CN104980218B - 一种无滤光片的可见光通信系统 - Google Patents

一种无滤光片的可见光通信系统 Download PDF

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Abstract

一种无滤光片的可见光通信系统,包括第一输入端、第一光发射机、第一光接收机、第一输出端、第二输入端、第二光发射机、第二光接收机和第二输出端,其中所述第一输入端与第二输出端均与第一网络信号转换器相连,用于与外部网络进行连接和信号交换,所述第一输出端与第二输入端均与第二网络信号转换器相连,用于与用户网络进行连接和信号交换。其中本发明的系统结合预加重技术和后端均衡技术,对LED发出的光响应进行均衡,而不需采用高速可见光通信系统中常用的滤光片,从而解决了荧光型白光LED带宽低的问题,采用OOK调制方式,可完成100Mbps光无线双向数据传输,成本少,复杂度低,实现了可见光通信与无线局域网有效融合。

Description

一种无滤光片的可见光通信系统

技术领域

[0001] 本发明涉及可见光通信技术领域,特别涉及一种无滤光片的可见光通信系统。

背景技术

[0002] 相对于传统的白炽灯和荧光灯,白光LED具有调制特性好的优点,因此白光LED除 了用来照明的同时,还可以用来作为光通信技术的理想光源,实现光学信息的无线传输,由 此发展出了基于LED的可见光通信技术。白光LED的普及和推广为可见光通信技术的发展提 供了机遇,目前可见光通信技术已经成为了国内外研宄的热点。

[0003] 白光LED主要有两种:焚光型LED和三基色LED。由于荧光型LED制作简单,工艺成 熟,被广泛应用,因此在可见光通信技术中,荧光型LED具有更大的潜力。但是荧光型LED的 3-dB调制带宽仅有几兆赫兹,限制了可见光通信系统的带宽,不能满足更高速率场合的应 用。

[0004] 将可见光通信技术与无线局域网技术结合是可见光通信技术的一个重要应用,但 是由于荧光型LED带宽限制,目前国内外报导的基于00K调制方式的可见光通信光学无线局 域网系统的速率不大于10Mbps。国内外研究人员有采用高频带利用率的调制方式,比如正 交频分复用(0FDM)技术,实现了 100Mbps实时传输的可见光数据传输,但使用这种方法的系 统消耗的硬件和软件资源较多,成本高,复杂度高,不实用。同时,滤光片常常作为高速率可 见光通信系统中的关键器件而被采用,但其也导致系统成本上升、系统复杂度增大。

发明内容

[0005] 针对上述技术问题,本发明主要目的在于提供一种无滤光片的可见光通信无线局 域网系统,以便不采用滤光片,降低系统制造成本和复杂度。

[0006]为实现上述目的,作为本发明的一个方面,本发明提供了一种无滤光片的可见光 通信终端,包括:

[0007]输入端,用于输入用于通信的第一信号;

[0008]第一光发射机,将来自输入端的第一信号以第一光信号的形式向与本侧通信的对 侧可见光通信终端的第二光接收机进行发射;

[0009]第二光接收机,用于接收与本侧通信的对侧可见光通信终端的第二光发射机发射 的第二光信号,并转换成第二电信号并放大;

[0010]输出端,用于将第二光接收机放大处理后的第二电信号输出;

[0011]其中,所述第一光发射机和第二光发射机至少均包括预加重电路,用于提高所述 第一 /第二光发射机端高频信号分量的幅度,对系统的幅频响应特性进行补偿。

[0012]其中,所述输入端和输出端均与网络信号转换器相连,用于与以太网络进行连接 和信号交换。

[0013]其中,所述可见光通信终端采用开关键控00K调制方式。

[0014]作为本发明的另一个方面,本发明提供了一种无滤光片的可见光通信系统,包括: L〇〇15]第一 入端,用于输入用于通信的第一信号;

[0016] 第一光发射机,用于将来自第一输入端的第一信号以第一光信号的形式进行发 射;

[0017] 第一光接收机,接收该第一光发射机发射的第一光信号,转换成第一电信号并放 大;

[0018] 第一输出端,用于输出该第一光接收机处理后的第一电信号;

[0019] 第二输入端,用于输入用于通信的第二信号;

[0020] 第二光发射机,用于将来自第二输入端的第二信号以第二光信号的形式进行发 射;

[0021] 第二光接收机,接收该第二光发射机发射的第二光信号,转换成第二电信号并放 大;

[0022] 第二输出端,用于输出该第二光接收机处理后的第二电信号;

[0023] _其中,所述第一输入端与第二输出端均与第一网络信号转换器相连,用于与外部 网络进行连接和信号交换,所述第一输出端与第二输入端均与第二网络信号转换器相连, 用于与用户网络进行连接和信号交换。

[0024]其中,所述第一光发射机和第二光发射机分别包括第一 LED和第二LED。

[0025]其中,所述第一光发射机和第二光发射机至少均包括预加重电路、驱动器和调制 电路,其中所述预加重电路用于提高所述第一 /第二光发射机端高频信号分量的幅度,对系 统的幅频响应特性进行补偿,所述驱动器对所述预加重电路输出的信号进行放大,提高所 述第一 /第二LED的调制深度,所述调制电路将所述驱动器输出的信号调制到所述第一 /第 二LED上,其中所述第一 /第二Lm)工作在线性区。

[0026]其中,所述预加重电路包含一级、两级或多级单管放大电路,所述不同级的单管放 大电路针对不同频率点的幅度进行补偿。

[0027]其中,所述第一光接收机和第二光接收机分别包括第一探测器和第二探测器。 [0028]其中,所述第一光接收机和第二光接收机至少分别包括跨阻放大器、均衡电路和 后级放大电路,其中所述跨阻放大器将所述第一 /第二探测器的电流信号转换成电压信号 并放大,所述均衡电路对所述第一 /第二光接收机端信号的高频分量进行补偿,所述后级放 大器对经过所述均衡电路后的信号进行再次放大。

[0029]其中,所述第一网络信号转换器和第二网络信号转换器均为无线以太网络信号转 换器。

[0030] 其中,所述可见光通信系统采用开关键控00K调制方式。

[0031]其中,所述第一 /第二光发射机和第一 /第二光接收机的光数据传输速率为10〜 300Mbps,优选为 100Mbps。

[0032]基于上述技术方案可知,本发明的无滤光片可见光通信无线局域网系统,解决了 荧光型白光LH)调制带宽低的问题,实现了可见光通信技术与无线局域网的有效融合,成本 少,复杂度低,更加实用化,有利于可见光通信技术的产业化和市场推广。此外,本发明的系 统可见光数据传输速率可到至少100Mbps,同时采用最简单的〇〇K调制方式,解决了目前基 于0FDM等复杂调制方式的可见光学无线局域网系统成本高、复杂度高和不实用等问题。

附图说明

[0033]为进一步说明本发明的具体技术内容,以下结合实施例及附图详细说明如后,其 中:

[0034]图1是本发明的无滤光片的可见光通信无线局域网系统的结构框架示意图;

[0035]图2是本发明的光发射机的结构示意图;

[0036]图3是本发明的光接收机的结构示意图;

[0037]图4是本发明的预加重电路图。

具体实施方式

[0038]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照 附图,对本发明作进一步的详细说明。

[0039] 本发明公开了一种无滤光片的可见光通信终端,包括:

[0040]输入端,用于输入用于通信的第一信号;

[0041]第一光发射机,将来自输入端的第一信号以第一光信号的形式向与本侧通信的对 侧可见光通信终端的第二光接收机进行发射;

[0042]第二光接收机,用于接收与本侧通信的对侧可见光通信终端的第二光发射机发射 的第二光信号,并转换成第二电信号并放大;

[0043]输出端,用于将第二光接收机放大处理后的第二电信号输出。

[0044]其中,作为本发明的一个实施例,上述输入端和输出端均与网络信号转换器,例如 以太网信号转换器,尤其是以太网无线信号转换器相连,用于与以太网等网络,尤其是无线 局域网进行连接和信号交换。

[0045] 作为本发明的一个实施例,上述光发射机例如包括一 LED。

[0046] 上述方案中,LED可以是白光LED或者单色光LED。

[0047]上述方案中,在光发射机和/或光接收机中还包括一凸透镜,该凸透镜为双凸透镜 或平凸透镜,用于将LED发射的光变成平行光,或者将该光接收机接收到的光会聚到该光接 收机的探测器上。

[0048]上述方案中,该光接收机还包括一探测器,该探测器例如为可见光波段的光探测 器。

[0049]上述方案中,该光发射机和该光接收机的光数据传输速率很高,例如可到至少 100Mbps,优选为 10 〜300Mbps,更优选为 100Mbps。

[0050]上述方案中,本发明的无滤光片的可见光通信终端可以成对使用,光发射机和光 接收机之间采用光纤连接,从而可以实现远距离的高保真通信。

[0051] 作为一个优选实施例,上述方案中的第一/第二光发射机至少包括预加重电路、驱 动器和调制电路,预加重电路提高了该第一 /第二光发射机端高频信号分量的幅度,对系统 的幅频响应特性进行补偿,驱动器对预加重电路输出的信号进行放大,提高LED的调制深 度,调制电路将驱动器输出的信号调制到LED上,其中LED应工作在线性区。

[0052] 上述方案中,所述第一光接收机和第二光接收机至少包括跨阻放大器、均衡电路 和后级放大电路,跨阻放大器将探测器的电流信号转换成电压信号并放大,均衡电路对光 按叹机目7的咼频分量进行补偿,后级放大器对经过均衡电路后的信后进行再次放大。 [0053]本发明还公开了一种无滤光片的可见光通信系统,包括:

[0054]第一输入端,用于输入用于通信的第一信号;

[0055]第一光发射机,用于将来自第一输入端的第一信号以第一光信号的形式进行发 射;

[0056]第一光接收机,接收该第一光发射机发射的第一光信号,转换成第一电信号并放 大;

[0057]第一输出端,用于输出该第一光接收机处理后的第一电信号;

[0058]第二输入端,用于输入用于通信的第二信号;

[0059] 第二光发射机,用于将来自第二输入端的第二信号以第二光信号的形式进行发 射;

[0060] 第二光接收机,接收该第二光发射机发射的第二光信号,转换成第二电信号并放 大;

[0061]第二输出端,用于输出该第二光接收机处理后的第二电信号;

[0062]其中,第一输入端与第二输出端位于通信方的一侧,第一输出端与第二输入端位 于通信方的另一侧。

[0063]作为本发明的一个实施例,上述第一/第二光发射机例如分别包括一第一/第二 LED。第一 LH)和第二LED可以是白光LED或者单色光LH)。

[0064]上述方案中,在第一 /第二光发射机和/或第一 /第二光接收机中还分别包括一凸 透镜,该第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜为双凸透镜或平凸透镜,用于 将对应的第一 /第二LED发射的光变成平行光,或者将对应的第一 /第二光接收机接收到的 光会聚到该光接收机的探测器上。

[0065]上述方案中,上述第一/第二光接收机分别包括一探测器,该第一/第二探测器例 如为可见光波段的光探测器。

[0066]上述方案中,第一光发射机和第二光发射机至少均包括预加重电路、驱动器和调 制电路,预加重电路提高了第一 /第二光发射机端高频信号分量的幅度,对系统的幅频响应 特性进行补偿,驱动器对预加重电路输出的信号进行放大,提高第一 /第二LED的调制深度, 调制电路将驱动器输出的信号调制到第一 /第二LED上,其中第一 /第二LED应工作在线性 区。

[0067]上述方案中,所述第一光接收机和第二光接收机至少包括跨阻放大器、均衡电路 和后级放大电路,跨阻放大器将探测器的电流信号转换成电压信号并放大,均衡电路对光 接收机端信号的高频分量进行补偿,后级放大器对经过均衡电路后的信后进行再次放大。 [0068]上述方案中,第一输入端与第二输出端可以共用一套设备来与外部连接,例如共 用网络信号转换器,如以太网信号转换器,尤其是以太网无线信号转换器,用于与以太网等 网络,尤其是无线局域网进行连接和信号交换。作为一个优选实施例,优选通过第一以太网 信号转换器来同时完成外部网络与第一光发射机以及第二光接收机与外部网络信号电平 的转换。

[0069]上述方案中,作为进行可见光通信的对侧,第二输入端与第一输出端也可以共用 一套设备来与用户设备连接,例如通过第二以太网信号转换器来同时完成第一光接收机与 用户设备以及用户设备与第二光发射机信号电平的转换。

[0070]上述方案中,所述预加重电路和均衡电路都是对系统信号的高频分量进行补偿, 提高了可见光通信系统的调制带宽,从而实现了可见光通信系统高速率数据的传输,解决 了 LED带宽低的问题。

[0071]上述方案中,预加重技术和后端均衡技术相结合,对荧光型白光LED发出的白光响 应进行均衡,没有采用高速可见光通信系统中常用的滤光片。

[0072]上述方案中,所述系统下行链路和上行链路都可以采用可见光传输,或者下行链 路采用可见光传输,上行链路直接用线缆实现电连接。

[0073]上述方案中,所述系统采用开关键控00K调制方式,采用这种最简单的调制方式, 可使系统成本少,复杂度低。开关键控〇〇K调制方式中,1表示“开”,〇表示“关”,用〇和1的序 列组合表示信息,可以是没有特定的编码方式,也可以是经过曼彻斯特编码或者8B/10B编 码后的二进制序列。

[0074]下面通过具体实施例并结合附图对本发明的方案做进一步的阐述说明。

[0075]参阅图1所示,本发明提供一种无滤光片的100Mbps可见光通信无线局域网系统, 包括:

[0076] —第一以太网信号转换器2,该以太网信号转换器2连接于外部l〇OMbps网络i,外 部100Mbps网络1可以是10/100M自适应网络;

[0077] —第一光发射机3,该第一光发射机3的输入端与第一以太网信号转换器2转换后 的信号输出端连接,该以太网信号转换器2将外部100Mbps网络信号电平转换成第一光发射 机3可以识别的信号电平;

[0078] —•桌一'LED4,该第一"LED4可以是灰光型LED或者单色光LED,所述第一LED4与第一 光发射机3的输出端连接;

[0079] 一第一凸透镜5,该第一凸透镜5位于第一 LED4的光路上,能把第一 LED4输出的光 线汇聚,使第一 LED4发出的光线按照一定的方向和角度进行传输,所述第一凸透镜5为双凸 透镜或平凸透镜;

[0080] —第二凸透镜6,该第二凸透镜6位于第一凸透镜5的光路上,汇聚接收到的光能 量,所述第二凸透镜6为双凸透镜或平凸透镜;

[0081] —第一探测器7,该第一探测器7位于第二凸透镜6的焦距处,接收第一 LED4发出的 光信号,把光信号转换成电流信号;

[0082] —第一光接收机8,该第一光接收机S的输入端与第一探测器7连接,把电流信号转 换成电压信号并放大;

[0083] —第二以太网信号转换器9,该第二以太网信号转换器9与第一光接收机8的输出 端连接,该第二以太网信号转换器9将第一光接收机8输出的信号电平转换成用户设备16可 以识别的信号电平;

[0084] —第一光发射机10,该第二光发射机10的输入端与第二以太网信号转换器9的信 号输出端连接,该第二以太网信号转换器9将用户设备16输出的信号电平转换成第二光发 射机10可以识别的信号电平; 一

[0085] —第二LED11,该第二LED11是荧光型LED或单色光LED,所述第二LED1丨与第二光发 射机10的输出端连接; L〇〇86」一弟二凸透1見12,该第三凸透镜u位于第二⑶讥丨的光路上,能把第二LEDn输出 的光线汇聚,使第二LED11发出的光线按照一定的方向和角度进行传输,所述第三凸透镜12 是双凸透镜或平凸透镜;

[0087] —第四凸透镜13,该第四凸透镜丨3位于第三凸透镜12的光路上,汇聚接收到的光 能量,所述第四凸透镜13是双凸透镜或平凸透镜;

[0088] 一第二探测器14,该第二探测器14位于第四凸透镜I3的焦距处,接收第二LED11发 出的光信号,把光信号转换成电流信号;

[0089] 一第二光接收机15,该第二光接收机15的输入端与第二探测器14连接,把电流信 号转换成,压信号并放大,该第二接收机15的输出端与第一以太网信号转换器2连接,该第 一以太网信号转换器2将第二光接收机丨5输出的信号电平转换成外部1〇〇Mbps网络丨可以识 别的信号电平。

[0090] 第一以太网信号转换器2可以同时完成外部100Mbps网络1与第一光发射机3以及 第二光接收机15与外部100Mbps网络1信号电平的转换。第二以太网信号转换器9可以同时 完成第一光接收机6与用户设备16以及用户设备16与第二光发射机1〇信号电平的转换。

[0091] 图2示出光发射机的结构示意图,第一光发射机3和第二光发射机10至少包括预加 ^电路、驱动器和调制电路,预加重电路提高了光发射机端高频信号分量的幅度,对系统的 幅频响应特性进行补偿,驱动器对预加重电路输出的信号进行放大,提高LED的调制深度, 调制电路将驱动器输出的信号调制到LED上,其中LED应工作在线性区。

[0092] 图3示出光接收机的结构示意图,第一光接收机8和第二光接收机15至少包括跨阻 放大器、均衡电路和后级放大电路,跨阻放大器将探测器的电流信号转换成电压信号并放 大,均衡电路对光接收机端信号的高频分量进行补偿,后级放大器对经过均衡电路后的信 后进行再次放大。

[0093] 图4示出了预加重电路图,预加重电路包含两级单管放大电路,Q1和Q2为双极性晶 体管或金属氧化物半导体场效应晶体管,电容C1、C3和C5起到隔直流的作用,电阻R1和R2串 联分压作为Q1的基极或栅极偏置电路,电阻R6和R7串联分压作为Q2的基极或栅极偏置电 路,电阻R3、R4、R5和电容C2决定了第一级放大电路的在不同频率的放大倍数,电阻R8、R9、 R10和电容C4决定了第二级放大电路的在不同频率的放大倍数,第一级放大电路是相对较 高频率点的幅度进行补偿,第二级放大电路是针对相对较低频率点的幅度进行补偿。预加 重电路和均衡电路都是对系统信号的高频分量进行补偿,提高了可见光通信系统的调制带 宽,从而实现了可见光通信系统高速率数据的传输,解决了荧光型LED带宽低的问题。

[0094]本发明提供的无滤光片的100Mbps可见光通信无线局域网系统,预加重技术和后 端均衡技术相结合,对荧光型白光LED发出的白光响应进行均衡,没有采用高速可见光通信 系统中常用的滤光片。采用最简单OOK调制方式,下行链路和上行链路都可以采用可见光传 输,或者下行链路采用可见光传输,上行链路直接用线实现电的连接。光路连接好后,只需 简单的连接好用户设备的网线,即可正常使用。

[0095]以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在 本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (11)

1.一种无滤光片的可见光通信终端,包括: 输入端,用于输入用于通信的第一信号; 第一光发射机,将来自输入端的第一信号以第一光信号的形式向与本侧通信的对侧可 见光通信终端的第二光接收机进行发射; 第二光接收机,用于接收与本侧通信的对侧可见光通信终端的第二光发射机发射的第 二光信号,并转换成第二电信号并放大; 输出端,用于将第二光接收机放大处理后的第二电信号输出; 其中,所述第一光发射机和第二光发射机至少均包括预加重电路,用于提高所述第一 / 第二光发射机端高频信号分量的幅度,对系统的幅频响应特性进行补偿。
2. 如权利要求1所述的无滤光片的可见光通信终端,其中所述输入端和输出端均与网 络信号转换器相连,用于与以太网络进行连接和信号交换。
3. 如权利要求1所述的无滤光片的可见光通信终端,其中所述可见光通信终端采用开 关键控00K调制方式。
4.一种无滤光片的可见光通信系统,包括: 第一输入端,用于输入用于通信的第一信号; 第一光发射机,用于将来自第一输入端的第一信号以第一光信号的形式进行发射; 第一光接收机,接收该第一光发射机发射的第一光信号,转换成第一电信号并放大; 第一输出端,用于输出该第一光接收机处理后的第一电信号; 第二输入端,用于输入用于通信的第二信号; 第二光发射机,用于将来自第二输入端的第二信号以第二光信号的形式进行发射; 第二光接收机,接收该第二光发射机发射的第二光信号,转换成第二电信号并放大; 第二输出端,用于输出该第二光接收机处理后的第二电信号; 其中,所述第一输入端与第二输出端均与第一网络信号转换器相连,用于与外部网络 进行连接和信号交换,所述第一输出端与第二输入端均与第二网络信号转换器相连,用于 与用户网络进行连接和信号交换。
5. 如权利要求4所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述第一光发射机和第二光 发射机分别包括第一Lm)和第二LED;以及 所述第一光发射机和第二光发射机至少均包括预加重电路、驱动器和调制电路,其中 所述预加重电路用于提高所述第一 /第二光发射机端高频信号分量的幅度,对系统的幅频 响应特性进行补偿,所述驱动器对所述预加重电路输出的信号进行放大,提高所述第一 /第 二LED的调制深度,所述调制电路将所述驱动器输出的信号调制到所述第一 /第二LED上,其 中所述第一 /第二LED工作在线性区。
6. 如权利要求5所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述预加重电路包含一级、两 级或多级单管放大电路,所述不同级的单管放大电路针对不同频率点的幅度进行补偿。
7.如权利要求4所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述第一光接收机和第二光 接收机分别包括第一探测器和第二探测器;以及 所述第一光接收机至少包括跨阻放大器、均衡电路和后级放大电路,所述第二光接收 机至少包括跨阻放大器、均衡电路和后级放大电路,其中所述跨阻放大器将所述第一 /第二 探测器的电流信号转换成电压信号并放大,所述均衡电路对所述第一 /第二光接收机端信 号的高频分量进行补偿,所述后级放大器对经过所述均衡电路后的信号进行再次放大。
8.如权利要求4所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述第一网络信号转换器和 第二网络信号转换器均为无线以太网络信号转换器。
9.如权利要求4所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述可见光通信系统采用开 关键控00K调制方式。
10.如权利要求4所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述第一/第二光发射机和 第一 /第二光接收机的光数据传输速率为10〜300Mbps。
11.如权利要求10所述的无滤光片的可见光通信系统,其中所述第一 /第二光发射机和 第一 /第二光接收机的光数据传输速率为100Mbps。
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