CN106151903B - 一种用于pam调制的可见光通信led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，主要包括：用于照明的LED灯具主体，用来控制所述LED灯具的LED驱动调制电路以及用于供电的LED驱动电源电路。所述灯具可作为可见光通信发射机，并且应用脉冲振幅调制技术，可解决可见光通信中LED调制带宽窄对可见光通信系统的数据传输速率的限制。采用4*4 LED阵列作为可见光通信的信源，通过控制16盏白光LED芯片的亮灭盏数实现16级的脉冲振幅调制，可在一个时钟周期内传输4位二进制数据。本发明实现了在不增加器件带宽前提下，成倍提高无线通信的质量与数据传输速率。另外，所述灯具的驱动电路与调制电路集成在一起，安装于灯具主体里面，结构简单，而具有广阔的应用前景。

Description

一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具。

背景技术

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体照明器件LED迅速发展了起来，备受人们关注。相比于传统的白炽灯等照明光源，LED具有低功耗、寿命长、尺寸小、绿色环保等特点。同时，LED还具有调制性能好、响应灵敏度高、无电磁干扰等优势，可将信号以人眼无法识别的高频进行传输，LED发出的光的频段不需要频段许可授权，可以低成本实现高带宽且高速率的无线通信，因而催生出一门能够实现照明与通信一体化的技术——可见光通信技术。

自2000年可见光通信的概念出现至今，实验室已经实现利用白光LED芯片作为光源同时满足照明与通信的要求。然而，白光LED芯片有限的调制带宽是VLC中最大的挑战之一。一般的荧光粉LED调制带宽只有几兆赫兹，数据传输速率受到限制。当采用NRZ OOK调制时，传输速率一般只能达到10Mbit/s左右。为了提升系统数据传输速率，除从白光LED芯片的结构、驱动电路的设计上拓展带宽，还可以通过不同的调制方式提高系统整体带宽，如离散多音调制（DMT）、正交振幅调制（QAM）、正交频分复用（OFDM）等；也可以通过不同的调制方式相结合，如MIMO-OFDM、PPM-PWM、脉冲和OFDM双重调制技术等。然而，这些技术大大地增加了系统的复杂程度。

因此，极为有必要开发一种基于新的调制技术而又简单易行的可见光通信LED灯具，满足系统的带宽需求，从而在提供照明的同时实现信号的高速传输。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明提出了一种灯具结构，该灯具结构可以实现PAM调制，因而可在不增加器件带宽前提下，成倍提高无线通信的质量与数据传输速率。

一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，包括灯壳，和位于灯壳内的LED驱动电路基板、位于灯壳上方的SMA接口、位于灯壳下方的导光面罩以及LED驱动电源。LED驱动电路基板上设置2ⁿ个用于可见光通信的白光LED芯片，n为正整数；所述的LED驱动电源为220V整流电路模块，作为LED驱动电路基板上LED驱动调制电路的工作电源。

进一步地地，每个白光LED芯片由相应的LED驱动调制电路来独立控制；所述LED驱动电路基板上的LED驱动调制电路包括稳压IC、MOS管、串并转换器、限流电阻、两个滤波电容、白光LED芯片以及保护二极管；所述稳压IC输入极与LED驱动电源正极相连,地极与LED驱动电源负极相连；MOS管栅极与串并转换器的并行输出端相连，源极与LED驱动电源负极相连；串并转换器的串行输入端与SMA接口相连，其中一个并行输出端与MOS管栅极相连；限流电阻与白光LED芯片串联后跨接在稳压IC输出极和LED驱动电源负极之间；两个滤波电容分别跨接在稳压IC输入极与LED驱动电源负极、稳压IC输出极与LED驱动电源负极之间；保护二极管串接在稳压IC输入极与LED驱动电源正极之间，具有电源反接保护作用。

进一步地，所述的灯壳内还安装有散热器，所述的散热器与导光面罩相连接。

进一步地，所述LED驱动电源通过支架安装在散热器的顶部，散热器的外壁具有若干散热翅片；LED驱动电源能对LED驱动电路基板中的LED驱动调制电路的工作电流进行调制。

进一步地，控制信号经过SMA接口后，由串并转换器转换成并行输出信号，通过控制LED驱动电路基板上的LED驱动调制电路对每盏灯进行独立控制，实现对白光LED芯片的亮灭盏数的控制。

进一步地，所述灯具采用的调脉冲幅度制技术，为按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度来调节灯具的光输出量和波形，即通过LED驱动电路基板上的LED驱动调制电路控制16盏灯的亮灭盏数，以实现16种不同的亮度水平的调制方式，从而实现16级的脉冲幅度调制，达到在一个时钟周期内传输4位二进制数字信号的目的。

进一步地，所述n为4。

进一步地，白光LED芯片的封装方式采用COB封装。

与现有的技术相比，本发明具有以下明显的优点和效果：

（1）本发明基于简单的PAM调制技术，即按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度来调节灯具的光输出量和波形，即通过LED驱动调制电路控制16盏灯的亮灭盏数，以实现16种不同的亮度水平的调制方式，比起基于传统的OFDM调制、DMT调制技术等，大大简化了系统的复杂程度，且可以在不增加LED器件带宽的前提下，成倍地提高无线通信的质量及信道的容量。

（2）本发明通过使用一个4*4的白光LED芯片阵列，实现16级的脉冲振幅调制，相比于传统的使用OOK调控技术的可见光通信系统，可以将系统数据传输速率提升4倍。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的剖视图。

图3为本发明的爆炸图。

图4为本发明中LED驱动调制电路图。

图5为本发明的脉冲振幅调制方式图。

附图标记说明：1-LED驱动电路基板、2-LED阵列光源、3-散热器、4-SMA接口、5-导光面罩、6-LED驱动电源、7-隔离板、8-定位圈、9-固定螺丝、10-固定螺丝、11-隔离板开孔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

为了便于理解本发明，下面结合具体附图和实施对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，为了提高可见光通信速率，一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具包括LED驱动电源6、LED驱动电路基板1和灯壳，所述LED驱动电路基板1上设置LED阵列光源2用于可见光通信，所述的LED阵列光源2内的白光LED芯片均采用COB封装结构。

所述的LED灯具的光源采用一个4*4的COB封装的白光LED芯片阵列，所述的每个白光LED芯片由单独的OOK调制的LED驱动调制电路独立控制，所述LED驱动电路基板1上的每个LED驱动调制电路由稳压IC、MOS管、串并转换器、限流电阻、两个滤波电容、白光LED芯片以及保护二极管组成；所述稳压IC输入极与LED驱动电源6正极相连,地极与LED驱动电源6负极相连，稳压IC的输出极能提供驱动白光LED芯片所需的稳定电压；MOS管栅极与串并转换器的并行输出端相连，源极与LED驱动电源6负极相连，由MOS管开关控制电路通断实现单个白光LED芯片的亮灭控制；串并转换器的串行输入端与SMA4相连，其中一个并行输出端与MOS管栅极相连，用于实现控制信号的串并转换；限流电阻与白光LED芯片串联后跨接在稳压IC输出极和LED驱动电源6负极之间，起限流保护作用；两个滤波电容分别跨接在稳压IC输入极与LED驱动电源6负极、稳压IC输出极与LED驱动电源6负极之间，保证输入输出电流的稳定；保护二极管串接在稳压IC输入极与LED驱动电源6正极之间，具有电源反接保护作用。

具体地，采用4*4个白光LED芯片阵列作为灯具的光源，可实现16级的光强幅度调制，可在不增大驱动电路复杂程度的前提上，成倍地提高可见光通信的速率。

本发明实施例中LED阵列光源2内的白光LED芯片均采用COB封装结构，具有散热能力强等优点，提高了光通信的稳定性。

所述的LED驱动电源6电路模块为市场上常见的220V直接整流电路，整流电路原理为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

所述的灯壳采用散热器3，所述的散热器3的底端设有导光面罩5，所述的散热器3通过散热片与LED驱动电路基板1相连接。

所述的散热器3外的顶端设置LED驱动电源6，所述的LED驱动电源6通过支架由固定螺丝固定在散热器3外的顶端，散热器3的外壁具有若干散热翅片，所述LED驱动电源6作为LED驱动电路基板1上的LED驱动调制电路的工作电源，并能对LED驱动电路基板1上的LED驱动电路的工作电流进行调制。

本发明实施例中，LED驱动电源6能与外部交流电连接，当LED驱动电源6通过普通电源线与外部交流电连接后，并将外部交流电转变为直流电，能为LED驱动电路基板1的LED驱动调制电路提供工作所需的电流和电压，所述散热器3的底端设有导光面罩5。散热器3呈罩状，导光面罩5呈半球状，当然灯具结构还可以采用其他形式的，具体不再例举。

所述导光面罩5设置有定位圈8，散热器3位于定位圈8内，散热器3利用定位圈8与导光面罩5安装固定。

所述散热器3上设置有三个固定螺丝9，所述LED驱动电路基板1设置有四个固定螺丝10，通过固定螺丝能够将整个灯具组成部分安装在所需的位置，利用固定螺丝进行安装固定，为本技术领域常用的技术手段，螺丝及螺孔的具体结构为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

所述LED驱动电源6与LED驱动电路基板1通过隔离板7相互隔离，隔离板7上有开孔11，信号线与电源线可经过开孔11与LED驱动电路基板1相连接，提供LED驱动电路基板1所需的驱动电流与调制信号。

所述LED驱动电源6通过支架安装在散热器3外的顶端，散热器3的外壁具有若干散热翅片，通过散热翅片能够提高散热器3的散热面积，提高散热效率，确保对LED驱动电路基板1的散热效果。在本实施方式中所述的LED驱动电路基板1采用铝基板，使得具有较好的散热效果，此外LED驱动电路基板1还可以采用常用的其他材料。

所述LED驱动电路基板1由LED驱动电源6进行供电，LED驱动电源经过稳压IC后输出稳定的电压，为白光LED芯片提供驱动电压，而白光LED芯片的亮灭情况由该N沟型MOS管进行控制。当串并转换器的并行输出端输出“1”时，MOS管处于导通状态，白光LED芯片点亮；当串并转换器的并行输出端输出“0”时，MOS管处于截止状态，白光LED芯片熄灭。所述所有的LED驱动调制电路只有一个串并转换器，所述串并转换器拥有至少16个并行输出端，每个并行输出端都连接一个由稳压IC、MOS管、限流电阻、两个滤波电容、白光LED芯片以及保护二极管组成的电路。

所述LED驱动电路基板1通过数据线接收来自SMA接口4的控制信号，由串并转换器将串行输入的控制信号转换成并行输出的信号，再经过LED驱动调制电路控制不同数目白光LED芯片的亮灭，实现16种不同的亮度水平，进而达到一个时钟周期传输4位二进制数字信号，而传输速率比传统的使用亮灭键控调制系统所能达到的速率高4倍，具体的每个LED驱动调制电路如图4所示。如图5所示，给出4个不同振幅级别分别代表的信息，以此来说明脉冲振幅调制方式。例如“1010”表示第10级振幅，串并转换器的串行输入端接收来自SMA接口4的信号“1010”，经串并转换器后其并行输出端输出10个高电平和6个低电平，通过点亮10块LED芯片即表示“1010”这个4位二进制数字信号。如坐标轴下方的4×4网格所示，其中10个黑色方格代表LED灯亮，而6个白色方格则代表灭。同理，“1100”、“0100”、“0111”分别代表第12级、第4级、第7级。

上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，包括灯壳，和位于灯壳内的LED驱动电路基板(1)、位于灯壳上方的SMA接口(4)、位于灯壳下方的导光面罩(5)以及LED驱动电源(6)；其特征在于：LED驱动电路基板(1)上设置2ⁿ个用于可见光通信的白光LED芯片，n为正整数；所述的LED驱动电源(6)为220V整流电路模块，作为LED驱动电路基板(1)上LED驱动调制电路的工作电源；控制信号经过SMA接口(4)后，由串并转换器转换成并行输出信号，通过控制LED驱动电路基板(1)上的LED驱动调制电路对每盏灯进行独立控制，实现对白光LED芯片的亮灭盏数的控制；每个白光LED芯片由相应的LED驱动调制电路来独立控制；所述LED驱动电路基板(1)上的LED驱动调制电路包括稳压IC、MOS管、串并转换器、限流电阻、两个滤波电容、白光LED芯片以及保护二极管；所述稳压IC输入极与LED驱动电源(6)正极相连,地极与LED驱动电源(6)负极相连；MOS管栅极与串并转换器的并行输出端相连，源极与LED驱动电源(6)负极相连；串并转换器的串行输入端与SMA接口(4)相连，其中一个并行输出端与MOS管栅极相连；限流电阻与白光LED芯片串联后跨接在稳压IC输出极和LED驱动电源(6)负极之间；两个滤波电容分别跨接在稳压IC输入极与LED驱动电源(6)负极、稳压IC输出极与LED驱动电源(6)负极之间；保护二极管串接在稳压IC输入极与LED驱动电源(6)正极之间，具有电源反接保护作用。

2.根据权利要求1所述的一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，其特征在于：所述的灯壳内还安装有散热器(3)，所述的散热器(3)与导光面罩(5)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，其特征在于：所述LED驱动电源(6)通过支架安装在散热器(3)的顶部，散热器(3)的外壁具有若干散热翅片；LED驱动电源(6)能对LED驱动电路基板(1)中的LED驱动调制电路的工作电流进行调制。

4.根据权利要求1所述的一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，其特征在于：通过LED驱动电路基板(1)上的LED驱动调制电路控制16盏灯的亮灭盏数，以实现16种不同的亮度水平的调制方式，从而实现16级的脉冲幅度调制，达到在一个时钟周期内传输4位二进制数字信号的目的。

5.根据权利要求1所述的一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，其特征在于：所述n为4。

6.根据权利要求1所述的一种用于PAM调制的可见光通信LED灯具，其特征在于：白光LED芯片的封装方式采用COB封装。

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