC(英文Near FieldCommunication的缩写，即近距离无线通信)无线通信。对于蓝牙无线通信，它是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，其目前最快数据传输速率为2.5Mbps(理论最高传输速率为24Mbps)。采用时分双工传输方案实现全双工传输，它的最主要问题是采用的是无线电通信方式，并且传输距离远，存在重要数据传输时是否保密、安全的隐患。其次，蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据，因此操作较复杂，在使用过程中可能由于操作不对，经常遇到两设备间无法配对成功等问题。另外就传输速率来说还比较低。对于红外无线传输通信，它是利用红外线来传输信号的通信方式，通过对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输，其目前最快数据传输速率为16Mbps，这对于信息时代最大的特点就是更加方便快速的信息传播还是不够的。对于NFC无线通信，它是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输，NFC采用了双向的识别和连接。在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。虽然NFC也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，这与射频识别一样，但两者之间还是存在很大的区别。NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于射频识别来说NFC具有距离近、带宽高、传输安全等特点，但其目前最快数据传输速率仅为424kbps(理论最高传输速率为868kbps)，这是它最大的缺点。

目前针对近场可见光作为信息载波的通信技术，如公开号为CN104022820A的中国发明专利申请，公开了《采用光传输的设备间近场识别通信系统、方法，门禁系统》，它主要是识别系统，实现2个设备之间的识别，而不是传输大容量信息，采用的技术只是光照强度和闪光频率等的简单调制，因此传输信息很小；并且通过服务器进行处理请求和确认，不仅延长了传输时间，而且其安全性有待提高。还有如公开号为CN103490812A的中国发明专利申请，公开了《基于可见光的手机近场通信系统及方法》，该技术方案只是通过将手机屏幕划分为多个区域，每个区域亮灯不同，进行信息传递，因此传输速率也非常低，只有200kbps。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足和缺点，提出一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统及方法。本发明提出的技术方案，称之为用于电子设备之间近场非接触通信-LNFC(英文Light Near Field Communication的缩写，即光近场无线通信)通信技术，该技术采用光波作为载波，将需要传输的数据通过调制编码加载在LED或激光器上作为信号发射源向对端发射光信号，对端通过光电探测器接收光信号，经光电转换后进行信号处理，最后解码为所需要的数据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

电子设备间近场光无线高速简便交互式通信方法，本端电子设备A包括超低上升时延的LED或激光器发射光源，对端电子设备B包括光电探测器接收光源；

实现过程包括以下步骤：

(10)启动两台需要互传数据通信的电子设备A和B；

(11)待发数据信息端电子设备A通过信息读取模块读取本端待发信息；

(12)将编码模块读取的信息进行编码；

(13)通过编码调制光源驱动模块；

(14)通过光源驱动模块产生的电流信号控制超低上升时延的LED或激光器发射光源发光，将光作为信息载体发射给对端接收电子设备B；

(15)电子设备B通过光电探测器接收电子设备A发过来的光；

(16)通过光电探测器将接收到的光信号变换为电信号；

(17)将变换后的电信号通过滤波电路、放大电路进行数据整形和恢复；

(18)将恢复后的数据发送给解码模块进行数据解码；

(19)将解码处理后的数据写入电子设备B数据存储卡中，完成电子设备A向电子设备B的数据通信。

优选的，上述方案在步骤(12)中，首先将读取的信息进行信道编码，编码方案采用RS码、卷积码或Turbo码，编码的目的是纠错；由于纠错码的纠错能力有限，不能保证传输的信息正确，因而采用纠错码与出错重传结合的方式；

其次，进行差错效验码编码，在发射端进行CRC编码，在接收端进行差错校验，如果数据有错，那么告诉发射端重新传输；

最后，进行4b5b或8b10b编码；由于信号的直流分量会随着信号的变化而变化，从而导致信号处理的难度增大，所以进行去直流分量，4b5b或8b10b编码的目的在于此；

在步骤(18)中，按步骤(12)中编码的逆序进行解码。

优选的，上述方案还可以由电子设备B向电子设备A传输信息，或双向同时传输信息，这时本端电子设备A还包括光电探测器接收光源，对端电子设备B还包括超低上升时延的LED或激光器发射光源；电子设备B向电子设备A传输数据时，同样按照步骤10到步骤19的顺序进行，并且可以同时双向进行数据通信。

优选的，所述光源驱动模块包括偏置电流单元和调制电流单元，偏置电流单元和调制电流单元的输入端均与编码模块连接，输出端均与LED或激光器发射光源连接；所述偏置电流单元产生恒定偏置电流使LED或激光器工作于阈值以上的线性工作区，所述调制电流单元产生调制电流使LED或激光器根据编码模块调制信号发光。

为了适应更宽的工作温度范围，且在较大的工作温度范围内保持光源输出功率稳定，以使设备在整个温度范围内都能正常工作，所述发射光源设有温度探测器，所述电源驱动模块还包括温度补偿单元，该温度补偿单元的输入端与发射光源的温度探测器连接，输出端与偏置电流单元和调制电流单元均连接。

本发明还公开了一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统，包括本端电子设备A和对端电子设备B，

所述本端电子设备A包括依次连接的信息读取模块、编码模块、光源驱动模块、超低上升时延的LED或激光器发射光源；

其中信息读取模块用于读取本端待发送的信息；编码模块用于将读取的信息进行信道编码；光源驱动模块用于控制超低上升时延的LED或激光器的发光；

所述对端电子设备B包括依次连接的光电探测器接收光源、光电转换模块、电信号处理模块、解码模块、信息写入模块；

其中光电探测器用于接收超低上升时延的LED或激光器发射的光；光电转换模块用于将光信号转变为电信号；电信号处理模块用于对电信号进行数据整形和恢复；解码模块用于数据解码；信息写入模块用于将信息写入数据存储卡中。

上述方案优选的，本系统所述光源驱动模块包括偏置电流单元和调制电流单元，偏置电流单元和调制电流单元的输入端均与编码模块连接，输出端均与LED或激光器连接。

上述方案优选的，本系统所述LED或激光器设有温度探测单元，所述光源驱动模块还包括温度补偿单元，该温度补偿单元的输入端与LED或激光器设有温度探测单元连接，输出端与偏置电流单元和调制电流单元均连接。

为了可以实现双向通信，本系统所述本端电子设备A还包括依次连接的光电探测器接收光源、光电转换模块、电信号处理模块、解码模块和信息写入模块；所述电信号处理模块与解码模块连接；所述对端电子设备B还包括依次连接的信息读取模块、编码模块、光源驱动模块、超低上升时延的LED或激光器发射光源；所述电信号处理模块与解码模块连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明以光作为信息载体，采用光数字调制，调制速率不受接口的限制；当与手机连接使用时，传输速率与手机USB接口传输速率匹配；当单独使用时传输速率与读写TF速率匹配；并且我们采用的是超低上升时延的LED或激光器作为发射光源，发射光源的上升时间小于3.5ns，传输速率非常高，最大通信速率为100Mbps，是目前电子设备间所使用的近场非接触通信最快速率的7倍左右；并且这个速度还可以更高，现在只是受限于电子设备内部的存储卡读写速度，将来一旦有支持更高读写速度的存储卡出现，那么采用本方法来实现电子设备间互传的通信速率就可以更高；

2、由于光具有一定的方向性，并且采用短距离通信，因此具有高度的保密性；

3、本发明为一种交互式通信方式，数据可以同时双向传输，并且还具有高度的保密性，因此可以用于实现智能终端的移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等新的应用；

4、本发明是一种点对点工作模式，并且传输距离较短，因此传输建立速度较快，通过一键打开光源就可轻松实现通信；

5、由于采用光作为信息的载体，因此不存在无线电频段资源占用的问题，同时还抗频率干扰，无辐射，绿色环保；

6、成本不高，实用性和可靠性显著。

附图说明

图1为本发明一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信方法整体流程图；

图2为本发明一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统架构图；

图3为实施例在电子设备(手机)上应用示意图；

图4为光源驱动模块原理框图。

图中标号为：20、手机闪光灯；21、照相机；22、光电探测器；23、超低上升时延的LED或激光器。

具体实施方式

为了使本发明技术方案更加清晰，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

如图2所示，本发明公开了一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统，包括本端电子设备A和对端电子设备B，

所述本端电子设备A和对端电子设备B均包括依次连接的信息读取模块、编码模块、光源驱动模块、超低上升时延的LED或激光器23发射光源，以及依次连接的光电探测器22接收光源、光电转换模块、电信号处理模块、解码模块和信息写入模块；所述电信号处理模块与解码模块连接。在本优选实施方式中，本端电子设备A和对端电子设备B内的模块均以实体电路方式实现，信息读取模块为CPU或FPGA信息读取电路、编码模块为CPU或FPGA编码电路、光源驱动模块为光源驱动电路、光电转换模块为光电转换电路、电信号处理模块为电信号处理、解码模块为CPU或FPGA解码电路、信息写入模块为CPU或FPGA信息写入电路。

其中CPU或FPGA信息读取电路用于读取本端待发送的信息；CPU或FPGA编码电路用于将读取的信息进行信道编码；光源驱动电路用于控制超低上升时延的LED或激光器23的发光；光电探测器22用于接收超低上升时延的LED或激光器23发射的光；光电转换电路用于将光信号转变为电信号；电信号处理电路用于对电信号进行数据整形和恢复；CPU或FPGA解码电路用于数据解码；CPU或FPGA信息写入电路用于将信息写入数据存储卡中。

如图4所示，所述光源驱动电路包括偏置电流单元和调制电流单元，偏置电流单元为偏置电流电路，调制电流单元为调制电流电路。偏置电流电路和调制电流电路的输入端均与CPU或FPGA编码电路连接，输出端均与LED或激光器连接。

所述LED或激光器设有温度探测单元，所述光源驱动电路还包括温度补偿电路，该温度补偿电路的输入端与LED或激光器设有温度探测单元连接，输出端与偏置电流电路和调制电流电路均连接。

在本实施方式中，两台电子设备为两台手机智能终端：A端和B端，如图3所示。在本优选实施方式中，以A端向B端传输数据为例(注明：两台手机智能终端也可双向同时通信，两端都可以按此流程进行)。智能手机终端应具有手机闪光灯20、照相机21、光电探测器22(将来如果照相机的CCD相应速度更快，满足光信号接收要求，完全可以用照相机21直接替代光电探测器22)，光源为超低上升时延的LED或激光器23发射光源(将来如果闪光灯LED调制速率满足信号传输速率要求时，可以用手机闪光灯20可替代超低上升时延的LED或激光器23发射光源)、且上升时间小于3.5ns(根据公式：BW＝0.35/t，其中BW为led光源带宽，t为led光源的上升时间，设备的传输带宽大于100M，要求led光源的上升时间小于3.5ns。)。

如图1所示，本发明一种电子设备间近场光无线高速简便交互式通信方法包括以下步骤：

(10)将两台需要互传数据通信的手机智能终端启动。

(11)A端的手机智能终端通过手机应用软件进行待传数据选择，A端的手机智能终端内部通过CPU或FPGA读取电路读取待发信息。

(12)A端的手机智能终端内部CPU或FPGA编码电路对读取的信息进行编码。首先将读取的信息进行信道编码，编码方案采用RS码、卷积码或Turbo码，编码的目的是纠错；由于纠错码的纠错能力有限，不能保证传输的信息正确，因而采用纠错码与出错重传结合的方式；

其次，进行差错效验码编码，在发射进行CRC编码，在接收端进行差错校验，如果数据有错，那么告诉发射端重新传输；

最后，进行4b5b或8b10b编码，由于信号的直流分量会随着信号的变化而变化，从而导致信号处理的难度增大，所以进行去直流分量，4b5b或8b10b编码的目的在于此。

(13)A端的手机智能终端内部超低上升时延的LED光源驱动电路通过编码进行光数字调制。该光源驱动电路所采用的工作原理是给LED或激光器提供适当的偏置电流和调制电流，偏置电流电路产生恒定偏置电流使LED或激光器工作于阈值以上的线性工作区。调制电流电路产生调制电流使LED或激光器根据CPU或FPGA编码调制信号发光。为了适应更宽的工作温度范围，在光源驱动电路中我们加入了温度补偿电路(在较大的工作温度范围内保持发射光源输出功率稳定)，以使设备在整个温度范围内都能正常工作。经过实验，该电路在传输信号时具有良好的效果。

(14)在偏置电流电路和调制电流电路共同作用下，控制A端的手机智能终端外部超低上升时延的LED或激光器23，使LED或激光器以人眼无法感测的速度进行闪烁发光，将光作为信息载体发射给B端的手机智能终端。从而完成数据的传输。

(15)B端的手机智能终端通过外部光电探测器22接收A端的手机智能终端发过来的光。

(16)B端的手机智能终端外部光电探测器22将接收到的光信号变换为电信号。

(17)B端的手机智能终端内部滤波电路、放大电路等电路对变换后的电信号进行数据整形和恢复。

(18)B端的手机智能终端内部CPU或FPGA解码电路将整形、恢复后的数据进行数据解调。首先进行4b5b或8b10b解码，由于信号的直流分量会随着信号的变化而变化，从而导致信号处理的难度增大，所以进行去直流分量。其次，进行差错效验码解码，在发射进行CRC解码，在接收端进行差错校验，如果数据有错，那么告诉发射端重新传输。最后，将读取的信息进行信道解码，解码方案采用RS码、卷积码或Turbo码。

(19)B端的手机智能终端内部CPU或FPGA信息写入电路将解码处理后的数据写入B端的手机智能终端内部数据存储卡中，从而完成A端的手机智能终端向B端的手机智能终端的数据通信。

B端的手机智能终端向A端的手机智能终端数据通信时，同样按照步骤(10)到步骤(19)的顺序进行，并且可以双向同时进行数据通信。

将所传数据信息通过光电变换，将其以光作为信息载体，传送给对方，对方通过光电探测器22将光信号再还原为电信号，从而完成设备间的高速通信，由于目前器件限制，最大通信速率为100Mbps，其通信速率也已远远超过现有的近场非接触传输方式。本发明可应用于手机、智能终端、平板电脑、笔记本电脑等电子设备中，可以实现信息高速无线互联，具有高速率、安全保密、绿色环保无辐射和交互式通信等多个优点，在未来智能终端之间的信息非接触传输领域，具有较大的前景。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.电子设备间近场光无线高速简便交互式通信方法，其特征在于：

本端电子设备A包括激光器(23)发射光源，对端电子设备B包括光电探测器(22)接收光源；

实现过程包括以下步骤：

(10)启动两台需要互传数据通信的电子设备A和B；

(11)待发数据信息端电子设备A通过信息读取模块读取本端待发信息；

(12)将编码模块读取的信息进行编码；

(13)通过编码调制光源驱动模块；

(14)通过光源驱动模块产生的电流信号控制激光器(23)发射光源发光频率，将光作为信息载体发射给对端接收电子设备B；

(15)电子设备B通过光电探测器(22)接收电子设备A发过来的光；

(16)通过光电探测器(22)将接收到的光信号变换为电信号；

(17)将变换后的电信号通过滤波电路、放大电路进行数据整形和恢复；

(18)将恢复后的数据发送给解码模块进行数据解码；

(19)将解码处理后的数据写入电子设备B数据存储卡中，完成电子设备A向电子设备B的数据通信；

在步骤(12)中，首先将读取的信息进行信道编码，编码方案采用RS码、卷积码或Turbo码，编码的目的是纠错；由于纠错码的纠错能力有限，不能保证传输的信息正确，因而采用纠错码与出错重传结合的方式；

其次，进行差错效验码编码，在发射端进行CRC编码，在接收端进行差错校验，如果数据有错，那么告诉发射端重新传输；

最后，进行4b5b或8b10b编码；

在步骤(18)中，按步骤(12)中编码的逆序进行解码；

所述激光器(23)上升时间小于3.5ns；

所述光源驱动模块包括偏置电流单元和调制电流单元，偏置电流单元和调制电流单元的输入端均与编码模块连接，输出端均与激光器发射光源连接；所述偏置电流单元产生恒定偏置电流使激光器工作于阈值以上的线性工作区，所述调制电流单元产生调制电流使激光器根据编码模块调制信号发光。

2.根据权利要求1所述的电子设备间近场光无线高速简便交互式通信方法，其特征在于：本端电子设备A还包括光电探测器(22)，对端电子设备B还包括激光器(23)发射光源；电子设备B向电子设备A传输数据时，同样按照步骤10到步骤19的顺序进行，并且可以同时双向进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的电子设备间近场光无线高速简便交互式通信方法，其特征在于：所述发射光源设有温度探测器，所述光源驱动模块还包括温度补偿单元，该温度补偿单元的输入端与发射光源的温度探测器连接，输出端与偏置电流单元和调制电流单元均连接。

4.实现权利要求1方法的电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统，包括本端电子设备A和对端电子设备B，其特征在于：

所述本端电子设备A包括依次连接的信息读取模块、编码模块、光源驱动模块、激光器(23)发射光源；

其中信息读取模块用于读取本端待发送的信息；编码模块用于将读取的信息进行信道编码；光源驱动模块用于控制激光器(23)的发光；

所述对端电子设备B包括依次连接的光电探测器(22)、光电转换模块、电信号处理模块、解码模块、信息写入模块；

其中光电探测器(22)用于接收激光器(23)发射的光；光电转换模块用于将光信号转变为电信号；电信号处理模块用于对电信号进行数据整形和恢复；解码模块用于数据解码；信息写入模块用于将信息写入数据存储卡中；

编码模块的编码方案首先采用RS码、卷积码或Turbo码；其次，进行差错效验码编码，在发射端进行CRC编码，在接收端进行差错校验，如果数据有错，那么告诉发射端重新传输；最后，进行4b5b或8b10b编码；

所述光源驱动模块包括偏置电流单元和调制电流单元，偏置电流单元和调制电流单元的输入端均与编码模块连接，输出端与激光器连接。

5.根据权利要求4所述的电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统，其特征在于：所述激光器设有温度探测单元，所述光源驱动模块还包括温度补偿单元，该温度补偿单元的输入端与激光器设有温度探测单元连接，输出端与偏置电流单元和调制电流单元均连接。

6.根据权利要求4所述的电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统，其特征在于：所述本端电子设备A还包括依次连接的光电探测器(22)、光电转换模块、电信号处理模块、解码模块和信息写入模块；所述电信号处理模块与解码模块连接；

所述对端电子设备B还包括依次连接的信息读取模块、编码模块、光源驱动模块、激光器(23)发射光源；所述电信号处理模块与解码模块连接。