CN106452582B - 基于波分复用rgb-led光源的近距离高速双向数据传输系统 - Google Patents

基于波分复用rgb-led光源的近距离高速双向数据传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波分复用RGB‑LED光源的近距离高速双向数据传输系统，包括至少两个数据传输终端，其中至少一个所述数据传输终端为移动终端；所述数据传输终端包括：双向数据通信模块，用于发送和接收LED光信号；主控模块，启动和控制数据通过LED光信号接收和发送的通信过程；数据存储模块，用于存储接收和发送的数据；所述双向数据通信模块包括物理层装置、MAC层装置和数据总线；所述物理层装置包括LED光信号发射端、接收端和电源。本发明的系统LED光信号光源选用LED三基色光源，通过S‑OFDM‑QAM信号调制，克服了LED器件调制带宽对数据传输速率的限制。本发明的系统可实现双向点对点近距离高速数据传输，能在1‑10cm的近距离范围内实现传输速率达到1.5Gb/s的高速数据传输。

Description

基于波分复用RGB-LED光源的近距离高速双向数据传输系统
技术领域
本发明属于LED可见光无线通信技术领域，具体涉及一种基于波分复用RGB-LED光源的近距离高速双向数据传输系统。
背景技术
发光二极管(LED)具有高亮度、高可靠性、能量损耗低及使用寿命长等特性，一方面，作为公认的下一代绿色光源器件，LED能够广泛运用于全色显示、信号指示与照明光源等诸多场合。另一方面，LED具有调制性能好、响应灵敏度高等特点，所以能够将数字信号调制到LED所发出的可见光上，通过可见光强度的微弱变化，实现数据传输与信息通信。所以，LED能够将显示、照明与数据通信的功能结合在一起，形成了一种新型的近距离无线通信技术，即可见光通信(VLC)技术。与传统采用微波及射频无线电的近距离通信系统相比，VLC作为一种新型的近距离可见光无线通信技术，主要具备如下特点：(1)绿色通信，安全环保，无电磁辐射，并且低发射功率LED发出的可见光对于人眼安全。(2)能够实现显示、照明与信息通信功能。(3)可见光无法穿透墙壁，系统具有保密性。(4)可见光不受射频信号的电磁干扰，能够应用对电磁敏感的环境中。(5)VLC系统使用的可见光波段，不受无线频谱的管制，能够作为传统近距离通信系统的有效替代方法。
一方面，近十几年来，VLC通信系统得到了越来越多的关注与研究。VLC技术目前已经取得迅猛发展，理论上能够实现的信息传输速率已经从最开始的M比特率到目前被证明的G比特率。随着VLC系统相关信号收发器件的开发，目前在实际运用中的通信系统数据速率也得到了一定的提升。但是，VLC系统通信速率的提高，仍然存在着很多限制因素，其中最主要的是LED发光二极管有限的信号调制带宽。这是因为，普通商用白光LED的3dB调制带宽都低于20MHz，很大程度上限制了VLC系统被调制信号的传输波特率。而且目前绝大部分商用的LED器件都是利用蓝光激发黄色荧光粉产生白光，虽然具有LED器件结构简单与成本较低的优点，但是，荧光粉属于二次驱动，响应速度慢，作为信号发送器件会进一步导致调制带宽变窄，能直接通过LED光强度变化来承载的数字信号的信号波特率受到了很大的限制。
另一方面，在移动互联网数据传输需求日益增加的应用背景下，如何既保证信息通信的安全便捷，又能实现好友间的大文件大数据的点对点快速互传，并进一步实现真正的便携式存储，是非常值得关注的课题。比如，在智能手机(及其他智能系统)的运用中：智能手机具备一定的大文件存储功能，而如何实现大文件点对点快速安全的通信传输与信息共享，目前在底层通信方面，能使用的方法只有两大类。第一类为有线传输，在有线传输实现大数据共享的情况下，无论是通过USB方式传输，还是通过有线网口传输，都存在着：线缆携带不方便、通过局域网传输容易造成信息泄漏、点对点传输需要经过两次甚至多次的拷贝与转发、USB等接口对于G比特大文件大数据传输速率低且耗时长等诸多问题与限制。第二类为无线传输，近距离无线信息传输技术主要有蓝牙、Wi-Fi局域网、RFID射频、UWB超宽带、ZIGBEE无线传感器等，这些技术无一例外，都归属于微波或射频通信，具有：商家与用户成本较高、转发设备不易安装、需要使用无线电波造成电磁辐射、信息安全性能较差、数据传输速率低、Wi-Fi无线局域网需要流量费用等诸多缺点。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，采用LED/PIN等VLC通信系统收发器件，实现近距离点对点高速数据传输，并能克服LED器件调制带宽对数据传输速率的限制，提供一种基于波分复用RGB-LED光源的近距离高速双向数据传输系统。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
基于波分复用RGB-LED光源的近距离高速双向数据传输系统，所述系统包括至少两个数据传输终端，其中至少一个所述数据传输终端为移动终端；所述数据传输终端包括：
双向数据通信模块，用于发送和接收LED光信号；
主控模块，启动和控制数据通过LED光信号接收和发送的通信过程；
数据存储模块，用于存储接收和发送的数据；
所述双向数据通信模块包括物理层装置、MAC层装置和数据总线；所述MAC层与PHY物理层间通过MII接口进行数据交互。
所述物理层装置包括LED光信号发射端、接收端和电源；
所述LED光信号发射端包括串并转换模块、QAM-正交子载波调制芯片、低通滤波器、乘法器、并串转换模块、放大器、直流偏置模块和LED光源；其中，所述LED光源选用LED三基色光源；MAC层封装的数据信号承载于数据总线，数据并行传输，单行数据通过串并转换模块分为并行数据块，经QAM-正交子载波调制芯片对子载波调制后，经低通滤波器滤波，滤波后的数据通过乘法器加载到中心频率子载波上，经过并串转换后用放大器放大处理，最后通过直流偏置调制到不同颜色的波段上，使LED光源发出光信号；
所述LED光信号接收端包括透镜、滤波片、光敏探测器、放大器、串并转换模块、乘法器、QAM-正交子载波调制芯片、并串转换模块；接收端通过透镜聚光后，经过滤波片将三个波段的光分离，分离后各波长范围的光分别经由对应的光敏探测器接收，接收的信号承载于数据总线，通过光敏探测器电路转化为电信号，信号通过放大器放大后，通过串并转换模块输出，输出的并行数据通过乘法器加载到中心频率子载波上，经由低通滤波器进行滤波处理后通过QAM-正交子载波调制芯片进行解码输出，最后通过并串转换模块将数据块合并，完成数据接收。
其中，所述可见光通信信道的通信距离为1cm--10cm，所述装置LED光信号发射端信号发射视角不超过30度。
所述LED光源为LED三基色光源，包括RGB三色LED光源，单色LED光源信号发送功率为20mw。
所述LED三基色光源波长中心点分别为623nm、530nm及465nm，其光谱宽度均为20nm。
所述QAM信号调制采用动态调制，低频的子载波上调制高阶QAM信号；在衰落较大的高频子载波上，调制低阶QAM信号。
所述接收端的滤波片选用便宜的有色玻璃，可减少成本，并且不会影响数据传输。
作为本发明的进一步改进，所述双向数据通信模块可以以外接或内置的形式安装在终端中，所述终端包括电脑、手机、平板等。
所述双向数据通信模块以内置的形式安装在移动终端中，以移动终端的数据总线和网卡芯片的物理层、MAC层为通信接口，在移动终端主板的数据总线上嵌入总线调制信号的驱动电路；光源选用LED三基色光源。
子载波正交频分调制S-OFDM(Subcarrier-Orthogonal Frequency DivisionModulation,)是多路并行信号经不同的正交子载波调制后，经由同一可见光波长在自由空间传输的一种复用方式。对于不同的子载波信道而言，其调制阶数，带宽和中心频率都可以根据通信系统的业务需求来进行调整。本发明在RGB三基色波分复用前，采用QAM-子载波正交调制方式。三种不同波长的光作为独立信道携带各自不同的信号同时发送，这三路OFDM信号又是由多个正交子载波信道调制后产生的，这样显然能够降低独立信道的通信速率，使信道特性接近理想特性，以克服码间串扰对通信系统的性能影响。同时，对于每个传递信号的LED发光芯片来说，形成的每个可见光信道，同时采用上述的子载波正交频分调制技术，可以大幅度提升信号传输的波特率，进而提升VLC点对点低功率高速近距离通信系统的通信容量与信息速率。
本发明的系统基于三基色LED(RGB-LED)拓展了LED可见光通信的信道利用率，通过S-OFDM-QAM的方法进行信号调制，克服了LED器件调制带宽对数据传输速率的限制。每个波长实用调制带宽为19.25MHz，S-OFDM子载波的调制信号阶数为512QAM，因此每个波长的传输速率为500Mb/s，经过波分复用后该系统总的传输速率达到1.5Gb/s。在没有任何外界网络控制设备的条件下，在1-10cm的短通信距离内可实现大文件大数据高速率直接信息高速点对点对传，最高传输速率可以达G比特率，平均传输速率在百兆比特率以上，具有良好而又广阔的市场应用前景。
本发明可利用现有终端所带低功率三基色LED灯进行高速数据信号的无线可见光短距离传输，通过可见光来完成大文件大数据的实时点对点的发送和接收，使用在生活中无处不在的智能手机与智能移动终端来传递信息与存储大文件大数据，达到显示照明与通信存储并用，实现资源的高效复用。另外，LED三基色光源发出的是可见光，更加绿色、安全，通信干扰少，且无需无线电频谱，所以本专利方法支持的VLC可见光通信系统还具有安全环保、实用经济、节能易用等特点。
附图说明
图1是本发明数据传输系统的一种实施方式；
图2是本发明数据传输系统的另一种实施方式；
图3是本发明实施例数据传输终端的结构示意图；
图4是本发明传输装置物理层原理图；
图5是数据分组方式示意图；
图6是发送端数据流示意图；
图7是接收端数据流示意图。
具体实施方式
下面将结合附图说明和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步描述。
基于波分复用RGB-LED光源的近距离高速双向数据传输系统，所述系统包括至少两个数据传输终端，其中至少一个所述数据传输终端为移动终端。如图1-图2所示，所述系统中两个数据传输的终端可为两个传输数据的移动终端，也可为移动终端和固定终端。
如图3所示，所述数据传输终端包括：双向数据通信模块，用于发送和接收LED光信号；主控模块，启动和控制数据通过LED光信号接收和发送的通信过程；数据存储模块，用于存储接收和发送的数据。
如图4所示，所述双向数据通信模块物理层包括LED光信号发射端和接收端这两部分，属于两个不同的线程，各自独立运行互不影响，形成全双工通信传输系统。
发射端：包括串并转换模块、QAM-正交子载波调制芯片、低通滤波器、乘法器、并串转换模块、放大器、直流偏置模块和LED光源；其中，所述LED光源选用LED三基色光源。
MAC层封装需要传输的大文件大数据的基带数字信号，MAC层封装的数据信号承载于数据总线，数据并行传输，单行数据通过串并转换模块分为并行数据块，经QAM-正交子载波调制芯片对子载波调制后，经低通滤波器滤波，滤波后的数据通过乘法器加载到中心频率子载波上，经过并串转换后用放大器放大处理，最后通过直流偏置调制到不同颜色的波段上，使LED光源发出光信号，发送端数据流如图6所示。
图5为发送端的串行输入信号码元，首先通过图6所示发送端串并转换模块，将输入码元序列分成N个并行的数据块，每块有F个码元，可以用F个比特替代。经过串并转换分成M组，每组中的比特数可以不同，设第i个数据块中包含的比特数为bi-j，则有
其中，第i个数据组中的数据串并输出后的任意bi-j个比特，经过QAM-子载波正交频分调制芯片编码后，再经由低通滤波器，低通滤波器的输出信号利用乘法器加载到fi-j(子载波的中心频率)载波上，经过并串转换将并行数据转换成串行数据后，再通过放大器将信号进行放大处理，最后通过直流偏置，调制到三基色发光二极管(RGB-LED)不同颜色的芯片上，对应红绿蓝三基色可见光波长中心点分别为623nm、530nm及465nm，其光谱宽度均为20nm，每个发光二极管的信号发送功率为小功率20mw(13dbm)。
接收端：LED光信号接收端包括透镜、滤波片、光敏探测器、放大器、串并转换模块、乘法器、QAM-正交子载波调制芯片、并串转换模块；接收端通过透镜聚光后，经过滤波片将三个波段的光分离，分离后各波长范围的光分别经由对应的光敏探测器接收，接收的信号承载于数据总线，通过光敏探测器电路转化为电信号，信号通过放大器放大后，通过串并转换模块输出，输出的并行数据通过乘法器加载到中心频率子载波上，经由低通滤波器进行滤波处理后通过QAM-正交子载波调制芯片进行解码输出，最后通过并串转换模块将数据块合并，完成数据接收，并送回给接收端MAC层，接收端数据流如图6所示，接收端的并串转换模块，将并行输出数据串行输出到第i个数据组，最后通过总的并串转换模块完成组装，实现了用户在接收端接收到了发送端的全部数据。
其中，所述可见光通信信道的通信距离为1cm--10cm，所述装置LED光信号发射端信号发射视角不超过30度。
由于LED发光器件对低频数字信号的响应更加灵敏，抗衰落性能更好，所以在低频的子载波上调制高阶的数字信号(如高阶QAM信号：幅度相位调制)；在衰落较大的高频子载波上，调制低阶的数字信号(如低阶QAM信号)，实现整个传输系统数据速率的动态优化。
用光谱分析仪器可以检测LED发光二极管中的RGB三色光谱，其归一化中值的对应带宽均大于20MHz，每一个波分信道均可以承载20Mbad/s的数字信号，并符合信号正常接收的信号质量要求。
所述双向数据通信模块可以以外接或内置的形式安装在终端中，所述终端包括电脑、手机、平板等。
所述双向数据通信模块以内置的形式安装在移动终端中，以移动终端的数据总线和网卡芯片的物理层、MAC层为通信接口，在移动终端主板的数据总线上嵌入总线调制信号的驱动电路；光源选用LED三基色光源。
本实施例的系统基于三基色LED(RGB-LED)拓展了LED可见光通信的信道利用率，通过S-OFDM-QAM的方法进行信号调制，克服了LED器件调制带宽对数据传输速率的限制。每个波长实用调制带宽为19.25MHz，S-OFDM子载波的调制信号阶数为512QAM，因此每个波长的传输速率为500Mb/s，经过波分复用后该系统总的传输速率达到1.5Gb/s。

Claims (7)

1.基于波分复用RGB-LED光源的近距离高速双向数据传输系统，其特征在于，所述系统包括至少两个数据传输终端，其中至少一个所述数据传输终端为移动终端；所述数据传输终端包括：
双向数据通信模块，用于发送和接收LED光信号；
主控模块，启动和控制数据通过LED光信号接收和发送的通信过程；
数据存储模块，用于存储接收和发送的数据；
所述双向数据通信模块包括物理层装置、MAC层装置和数据总线；所述MAC层与PHY物理层间通过MII接口进行数据交互；
所述物理层装置包括LED光信号发射端、接收端和电源；
所述LED光信号发射端包括串并转换模块、QAM-正交子载波调制芯片、低通滤波器、乘法器、并串转换模块、放大器、直流偏置模块和LED光源；其中，所述LED光源选用LED三基色光源，LED三基色光源波长中心点分别为623nm、530nm及465nm，其光谱宽度均为20nm；MAC层封装的数据信号承载于数据总线，数据并行传输，单行数据通过串并转换模块分为并行数据块，经QAM-正交子载波调制芯片对子载波调制后，经低通滤波器滤波，滤波后的数据通过乘法器加载到中心频率子载波上，经过并串转换后用放大器放大处理，最后通过直流偏置调制到不同颜色的波段上，使LED光源发出光信号；
所述LED光信号接收端包括透镜、滤波片、光敏探测器、放大器、串并转换模块、乘法器、QAM-正交子载波调制芯片、并串转换模块；接收端通过透镜聚光后，经过滤波片将三个波段的光分离，分离后各波长范围的光分别经由对应的光敏探测器接收，接收的信号承载于数据总线，通过光敏探测器电路转化为电信号，信号通过放大器放大后，通过串并转换模块输出，输出的并行数据通过乘法器加载到中心频率子载波上，经由低通滤波器进行滤波处理后通过QAM-正交子载波调制芯片进行解码输出，最后通过并串转换模块将数据块合并，完成数据接收。
2.根据权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，所述系统的可见光通信信道的通信距离为1cm—10cm，所述数据传输终端LED光信号发射端信号发射视角与LED光信号接收端信号接收视角均不超过30度。
3.根据权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，LED光信号发射端的单色LED光源信号发送功率为20mw。
4.根据权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，QAM信号调制采用动态调制，低频的子载波上调制高阶QAM信号；在衰落较大的高频子载波上，调制低阶QAM信号。
5.根据权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，所述接收端的滤波片选用有色玻璃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的数据传输系统，其特征在于，所述双向数据通信模块以外接或内置的形式安装在终端中。
7.根据权利要求6所述的数据传输系统，其特征在于，所述双向数据通信模块以内置的形式安装在移动终端中，以移动终端的数据总线和网卡芯片的物理层、MAC层为通信接口，在移动终端主板的数据总线上嵌入总线调制信号的驱动电路。
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