CN105959061A - Led到led的半双工通信系统 - Google Patents

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江晓明
朱娜
江浩斌
李康飞
陈潇君
曾健雄
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    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
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Abstract

本发明公开了LED到LED的半双工通信系统，使用LED同时作为发送端和接收端，半双工通信系统包括LED发送端及LED接收端，LED发送端发射可见光信号，利用反向偏置的LED作为接收端，对接收到的可见光信息进行光电转换，该系统通过时钟控制模块对LED的收发电路进行切换，实现基于LED到LED之间半双工通信条件下信号有效传输距离为16cm。本发明可通过近距离接触实现移动终端的信息传递，无需对通信设备增加额外的光电二极管，耗能低、成本低。

Description

LED到LED的半双工通信系统
技术领域
本发明属于可见光通信领域，具体涉及LED到LED的半双工通信系统。
背景技术
可见光无线通信(Visible Light Communication，VLC)作为一种短距离无线通信技术，已被广泛的应用在日常生活中。它通过利用LED的可见光信号快速闪烁来传递信息。
当今无线频谱资源紧张，很多频段都已经被占用。VLC利用的可见光波段尚属空白频谱，无需授权即可使用，因此VLC技术抢占空白频谱，有效地利用资源，拓展了下一代宽带通信的频谱，可以解决光通信于无线通信网络共存与兼容的问题。
可见光通信绿色环保，不受无线电干扰，只在直线方向上传播，想要截断信息则必须处于光线传播的途径上，所以安全性能极好，可见光频谱的带宽比射频频谱的带宽来的更大，所以能达到更快的传输速率。因此，VLC是一个非常有前景的研究领域，特别是在以LED为背景下进行的数据传输。由于VLC拥有不受管制的巨大带宽且不受电磁干扰的巨大优势，已使得其成为未来室内无线通信的强有力候选方案。近年来，由于发光二极管(LED)更加节能高效等优点，已使得它正在以飞快的速度替代白炽灯和荧光灯用于室内照明等各个领域。除了室内无线通信，VLC也可应用到其他环境，如交通信号灯和室外车辆无线光通信。
目前，使用磷光和RGB的LED指示灯已经分别获得了超过1Gbit/s和3Gbit/s的数据传输速率，但是这些研究成果主要是在LED仅作为通信系统的光发射机，光接收器采用光电二极管进行可见光信息的接收。
日本专利CN1914834公开了可见光通信用的带照相机便携式终端，通过设置朝向与照相机的感光镜头相同方向的感光部，利用其感光部接收来自可见光的信息；其中感光部采用的是诸如光电二极管等进行构成的，该技术如果使用在类似于智能手机的移动终端上需要额外添加光电二极管等器件的。中国专利CN105099555A公开了一种便携式光通信终端，所述光信号发送模块接收所述第二信号后，将其转换成蓝牙信号、红外信号或者无线网络信号向外发送；这种便携式光通信设备试图借助一个单独的红外线或无线网络链路去执行反向信道，该方式将不同技术混在一起并复杂化，因此真正实现起来难度很大。
现有的可见光通信系统的研究中心主要是LED作为发送端，光电二极管作为接收端，而我们的研究目的是使用LED同时作为发送和接收端，一段时间以来，人们已经知道了LED在反向偏压的情况下可以作为具有有效灵敏度的光检测器。由于现在许多通讯设备如智能手机都会内置一个LED灯，而没有内置一个光电二极管。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种LED到LED的半双工通信系统，无需对通信设备增加额外的光电二极管，耗能低、成本低。
本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。
LED到LED的半双工通信系统，包括：LED发送端及LED接收端，所述LED发送端与LED接收端通过可见光进行通信；所述LED发送端包括调制编码模块、发送控制模块、LED驱动电路、LED光源及发送端光学系统，所述调制编码模块、发送控制模块、LED驱动电路、LED光源及发送端光学系统依次相连，将原始信号进行调制编码并进行电光转化产生适合在信道中传播的信号；所述LED接收端包括接收端光学系统、反向偏置LED、放大电路、接收控制模块及解调解码模块，所述接收端光学系统、反向偏置LED、放大电路、接收控制模块及解调解码模块依次相连，将反向偏置LED所接收到的光信号进行光电转化，转化成可以在电路中传输的电信号，再经过解调解码模块恢复LED发送端发送的原始信号；所述LED发送端及LED接收端均为集成电路，实现光电/电光转换及电信号传输；所述反向偏置LED，将接收到的可见光信息转化为电信号在接收端进行传输。
进一步，通信系统可实现的通信距离为16cm；所述LED光源可选择红色、琥珀色及白色。
本发明的有益效果为：当LED被外接反向偏压时，外加电场与空间电荷区的内电场方向一致，当LED发送端发出光信号时，光信号照射到接收端正处在反向偏压情况下的LED的空间电荷区，LED发送端发出的可见光的能量使得空间电荷区变宽，使得反向偏置电流增大，作为具有波长选择功能的光电检测器实现近距离通信。LED到LED的半双工通信系统所实现的短距离通信可以大大地节约现有短距离通信的成本费用，在许多情况下甚至还可能实现免费；本发明可通过近距离接触实现移动终端的信息传递，耗能低、成本低。
附图说明
图1为本发明的技术设计方案总图；
图2为本发明的LED到LED可见光通信链路测试图；
图3为本发明的LED到LED可见光无线通信系统模块组成图；
图4为本发明的LED到LED半双工原理图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图及具体实施例来对本发明做进一步的阐述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图3所示，LED到LED的半双工通信系统，包括：LED发送端及LED接收端，LED发送端与LED接收端通过可见光进行通信；
LED发送端包括调制编码模块、发送控制模块、LED驱动电路、LED光源及发送端光学系统，调制编码模块、发送控制模块、LED驱动电路、LED光源及发送端光学系统依次相连，将原始信号进行调制编码并进行电光转化产生适合在信道中传播的信号；其中，发送控制模块用来控制发送端有序的进行数据发送；发送端光学系统：可见光通信系统中使用的LED光源，在出厂封装时LED生产厂家已经对其进行过一次光学设计，本发明对LED进行了二次光学设计-在LED外加装反射镜，使得发射光线满足要求。
LED接收端包括接收端光学系统、反向偏置LED、放大电路、接收控制模块及解调解码模块，接收端光学系统、反向偏置LED、放大电路、接收控制模块及解调解码模块依次相连，将反向偏置LED所接收到的光信号进行光电转化，转化成可以在电路中传输的电信号，再经过解调解码模块恢复LED发送端发送的原始信号；其中，接收端光学系统添加了光滤波器、光汇聚器；接收控制模块根据时钟恢复对接收的信号进行判决以控制接收端接收数据。
LED发送端及LED接收端均为集成电路，实现光电/电光转换及电信号传输。
反向偏置LED利用LED被外接反向偏压，使得外加电场与空间电荷区的内电场方向一致，导致扩散与漂移运动平衡状态的破坏。外加电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使空间电荷区变宽，内电场增强，造成多数载流子扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成N区流向P区的反向电流，但是由于常温下少数载流子恒定且数量不多，故反向电流极小。当LED发送端发出光信号时，光信号照射到接收端正处在反向偏压情况下的LED的空间电荷区，LED发送端发出的可见光的能量使得空间电荷区变宽，使得反向偏置电流增大，使得LED可以作为具有波长选择功能的光电检测器。
通过对LED的光检测性能进行测试，得出并不是所有LED的吸收和发射光谱都有重叠部分，因此并不是任意的LED都可以应用在可见光通信的收发系统中，特别是绿色及蓝色LED，它们的发射和吸收光谱没有重叠部分。测试实验得出，LED光源可选择红色、琥珀色及白色作为光发送端和光接收端来实现半双工通信系统的通信，而不需要光电二极管。本发明优选白色LED光源作为半双工通信系统的发送器和接收器，在实验中可实现在误码率小于10-3时所得到的通信距离为16cm。
LED到LED的半双工通信系统的实现基础是LED到LED的单工通信链路，区别于其它LED可见光通信信息收发系统，通过对电路进行设计，实现单个LED可以在光电\电光转换这两种功能下自由转换。
图1所示为本发明的技术设计方案总图，主要实现LED到LED的可见光通信链路的搭建，使得传统可见光通信链路中的光电二极管被替换掉，让通信设备的硬件电路更加简洁实用，这一创新思路将有助于LED可见光通信的普及和广泛应用。
为了确定LED到LED传输链路的频率响应情况，建立如图2所示的LED到LED的可见光传输链路图。通过信号发生器产生一个正弦信号，将这个正弦信号加载到LED驱动电路，驱动正向偏置LED产生可见光波，所获得的可见光波发送到接收端反向偏置LED上进行光检测，光检测后所得到的信号通过放大电路进行放大，最后信号传输到光谱分析仪，进行频率响应分析。
如图4所示LED到LED的半双工通信系统的工作原理图，利用时分控制电路控制LED作为发送器或者接收器，在实际应用中，时分控制电路将基于目前大多数移动设备实现的时钟信息方式即全球定位系统的信号，选择发送电路或者接收电路作为当前实际工作的电路。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，应当理解，本发明并不限于这里所描述的实现方案，这些实现方案描述的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。

Claims (3)

1.LED到LED的半双工通信系统，其特征在于，包括：LED发送端及LED接收端，所述LED发送端与LED接收端通过可见光进行通信；所述LED发送端包括调制编码模块、发送控制模块、LED驱动电路、LED光源及发送端光学系统，所述调制编码模块、发送控制模块、LED驱动电路、LED光源及发送端光学系统依次相连，将原始信号进行调制编码并进行电光转化产生适合在信道中传播的信号；所述LED接收端包括接收端光学系统、反向偏置LED、放大电路、接收控制模块及解调解码模块，所述接收端光学系统、反向偏置LED、放大电路、接收控制模块及解调解码模块依次相连，将反向偏置LED所接收到的光信号进行光电转化，转化成可以在电路中传输的电信号，再经过解调解码模块恢复LED发送端发送的原始信号；所述LED发送端及LED接收端均为集成电路，实现光电/电光转换及电信号传输；所述反向偏置LED，将接收到的可见光信息转化为电信号在接收端进行传输。
2.根据权利要求1所述的LED到LED的半双工通信系统，其特征在于，通信系统可实现的通信距离为16cm。
3.根据权利要求1所述的LED到LED的半双工通信系统，其特征在于，所述LED光源可选择红色、琥珀色及白色。
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