CN105827309A - 一种室内led可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内LED可见光通信系统，包括：桥接电路，用于连接计算机USB接口和光收发电路，接受或发射自计算机USB数据信号进行变换处理的信号；光发射机，将经过USB接口电路处理过的信号进行编码调制，调制过的信号再经过放大后送去调制光源；光接收机，通过光学天线把发送端发送来的光脉冲信号会聚到光电检测器PIN，将接收的光信号转换成电信号。该系统实现了点对点通信方式，收、发均采用相对较小的接收、发射角度，使用时只需手动粗对准即可，应用于室内短距离无线通信，可以达到10Mbps以上的数据通信速率，传输距离达到5米左右，基本满足办公室、实验室、家庭等室内环境的数据通信要求。

Description

一种室内LED可见光通信系统
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其是一种室内LED可见光通信系统。
背景技术
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。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。相比于其他无线电通信方式，可见光通信的主要优点是：
(1)光通信的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好，光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截取，否则数据不易外泄。由于这些波束非常的定向，是对准某一接收机的，如想截接，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，还需要知道如何接收信号，这是很难做到的。如果被裁接，那么原来链路就被中断了，用户就会发现信息被截接。
(2)无须进行昂贵的管道工程施工，其施工成本约为光缆的20％。组网方便、迅速，光通信组网速度快，只须在通信点上进行设备安装，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网，对于重新撤换部署也很方便。
协议的通明性
(3)由于光波波长短(可见光的约零点几微米)，所以在完成同样功能的情况下，光收发端的尺寸要比微波、毫米波通信天线的尺寸小很多，具有功耗小、体积小、重量轻等特点，相应的器件成本也较低。
虽然光通信有诸多优点，但是也存在着一些弊端，譬如：光波不能穿透墙壁等障碍物，易受太阳光、白炽灯、荧光灯等背景光噪声的干扰等。
发明内容
本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种点对点通信方式，收、发均采用相对较小的接收、发射角度，使用时只需手动粗对准即可，应用于室内短距离无线通信，可以达到10Mbps以上的数据通信速率，传输距离达到5米左右，基本满足办公室、实验室、家庭等室内环境的数据通信要求的室内LED可见光通信系统。
为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：
一种室内LED可见光通信系统，包括：
桥接电路：连接计算机USB接口和光收发电路，将来自计算机USB数据信号进行变换处理成适合发射电路调制的信号，同时将接收电路送来的信号进行变化处理成USB数据信号送给计算机，实现高速率的无线双工通信。
光发射机：将经过USB接口电路处理过的信号进行编码调制，调制过的信号再经过放大后送去调制光源——可见光LED，使其发出被编码电信号调制的可见光光脉冲信号(这个过程称之为电光转换，即E/O转换)，最后经光学天线发射到大气信道中。
光接收机：通过光学天线把发送端发送来的光脉冲信号会聚到光电检测器PIN，将接收的光信号转换成电信号(这个过程称之为光电转换，即O/E转换)，转换过来的微弱电信号经过放大解调后送给USB接口电路。
所述光发射机包括光源和驱动器以及辅助电路。所述辅助电路包括光监测器、无光报警电路、自动功率控制电路(APC)和自动温度控制电路(ATC)；使用时，电信号输入到驱动器，所述驱动器与光源连接，自动温度控制电路调控光源温度，所述光监测器设置在光源照射范围内，并与无光报警电路连接，所述光监测器与一自动功率控制电路连接后与驱动器构成反馈电路。
所述光源工作波段为红光650nm，与绿光和蓝光相比较，红光在大气信道中传输时，在对背景噪声中的荧光和紫外线的抵抗能力上具有一定的优势。
所述发射机电路中采用650nm的红光发光二极管(LED)作为发射机的光源。用于室内的便携无线光传输设备，光源必须满足以下几个基本的要求：满足人眼安全要求；调制速率满足设计要求(≥10Mb/s)；使用寿命长；价格低，降低成本。所述LED驱动电路采用差分电路。
所述光接收机电路包括光电探测器、放大电路和信号处理电路，对于强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测方式时，主要由光电检测器、低噪前置放大器、主放大器、AGC电路等构成光接收机的线性通道，以完成光/电转换，把信号放大到判决电路所需的信号电平。
在光通信系统中，接收机的作用是把接收到光信号转变为电信号。首先由光电探测器(可以是PIN光电二极管，也可以是PAD雪崩光电二极管)将光发射机送出的经信道传输后的微弱的光信号转变为电信号。光电探测器的输出信号电流很小，必须由低噪声、宽频带的前置放大器进行放大。光电探测器和前置放大器构成光接收机前端，其噪声性能将是决定接收灵敏度的主要因家。主放大器、均衡器及AGC电路对信号进行高增益的放大并对信号进行补偿、整形，以提高信噪比、减少误码率，使输出的脉冲适合判决的要求。
所述低噪前置放大器为宽带、低噪声放大器，因为电路工作速率比较高，优选为，LNA采用跨阻放大器。
该发明的有益效果：
本发明的室内LED可见光通信系统主要包括USB桥接电路、光发射机和光接收机，硬件电路小巧，使用便捷，工作性能良好，在计算机上支持热插拔，充分体现了USB接口设备使用快速便捷的特点。在驱动程序的支持下，计算机之间实现点对点的双向无线光通信，通信速率可达到11Mbps，实现了计算机之间基于USB接口的可见光(红光)无线点对点通信。该系统主要是应用于室内短距离的视距范围内的，采用650nm作为工作波长，短波长中的可见光波段在安装调试上可以目视对准，省去了红外波段价值昂贵的望远镜对准系统；而可见光波段的光器件价格仅为850/1550nm器件的几十甚至几百分之一，大大降低了系统成本。LED光源驱动电路采用的是差分电路；差分电路由于恒流源的作用，即使出现大电流飘移，该种电路也可以保证相对稳定的供电电流，从而保证电路的工作稳定性；即使高电压输出时出现电压飘移现象，只要信号仍然保持平衡，此电路引起的交叉干扰也相对较小；对于存在容易产生寄生现象的前级电路的情况下，鉴于该电路共模增益较低，所以它对前级引入寄生振荡的可能性很小。
附图说明
图1是系统结构框图；
图2是光发射机电路框图；
图3是LED光源驱动电路；
图4是光收机电路框图；
图5是跨阻放大器电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的11作进一步详尽描述：
如图1所示，一种室内LED可见光通信系统，包括：
桥接电路：连接计算机USB接口和光收发电路，将来自计算机USB数据信号进行变换处理成适合发射电路调制的信号，同时将接收电路送来的信号进行变化处理成USB数据信号送给计算机，实现高速率的无线双工通信。
光发射机：将经过USB接口电路处理过的信号进行编码调制，调制过的信号再经过放大后送去调制光源——可见光LED，使其发出被编码电信号调制的可见光光脉冲信号(这个过程称之为电光转换，即E/O转换)，最后经光学天线发射到大气信道中。
光接收机：通过光学天线把发送端发送来的光脉冲信号会聚到光电检测器PIN，将接收的光信号转换成电信号(这个过程称之为光电转换，即O/E转换)，转换过来的微弱电信号经过放大解调后送给USB接口电路。
如图2所示，所述光发射机包括光源和驱动器以及辅助电路。所述辅助电路包括光监测器、无光报警电路、自动功率控制电路(APC)和自动温度控制电路(ATC)；使用时，电信号输入到驱动器，所述驱动器与光源连接，自动温度控制电路调控光源温度，所述光监测器设置在光源照射范围内，并与无光报警电路连接，所述光监测器与一自动功率控制电路连接后与驱动器构成反馈电路。
优选地，所述光源工作波段为红光650nm，与绿光和蓝光相比较，红光在大气信道中传输时，在对背景噪声中的荧光和紫外线的抵抗能力上具有一定的优势。
优选地，所述发射机电路中采用650nm的红光发光二极管(LED)作为发射机的光源。用于室内的便携无线光传输设备，光源必须满足以下几个基本的要求：满足人眼安全要求；调制速率满足设计要求(≥10Mb/s)；使用寿命长；价格低，降低成本。如图3所示，所述LED驱动电路采用差分电路。
如图4所示，所述光接收机电路包括光电探测器、放大电路和信号处理电路，对于强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测方式时，主要由光电检测器、低噪前置放大器、主放大器、AGC电路等构成光接收机的线性通道，以完成光/电转换，把信号放大到判决电路所需的信号电平。
在光通信系统中，接收机的作用是把接收到光信号转变为电信号。首先由光电探测器(可以是PIN光电二极管，也可以是PAD雪崩光电二极管)将光发射机送出的经信道传输后的微弱的光信号转变为电信号。光电探测器的输出信号电流很小，必须由低噪声、宽频带的前置放大器进行放大。光电探测器和前置放大器构成光接收机前端，其噪声性能将是决定接收灵敏度的主要因家。主放大器、均衡器及AGC电路对信号进行高增益的放大并对信号进行补偿、整形，以提高信噪比、减少误码率，使输出的脉冲适合判决的要求。
所述低噪前置放大器为宽带、低噪声放大器，因为电路工作速率比较高，优选为，LNA采用跨阻放大器。
如图5所示，其中，Iin为光电探测器的光生电流，Ay为理想放大器。其中的负反馈网络Rf检测到输出端电压并以电流的形式反馈到输入端。这种形式的放大器一方面保证了其具有较小的输入阻抗，从而可以最大幅度地摄取光电探测器产生的光电流；另一方面，具有很好的带负载的能力。它是一种通过反馈电阻Rf给放大器输入端提供负反馈的高增益高阻抗放大器，基本上是一个电流-电压转换器，噪声低、频带宽和动态范围大。

Claims (7)

1.一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，包括：
桥接电路，用于连接计算机USB接口和光收发电路，将来自计算机USB数据信号进行变换处理成适合发射电路调制的信号，同时将接收电路送来的信号进行变化处理成USB数据信号送给计算机；
光发射机，用于将经过USB接口电路处理过的信号进行编码调制，调制过的信号再经过放大后送去调制光源，使其发出被编码电信号调制的可见光光脉冲信号，最后经光学天线发射到大气信道中；
光接收机，通过光学天线把发送端发送来的光脉冲信号会聚到光电检测器PIN，将接收的光信号转换成电信号，转换过来的微弱电信号经过放大解调后送给USB接口电路；
所述光发射机包括光源和驱动器以及辅助电路；所述辅助电路包括光监测器、无光报警电路、自动功率控制电路和自动温度控制电路；使用时，电信号输入到驱动器，所述驱动器与光源连接，自动温度控制电路调控光源温度，所述光监测器设置在光源照射范围内，并与无光报警电路连接，所述光监测器与一自动功率控制电路连接后与驱动器构成反馈电路；
所述光接收机电路包括光电探测器、放大电路和信号处理电路，所述信号处理电路包括低噪前置放大器、主放大器、均衡器、AGC电路；使用时，所述经强度调制的数字光信号，光电检测器在接收端采用直接检测方式接收光信号，低噪前置放大器、主放大器、均衡器构成光接收机的线性通道，AGC电路连接主放大器和均衡器之间，完成光/电转换，把光信号放大到判决再生电路所需的信号电平。
2.根据权利要求1所述的一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，所述光电探测器为PIN光电二极管或PAD雪崩光电二极管；用于将光发射机送出的经信道传输后的微弱的光信号转变为电信号。
3.根据权利要求1所述的一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，所述光源工作波段为红光650nm。
4.根据权利要求3所述的一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，所述发射机电路中采用650nm的红光发光二极管(LED)作为发射机的光源。
5.根据权利要求4所述的一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，所述LED驱动电路采用差分电路。
6.根据权利要求1所述的一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，所述低噪前置放大器为宽带、低噪声放大器。
7.根据权利要求6所述的一种室内LED可见光通信系统，其特征在于，所述低噪前置放大器是跨阻放大器。
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