CN105337665A - 基于可见光通信的收发装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种基于可见光通信的收发装置及其方法。本发明中，基于可见光通信的收发装置包含发射部分和接收部分，接收部分包含：光电检测器，用于接收可见光信号，接收部分还包含：对准模块，用于检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出光强信息的最强位置，根据最强位置控制光电检测器接收端的对准方向。使本发明实施方式中的基于可见光通信的收发装置在接收可见光信号时，可以自动对准信号来源的位置，加快对准速度，实现自动化控制，节省人力及时间，并充分收集可见光信号，提高信号有效性。

Description

基于可见光通信的收发装置及其方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及基于可见光通信的收发装置及其方法。

背景技术

LED可见光通信作为一种照明和光通信结合的新型模式推动下一代照明和接入网的发展和技术进步，已成为国内外竞争的焦点和制高点。可见光通信技术是伴随着LED照明(也称固体照明)技术的发展应运而生的，它可以使LED灯在照明的同时进行高速通信。

现在，可见光通信技术主要集中在矿业和商用领域，而且体积较大，现有最远中心传输距离为4m左右，且接收端与发射端需通过人工对准，尤其是，现有LED灯光的覆盖面积较小，不能满足较多数量的终端通信。如果要将LED可见光通信系统应用到家庭中，还需要将可见光通信系统的收发端做小，同时延长数据传输距离，并增大信号覆盖面积，实现可见光通信系统的集成化和小型化发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可见光通信的收发装置及其方法，使接收可见光信号时可以自动对准信号来源位置，加快对准速度，实现自动化控制，节省人力及时间，并充分收集可见光信号，提高信号有效性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于可见光通信的收发装置，包含发射部分和接收部分，所述接收部分包含：光电检测器，用于接收可见光信号，还包含：对准模块；

所述对准模块，用于检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出所述光强信息的最强位置，根据所述最强位置控制所述光电检测器接收端的对准方向。

本发明还提供了一种基于可见光通信的收发方法，包含以下步骤：

A.利用光电检测器接收可见光信号；

B.利用对准模块检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出光强信息的最强位置，根据最强位置控制光电检测器接收端的对准方向。

本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：利用新增的对准模块对光强信息进行检测，并判断出光强最强的位置，也就是所接收到的可见光信号的来源位置，同时控制光电检测器的接收端对准判断出的可见光信号的来源位置。使本发明实施方式中的基于可见光通信的收发装置在接收可见光信号时，可以自动对准信号来源的位置，加快对准速度，实现自动化控制，节省人力及时间，并充分收集可见光信号，提高信号有效性。

作为进一步改进，对准模块可以包含以下子模块：

定位光电二极管PIN子模块，用于检测所接收到的可见光信号的光强信息；

伺服控制子模块，用于根据所述光强信息判断出所述光强信息的最强位置，根据所述最强位置控制所述光电检测器接收端的对准方向。

利用PIN检测光强信息，利用伺服控制系统控制光电检测器的对准位置，使得本发明实施方式具有可实现性。

作为进一步改进，对准模块还可以包含：自动聚焦子模块和透镜组；

所述自动聚焦子模块，用于根据所述光电检测器接收到的可见光信号的光强信息控制所述透镜组进行调焦；

其中，所述接收到的可见光信号经所述透镜组落在所述光电检测器的接收端上。

新增自动聚焦的功能，使得对准模块在控制光电检测器的接收到对准位置的同时，还可以对所接收到的可见光信号进行自动聚焦，从而可以延长LED可见光系统的传输距离。

作为进一步改进，所述发射部分可以包含的LED的数量大于一个；所述LED围绕所述接收部分排布。

利用多个LED增加可见光信号的发射强度，增大信号覆盖范围，能避免有效信号的不必要的重复覆盖。

作为进一步改进，所述光电检测器为GaN或GaAlAs或硅Si基光电探测器。利用GaN、GaAlAs或Si基光电探测器，可以提高光电检测器响应度，实现漫射散射接收，用于后续信号的处理，增加有效信号的接收。

作为进一步改进，所述发射部分可以包含的LED的数量大于一个；所述LED围绕所述接收部分排布。利用多个LED增加可见光信号的发射强度，大大增加信号覆盖范围。

作为进一步改进，所述LED呈圆形排布。圆形的形状可以重复利用有效面积，增加信号覆盖范围。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的基于可见光通信的收发装置结构示意图；

图2是根据本发明第二实施方式的基于可见光通信的收发装置结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的自动聚焦控制系统的结构示意图；

图4a是根据本发明第三实施方式的基于可见光通信的收发装置的LED部分示意图；

图4b是根据本发明第三实施方式的基于可见光通信的收发装置示意图；

图5是根据本发明第四实施方式的基于可见光通信的收发方法流程图；

图6是根据本发明第四实施方式的基于可见光通信的收发方法中对准步骤的流程图；

图7是根据本发明第五实施方式的基于可见光通信的收发方法中对准步骤的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于可见光通信的收发装置，如图1所示，包含：接收部分和发射部分，其中，接收部分包含：光电检测器和对准模块，其中，光电检测器用于接收可见光信号；对准模块用于检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出光强信息的最强位置，根据最强位置控制光电检测器接收端的对准方向。发射部分包含：LED和一块LED发射板，其中，LED发射板包括调制电路、biasTee(直流偏置)和驱动芯片等，之后将数据传送给数据处理芯片进行处理。

具体的说，基于可见光通信的收发装置在接收可见光信号时，利用光电检测器接收可见光信号，之后在光电转换后传送给接收AFE(analogfrontend，模拟前端)，接收AFE将LED可见光中加载的有效信号解调出来，提取可见光所携带的信息。在发射可见光信号时，是利用数据处理芯片处理待传输的信息，由驱动芯片驱动LED灯珠，发出加载了待传输信息的可见光。

更具体的说，本实施方式中的对准模块包含以下子模块：

定位光电二极管(下简称“定位PIN”)子模块，用于检测所接收到的可见光信号的光强信息；伺服控制子模块，用于根据光强信息判断出光强信息的最强位置，根据最强位置控制光电检测器接收端的对准方向；其中，定位PIN子模块包含至少一个定位PIN。利用定位PIN检测光强信息，利用伺服控制系统控制光电检测器的对准位置，使得本发明实施方式具有可实现性。

值得一提的是，在实际应用的对准过程中，伺服控制系统可以采用多个排成环形的定位PIN(也就是探测器)和一个单片机组成，用驱动马达就可以控制云台，实现自动对准功能。具体的说，本实施方式中使用两个定位PIN，此外，在实际应用中，可以使用更多数量的定位PIN，定位PIN的数量越多，定位效果越好，当然，为了减少系统的计算量，也可以使用一个定位PIN。

还需说明的是，本实施方式中的光电检测器可以为GaN基光电探测器。可以提高光电检测器响应度，实现漫射散射接收，用于后续信号的处理，增加有效信号的接收。此外，本实施方式中的光电检测器还可以为GaAlAs基光电探测器或Si基光电探测器，使得本发明可以灵活多变地根据实际应用选择不同的光电检测器，拓展本发明的应用场景。还值得一提的是，利用GaAlAs芯片可以实现响应度0.4以上，带宽100MHz。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：利用新增的对准模块对光强信息进行检测，并判断出光强最强的位置，也就是所接收到的可见光信号的来源位置，同时控制光电检测器的接收端对准判断出的可见光信号的来源位置。使本实施方式中的基于可见光通信的收发装置在接收可见光信号时，可以自动对准信号来源的位置，加快对准速度，实现自动化控制，节省人力及时间，并充分收集可见光信号，提高信号有效性。其中，利用GaN基光电探测器作为光电检测器还可以增加探测器的响应度，实现漫射散射接收。

本发明的第二实施方式同样涉及一种基于可见光通信的收发装置，本实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，如图2所示，主要改进之处在于：本实施方式中的对准模块中还可以包含：自动聚焦子模块和透镜组，增加了自动聚焦功能，从而可以延长LED可见光系统的传输距离。

具体的说，对准模块还可以包含：自动聚焦子模块和透镜组；其中，自动聚焦子模块，用于根据光电检测器接收到的可见光信号的光强信息控制透镜组进行调焦；并且，接收到的可见光信号经透镜组落在光电检测器的接收端上。使得对准模块在控制光电检测器的接收到对准位置的同时，还可以对所接收到的可见光信号进行自动聚焦，从而可以延长LED可见光系统的传输距离。

值得一提的是，由于自动聚焦控制系统中使用的透镜组比目前手动调节的透镜组体积更小、可见光接收范围更大、探测距离更远、聚焦准确度更高。在LED可见光通信系统中使用自动聚焦控制系统更利于系统的集成化、小型化发展。通过集成设计，能够使可见光通信系统接收端向集成化、微型化发展。

此外，本实施方式中的自动聚焦控制系统的工作原理可以利用如图3所示的结构示意图实现，在实际应用中，还可以利用其它结构实现，或者以现有的结构实现，在此不再赘述。

此外，在本实施方式中的基于可见光通信的收发装置相当于无线通信中的“天线”，其外形的设计可以为天线造型(比如喇叭形、扇形、圆形，还有雷达天线的圆弧形等等)也可以仅为一个装置，造型非常灵活多变，可以根据不同的应用场景选择设计为不同的外形形状。具体的说，透镜组设置在本实施方式中基于可见光通信的收发装置的顶端，光电检测器的接收端设置在透镜组聚焦点位置。

本发明的第三实施方式同样涉及一种基于可见光通信的收发装置，本实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：本实施方式中的发射部分的LED的数量大于一个，可以增大本实施方式中基于可见光通信的收发装置的发射信号覆盖范围。

具体的说，本实施方式中的发射部分包含的LED的数量大于一个，而且，各LED围绕接收部分排布。利用多个LED增加可见光信号的发射强度，大大增加信号覆盖范围。

此外，本实施方式还可以进一步优化，各LED排布呈圆形，如图4a所示，也就是使LED呈葵花形。具体的说，LED的排布采用葵花头式设计，由于每个LED灯珠有一定的发散角(一般为10°)，而且以上葵花形设计更有利于充分利用资源，能够增大覆盖面积的同时又能避免有效信号的不必要的重复覆盖，葵花形设计中，相邻LED灯珠发出光线的重叠，使光线能够均匀分布又可以减少信号重叠，利用了二次光学设计。更具体的说，本实施方式中的基于可见光通信的收发装置可以为如图4b所示的结构。

还值得一提的是，本实施方式还可以通过驱动程序控制葵花形排布的LED具有不同的功能，例如：部分灯珠只用于照明，而部分LED灯珠除用于照明外兼具通信功能，丰富本实施方式中LED的功能，也可以设计为，中间的灯珠用于照明，周边一圈的用于通信，此外，还可以为各个LED配置灯珠开关，有效节能。在保证信号覆盖范围的同时，确保LED本身的照明功能，还能使得本发明灵活多变地适应各种应用场景。

本发明的第四实施方式涉及一种基于可见光通信的收发方法，流程图如图5所示，具体如下：

步骤501，利用光电检测器接收可见光信号。

步骤502，利用对准模块检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出光强信息的最强位置，根据最强位置控制光电检测器接收端的对准方向。

具体的说，其中，光电检测器和对准模块均内置于接收部分。

还需说明的是，本步骤可以进一步细化，流程图如图6所示，具体如下：

步骤601，利用定位光电二极管PIN子模块检测所接收到的可见光信号的光强信息。

步骤602，利用伺服控制子模块，根据光强信息判断出光强信息的最强位置，根据最强位置控制光电检测器接收端的对准方向。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

需要说明的是，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明的第五实施方式同样涉及一种基于可见光通信的收发方法，本实施方式是在第四实施方式的基础上做了进一步改进，如图7所示，在对准步骤中还包含自动聚焦步骤，可以延长LED可见光系统的传输距离。具体如下：

步骤701至步骤702和第四实施方式中的步骤601至步骤602相类似，在此不再赘述。

步骤703，根据光电检测器接收到的可见光信号的光强信息控制透镜组进行调焦。

具体的说，其中，接收到的可见光信号经透镜组落在光电检测器的接收端上。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于可见光通信的收发装置，包含发射部分和接收部分，所述接收部分包含：光电检测器，用于接收可见光信号，其特征在于，所述接收部分还包含：对准模块；

所述对准模块，用于检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出所述光强信息的最强位置，根据所述最强位置控制所述光电检测器接收端的对准方向。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信的收发装置，其特征在于，所述对准模块包含以下子模块：

定位光电二极管PIN子模块，用于检测所接收到的可见光信号的光强信息；

伺服控制子模块，用于根据所述光强信息判断出所述光强信息的最强位置，根据所述最强位置控制所述光电检测器接收端的对准方向。

3.根据权利要求2所述的基于可见光通信的收发装置，其特征在于，所述对准模块还包含：自动聚焦子模块和透镜组；

所述自动聚焦子模块，用于根据所述光电检测器接收到的可见光信号的光强信息控制所述透镜组进行调焦；

其中，所述接收到的可见光信号经所述透镜组落在所述光电检测器的接收端上。

4.根据权利要求3所述的基于可见光通信的收发装置，其特征在于，所述发射部分包含的LED的数量大于一个；

所述LED围绕所述接收部分排布。

5.根据权利要求1所述的基于可见光通信的收发装置，其特征在于，所述光电检测器为氮化镓GaN、砷镓铝GaAlAs或硅Si基光电探测器。

6.根据权利要求1所述的基于可见光通信的收发装置，其特征在于，所述发射部分包含的LED的数量大于一个；

所述LED围绕所述接收部分排布。

7.根据权利要求6所述的基于可见光通信的收发装置，其特征在于，所述LED呈圆形排布。

8.一种基于可见光通信的收发方法，其特征在于，包含以下步骤：

A.利用光电检测器接收可见光信号；

B.利用对准模块检测所接收到的可见光信号的光强信息，并判断出所述光强信息的最强位置，根据所述最强位置控制所述光电检测器接收端的对准方向。

9.根据权利要求8所述的基于可见光通信的收发方法，其特征在于，在所述步骤B之中，包含以下子步骤：

所述对准模块通过定位光电二极管PIN检测所接收到的可见光信号的光强信息。

10.根据权利要求9所述的基于可见光通信的收发方法，其特征在于，在所述步骤B之中，还包含以下子步骤：

根据所述光电检测器接收到的可见光信号的光强信息控制透镜组进行调焦；

其中，所述接收到的可见光信号经所述透镜组落在所述光电检测器的接收端上。