CN104320197B - 一种用于无线光通信的多光谱led调制光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，特征是包括信源，信号处理和调制电路、数字电源电路、多光谱LED驱动电路、LED驱动电源、LED发射子系统和光学发射天线7个部分。其中信源对输出光信号的参数进行要求，同时发送通信数据；信号处理和调制电路、数字电源电路、多光谱LED驱动电路、LED驱动电源和LED发射子系统按照信源要求，协作生成通信所需的光信号；光学发射天线将多谱段光信号整合到一起发射。该光源可同时发出多路不同谱段的光信号，作为多光谱无线光通信发射机使用，也可在发射通信信号的同时在多个谱段模拟无线光通信的信道噪声。该调制光源的光谱范围为200到1000纳米，并可通过多路输出实现从紫外到近红外谱段的覆盖。

Description

一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源

技术领域

本发明涉及无线光通信所用的发射光源，尤其是紫外到近红外谱段的调制光源。

背景技术

随着平板电脑等个人网络设备的普及和网络服务的多样化，人们对无线网络的需求和依赖不断增加，传统的WIFI无线网络已经不能满足日益增长的需求。作为新兴的无线通信技术，无线光通信可以与现有无线通信网络结合，成为下一代无线通信网络的重要组成部分。美国电气和电子工程师协会(IEEE)已经为可见光谱段的无线通信制定了标准802.15.7以指导无线光通信系统的设计，英国、日本和韩国等国家的研究者也设计了一些系统模型。

与传统的射频通信技术相比，无线光通信技术具有不需要谱段授权、没有电磁干扰和不易被窃听的优点。其中可见光谱段的无线光通信，还可以在完成照明功能的同时实现高速的数据通信，以减小能耗。因此适合用于室内家居和一些对电磁干扰敏感场合如医院的无线通信。由于光信号不能穿过墙壁，也可以由光学天线控制方向，因此其具有天然的小区分隔，并可以通过空分复用来提高信道的容量，非常适用于人口密度较大场合的通信。如会议会场。

当前的无线光通信系统大多是分别基于紫外LED、白光LED或者RGB三色LED，并没有出现将所有可用的LED谱段集成在一起的多光谱通信系统，大气中的光谱信道资源没有得到完全利用。目前基于紫外、可见光和近红外LED无线光通信系统的光源大多是使用LED直接对大气进行光信号发射或者简单地经过凸透镜进行发射，并没有相应的光学发射天线设计，因而在能量聚焦、光束定向和信道的空分复用方面存在缺陷。

发明内容

本发明的任务在于提供一种基于LED阵列，能够同时发送从紫外到近红外谱段多谱段无线光信号，并具有光学发射天线的多光谱无线光通信光源。

其技术解决方案是：

一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于包括信源，信号处理和调制电路、数字电源电路、多光谱LED驱动电路、LED驱动电源、LED发射子系统和光学发射天线7个部分。其中信源把对输出光信号的各个参数的要求发送给信号处理和调制电路，同时发送通信数据；信号处理和调制电路在接收到来自信源的控制指令和通信信号之后，产生多路相应频率和调制方式的调制信号，同时向信源反馈运行状态，并将调制后的电信号分别发送给多路多光谱LED驱动电路；每路多光谱LED驱动电路将调制信号转化为特定LED阵列所需的大功率电流信号，然后发送给对应的LED发射子系统；LED发射子系统共有多个，每个LED子系统都包含特定谱段的LED阵列及其固定和散热结构。所有LED发射子系统在光学发射天线内拼接，再利用光学发射天线将各个谱段的光信号整合到一起发射。该系统的光谱覆盖范围为200到1000纳米。

上述多路LED发射子系统中的LED使用的分别是紫外、可见光和近红外LED阵列。对于每路信号，所支持的最大输出电压为75V，最大输出电流为500mA。

上述信号处理和调制电路包括FPGA处理器，FLASH存储器，通信接口处理器，电源模块和信号整形模块。根据信源发送的控制指令和通信信号，通过调制算法产生相应频率和调制方式的调制信号，并将调制信号整形，发送到多光谱LED驱动电路，同时将内部运行状态反馈给信源。

上述多光谱LED驱动电路包括LED驱动器芯片和反馈，利用调制信号控制LED驱动器芯片，可将TTL电平标准的调制信号转化为驱动LED阵列所需的电流信号；通过调整反馈，可以对LED阵列的驱动电流进行调整，从而调整LED的平均发射光强度。

上述光学发射天线还包括光束整形系统和混光板。通过光束整形系统调节光束的发散角，通过混光板将多光谱信号融合，在实现无线光通信的同时达到照明的效果。通过调整各谱段LED阵列的相对光强，可以按需求改变混光后出射光的整体颜色。

上述光束整形系统包括微透镜阵列和变焦距光学子系统；微透镜阵列将LED发射子系统发出来的光束整形为一束平行光，再利用变焦距光学子系统根据需要将光束的发散角在0°到45°之间进行调节；变焦距光学子系统由3到4片透镜组成。

上述混光板为像扩散混光板，可以将多个LED阵列整形发出的多光谱信号混合，并且在不改变配光曲线的前提下实现光线均匀输出，并防止眩光。

本发明具有以下有益技术效果

本发明同现有技术中“紫外调制光源”相比，具有以下优点：

(1)能够同时发射多路多光谱调制信号，谱段覆盖范围从200nm到1000nm，即紫外到近红外光的光谱范围。在实现照明功能、控制照明光颜色的同时实现了波分复用的无线光通信。

(2)采用电流驱动方式并可调节，同时支持各种不同规格、不同谱段的LED阵列。

(3)光束整形系统采用微透镜阵列和变焦距光学子系统的结构，将光学特性复杂的LED阵列光束转化为平行光，并可根据需要调整光束的发散角。

(4)采用混光板将多光谱信号混合，并且对光源进行防眩光处理，使光源更柔和，在进行通信的同时满足照明的要求。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为本发明的原理示意框图。

图2为本发明的信号处理和调制电路的原理示意框图

图3为本发明实施方式一的LED发射子系统排列示意图

图4为本发明实施方式一的光学发射天线原理示意图

图5为本发明实施方式三的LED发射子系统排列示意图

具体实施方式

下面，结合附图详细描述本发明的优选实施方式。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

实施方式一：

结合图1，图2，图3，图4，一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，包括信源1，信号处理和调制电路2，数字电源电路3，LED驱动电源4，多光谱LED驱动电路5，LED发射子系统6和光学发射天线7。其中信源利用USB接口与信号处理和调制电路通信，控制其输出信号的调制方式和调制频率，同时发送通信信号。信号处理和调制电路将信源发送的通信信号按照控制指令的要求调制为9路特定频率和调制方式的调制信号，同时将运行状态反馈给信源。随后，9路调制后的信号被发送到9个多光谱LED驱动电路。在9路多光谱LED驱动电路中，9路调制信号根据各谱段LED的特点和通信要求被转化为9路LED驱动所需的大功率电流信号，并传递给LED发射子系统。LED发射子系统共有9路，其中的LED阵列将调制后的电信号转化为不同谱段的光信号，并具有固定和散热结构。最后，光学发射天线将不同谱段LED阵列发出的多路光信号整合发射到大气中，以进行波分复用的无线光通信或模拟环境背景光噪声。在该系统中，多光谱LED的谱段覆盖范围为紫外到近红外谱段。

信号处理和调制电路由数字电源电路提供所需电源，多光谱LED驱动电路则配备有专用的LED驱动电源，以避免电源相互干扰影响光信号输出。

优选地，上述多光谱LED中，紫外谱段的LED分别选择中心波长为266nm和310nm的LED阵列。其工作电流为100mA，有效发射功率大于20mW，最高调制频率大于2MHz。可见光谱段的LED分别选择中心波长为410nm，450nm，515nm，600nm，640nm和宽谱段白光的LED阵列。其工作电流为500mA，发射功率大于1.8W，最高调制频率大于10MHz。红外谱段的LED选择中心波长为850nm的LED阵列。其工作电流为500mA，发射功率大于1W，最高调制频率大于10MHz。

结合图2，上述信号处理和调制电路包括FPGA芯片201，USB接口芯片202，接口芯片203，电源芯片204，FLASH芯片205和JTAG接口。信号处理和调制电路根据信源发送的控制指令和通信信号分别输出9路相应调制方式和频率的不同的调制信号，并将其发送给9路多光谱LED驱动电路。同时信号处理和调制电路还将当前的运行状态反馈给信源。

上述多光谱LED驱动电路包括LED控制芯片，其最大驱动电压为75V，最大驱动电流为500mA。在整个系统中，共有9个多光谱LED驱动电路，参数稍有不同，以满足不同谱段LED阵列的驱动需求和总体的通信需求。

结合图3，上述LED阵列发射子系统301共有9路，组成一个3×3的阵列，每路都包括一种特定谱段的LED阵列及其固定和散热装置，并与光学发射天线相连。

结合图4，光学发射天线包括光束整形系统和混光板304；通过光束整形系统将复杂的LED阵列输出光转化为有一定发散角的光束，然后利用混光板对光源进行混光和防眩光处理，使最终输出光束达到设计要求。上述光束整形系统包括微透镜阵列302和变焦距光学子系统303，微透镜阵列用于将复杂的LED阵列输出光转化为平行光束，变焦距光学子系统由3到4片透镜组成，用于改变光束的发散角，可根据需要将光束的发散角在0°到45°之间进行调节。最后，光束整形系统输出的多光谱光束经过混光板混合，同时实现照明和多光谱通信，并且达到防眩光的目的。

实施方式二：

在实施方式一中，9个LED发射子系统采用的不同谱段的LED阵列。在实际使用中，在满足照明和通信需求的前提下，可以在不同LED发射子系统中适当使用相同谱段的LED阵列，此时相同谱段的LED阵列可使用同一个多光谱LED驱动电路驱动。该实施方式以减少波分复用数目为代价，在保证照明性能的同时降低了系统的成本和复杂度。

实施方式三：

图5所示为根据本发明的实施方式三的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源的LED阵列发射子系统示意图。与实施方式一相比，实施方式三中光学发射天线的基本结构不变，其区别在于LED阵列发射子系统501共有16路，组成一个4×4阵列，紫外谱段的LED分别选择中心波长为255nm，266nm，290nm，310nm的LED阵列，可见光谱段的LED分别选择中心波长为410nm，450nm，500nm，545nm，570nm，600nm，640nm，680nm和宽谱段白光的LED阵列，红外谱段的LED分别选择中心波长为850nm，900nm，970nm的LED阵列。此实施方案的特点是在增加传输通道数目，进一步提高传输速率的同时增加了光谱融合的灵活性。

为了更好地理解本发明，对有关内容补充说明如下：

一、关于信号处理和调制电路

信号处理和调制电路以现场可编程门阵列(FPGA)为核心，可根据信源的要求发送多路不同的调制信号。每路调制信号的调制频率和调制方式都可分别调整，以达到波分复用光通信的目的。由于本设计中进入LED阵列的信号为通用的脉冲电流信号，因此可支持多种强度调制方式，并对照明的光强进行控制。与此同时，在发送调制信号的同时，信号处理和调制电路通过USB接口将当前运行状态反馈给信源，以提供实时的监测，并作出相应调整。

二、关于多光谱LED驱动电路

本设计中多光谱LED驱动电路以德州仪器(TI)的LED控制芯片LM3402HV为核心，并对周边电路进行了优化。与传统基于三极管的LED控制电路相比，本设计中基于LED控制芯片的多光谱LED驱动电路受温度影响更小，输出电流更稳定，而且不需要恒流源。在设计中，采用了限流电阻和电感。以起到保护LED阵列、稳定输出光信号的作用。与此同时，利用反馈环路对输出电流进行控制，并实现电流输出，使该LED驱动电路具有良好的通用性。在不改变电路结构的基础上，只需修改少许器件的参数就能支持所选用的所有谱段的LED阵列。

三、关于光束整形系统

光束整形系统包含微透镜阵列和变焦距光学子系统。由于LED阵列的光学特性较为复杂，不能简单地将其作为面光源进行处理，否则会损失较多的能量，降低发射效率。因此在设计中利用微透镜阵列分别针对每个LED进行光束整形处理，最终得到一束平行光；同时在微透镜阵列后安装变焦距光学子系统，达到根据需求调整光束发散角的目的。

四、关于混光板的选择

设计中光学发射天线后端的混光板为像扩散混光板。其原理是利用分子的扩散现象实现多光谱光信号的混合。分子扩散现象主要分为光扩散和像扩散。光扩散主要是利用光在多方向的折射、反射与散射的现象，把光均匀化以避免眩光影响视觉感知。像扩散的目的主要是影响人眼对光源的成像，使其具体形态不能被分辨。因此对光的干涉不多，不会对配光曲线造成大的影响。像扩散混光板对于一些针对定向照明有配光曲线要求的照明系统比较适用，符合本设计的需求。因此在设计中选择像扩散混光板作为混光器件。其可将多光谱信号混合输出，在配光曲线不变的情况下实现从多点发光到均匀面状发光的转换，并防止眩光。在满足照明需求的同时实现多光谱的无线光通信。

上述实施方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，本说明书所述的只是本发明的一种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于由信源，信号处理和调制电路、数字电源电路、多光谱LED驱动电路、LED驱动电源、LED发射子系统和光学发射天线组成；该光源可同时发射多路不同或相同谱段的光信号，作为多光谱无线光通信发射机使用，也可在发射通信信号的同时发射多路多个谱段的模拟背景光信号，以模拟无线光通信中的信道噪声；

LED发射子系统有多路，且各自独立；多路LED发射子系统分别由多个相同谱段的LED构成阵列，对多路不同或相同谱段的光信号进行发射，再由光学发射天线将多路光信号整合输出；通过调整选用LED阵列的谱段和相对光强，可以按需求改变混光后整体的发光颜色；

其中信源把对输出光信号的各个参数的要求发送给信号处理和调制电路，同时发送通信数据；信号处理和调制电路在接收到来自信源的控制指令和通信信号之后，产生多路相应频率和调制方式的调制信号，同时向信源反馈运行状态，并将调制后的电信号分别发送给多路多光谱LED驱动电路；每路多光谱LED驱动电路将调制信号转化为特定LED阵列所需的大功率电流信号，然后发送给对应的LED发射子系统；LED发射子系统共有多个，每个LED子系统都包含特定谱段的LED阵列及其固定和散热结构；所有LED发射子系统在光学发射天线内拼接，再利用光学发射天线将各个谱段的光信号整合到一起发射。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：上述信源具有人机交互界面，可对信号处理和调制电路所发出调制信号的频率和调制方式进行控制，监控其状态并发送通信信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：上述信号处理和调制电路包括FPGA处理器、FLASH存储器、USB通信接口处理器、电源模块和信号整形模块；其根据信源发送的控制指令和通信信号，产生相应频率和调制方式的调制信号并分别发送到各路多光谱LED驱动电路，同时将运行状态反馈给信源。

4.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：上述多光谱LED驱动电路包括LED驱动器芯片和反馈，具有多路且各自独立，LED驱动器芯片可将调制信号转化为驱动特定光谱LED阵列所需的电流信号；利用反馈可对LED阵列的驱动电流进行调整，从而调整LED的发射光强度。

5.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：上述光学发射天线包括光束整形系统和混光板；光束整形系统可对LED阵列发出的发散光进行光束整形和聚焦，混光板可对整形聚焦后的光束进行颜色混合得到颜色均匀的照明光，使输出光在实现均匀照明的同时具有通信功能。

6.根据权利要求5所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：上述光束整形系统由微透镜阵列与聚焦透镜组组成；利用微透镜阵列针对每个LED分别进行光束整形，从而将LED发射子系统发出的复杂发散光整形为一束平行光束；聚焦透镜组构成变焦距光学子系统，可以根据要求使光束的发散角在0°到45°之间变换。

7.根据权利要求5所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：上述混光板为像扩散混光板，加载在光束整形系统后端，该混光板可以将多路不同谱段的光信号混合，并且在不改变配光曲线的同时达到防止眩光的效果。

8.根据权利要求1所述的一种用于无线光通信的多光谱LED调制光源，其特征在于：该调制光源的光谱范围为200到1000纳米，并可通过多路输出实现从紫外到近红外谱段的全面覆盖。