CN105897335A

CN105897335A - 一种基于可见光通信技术的usb接口通信手持收发设备

Info

Publication number: CN105897335A
Application number: CN201610382378.1A
Authority: CN
Inventors: 迟楠; 王智鑫
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2016-08-24

Abstract

本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备。该设备主要包括可见光发射、可见光接收、数字信号处理、信号格式转换四个模块。该设备利用信号格式转换模块实现USB接口信号与标准串口格式信号的互相转换，利用可见光发射LED模块实现信息的调制与传输，利用可见光接收模块，使用光电二极管PIN及外围电路完成信号接收，同时利用数字信号处理模块完成信号的编码、解码、算法处理等功能。本发明是首次在该领域使用USB接口进行通信的设备。利用本发明通过可见光通信技术在电脑、PAD或者手机之间完成文件的双向互传，在体积、成本、功耗等方面均大幅降低，能够应用于实际的用户场景，有助于推进可见光通信技术的实用化。

Description

一种基于可见光通信技术的 USB 接口通信手持收发设备

技术领域

本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备。

背景技术

可见光通信（VLC，Visible Light Communication）是一种利用LED的快速响应特性实现高速数据传输的新型绿色信息技术。该技术利用LED作为光源，在不影响正常照明的前提下，可使照明设备具备“无线路由器”、“通信基站”、“网络接入点”等功能。可见光通信作为一种照明和光通信结合的新型通信模式将推动下一代照明和接入网的融合发展和技术进步，已成为国内外竞争的焦点和制高点。无论在国家战略层面，还是其潜在的广泛应用领域和巨大的市场规模上，可见光通信的发展都具有重大意义。

基于商用白光LED的可见光通信技术，可以以低价格同时实现照明与通信，适用于各种接入场景，无电磁干扰，绿色环保。VLC技术的这些优点，使其受到国内外研究者越来越多的关注。目前，日本、美国、欧盟的许多知名研究机构已经开展了许多关于VLC技术的研究，进一步深入的研究正在进行中，并且得到了政府的大力支持。目前，可见光通信技术的研究重点主要集中在原理、模型研究，研究成果多为实验室成果，还不能实用化，仅有的一些实用化报道，也是基于体积庞大的系统样机，因为可见光通信系统的发射端需要波束成形光学系统，接收端需要高效的聚光系统，庞大的光学透镜组给系统的集成化增添了不少难度，不仅如此，还没有开发出可见光专用的芯片体系，也是限制其发展的一个因素。

综上所述，此前设计的系统，并不能满足用户移动性、便携性要求，本发明可以利用可见光通信技术在电脑、PAD或者手机之间完成文件等的双向互传，在体积、成本、功耗等方面均有所降低，能够应用于实际的用户场景，在该领域还没有出现过类似设备，有助于推进可见光通信技术的实用化。

发明内容

本发明的目的在于提供提一种体积、成本、功耗等方面有提升的，基于可见光通信技术的USB-串口通信手持收发设备。

本发明提出的收发设备，其结构如图1所示，包括：信号格式转换模块、数字信号处理模块、可见光发射LED模块、可见光接收模块；信号格式转换模块、数字信号处理模块、可见光发射LED模块依次连接形成一路，可见光接收模块、数字信号处理模块、信号格式转换模块依次连接形成一回路；其中：

所述信号格式转换模块，用于实现USB接口信号与标准串口格式信号的互相转换；

所述可见光发射LED模块，用于实现信息的调制与传输；

所述可见光接收模块，使用光电二极管PIN及外围电路完成信号接收；

所述数字信号处理模块，用于信号的编码、解码、算法处理。

具体功能实现流程包括：发射数据信号源为具有USB或者Micro-USB接口的设备，包括手机、pad、电脑等，原始USB信号经过信号格式转换模块转换为标准串口格式信号；串口格式信号在数字信号处理模块进行基带曼彻斯特编码；然后将转换后的曼彻斯特信号通过可见光发射LED模块发射端的商用白光LED进行调制传输，实现电光转换；可见光接收模块使用光电二极管PIN及外围低噪声TIA放大电路完成信号光电转换与接收，恢复出曼彻斯特编码后的信号；利用数字信号处理模块完成接收信号的曼彻斯特解码与算法处理，恢复出串口格式信号；恢复后的串口格式信号再经过信号格式转换模块转换为标准USB信号，USB信号输回接收数据信号源，实现数据的单向传输。

本发明使用两路链路相对的结构设计，可以实现双向信号传输，参见图8；设备利用可见光通信技术在电脑、PAD或者手机之间进行信息的交互。

本发明中，所述可见光发射模块采用商用白光LED与国产PWM调制芯片；调制带宽为1MHz，白光LED利用反光杯实现光信号的汇聚，最终单灯传输距离可达4m。

本发明中，所述可见光接收模块采用商用光电二极管PIN与低噪声运算放大芯片；光电二极管PIN采用反向偏压结构，以降低器件耦合电容的影响，使用透镜实现接收光信号的汇聚，运算放大芯片采用跨阻放大TIA结构。

本发明中，所述数字信号处理模块采用Stem32单片机芯片；其中，使用曼彻斯特编码作为信号编解码方式，从而降低信号中直流DC分量的成分，使基带信号转换为频带信号。

本发明中，所述信号格式转换模块采用USB-串口标准转换芯片；使用USB-串口标准转换芯片，将信号源USB信号转换为串口信号传送到数字信号处理模块，将数字信号处理模块传递来的串口信号转换为USB信号传送到信号源，实现双向转换。

该设备封装后如图2所示，封装采用矩形结构，设备体积100mm（长）*76mm（宽）*35mm（高）,设备前挡板有两个直径20mm的圆形孔洞，其中一个是用于LED发射，另一个是用于PIN接收，设备后挡板有两个矩形孔洞，其中一个矩形孔洞10mm（长）*5mm（宽），用于Micro-USB接口接入，另一个矩形孔洞15mm（长）*12mm（宽），用于备用3.5mm电源接口接入。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过合理的模块设计方法并且对功耗、体积进行了性能优化，具有以下的优越性：

（1）首次提出基于USB接口的可见光通信设备，采用USB-串口相互转换的模式，一方面兼容现有大多数具有USB接口的设备，另一方面满足可见光系统幅度调制的要求，传输速率能够达到串口通信标准速率115200baud/s；

（2）采用脉宽调制PWM芯片实现数字信号的调制，不需要现有Bias Tee技术的大容量电容与大体积电感，可以降低系统体积，并且PWM芯片较为成熟，器件成本大幅降低；

（3）通过合适的二次光学器件的选取，可以使用小直径的反光杯与凸透镜实现4m传输距离的信号无误码传输，能够进一步降低系统体积；

（4）使用曼彻斯特编码作为信号编解码方式，从而降低信号中直流DC分量的成分，使基带信号转换为频带信号，更加有利于信号的传输；

（5）利用1W商用白光LED单灯珠传输，设备主要功耗即为LED灯本身，外围电路功耗控制在mw量级，整体功率利用率高；

（6）利用跨阻放大TIA低噪声运放电路，可以实现弱信号检测，设备整体具有较好的噪声抗性，能够满足复杂外界环境下的信息传输。

本发明适用于短距离、低速可见光通信领域，提供了一种体积小、可手持、低成本、低功耗的解决方案。

附图说明

图1 本发明设备模块化示意图。

图2 本发明设备封装结构图。

图3 本发明设备可见光发射模块原理图。

图4 本发明设备可见光接收头原理图。

图5 本发明设备可见光接收电压整形原理图。

图6 曼彻斯特编码原理示意图。

图7 本发明设备数字信号处理模块原理图。

图8 本发明设备信号格式转换模块原理图。

图9为本发明使用两路链路相对的结构图示。

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。

本发明提供提体积、成本、功耗等方面有提升的，基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备。包括可见光发射、可见光接收、数字信号处理、信号格式转换四个模块,各模块的功能包括：

利用可见光发射LED模块实现信息的调制与传输；

利用可见光接收模块，使用光电二极管PIN及外围电路完成信号接收；

利用数字信号处理模块完成信号的编码、解码、算法处理功能；

利用信号格式转换模块实现USB接口信号与标准串口格式信号的互相转换。

模块 1 ：可见光发射模块设计

白光LED发射驱动电路的功能是实现数据到LED光功率的映射，没有白光LED驱动电路，可见光通信将无法进行。相比于传统光纤通信、大气光通信、红外通信中毫瓦级别的光源，白光LED的一个最大的不同就是它的功率非常大，驱动电流非常高，单只LED的功率可高达数瓦，驱动电流可高达700mA，甚至超过1A。这就要求LED的调制电路有很高的输出功率。而传统的光纤通信的驱动芯片只有mw级驱动功率，传统光通信中光源驱动芯片无法满足其需求。

其次，由于LED光源发出的是非相干光，无法提供稳定的载波，所以目前 VLC链路主要采用光强调制（IM）和直接检测（DD）的方法，通信链路主要选择直射式数据连接。OOK（On-Off Keying）和O-OFDM（Optical-Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）等调制方式均可用于VLC技术。同时要保证大电流驱动实现照明和通信功能需要满足以下几个基本要求：

（1）输入直流压降不得低于LED的正向电压降；

（2）由于过高的电流会影响LED的使用寿命，为防止其损坏，应对LED驱动电路的电流加以限制；

（3）LED电流和光通量间存在一定的非线性，在进行VLC设计时必须把电流控制在线性区域内；

（4）大功率的LED应注意器件的散热性能，防止工作温度过高而损坏；

（5）电路应采用直流电流源或单向脉冲电流源驱动而不是电压源驱动。

基于上述要求采用芯片NU511与LM393，来完成LED的发射驱动，本发明驱动原理如图3所示，电路结构包括LM393与NU511两款芯片，LM393的负端输入为电阻R6、R8构成的串联分压结构，提供一个稳定的直流电压，其正端输入是从数字信号处理模块传送来经过曼彻斯特编码后的数字信号，在LM393输出端用一个电阻R7作为上拉电阻，保障其电压比较之后的输出是一个具有足够驱动能力的数字信号。此数字信号传输到驱动主芯片NU511的使能OE端，NU511的OUT端接发射白光LED负端，电阻R17与R18是一个电压调节网络，用于调节LED正端电压；NU511的Rext端接一个电阻R14，此电阻用于调节Out端输出电流信号大小；在电源SYSVCC与地平面GND之间，芯片LM393使用电容C1、C2组成的滤波电路进行电压电源滤波，芯片NU511使用电容C12、C13组成的滤波电路进行电压电源滤波。从而构成了可见光发射模块的整体电路结构。

NU511是一个单通道，线性恒流LED驱动器，驱动电流最大可以到1.2安培，对于本发明手持端设备的LED的驱动来说是完全是足够的，最大数据速率可达1MHz，对于低速串口通信业务也是完全足够的，此外，NU511还具有较宽的供电电压范围，可以支持多个LED扩展，成本也是相对较低，所以本项目采用其作为发射核心芯片。在NU511之前，设计采用LM393作为电压比较电路，完成对信号的整形，消除数字信号上的微弱纹波，同时增大信号的负载能力，将待传输信号更好的加载到NU511芯片上。LM393也是一款低成本运放芯片，通信速率与NU511匹配，性能稳定，使用方便。

模块 2 ：可见光接收模块设计思路

在可见光系统中，如何设计一个高灵敏度的接收机至关重要。在可见光中LED 的功率有瓦特量级，虽然这个功率相较于其他一些传输方式，如光纤的毫瓦量级，已经是非常的大，但是由于LED的光信号是成广角度发散，信号在空间的强度衰弱是随半径的指数次方快速衰减，尽管加入了二次光学设计，带来的效果也只是在一定程度将光信号汇聚，最终在接收机端的信号强度非常微弱，因为我们需要一个高灵敏度的接收机。

考虑弱信号方放大原理，将接收端分为两部分，第一部分是高灵敏度接收头，第二部分是电压整形电路。高灵敏度接收头采用两级运算放大原理，第一级采用跨阻放大TIA电路结构，将光电放大器PIN接受到的电流信号转换成电压信号，再将此微弱的电压信号输入到二级反向放大运放电路中，实现信号的进一步放大，这里采用的芯片是AD8652，本发明设计的接收机电路原理如图4与图5所示。图4代表了可见光高灵敏度接收头电路结构，在图4中，AD8652是双运放集成芯片，其第一个运放的负端输入为光电二极管PIN输入的微弱光电流信号，第一个运放的正端接地，电容C14与电阻R19构成一个跨阻放大电路TIA的基本结构，经过TIA放大之后，微弱光电流信号转换为电压信号，此电压信号输入到第二个运放的负端，在此之前，利用电阻R23与R26构成的电阻分压网络，调节第一个运放输入到第二个运放的信号大小，电阻R24与R21构成一个电压负反馈网络结构，通过调节电阻R21/R24的比值来调节放大倍数，第二个运放的正端输入为电阻R25、R27与电容C20构成的分压网络，输入为一个恒定直流信号。第二个运放的输出为具有一定幅度的电压信号，此信号输入到图5所示的接收机电压整形电路。

AD8652是一款高精度、低损耗、低噪声的CMOS运放芯片，供电电压2.7V到5V，其高带宽，低噪声的特点，非常适合于可见光系统的前端接收。前端接收的信号可能在传输的过程中由于各种原因发生畸变，如光路多径、环境噪声、外部干扰光等等，因此在接收头恢复信号后，需要将信号输入到电压整形电路中，以完成对信号的整形与恢复，最终输出的信号将是接收到的曼彻斯特信号，此信号再输出给单片机，由单片机进行解码恢复等处理，本发明电压整形电路见图5。在图5中，LM393的负端输入为前面所述的AD8652输出的电压信号，正端输入为电阻R25、R27与电容C20构成的分压网络，在LM393的输出端，使用一个电阻R20作为上拉电阻，保障输出信号为具有一定驱动能力的数字信号，电容C18、C19构成一个电源滤波网络。图4与图5电路配合，构成可见光接收模块的整体电路结构。

模块 3 ：数字信号处理模块设计思路

可见光通信系统传输的是数字信号，是二进制的比特序列。由于信号在信道上传输的过程中，不可避免的会受到噪声和干扰的影响，所以我们首先需要对信号进行编码，以受控的方式引入一些冗余，抵抗噪声和干扰，提高接收数据的可靠性。由于LED通信中噪声主要集中在低频部分，因此在编码中需要考虑减少信号的低频部分。本发明设计采用曼彻斯特编码技术来满足这一要求。曼彻斯特编码是一个同步时钟编码技术，被用来编码一个同步位流的时钟和数据。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有跳变。用电压跳变的相位不同来区分1和0，即用正的电压跳变表示0，用负的电压跳变表示1。编码方式如图6所示。由于每位编码中有一跳变，所以这种编码方式不存在直流分量，使得频谱向高频搬移，从而有效避免了低频噪声的影响，曼彻斯特编码后信号格式与频谱如图6所示。

为了实现数字信号处理，本项目采用STEM32作为信号处理部分主芯片，图7所示是STEM32的一个最小系统结构，在PC14与PC15端口，分别连接有电容C5、电容C10与Y1构成的晶振网络1，同时在PD0与PD1端口，分别连接有电容C6、电容C8与X1构成的晶振网络2，两个晶振网络分别提供频率不同的数字时钟；电阻R1、电容C11与开关S1构成了一个开关键复位Reset结构，连接到Stem32芯片NRST端，为信号处理模块提供复位操作功能；P6是一个四接口的接线柱，分别是3.3V电源网络、TMS信号线、TCK时钟线、GND地平面线，其中TMS与TCK是进行Stem芯片编程时使用的数据与时钟，分别连入PA12与PA13接口，从而构成数字信号处理模块的整体电路结构。

STM32代表了ARM Cortex-M内核的32位微控制器，ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。片上集成32-512KB的Flash存储器；6-64KB的SRAM存储器；STM32系列具有高性能、低成本、低功耗等优点，可以通过集成代码的方式植入数字信号处理的算法，可以实现多种调制模式的嵌入式实现，适合本发明的应用系统，同时，其成本较低，芯片技术较为成熟，可以适用于多种环境。

模块 4 ：信号格式转换模块设计思路

USB标准接口信号是双路差分信号，不适用于强度调制的可见光设备，因此，引入一个信号格式转换模块，进行USB信号与标准串口信号的互相转换，在发射端，从信号源传递来的USB信号首先转换成串口信号，再传输到数字信号处理模块进行编码，在接收端，从数字信号处理模块传递来的串口信号经过转换模块转换成USB信号格式，再传递到接收信宿。

为了实现信号格式转换，本发明使用CP2102芯片，图8所示为CP2102构成的一个USB-串口信号格式转换模块，在SUSPEND端口，连接一个小功率发光二极管D2，用于指示模块工作状态，当模块正常工作，光二极管D2会处于常亮状态；电阻R29与电容C23构成一个复位网络，复位网络接高电平，保持芯片处于不复位状态，接入RST接口；电容C21与C22构成一个电源滤波网络，5V电压输入VBUS与REGIN接口；USB信号输入端口为D-与D+；串口输入输出端口为RXD与TXD，连接到数字信号处理模块，在输入与输出端口处，还有电阻R30与R31构成的上拉电阻网络，保障输出串口信号的驱动能力。从而构成数字信号格式转换模块的整体电路结构。

CP2102是单通道USB-串口数据转换芯片，其集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件，片内电压调节可输出3.3V电压。CP2102与其他USB-UART转接电路的工作原理类似，通过驱动程序将PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。至此，模块化设计过程结束。

根据以上模块化设计，我们将整体流程具体化为：

（1）发射数据信号源包括手机、pad、电脑等具有USB或者Micro-USB接口的设备，原始USB差分信号经过信号格式转换模块转换为标准串口格式信号；

（2）串口格式信号在数字信号处理模块进行基带曼彻斯特编码；

（3）然后将编码后的曼彻斯特信号通过可见光通信系统发射端的商用白光LED进行调制传输，实现电光转换；

（4）可见光接收模块使用光电二极管PIN及外围低噪声TIA放大电路完成信号光电转换与接收，恢复出曼彻斯特编码后的信号；

（5）利用数字信号处理模块完成接收信号的曼彻斯特解码与算法处理，恢复出串口格式信号；

（6）恢复后的串口格式信号再经过信号格式转换模块转换为标准USB信号，USB信号输回接收数据信号源，实现数据的单向传输；

（7）使用两路链路相对的结构设计，可以实现双向信号传输；设备利用可见光通信技术在电脑、PAD或者手机之间进行信息的交互。至此，系统整体流程化设计结束。

模块设计之后，按照标准电路设计原则，设计原理图与PCB电路板，PCB经过焊接调制后，测试满足设计需求，开始进行设备封装，封装工艺尺寸图如图2所示，封装采用矩形结构，设备体积100mm（长）*76mm（宽）*35mm（高）,设备前挡板有两个直径20mm的圆形孔洞，其中一个是用于LED发射，另一个是用于PIN接收，设备后挡板有两个矩形孔洞，其中一个矩形孔洞10mm（长）*5mm（宽），用于Micro-USB接口接入，Micro-USB接口不仅是数据传输口还是电源供电接口，另一个矩形孔洞15mm（长）*12mm（宽），用于备用3.5mm电源接口接入，如果所使用设备无法使用Micro-USB接口进行供电，即采用备用电源接口进行供电；前后挡板各有4个螺纹孔。至此，该发明整体设备设计结束。但是仍需说明：

本实施方式中各步骤的划分，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。

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

1. 一种基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，其特征在于，包括：信号格式转换模块、数字信号处理模块、可见光发射LED模块、可见光接收模块；信号格式转换模块、数字信号处理模块、可见光发射LED模块依次连接形成一路，可见光接收模块、数字信号处理模块、信号格式转换模块依次连接形成回路；其中：

所述可见光发射LED模块，用于实现信息的调制与传输；

所述数字信号处理模块，用于信号的编码、解码、算法处理；

具体功能流程包括：发射数据信号源为具有USB或者Micro-USB接口的设备，原始USB信号经过信号格式转换模块转换为标准串口格式信号；串口格式信号在数字信号处理模块进行基带曼彻斯特编码；然后将转换后的曼彻斯特信号通过可见光发射LED模块发射端的商用白光LED进行调制传输，实现电光转换；可见光接收模块使用光电二极管PIN及外围低噪声TIA放大电路完成信号光电转换与接收，恢复出曼彻斯特编码后的信号；利用数字信号处理模块完成接收信号的曼彻斯特解码与算法处理，恢复出串口格式信号；恢复后的串口格式信号再经过信号格式转换模块转换为标准USB信号，USB信号输回接收数据信号源，实现数据的单向传输。

2. 根据权利要求1所述的基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，其特征在于，所述可见光发射模块采用商用白光LED与PWM调制芯片；调制带宽为1MHz，白光LED利用反光杯实现光信号的汇聚，最终单灯传输距离达4m 。

3. 根据权利要求1或2所述的基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，其特征在于，所述可见光接收模块采用商用光电二极管PIN与低噪声运算放大芯片；光电二极管PIN采用反向偏压结构，以降低器件耦合电容的影响，使用透镜实现接收光信号的汇聚；运算放大芯片采用跨阻放大TIA结构。

4. 根据权利要求3所述的基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，其特征在于，所述数字信号处理模块采用Stem32单片机芯片；其中，使用曼彻斯特编码作为信号编解码方式，从而降低信号中直流DC分量的成分，使基带信号转换为频带信号。

5. 根据权利要求1、2或4所述的基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，其特征在于，所述信号格式转换模块采用USB-串口标准转换芯片；使用USB-串口标准转换芯片，将信号源USB信号转换为串口信号传送到数字信号处理模块，将数字信号处理模块传递来的串口信号转换为USB信号传送到信号源，实现双向转换。

6. 根据权利要求5所述的基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，其特征在于，使用两路链路相对的结构设计，用以实现双向信号传输。

7. 根据权利要求、2、4或6所述的基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，封装采用矩形结构，设备体积100mm（长）*76mm（宽）*35mm（高）,设备前挡板有两个直径20mm的圆形孔洞，其中一个是用于LED发射，另一个是用于PIN接收，设备后挡板有两个矩形孔洞，其中一个矩形孔洞10mm（长）*5mm（宽），用于Micro-USB接口接入，另一个矩形孔洞15mm（长）*12mm（宽），用于备用3.5mm电源接口接入。