CN105323003A - 一种光通信系统及一种光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光通信系统，包括一个无线发射装置以及至少一个信息接收终端，所述无线发射装置包括可见光发射单元、以及红外接收单元；每一个所述信息接收终端包括可见光接收单元、以及红外发射单元；所述可见光发射单元用于发射可见光信号至所述可见光接收单元；所述可见光接收单元用于接收所述可见光信号；所述红外发射单元用于发射红外信号至所述红外接收单元；所述红外接收单元用于接收所述红外信号。实施本发明的有益效果是，采用可见光作为下行链路传输波段，采用红外光作为上行链路传输波段，可见光安全性好、通信安全可靠、信道带宽大、传输速率高，此外，两者传输不会相互干扰。

Description

一种光通信系统及一种光通信方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种光通信系统及一种光通信方法。

背景技术

市面上现有的LED照明灯具等产品，全部只是提供场所所需的功能照明需求，想要上网的话，必须要么用到大家熟知的光纤传输，得拉线、布网，要么用到如蓝牙、Wi-Fi、WiMax和LTE等无线传输皆具是电磁波，可能危害人体健康或干扰电子仪器的运作，比如医院和飞机等应用——这种场合下射频可能干扰生命攸关的设备中的信号。因为无线电波传输，设备功率越来越大，局部电磁辐射势必增强；无线信号穿墙而过，网络信息不安全。并且不够在医院、飞机等场所正常使用。

因此发明一种带有可见光通信技术(即可见光通信技术(VisibleLightCommunications，VLC)的LED灯具，可见光通信能够同时实现照明与通信的功能，具有传输数据率高，保密性强，无电磁干扰，无需频谱认证等优点，是理想的室内外高速无线接入方案之一。

另一方面，光谱比无线电频谱约大一万倍，具有更大的带宽和更高的速度，设置可见光通信网络几乎不需要新的基础设施，可同时满足照明与通信的需求。因此，带有可见光通信的LED灯具将在未来的通信领域中将会占据重要的地位，并将大大地推动信息化社会的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述公共场合中无线信号传输安全以及无线信号辐射的问题，提供一种光通信系统及一种光通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光通信系统，包括一个无线发射装置以及至少一个信息接收终端，

所述无线发射装置包括可见光发射单元、以及红外接收单元；每一个所述信息接收终端包括可见光接收单元、以及红外发射单元；

所述可见光发射单元用于发射可见光信号至所述可见光接收单元；

所述可见光接收单元用于接收所述可见光信号；

所述红外发射单元用于发射红外信号至所述红外接收单元；

所述红外接收单元用于接收所述红外信号。

在本发明所述的系统中，所述可见光发射单元包括可见光调制电流发生器、与所述可见光调制电流发生器电性连接的可见光差分驱动器及与所述可见光差分驱动器电性连接的光源发生器；

所述可见光电流发生器用于调制所述可见光差分驱动器的工作电流；

所述可见光差分驱动器用于依据所述工作电流调整所述光源发生器的工作状态；

所述光源发生器用于依据所述工作状态产生所述可见光信号。

在本发明所述的系统中，所述可见光接收单元包括光电探测器、与所述光电探测器电性连接的前置放大器、与所述前置放大器电性连接的主放大器、与所述主放大器电性连接的均衡器、与所述均衡器电性连接的判别器、与所述判别器电性连接的解码器；

所述光电探测器用于将所述可见光信号转化为原始电信号；

所述前置放大器用于将所述原始电信号放大为前置放大信号；

所述主放大器用于将所述前置放大信号放大为电平放大信号；

所述均衡器用于对所述电平放大信号进行波形均衡处理；

所述判别器用于对进行均衡处理后的所述电平放大信号进行电平判别，以得到判别信号；

所述解码器用于对所述判别信号进行解码以接收所述可见光信号。

在本发明所述的系统中，所述判别器还与所述前置放大器电性连接，所述判别器还用于提取所述前置放大信号的时钟信号以进行电平判别。

在本发明所述的系统中，所述前置放大器包括跨阻放大器、与所述跨阻放大器电性连接的差分信号转换器、以及与所述差分信号转换器电性连接的差分放大输出单元；

所述跨阻放大器用于放大所述原始电信号；

所述差分信号转换器用于将放大后的原始电信号转换为差分信号；

所述差分放大输出单元用于将所述差分信号转换为所述前置放大信号。

在本发明所述的系统中，所述主放大器包括输入缓冲器、与所述输入缓冲器电性连接的多级放大器、以及与所述多级放大器电性连接的输出缓冲单元。

在本发明所述的系统中，所述前置放大器与所述主放大器进行阻容耦合。

在本发明所述的系统中，所述红外发射单元包括红外调制电流发生器、与所述红外调制电流发生器电性连接的红外差分驱动器及与所述红外差分驱动器电性连接的红外发生器；

所述红外调制电流发生器用于调制所述红外差分驱动器的工作电流；

所述红外差分驱动器用于依据所述工作电流调整所述红外发生器的工作状态；

所述红外发生器用于依据所述工作状态产生所述红外信号。

在本发明所述的系统中，所述红外接收单元包括红外探测单元、与所述红外探测单元电性连接的集成电路；

所述红外探测单元用于将所述红外信号转化为原始电信号；

所述集成电路用于识别所述原始电信号以接收所述红外信号。

本发明的另一方面，提供一种光通信方法，提供一个无线发射装置以及至少一个信息接收终端，该方法包括以下步骤：

S1、所述无线发射装置发射一可见光信号至所述信息接收终端；

S2、所述信息接收终端接收所述可见光信号；

S3、所述信息接收终端响应所述可见光信号并返回一红外信号至所述无线发射装置；

S4、所述无线发射装置接收所述红外信号。

实施本发明的一种光通信系统及一种光通信方法，具有以下有益效果：采用可见光作为下行链路传输波段，采用红外光作为上行链路传输波段，可见光安全性好、通信安全可靠、信道带宽大、传输速率高，此外，两者传输不会相互干扰。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明提供的光通信系统框图；

图2为本发明提供的光通信系统示意图；

图3为本发明提供的可见光发射单元的结构示意图；

图4为本发明提供的可见光接收单元的框图；

图5为前置放大器的结构示意图；

图6为主放大器的结构示意图；

图7为前置放大器与主放大器的连接示意图；

图8为本发明提供的红外发射单元的结构示意图；

图9为本发明提供的红外接收单元的结构示意图；

图10为本发明提供的光通信方法流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明通过在公共场合安装一无线发射装置1，通过发射可见光信号至多个用户所持有的信息接收终端2中，同时，信息接收终端2返回一红外信号至无线发射装置1，从而无线发射装置1达到无线路由分发信息的效果。本发明所提供的方案不仅较传统的无线通信方式具有更大的带宽，还增加了信号传输的安全性。

图1为本发明提供的光通信系统框图，如图1所示，该系统包括一个无线发射装置1以及至少一个信息接收终端2，通过可见光通信，将信息从无线发射装置1中发射至至少一个信息接收终端2中，可见光通信技术是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。

故所述无线发射装置1包括可见光发射单元11、以及红外接收单元12；每一个所述信息接收终端2包括可见光接收单元21、以及红外发射单元22；

所述可见光发射单元11用于发射可见光信号至所述可见光接收单元；所述可见光接收单元21用于接收所述可见光信号；所述红外发射单元22用于发射红外信号至所述红外接收单元12；所述红外接收单元12用于接收所述红外信号。

例如：通过产生发射电信号，比如“1”、“0”，控制对应的LED灯具发出对应的光信号，该信号可以通过从互联网上获取，也可以自行通过控制电路产生，因为LED灯具提供可见光通信为零电磁波、零辐射的无线技术，而LED灯则非常适合做可见光通信的光源，在照明的同时实现较高速率的光通信。其实LED发光是一闪一闪的，因为闪动频率极高，我们的肉眼“功能”太差分辨不出来，这种闪动其实就是一种开、关过程，LED这一开一关就可以承担发送信息的任务了，比如，开就代表“1”，关就代表“0”，通过信息编码也就是0与1的各种组合，就可以通过灯光来传递了。将灯光作为可见光发射单元11可以应用于飞机候机大厅、医院等候大厅，或者直接应用于飞机内，通过安装在飞机乘客的座位上的LED阅读灯内，将该LED阅读灯作为一个网络接入点，放置下方就可以通过相应的接收装置接收广播信息；或者在医院中，高频电磁波类型的无线通信干扰可能会对某些仪器造成损害，特别是在手术中，那么这个时候也可以用可见光通信安全、高效地控制某些设备或传输X光图像等。

此外，用红外光发射单元22将数据给通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据发送给可见光发射装置1中的红外接收单元12。来达到双向通信实现数据传输，可避免双向可见光通信的光信号干扰。

图2为本发明提供的光通信系统示意图，如图2所示，无线发射装置1可以与多个信息接收终端2进行单向可见光传输及单向红外传输，具体的，下行链路采用可见光传输，下行链路采用红外传输。

参见图3，图3为本发明提供的可见光发射单元的结构示意图，所述可见光发射单元11包括调制电流发生器111、与所述调制电流发生器111电性连接的差分驱动器112及与所述差分驱动器112电性连接的光源发生器113；所述电流发生器111用于依据所述发射电信号调制所述差分驱动器112的工作电流；所述差分驱动器112用于依据所述工作电流调整所述光源发生器113的工作状态；所述光源发生器113用于依据所述工作状态产生所述可见光信号。例如：调制电流发生器111控制输出给光源发生器113一般采用LED光源或者为阵列光源的电流幅度大小，调制电流发生器111由一个集成运算放大器、一个NPN型三极管构成。集成运算放大器的同相输入端接参考电压发生器，反向输入端直接连到三极管发射极构成负反馈，反向输入端的输入电压值选取三极管发射极的电位。电阻R1的作用就是为集成运算放大器的反向输入端提供输入电压。调制电流发生器的工作原理是：集成运放通过比较参考电压和三极管发射极电压(参考电压大于三极管发射极电压)，将两个电压的差值放大输出，然后驱动NPN型三极管。调制电流发生器的集电极电流进一步控制差分驱动器的工作时的电流大小。因此，通过选取电阻R1的大小，就可以获得不同大小的集电极电流，进而获得差分驱动器输出不同大小的驱动电流。差分驱动器由两个NPN三极管T1和T2构成，T1的集电极接LED光源，T2的集电极通过一个电阻接电源。Q2为倒相放大器，将输入比较器的检测信号变成差分信号，并且提供增益放大。差分信号控制三极管T1和T2的基极，当输入比较器检测数值为“1”时，T1导通，T2截止，此时LED发光，发出信号“1”；当输入比较器检测数值为“0”时，T1截止，T2导通，此时LED不发光，相当于发出信号“0”。差分驱动器通过两个三极管T1和T2的相互导通来控制阵列光源的开启和关闭，将光信号调制到LED阵列光源上。无论是哪个三极管导通都能够保持稳定的电流输出，有效减低噪声和电磁干扰。差分驱动器就相当于一个选通开关，受输入缓冲器检测信号的控制。

所述可见光接收单元21用于接收所述可见光信号；如图4所示，图4为本发明提供的可见光接收单元的框图，所述接收单元21包括光电探测器211、与所述光电探测器211电性连接的前置放大器212、与所述前置放大器212电性连接的主放大器213、与所述主放大器213电性连接的均衡器214、与所述均衡器214电性连接的判别器215、与所述判别器215电性连接的解码器216；

所述光电探测器211用于接收所述可见光信号并将所述可见光信号转化为原始电信号；例如光电探测器211采用PIN光电二极管接收光信号并转化成电流信号。

所述前置放大器212用于将所述原始电信号放大为前置放大信号；如图5所示，所述前置放大器212包括跨阻放大器212A、与所述跨阻放大器212A电性连接的差分信号转换器212B、以及与所述差分信号转换器212B电性连接的差分放大输出单元212C。如图7所示，所述前置放大器212与所述主放大器213进行阻容耦合。阻容耦合方式可带来很多好处：由于电容对直流量的电抗为无穷大，两级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互独立，因此降低了电路设计的难度，而且由于电容的通高频、阻低频的特性，可以起到滤除低频干扰信号的作用。

所述跨阻放大器212A用于放大所述原始电信号；所述差分信号转换器212B用于将放大后的原始电信号转换为差分信号；所述差分放大输出单元212C用于将所述差分信号转换为所述前置放大信号。其中，跨阻放大器212A中采用放大器A1组成跨阻抗放大器。反馈电阻R2跨接在放大器反向输入端和输出端，形成并联负反馈，将输入电流转换成电压。并联的两个二极管D1和D2的作用是钳位，在大输入电流的情况下，限制输出信号的幅度，从而达到增大光接收机动态范围的目的。经过跨阻放大器212A进行放大后，再经过差分信号转换器212B转换成差分信号，然后通过差分放大输出单元212C输出。

所述主放大器213用于将所述前置放大信号放大为电平放大信号；如图6所示，所述主放大器213包括输入缓冲器213A、与所述输入缓冲器213A电性连接的多级放大器213B、以及与所述多级放大器213B电性连接的输出缓冲单元213C。其中，主放大器213对信号进行多级放大，使得信号强度满足判决再生的需要。优选的，主放大器213具有自动增益(AGC)功能，对输入信号的变化作出补偿控制，保持输出信号的幅度的稳定。从前置放大器212来的差分信号通过输入引脚IN+和IN-进入输入缓冲器，得到放大。然后，信号在多级放大器213B处进一步放大处理，通过AGC功能控制其输出幅度，使之输出幅度保持不变。最后，从输出缓冲单元213C输出。

输入缓冲器213A由一对射随器和一对差分对管组成。差分信号根据输入的数值控制晶体管T1和T2的导通和截止。然后，通过晶体管的射极输出控制差分放大器的工作。输出缓冲器是一个共发射极差分对管，输出信号的高低电平切换是由差分对管的开关作用控制。

所述均衡器214用于对所述电平放大信号进行波形均衡处理；均衡器是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用，一般调音台上的均衡器仅能对高频、中频、低频三段频率电信号分别进行调节。在通信系统中，在系带系统中插入均衡器能够减小码间干扰的影响。

所述判别器215用于对进行均衡处理后的所述电平放大信号进行电平判别，以得到判别信号；其中，所述判别器215还与所述前置放大器212电性连接，所述判别器215还用于提取所述前置放大信号的时钟信号以进行电平判别。时钟信号是时序逻辑的基础，它用于决定逻辑单元中的状态何时更新。在边沿触发机制中，只有上升沿或下降沿才是有效信号，才能控制逻辑单元状态量的改变。至于到底是上升沿还是下降沿作为有效触发信号，则取决于逻辑设计的技术。

所述解码器216用于对所述判别信号进行解码以得到接收电信号。解码器216一般通过对判别后的信号进行解码，得到接收电信号，该接收信号一般只有两种电平，如“1”、“0”，即数字信号。

图8为本发明提供的红外发射单元的结构示意图，如图8所示，所述红外发射单元22包括红外调制电流发生器221、与所述红外调制电流发生器221电性连接的红外差分驱动器222及与所述红外差分驱动器222电性连接的红外发生器223；

所述红外调制电流发生器221用于调制所述红外差分驱动器222的工作电流；

所述红外差分驱动器222用于依据所述工作电流调整所述红外发生器223的工作状态；

所述红外发生器223用于依据所述工作状态产生所述红外信号。

图9为本发明提供的红外接收单元的结构示意图，如图9所示，所述红外接收单元12包括红外探测单元121、与所述红外探测单元121电性连接的集成电路122；

所述红外探测单元121用于将所述红外信号转化为原始电信号；

所述集成电路122用于识别所述原始电信号以接收所述红外信号。

另外，还可以通过在信息接收终端2中加设一处理单元所述处理单元用于将所述接收电信号转换为播放信号。任一所述信息接收终端2还包括与所述处理单元电性连接的播放装置，所述播放装置用于播放所述播放信号。例如，广播系统中，接收到的播放信号可以为音频信号，也可以为视频信号，或者音视频信号皆有，播放装置23按照信号的种类选择相应的视频播放器或者音频播放器进行播放。

同时，可以在无线发射装置1内安装一可见光控制模块，以专门控制可见光信号的发射以及红外信号的接收，该可见光控制模块也可以设置于无线发射装置1外，独立作为一装置以控制该无线发射装置1的可见光信号的发射以及红外信号的接收；同样的，在信息接收终端2内安装一红外控制模块，以专门控制红外信号的发射以及可见光信号的接收，该红外控制模块也可以设置于信息接收终端2外，独立作为一装置以控制该信息接收终端2的红外信号的发射以及可见光信号的接收。

图10为本发明提供的光通信方法流程图，如图10所示，提供一个无线发射装置1以及至少一个信息接收终端2，该方法包括以下步骤：

S1、所述无线发射装置1发射一可见光信号至所述信息接收终端2；该步骤主要是将无线发射装置1发挥Li-Fi作用，取代无线路由的功能，通过可见光覆盖进行无线传输。

S2、所述信息接收终端2接收所述可见光信号；信息接收终端2上应设置有接收可见光信号的接收天线。

S3、所述信息接收终端2响应所述可见光信号并返回一红外信号至所述无线发射装置1；识别可见光信号后，返回红外信号至无线发射装置1，采用另一专用的红外发射天线，从而不会干扰光信号的传输。

S4、所述无线发射装置1接收所述红外信号。同样的，无线发射装置1上应设置有接收红外信号的接收天线。

本发明实施例的有益效果在于：

1、安全性好，方便：采用室内照明LED光源即可实现。

2、发射功率高。

3、无需无线电频谱认证。无线电频谱资源由于被管制显得非常有限，当前能够分配的无线电频率已经严重不足。

4、无电磁干扰。可以用于对磁干扰严格限制的场合。如医院、机场等。

5、通信安全可靠。由于可见光通不能穿墙，故其通信被严格限制在了室内，使得室外窃听室内的通信数据非常困难。

6、信道带宽大。可见光波波长范围较大，380-780nm，因此具有较大的带宽。

7、传输速率高。LED的响应速度非常快，因此可以用LED进行高速数据通信。配以恰当的编码和驱动技术，LED能够用于100Mb/s以上的高速数字通信。

8、用红外光将数据给通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据发送给无线发射装置1中的红外接收单元12。来达到双向通信实现数据传输，同时避免双向可见光通信的光信号干扰。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种光通信系统，包括一个无线发射装置(1)以及至少一个信息接收终端(2)，其特征在于，

所述无线发射装置(1)包括可见光发射单元(11)、以及红外接收单元(12)；每一个所述信息接收终端(2)包括可见光接收单元(21)、以及红外发射单元(22)；

所述可见光发射单元(11)用于发射可见光信号至所述可见光接收单元；

所述可见光接收单元(21)用于接收所述可见光信号；

所述红外发射单元(22)用于发射红外信号至所述红外接收单元(12)；

所述红外接收单元(12)用于接收所述红外信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可见光发射单元(11)包括可见光调制电流发生器(111)、与所述可见光调制电流发生器(111)电性连接的可见光差分驱动器(112)及与所述可见光差分驱动器(112)电性连接的光源发生器(113)；

所述可见光电流发生器(111)用于调制所述可见光差分驱动器(112)的工作电流；

所述可见光差分驱动器(112)用于依据所述工作电流调整所述光源发生器(113)的工作状态；

所述光源发生器(113)用于依据所述工作状态产生所述可见光信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可见光接收单元(21)包括光电探测器(211)、与所述光电探测器(211)电性连接的前置放大器(212)、与所述前置放大器(212)电性连接的主放大器(213)、与所述主放大器(213)电性连接的均衡器(214)、与所述均衡器(214)电性连接的判别器(215)、与所述判别器(215)电性连接的解码器(216)；

所述光电探测器(211)用于将所述可见光信号转化为原始电信号；

所述前置放大器(212)用于将所述原始电信号放大为前置放大信号；

所述主放大器(213)用于将所述前置放大信号放大为电平放大信号；

所述均衡器(214)用于对所述电平放大信号进行波形均衡处理；

所述判别器(215)用于对进行均衡处理后的所述电平放大信号进行电平判别，以得到判别信号；

所述解码器(216)用于对所述判别信号进行解码以接收所述可见光信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述判别器(215)还与所述前置放大器(212)电性连接，所述判别器(215)还用于提取所述前置放大信号的时钟信号以进行电平判别。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述前置放大器(212)包括跨阻放大器(212A)、与所述跨阻放大器(212A)电性连接的差分信号转换器(212B)、以及与所述差分信号转换器(212B)电性连接的差分放大输出单元(212C)；

所述跨阻放大器(212A)用于放大所述原始电信号；

所述差分信号转换器(212B)用于将放大后的原始电信号转换为差分信号；

所述差分放大输出单元(212C)用于将所述差分信号转换为所述前置放大信号。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主放大器(213)包括输入缓冲器(213A)、与所述输入缓冲器(213A)电性连接的多级放大器(213B)、以及与所述多级放大器(213B)电性连接的输出缓冲单元(213C)。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述前置放大器(212)与所述主放大器(213)进行阻容耦合。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红外发射单元(22)包括红外调制电流发生器(221)、与所述红外调制电流发生器(221)电性连接的红外差分驱动器(222)及与所述红外差分驱动器(222)电性连接的红外发生器(223)；

所述红外调制电流发生器(221)用于调制所述红外差分驱动器(222)的工作电流；

所述红外差分驱动器(222)用于依据所述工作电流调整所述红外发生器(223)的工作状态；

所述红外发生器(223)用于依据所述工作状态产生所述红外信号。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红外接收单元(12)包括红外探测单元(121)、与所述红外探测单元(121)电性连接的集成电路(122)；

所述红外探测单元(121)用于将所述红外信号转化为原始电信号；

所述集成电路(122)用于识别所述原始电信号以接收所述红外信号。

10.一种光通信方法，提供一个无线发射装置(1)以及至少一个信息接收终端(2)，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、所述无线发射装置(1)发射一可见光信号至所述信息接收终端(2)；

S2、所述信息接收终端(2)接收所述可见光信号；

S3、所述信息接收终端(2)响应所述可见光信号并返回一红外信号至所述无线发射装置(1)；

S4、所述无线发射装置(1)接收所述红外信号。