CN105763254A - 一种均衡器及基于可见光的数据发送装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光通信技术领域，公开了一种均衡器及基于可见光的数据发送装置。本发明中，基于可见光的数据发送装置，包含：均衡器、驱动电路与发光二极管LED；均衡器与驱动电路相连，驱动电路与LED相连；均衡器，用于对输入信号进行均衡处理，并输出至驱动电路；其中，输入信号为交流信号，携带发送信息；驱动电路，用于对均衡处理后的交流信号与一直流信号进行耦合，并驱动LED发出可见光；其中，可见光携带发送信息。与现有技术相比，利用均衡器对可见光通信系统的输入信号进行均衡处理，可以提高可见光通信系统的线性度，降低系统的误码率，改善系统的性能。

Description

一种均衡器及基于可见光的数据发送装置

技术领域

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种均衡器及基于可见光的数据发送装置。

背景技术

商用白光LED(发光二极管)的调制带宽约3MHz，其有限的带宽是制约高速可见光通信的瓶颈。目前，用于增加LED的-3dB(分贝)调制带宽的途径有预均衡、后均衡和蓝光滤波。其中，结合蓝色滤光，在使用白色LED和PIN(本征光电二极管)光检测器的情况下利用OOK-NRZ(非归零开关键控)调制方式，并采用多谐振均衡电路，可以实现在10cm的短距离的条件下达到80Mb/s的数据速率。另外，采用预加重电路，同样使用白光LED，蓝光滤镜和PIN接收机，可以在1.1m的距离下使白光通信传输速率达到200Mb/s。

但是，采用OOK-NRZ调制方式不适合在可见光通信系统中进行高速数据传输。本申请的发明人发现，由于OFDM具有抗多径效应和很高的信噪比(SNR)的优点，是高速可见光系统中很好的选择。然而，基于OFDM的可见光通信系统(简称“VLC”)的线性度以及误码率却有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均衡器及基于可见光的数据发送装置，可以提高可见光通信系统的线性度，降低系统的误码率，改善系统的性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于可见光的数据发送装置，包含：均衡器、驱动电路与发光二极管LED；

所述均衡器与所述驱动电路相连，所述驱动电路与所述LED相连；

所述均衡器，用于对输入信号进行均衡处理，并输出至所述驱动电路；其中，所述输入信号为交流信号，携带发送信息；

所述驱动电路，用于对均衡处理后的交流信号与一直流信号进行耦合，并驱动所述LED发出可见光；其中，所述可见光携带所述发送信息。

本发明的实施方式还提供了一种均衡器，包含：第一电阻电感电容(RLC)网络、第一电阻R1、第二电阻R2与第二RLC网络；

第一RLC网络连接在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述R1、R2依次串联在所述均衡器的输入端与输出端之间；

第二RLC网络一端与所述R1、R2之间的节点相连，另一端与所述均衡器的输入端、输出端均相连；

其中，所述R1、R2的阻值相等，均为所述均衡器的特性阻抗R0；第一RLC网络的等效阻抗Z11与第二RLC网络的等效阻抗Z12的乘积等于R0的平方。

本发明实施方式相对于现有技术而言，利用均衡器对可见光通信系统的输入信号进行均衡处理，由于采用均衡器之后，系统不平坦的频谱变得平坦，系统的带宽得到显著提高，可以提高可见光通信系统的线性度，降低系统的误码率，改善系统的性能。而且，本发明实施方式提供的均衡器，由于该均衡器可以在需要均衡的宽频带都可以较好的进行信道均衡，并不针对特定的调制方式，可以适用于OOK(开关键控)，BPSK(二进制相移键控)，M-QAM(多进制正交幅度调制，如四进制相移键控QPSK即4QAM，8QAM，16QAM)，同时所设计的均衡器在设计时已经考虑到阻抗匹配的问题，所有参数的推导设计都是基于输入输出阻抗特性设计的，所以，具有非常好的线性度和阻抗匹配特性。

另外，所述第一RLC网络包含：第一电容C1、第三电阻R3与第一电感L1；所述R3连接在所述均衡器的输入端与输出端之间；所述C1、L1依次串联在所述均衡器的输入端与输出端之间；所述第二RLC网络包含：第二电容C2、第四电阻R4与第二电感L2；所述R4一端与所述R1、R2之间的节点相连，另一端与所述C2、L2均相连，所述C2、L2并联后与所述均衡器的输入端、输出端均相连。由于均衡器只使用无源元件(电阻、电容和电感)，所以均衡器的体积非常小、安装方便，可以使均衡器很容易地集成到基于可见光的数据发送装置中。

另外，所述驱动电路包含放大器与偏置树(Bias-tee)；所述均衡器、所述放大器、所述偏置树与所述LED依次串联。

另外，所述偏置树为低通偏置树。使用低通Bias-tee，可以保证输入信号中的低频信号顺利通过。

另外，R3的阻值为249Ω，R1与R2的阻值均为49.9Ω，R4的阻值为10Ω，C1与C2的电容值均为22皮法(pF)，L1与L2的电感值均为56纳亨(nH)。所述放大器的输入阻抗与输出阻抗均为50Ω。由于该均衡器可以在需要均衡的宽频带都可以较好的进行信道均衡，并不针对特定的调制方式，可以适用于OOK(开关键控)，BPSK(二进制相移键控)，M-QAM(多进制正交幅度调制，如四进制相移键控QPSK即4QAM，8QAM，16QAM)，同时所设计的均衡器在设计时已经考虑到阻抗匹配的问题，所有参数的推导设计都是基于输入输出阻抗特性设计的，所以，具有非常好的线性度和阻抗匹配特性。

另外，还包含散热隔板；所述均衡器与所述驱动电路位于所述散热隔板的一侧，所述LED位于所述散热隔板的另一侧。采用散热隔板将LED和驱动电路板分离，一方面，可以避免LED发热烧坏驱动电路板，另一方面，可以不干扰用户照明使用。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的基于可见光的数据发送装置结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的均衡器的结构框图；

图3是根据本发明第一实施方式中的均衡器的原理图；

图4是根据本发明第一实施方式中均衡器的前向传输系数曲线示意图；

图5是根据本发明第一实施方式中没有加均衡和加均衡器之后的信道前向传输增益对比示意图；

图6是本发明第一实施方式中采用的可见光通信系统的结构示意图；

图7A是本发明第一实施方式中原始OFDM信号的电谱图；

图7B是本发明第一实施方式中经过未采用均衡器的VLC系统的信号的电谱图；

图7C是本发明第一实施方式中桥T型均衡器的输出信号的电谱图；

图7D是本发明第一实施方式中采用均衡器经过VLC系统的信号的输出信号的电谱图；

图8是根据本发明第一实施方式中没有加均衡和加均衡器的BER与驱动电压的关系示意图；

图9是根据本发明第一实施方式中BER和白光LED的偏置电流的关系示意图；

图10是根据本发明第一实施方式中BER和白光LED与APD之间距离的关系示意图；

图11是根据本发明第一实施方式中的集成有均衡器的放大器的结构示意图；

图12是是根据本发明第一实施方式中的LED灯的结构示意图。

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的数据发送装置，具体如图1所示，包含：均衡器、驱动电路与发光二极管(LED)。其中，均衡器与驱动电路相连，驱动电路与LED相连。

均衡器，用于对输入信号进行均衡处理，并输出至驱动电路；其中，输入信号为任意波形发生器输出的交流信号，携带发送信息。具体地说，本实施方式中的均衡器，如图2～3所示，为定阻对称T型幅度均衡器，包含：第一RLC网络、第一电阻R1、第二电阻R2与第二RLC网络；其中，信号源用于产生输入信号；第一RLC网络连接在均衡器的输入端与输出端之间；R1、R2依次串联在均衡器的输入端与输出端之间；第二RLC网络一端与R1、R2之间的节点相连，另一端与均衡器的输入端、输出端均相连；其中，R1、R2的阻值相等，均为均衡器的特性阻抗R0；第一RLC网络的等效阻抗(Z11)与第二RLC网络的等效阻抗(Z12)的乘积等于R0的平方，即

Z11*Z22＝R0²(1)

其中，第一RLC网络包含：第一电容(C1)、第三电阻(R3)与第一电感(L1)；R3连接在均衡器的输入端与输出端之间；C1、L1依次串联在均衡器的输入端与输出端之间；第二RLC网络包含：第二电容C2、第四电阻(R4)与第二电感(L2)；R4一端与R1、R2之间的节点相连，另一端与C2、L2均相连，C2、L2并联后与均衡器的输入端、输出端均相连。

若信号自身的输出阻抗(ZS)等于驱动电路的输入阻抗(ZL)，那么等式(1)。在任意角频率ω的情况下都成立，并且输入信号和LED的驱动电路之间的阻抗匹配，且可以得到均衡器的前向传输增益(S21)：

$S21=1/(1+\frac{R_L}{R4+\mathrm{j\ωL}1/(1-{\mathrm{\ω}}^2*C1*L1)})---\left(2\right)$

从等式(2)可以得到，当1-ω²*C1*L1趋向于零的时候，S21最大极限为1，系统的均衡带宽由决定；当ω相对比较小的时候且ZL为定值时，低频响应特性由电阻R4决定。

对于无源的均衡器，当ZS＝ZL＝R0时，反向传输增益(S12)等于前向传输增益(S21)，同时输入反射系数(S11)等于输出反射系数(S22)。

在本实施方式中，R3＝249Ω，R1＝R2＝49.9Ω，R4＝10Ω，C1＝C2＝22pF，L1＝L2＝56nH，R0＝50欧。这样，使该均衡器具有非常好的线性度和阻抗匹配特性。

驱动电路，用于对均衡处理后的交流信号与一直流信号(直流电流，简称“DC”)进行耦合，并驱动LED发出可见光；其中，可见光中携带发送信息。具体地说，驱动电路包含放大器(EA)与偏置树；均衡器、放大器、偏置树与LED依次串联。在本实施方式中，偏置树采用低通偏置树。这样，可以保证输入信号中的低频信号顺利通过。

进一步地，本实施方式中的均衡器可以级联(即若干个均衡器依次串联)，可以优化均衡的效果，进一步降低低频的幅度。

与现有技术相比，利用均衡器对可见光通信系统的输入信号进行均衡处理，由于采用均衡器之后，系统不平坦的频谱变得平坦，系统的带宽得到显著提高，可以提高可见光通信系统的线性度，降低系统的误码率，改善系统的性能。

在实际应用中，基于可见光的数据发送装置可以为一盏LED灯，并且，可以包含一个以上LED灯珠，这些LED灯珠可以排列为LED阵列。在封装时，用一散热隔板将LED与均衡器、驱动电路隔离开，具体而言，均衡器与驱动电路位于散热隔板的一侧，LED位于散热隔板的另一侧。这样，一方面，可以避免LED发热烧坏驱动电路板，另一方面，可以不干扰用户照明使用，用户不用在乎封装在灯罩里面的东西，对用户而言是没有什么变化的。

另外，发明人对本实施方式中的均衡器以及基于可见光的数据发送装置进行了测试。具体而言如下：

1.对均衡器的测试：采用微波网络分析仪(制造商：Agilent(安捷伦科技有限公司)，型号：N5230C，工作频率：从10MHz到40GHz)测试了均衡器的S参数，具体如图4～5所示。其中，图4是仿真和实际所测得的前向传输系数(S21)的曲线，从曲线可以看出仿真和实际测得的曲线可以很好的一致性。图5是所得到没有加均衡和加均衡器之后的信道前向传输增益S21。测试从10MHz开始测试，没有加均衡器时，-3dB带宽为7MHz(10MHz到17MHz)；加均衡器时，-3dB带宽为146MHz(10MHz到156MHz)。可以看到系统的带-3dB带宽从7MHz提高到146MHz。

2.对基于可见光的数据发送装置的测试：在本测试中，采用如图6所示的可见光通信系统，该系统包含：AWG、基于可见光的数据发送装置(发射端)与基于可见光的数据接收装置(接收端)。其中，AWG用于产生携带发送信息的输入信号，基于可见光的数据接收装置用于接收基于可见光的数据发送装置发射的可见光，并获取可见光中携带的发送信息。

具体地说，AWG(制造商：Tektronix(泰克)，型号：AWG710)产生的输入信号被所设计的幅度均衡器均衡，再经过电放大器(制造商：Minicircuit，25-dB增益，50Ω输入阻抗和50Ω输出阻抗)放大之后，所得到的波形经过偏置树进行交直流耦合，加载到白光LED(OSRAM，LCWCRDP.EC)上。在接收端，采用雪崩二极管(APD，制造商：Hamamatsu(滨松光子学株式会社)，-3dB带宽为100MHz)接收光信号，接收端的APD之前采用棱镜进行聚光以提高系统的信噪比(SNR)，然后采用蓝色滤光镜滤除白光中的黄色荧光粉部分，之后APD输出数据由实时数字示波器(OSC，制造商：Agilent，型号：54855A)采集数据。

其中，输入信号采用OFDM(正交频分复用)调制，16QAM(正交振幅调制)-OFDM信号上变频到中心频率56.25MHz，系统采用的带宽为100MHz。图7A～7D所示是测得的电谱图，(A)是原始OFDM信号，(B)是未采用均衡器经过VLC系统的信号，(C)是桥T型均衡器的输出，(D)是采用均衡器经过VLC系统的信号的输出，其中LED和APD的距离为1.5m。从7图中可以看到，采用均衡器之后，低频部分功率可以得到衰减，而高频部分则相对提高。

在利用如图6所示的VLC系统进行测试时，首先将白光LED和APD的距离固定在1.5m，白光LED的电流固定在100mA，测试了100MHz调制带宽下BER(误码率)随AWG驱动电压的关系。其中，信号驱动电压的峰峰值(Vpp)从1.5Vpp到1.8Vpp变化。图8是采用均衡器和未采用均衡器得到的BER随驱动电压的关系，可以看到1.7Vpp是采用均衡器之后的最佳偏置电压，误码率最低。同时，对比采用均衡器和未采用均衡器的数据，可以看到采用均衡器之后VLC系统的性能得到很大的提高，BER的性能可以提高一个数量级，从星座图中也可以看到二者明显的区别。图9是AWG驱动电压固定在1.7Vpp，传输距离为1.5m，改变白光LED的偏置电流所得到的BER曲线，偏置电流在90mA时是最佳的偏置电流，误码率最低。

在得到最佳的AWG驱动电压和白光LED的偏置电流后，改变发射机白光LED和接收机APD之间的距离来测试系统的性能和距离的关系。白光LED和APD之间的距离由1.5m变化到3m，步长为0.5m。图10是所得的BER随距离的变化关系，可以看到系统的性能随距离的增加而降低，这是因为距离增加后接收机接收到的光功率减少，系统的SNR降低，BER增加。当距离增加到3m时，采用均衡器后BER为3.43×10^-3，低于前向纠错码的极限3.8×10^-8。实验中采用16QAM-OFDM，系统调制带宽为100MHz，因此系统采用白光LED和硬件预均衡电路，可以使系统的总速率达到400Mb/s。

总之，在可见光通信系统中使用均衡器(实验中用单个商用白光LED、蓝光滤镜和高灵敏度APD，在调制带宽为100MHz时，采用16QAM-OFAM调制方式)，可以使系统总的数据速率达到400Mb/s，并且系统BER性能在经过3m自由空间传输后仍然低于前向纠错码的极限3.8×10-3。该速率(400Mb/s)是目前可见光通信中采用白光LED和硬件预均衡达到的最高速率。与没有采用均衡器相比，采用均衡器之后，系统的BER性能可以提高一个数量级。由于均衡器只使用无源元件，包括电阻，电容和电感，所以该均衡器的体积非常小、安装方便，可以使均衡器很容易地集成到放大器或LED灯中，具体如图11～12所示。其中，图11中的放大器包含均衡器与放大电路。图12中的LED灯包含LED阵列、散热隔板、均衡器与驱动电路。

本发明的第二实施方式涉及一种均衡器，包含：第一RLC网络、第一电阻R1、第二电阻R2与第二RLC网络；第一RLC网络连接在均衡器的输入端与输出端之间；R1、R2依次串联在均衡器的输入端与输出端之间；第二RLC网络一端与R1、R2之间的节点相连，另一端与均衡器的输入端、输出端均相连；其中，R1、R2的阻值相等，均为均衡器的特性阻抗R0；第一RLC网络的等效阻抗(Z11)与第二RLC网络的等效阻抗(Z22)的乘积等于R0的平方。

在本实施方式中，第一RLC网络包含：第一电容C1、第三电阻R3与第一电感L1；R3连接在均衡器的输入端与输出端之间；C1、L1依次串联在均衡器的输入端与输出端之间；第二RLC网络包含：第二电容C2、第四电阻R4与第二电感L2；R4一端与R1、R2之间的节点相连，另一端与C2、L2均相连，C2、L2并联后与均衡器的输入端、输出端均相连。

本实施方式中的均衡器与第一实施方式中的均衡器相同，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。

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)

1.一种基于可见光的数据发送装置，其特征在于，包含：均衡器、驱动电路与发光二极管LED；

所述均衡器与所述驱动电路相连，所述驱动电路与所述LED相连；

所述均衡器，用于对输入信号进行均衡处理，并输出至所述驱动电路；其中，所述输入信号为交流信号，携带发送信息；

所述驱动电路，用于对均衡处理后的交流信号与一直流信号进行耦合，并驱动所述LED发出可见光；其中，所述可见光携带所述发送信息。

2.根据权利要求1所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，所述均衡器包含第一电阻电感电容RLC网络、第一电阻R1、第二电阻R2与第二RLC网络；

第一RLC网络连接在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述R1、R2依次串联在所述均衡器的输入端与输出端之间；

第二RLC网络一端与所述R1、R2之间的节点相连，另一端与所述均衡器的输入端、输出端均相连；

其中，所述R1、R2的阻值相等，均为所述均衡器的特性阻抗R0；第一RLC网络的等效阻抗Z11与第二RLC网络的等效阻抗Z22的乘积等于R0的平方。

3.根据权利要求2所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，所述第一RLC网络包含：第一电容C1、第三电阻R3与第一电感L1；

所述R3连接在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述C1、L1依次串联在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述第二RLC网络包含：第二电容C2、第四电阻R4与第二电感L2；

所述R4一端与所述R1、R2之间的节点相连，另一端与所述C2、L2均相连，所述C2、L2并联后与所述均衡器的输入端、输出端均相连。

4.根据权利要求3所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，R3的阻值为249Ω，R1与R2的阻值均为49.9Ω，R4的阻值为10Ω，C1与C2的电容值均为22皮法pF，L1与L2的电感值均为56纳亨nH。

5.根据权利要求1所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，所述驱动电路包含放大器与偏置树；

所述均衡器、所述放大器、所述偏置树与所述LED依次串联。

6.根据权利要求5所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，所述偏置树为低通偏置树。

7.根据权利要求5所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，所述放大器的输入阻抗与输出阻抗均为50Ω。

8.根据权利要求1所述的基于可见光的数据发送装置，其特征在于，还包含散热隔板；

所述均衡器与所述驱动电路位于所述散热隔板的一侧，所述LED位于所述散热隔板的另一侧。

9.一种均衡器，其特征在于，包含：第一电阻电感电容RLC网络、第一电阻R1、第二电阻R2与第二RLC网络；

第一RLC网络连接在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述R1、R2依次串联在所述均衡器的输入端与输出端之间；

第二RLC网络一端与所述R1、R2之间的节点相连，另一端与所述均衡器的输入端、输出端均相连；

其中，所述R1、R2的阻值相等，均为所述均衡器的特性阻抗R0；第一RLC网络的等效阻抗Z11与第二RLC网络的等效阻抗Z22的乘积等于R0的平方。

10.根据权利要求9所述的均衡器，其特征在于，所述第一RLC网络包含：第一电容C1、第三电阻R3与第一电感L1；

所述R3连接在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述C1、L1依次串联在所述均衡器的输入端与输出端之间；

所述第二RLC网络包含：第二电容C2、第四电阻R4与第二电感L2；

所述R4一端与所述R1、R2之间的节点相连，另一端与所述C2、L2均相连，所述C2、L2并联后与所述均衡器的输入端、输出端均相连。