CN106961309B - 一种可见光通信收发器与可见光通信系统 - Google Patents

一种可见光通信收发器与可见光通信系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种可见光通信收发器，该可见光通信收发器包括：LED光源、Bias Tee电路、驱动放大模块和自适应放大均衡模块。其中，驱动放大模块，用于对数字调制信号进行数模转换和放大得到第一电信号，通过Bias Tee电路传输至LED光源；LED光源，用于将所述第一电信号进行电光转换生成第一光信号并发送，同时对所接收的第二光信号进行光电转换得到第二电信号；Bias Tee电路，用于从所述LED光源获取所述第二电信号，并将所述第二电信号通过所述射频端口传输至所述自适应放大均衡模块；自适应均衡模块，用于根据所述第一光信号的光功率，调整所述第二电信号的增益，得到所述第二光信号对应的电信号。采用本申请实施例的可见光通信收发器，可以实现同时收发光信号。

Description

一种可见光通信收发器与可见光通信系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种可见光通信收发器与可见光通信系统。
背景技术
随着互联网技术的发展，对无线通信速率和容量的需求急剧上升，传统无线通信所使用的频谱资源越来越难以满足需要，由于无线光通信所使用的光谱波段是免频谱许可的，因此，基于可见光波段的无线光通信系统越来越受关注。
光电探测器可将光信号转换为电信号，是可见光通信中的重要组成部分。现有的光电探测器主要有光电二极管(Photodiode，PD)、雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，APD)、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)和光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)。其中，PD、APD与PMT三种光探测器对于可见光波段都是宽光谱接收的，如果滤出特定波长的光信号，需要添加一个特定波长范围的滤波片，来实现对特定波长光信号的接收功能。但是，LED作为光探测器，以其能够独立的接收光信号、具有较好的波长选择性，以及，大多数LED是窄光谱响应的优点，在接收特定波长的光信号时不需要特定波长范围的滤波片。
由于LED能够独立的接收光信号，因此，以LED作为接收端的可见光通信收发器能够实现双向收发光信号。但是，发明人在研究过程中发现，现有以LED作为接收端的可见光通信收发器，以时分复用的方式进行双向收发光信号。因此，一种能够实现同时收发光信号的可见光通信收发器是很必要的。
发明内容
基于此，本申请提供了一种可见光通信收发器，以实现同时收发光信号。
本申请还提供了一种基于可见光通信收发器的可见光通信系统，以实现同时收发光信号的通信系统。
本申请还提供了一种多色可见光通信系统，根据多色LED之间响应不同的窄光谱波段，使得采用多对LED-LED链路进行光通信，实现低成本、低复杂度的可见光通信系统。
为此，本申请提供的技术方案如下：
本申请提供了一种可见光通信收发器，所述可见光通信收发器包括：LED光源、Bias Tee电路、驱动放大模块和自适应放大均衡模块；
其中，所述LED光源与所述Bias Tee电路的射频和直流混合端口相连接，所述驱动放大模块与所述自适应放大均衡模块并联，并联后与所述Bias Tee电路的射频端口相连接；
所述驱动放大模块，用于对数字调制信号进行数模转换和放大得到第一电信号，并通过所述射频端口，将所述第一电信号发送至所述Bias Tee电路；
所述Bias Tee电路，用于通过射频和直流端口将所述第一电信号发送至所述LED光源；
所述LED光源，用于将所述第一电信号进行电光转换生成第一光信号并发送，同时对所接收的第二光信号进行光电转换得到第二电信号；其中，所述第二光信号包括对端发送的光信号、或者、所述LED光源发送的光信号激励外部材料产生的光信号，或者，反射后传回的光信号；所述LED光源对所述第二光信号的响应能力与所述第一光信号的光功率负相关；
所述Bias Tee电路，用于从所述LED光源获取所述第二电信号，并将所述第二电信号通过所述射频端口传输至所述自适应放大均衡模块；
所述自适应均衡模块，用于根据所述第一光信号的光功率，调整所述第二电信号的增益，得到所述第二光信号对应的电信号。
其中，所述自适应放大均衡模块包括：自适应增益控制电路与均衡电路；
其中，若所述LED光源的正向偏置电压大于所述LED光源的转换电压时，所述自适应增益控制电路的增益系数设置为其中，V为正向偏置电压，V0为常数；
若所述LED光源的正向偏置电压小于所述LED光源的转换电压时，所述自适应增益控制电路的增益系数设置为e[βV]；
所述均衡电路，用于增大所述第二电信号的带宽。
其中，所述LED光源包括：单色LED光源、微米级LED光源、有机LED光源、量子点LED光源以及阵列中的任意一种。
其中，所述电光转换和所述光电转换这两个物理过程发生在同一材料微观结构上。
其中，所述LED光源在正常照明或显示时可以接收外部光信号。
本申请还提供了一种可见光通信系统，所述可见光通信系统包括：
两个可见光通信收发器，所述可见光通信收发器为上述任一所述的可见光通信收发器；
所述两个可见光通信收发器之间通过光信号进行通信。
其中，所述两个可见光通信收发器的LED光源颜色包括：红色与橙红色。
本申请还提供了一种多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括：
至少两对LED-LED链路，每对所述LED-LED链路包括一个发送器和一个接收器；每对所述LED-LED链路中的LED被配置了预设颜色对，并且，不同LED-LED链路中的LED光源为不同的颜色对；
其中，所述发送器，用于生成并发送光信号；
所述发送器，包括一个第一处理模块，以及，与所述第一处理模块相连的第一LED光源；所述第一处理模块，用于生成数字或模拟调制信号，并将所述数字或模拟调制信号传输至所述第一LED光源；所述第一LED光源，用于将所述数字或模拟调制信号进行电光转换得到光信号并发送；
所述接收器，用于接收所述光信号并从所述光信号中获取所需信息；
所述接收器，包括一个第二处理模块，以及，与所述第二处理模块相连接的第二LED光源；所述第二LED光源，用于接收所述光信号，并将所述光信号进行光电转换得到所述数字或模拟调制信号；所述第二处理模块，用于从所述数字或模拟调制信号中获取所需信息。
其中，所述LED-LED链路之间形成准对角信道矩阵，且，所述多色可见光通信系统的通信方式为全双工通信。
其中，所述多色可见光通信系统包括两个可见光通信系统，每个所述可见光通信系统包括两对LED-LED链路；
所述两对LED-LED链路中一对LED-LED链路中的发送器的LED光源被配置为红色LED光源，接收器的LED光源被配置为红色LED光源；另一对LED-LED链路中的发送器的LED光源被配置为蓝色LED光源，接收器的LED光源被配置为绿色LED光源；
每个所述可见光通信系统的通信方式为非对称全双工通信，具体包括：
蓝色LED光源被配置为下行通信方式，红光LED光源被配置为时分复用上下行，且进行上行时，将第二处理模块估计的信噪比反馈给第一处理模块并选择天线发送的通信方式。
其中，所述第一处理模块，包括：
低阶调制子模块，用于当所述LED-LED链路的平均光功率为低平均光功率时，按照低阶调制阶数对基带信号进行调制，得到所述数字或模拟调制信号；
高阶调制子模块，用于当所述LED-LED链路的平均光功率为高平均光功率时，按照高阶调制阶数对基带信号进行调制，得到所述数字或模拟调制信号。
与现有技术相比，本申请包括以下优点：
LED光源进行同时的光信号收发,意味着LED光源在正常照明或显示时也可以接收外部光信号；电光转换和光电转换这两个物理过程发生在同一材料微观结构上,对于利用可见光通信技术进行基于位置的信息推送应用时,可以提高位置精度。
在实际应用中，LED光源发送的第一光信号与接收的第二光信号的在光功率上存在小比例叠加，使得LED可能不会准确接收第二光信号，为了降低第一光信号与第二光信号在光功率上部分叠加带来的影响，本申请实施例提出的可见光通信收发器，在信号输入端并联驱动放大模块和自适应放大均衡模块。驱动放大模块用于对数字调制信号进行数模转换与放大后得到第一电信号，通过Bias Tee电路将第一电信号发送至LED光源，LED光源根据第一电信号控制生成第一光信号的光功率。LED光源对接收的第二光信号进行光电转换得到第二电信号。由于LED光源对接收的第二光信号进行光电转换得到第二电信号的能力，与发送第一光信号的光功率负相关，因此，对第一光信号光功率的控制影响LED光源对第二光信号的响应能力，本申请实施例的可见光通信收发器中的自适应放大均衡模块，根据第一光信号的光功率调整第二电信号的增益，使可见光通信收发器得到与第二光信号对应的电信号，进而实现可见光通信收发器同时收发光信号。
当然，实施本申请的任意产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本申请中一种可见光通信收发器示意图；
图2是本申请中一种可见光通信系统的框图；
图3是本申请中红光LED-红光LED链路的频率响应曲线图；
图4(a)是本申请中红光LED光源的相对光信号响应强度与正向偏置电压之间的关系示意图；
图4(b)是本申请中红光LED光源的相对光信号响应强度与正向偏置电流之间的关系示意图；
图5是本申请中红光LED-红光LED全双工链路在不同信噪比双向可达速率和正向工作电压间的关系示意图；
图6是本申请中一种多色可见光通信系统的框图；
图7是本申请中一种全双工可见光通信系统的框图；
图8是本申请中红色LED与绿色LED作为光接收器时交流阻抗谱；
图9是本申请中误码率与通信速率的关系示意图；
图10是本申请中红色LED-红色LED可见光通信链路3dB带宽和接收端额外串联阻值的关系示意图；
图11是本申请中又一种多色可见光通信系统的框图；
图12是本申请中一种由四对LED搭建的4×4的多色LED MIMO通信系统框图；
图13(a)是本申请中干扰比率为0.1时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图；
图13(b)是本申请中干扰比率为0.3时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图；
图13(c)是本申请中干扰比率为0.7时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图；
图13(d)是本申请中干扰比率为0.9时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1是本申请实施例提供的一种可见光通信收发器的示意图，该可见光通信收发器可以包括：LED光源101、Bias Tee电路102、驱动放大模块103和自适应放大均衡模块104。
其中，可见光通信收发器的结构连接关系为：Bias Tee电路102有三个端口，分别为直流偏置端口、射频端口以及射频和直流端口。LED光源101与Bias Tee电路102的射频和直流端口相连接，驱动放大模块103和自适应放大均衡模块104并联，并联后与Bias Tee电路102的射频端口相连接。
按照图1所示的可见光通信收发器的结构，实现同时收发光信号的工作原理如下：
研究发现LED光源中的量子阱结构存在同时进行电光转换与光电转换的可能性，因此，基于LED光源中量子阱结构可同时进行电光转换与光电转换的特性，在LED光源发送光信号的同时接收光信号时，在本实施例中，将LED光源发送的光信号称为第一光信号，将LED光源接收的光信号称为第二光信号，在实际应用中，LED光源发送的第一光信号与接收的第二光信号的在光功率上存在小比例叠加，使得LED可能不会准确接收第二光信号，为了降低第一光信号与第二光信号在光功率上部分叠加带来的影响，本实施例提出了图1所示的可见光通信收发器中在信号输入端并联驱动放大模块103和自适应放大均衡模块104。驱动放大模块103用于对数字调制信号进行数模转换与放大，本实施例将进行数模转换与放大后的调制信号称为第一电信号，该第一电信号通过Bias Tee电路102传输至LED光源101，LED光源101根据第一电信号控制生成第一光信号的光功率。LED光源101对接收的第二光信号进行光电转换得到第二电信号，由于LED光源101对第二光信号的响应能力与发送的第一光信号的光功率负相关，因此，本实施例中图1所示的可见光通信收发器中的LED光源101在得到第二电信号后，通过Bias Tee电路102的射频端口输出至自适应放大均衡模块104，自适应放大均衡模块104根据第一光信号的光功率，调整第二电信号的增益，得到第二光信号所对应的电信号，使得LED光源可以准确接收第二光信号。
在实际的应用中，驱动放大模块可以采用电流反馈型运放电路，外接负反馈电阻来实现，其中，负反馈电阻越小，宽带越大，但是电路越不稳定，并且信噪比越小。当然，驱动放大模块也可以采用其他的电路结构来实现，本实施例不对驱动放大模块的具体实现方式做限定。
在本实施例中，自适应放大均衡模块104可以包括自适应增益控制电路和均衡电路，其中，自适应增益控制电路的增益系数与LED光源的正向偏压之间的关系为：若LED光源的正向偏压V大于LED光源的转换电压Vb时，其中，α、V0为常数，若LED光源的正向偏压V小于LED光源的转换电压Vb时，增益系数η＝e[βV]，其中，β为常数。
自适应放大均衡模块104中的均衡电路中可以包含低通滤波电路，用于增大第二电信号的带宽。
具体的，自适应放大均衡模块104可采用多种方式实现，例如，采用三极管作为功率放大器件，或者，采用buf管与运放的组合进行信号放大以及频带的预均衡。当然，本实施例提供的自适应放大均衡模块104的具体实现方式仅仅是可参考的实现方式，在实际的应用中，还可以采用其他的实现方式，本实施例对自适应放大均衡模块104的具体实现方式不做限定。
为了尽可能的减小第一光信号与第二光信号之间的干扰，发送第一光信号与接收第二光信号可以占用不同的频带，当采用相同的频带时，因为发送第一光信号已知，接收的第二光信号可以采用相应的干扰消除算法，结合适用的估计算法判决得到。采用运放的电路出现多种杂波信号，为放大器的振荡所致，需要调整电路的反馈，消除寄生电容的影响。
图1所示的可见光通信收发器中的LED光源101可以配置为单色LED光源、微米级LED光源、有机LED光源、量子点LED光源中的任意一种，或者上述光源的阵列中的任意一种。
其中，单色LED光源可以包括白光LED光源、红光LED光源、蓝光LED光源、绿光LED光源以及橙光LED光源等。其中，白光LED光源由蓝色芯片加黄色荧光粉构成，并且，蓝光芯片可以加载调制信号；红光LED光源中的红光芯片可以加载调制信号；蓝光LED光源中的蓝光芯片可以加载调制信号；绿光LED光源和橙光LED光源有独立的光信号收发电路。
在本实施例中，可见光通信收发器包括调制模块与解调模块，其中，调制模块与驱动放大模块103连接，用于生成数字调制信号，并将数字调制信号发送至驱动放大模块；解调模块与自适应放大模块104连接，用于对第一电信号进行解调。
通过本实施例中，根据可见光通信收发器的电路设计原理，可以得知可见光通信收发器可以同时收发光信号。因此，按照本实施例可见光通信收发器的电路设计，LED光源等一大类发光器件可以被用于制作具有同时收发光信号能力的可见光通信收发器，可以降低由可见光通信收发器构成的通信系统的制造成本。
实施例2
在实施例1所示的可见光通信收发器的基础上，本实施例提供了一种可见光通信系统，可见光通信系统的结构示意图如图2所示。
图2所示的可见光通信系统由两个可见光通信收发器组成，并且两个可见光通信收发器分别分布在左右两端，左端的LED光源201，可以为红色LED光源或者橘红色LED光源，此LED光源既发送光信号同时也接收光信号；与LED光源201连接的是第一发送接收模块202，此发送接收模块与实施例1中的可见光通信收发器的电路结构相同，发送接收模块202接收第一终端203生成的调制信号，并将接收后的信号传输至第二终端204；
右端的LED光源205，可以为红色LED光源或者橘红色LED光源，此LED光源既发送光信号同时也接收光信号；与LED光源205连接的是第二发送接收模块206，此发送接收模块206与实施例中的可见光通信收发器的电路结构相同，发送接收模块206接收第三终端207生成的调制信号，并将接收后的信号传输至第四终端208。
上述的第一终端203以及第三终端207都实现的是数据生成、串并转换和调制功能，在实际的应用中，均可以通过带FPGA芯片的终端完成；第二终端204与第四终端208实现的是模数转换、同步、判决解调和并串转换的功能，在实际的应用中可以由带FPGA芯片的终端完成。
上述图2所示的可见光通信系统中的由LED光源201与LED光源205所组成的LED-LED链路实行同一时刻的双工通信。LED光源201与LED光源205可以组成的红光LED-红光LED链路。并且，红光LED-红光LED链路的频率响应曲线为图3所示，其中，横坐标为频率，纵坐标为频率响应；在红光LED光源中的红光芯片发送光信号的同时对所接收光信号的响应如图4所示，其中，图4(a)为红光LED光源的相对光信号响应强度与正向偏置电压之间的关系，其中，横坐标为正向偏置电压，纵坐标为相对光信号响应强度，图4(b)为红光LED光源的相对光信号响应强度与正向偏置电流之间的关系，其中，横坐标为正向偏置电流，纵坐标为相对光信号响应强度。
在以LED光源作为光探测器的可见光通信系统中，LED光源工作的高低电平对可见光通信系统的可达速率有较大影响，具体影响情况以红光LED-红光LED链路的OOK全双工系统为例来介绍。
假设LED光源工作在线性区，高电平为VH，低电平为VL，则该LED光源在高电平时的响应度如下公式(1)所示，在低电平时的响应度如下公式(2)所示。
接着，假设LED光源发出的信号经过信道在另一个LED光源接收，增益系数为A，噪声方差为σ2，则在高电平时的信噪比如下公式(3)所示，在低电平时的信噪比如下公式(4)所示。
通过公式(3)与公式(4)可以看出，SNRH与SNRL关于VL都是负相关的，VL越小，信噪比越大，因此取VL为电压线性区的下界。简单地考虑，LED光源发送零一等概率，则该OOK系统的可达速率可以写为如下公式(5)所示。
C(VH)＝COOK(SNRH(VH))+COOK(SNRL(VH)) (5)
在OOK系统中信道容量由二进制对称信道容量计算，接着，仿真不同信噪比下可达速率随VH的变化，在仿真的过程中VL＝1.7V，VH∈(1.7,2.2]，α＝26.5，β＝44.4。红光LED-红光LED全双工链路在不同信噪比双向可达速率和正向工作电压间的关系如图5所示，其中，横坐标为正向工作电压，纵坐标为双向可达速率，从图5可以看出，在低信噪比下，由于正向电压对响应的抑制作用，性能不理想，而在高信噪比的情况下，可达速率取得较好的效果，并且选择合适的高电平可使可达速率最大化。
由于LED光源作为接收端时，在高电平与低电平下具有不同的响应，因此希望能够通过改变高电平和低电平的比例，提高低电平出现的概率来增加整个OOK通信系统的可达速率。这一目标可以通过编码使零一比例不均衡来实现，当然，改变发送端所发信号的零一比例后，二进制对称信道的容量会相应降低，通过比较不同信噪比下的可达速率，在信噪比值较小时候，改变符号1所占比例能有一定程度上提高最大可达速率，而当信噪比值较大或者符号1所占比例较小时，性能反而恶化，从图5可以看出，选择合适的高电平可以使可达速率最大化，这个最优高电平随着信噪比的增加而减小。
需要说明的是，图2所示的可见光通信系统只采用两个同时收发光信号的可见光通信收发器组成，在实际的应用中，可以在图2所示的可见光通信系统上搭建其他的电路，只要可以实现可以同时收发光信号即可，本实施不对可以实现同时收发光信号的可见光通信系统的具体结构作限定。
通过本实施例，实现全双工LED-LED链路同时刻发送光信号与接收光信号，并确定出使得可见光信通系统达到最大可达速率时，LED光源工作的高低电平。尤其是确定出可以使得可达速率最大化的高电平。此外，与现有中LED-PD与滤光片相结合的可见光通信系统相比，本实施例中，LED-LED链路的可见光通信系统，减少了滤光片，可以降低可将光通信系统的复杂度和成本。
实施例3
参考图6，示出了本申请提供的一种多色可见光通信系统的结构示意图，该多色可见光通信系统可以包括：第一处理模块601、第一LED光源602、第一处理模块603、第一LED光源604、第二处理模块605、第二LED光源606、第二处理模块607以及第二LED光源608。
第一处理模块601，用于生成数字或模拟调制信号，并将该数字或模拟调制信号传输至第一LED光源602。
第一LED光源602，用于将数字或模拟调制信号进行光电转换得到光信号并发送。
第二LED光源606，用于接收第一LED光源602所发送的光信号，并将所接收的光信号进行光电转换得到电信号，并将该电信号发送至第二处理模块605。
第二处理模块605，用于从电信号中获取所需信息。
第一处理模块603，用于生成数字或模拟调制信号，并将该数字或模拟调制信号传输至第一LED光源604。
第一LED光源604的功能与第一LED光源602相同。
第二LED光源608，用于接收第一LED光源604所发送的光信号，并将所接收的光信号进行光电转换得到电信号，并将该电信号发送至第二处理模块607。
第二处理模块607，用于从电信号中获取所需信息。
其中，所有第一处理模块可以通过简单的开关键控调制(OOK)或者正交频分复用调制(OFDM)传输至Bias Tee电路构成，所有第二处理模块可以通过一个信号处理板与一个客户端相连，当然，本实施例所提供的第一处理模块与第二处理模块的实现方式，只是一种实现方式，在实际的应用中第一处理模块和第二处理模块可以为其他的实现方式，只要可以满足第一处理模块与第二处理模块的功能即可。
由于LED光源具有光谱选择性接收的特性，因此，任一确定颜色的LED光源只对特定颜色的LED光源所发的光信号有较好的响应。为了确定可以响应的LED光源颜色对，以两个3×N的RGB LED发光二极管阵列组成的通信系统为例，确定红绿蓝三种颜色间哪些颜色的LED光源配对可以达到较好的光谱响应效果。
每个3×N的RGB LED发光二极管阵列中，每种颜色有N个发光二极管。同色发光二极管串联连接在模块上，不同颜色的LED之间电信号独立。除了无需额外滤光片就有的光谱带通响应特性，多色LED阵列也表现出不同于Si探测器阵列的独特现象。光链路的部分阻挡引起的RGB LED阵列信号失真取决于LED的数量和颜色。当3×3的RGB LED模块作为光电探测器，它可以被看作是某种光电探测器阵列。然而，如果与Si-PD阵列相比，由于属于宽带隙半导体，LED阵列表现出一些独特的光响应现象。上述3×3RGB LED模块作为光探测器接收有偏置的正弦波对应波长光信号的时候有如下三点特性：
1、如果一个或两个红色LED作为光电探测器被阻挡，直流和交流响应都消失；
2、如果一个绿色LED作为光电探测器被阻挡，直流响应降为零，但是交流响应鲁棒，如果任意两个绿色LED被阻挡，交流响应消失；
3、如果一个蓝色LED作为光电探测器被阻挡，直流响应减半但是交流响应鲁棒，如果任意两个蓝色LED被阻挡，直流响应消失，交流响应减半。
上述三个特性的原因主要有两个方面：一是LED是否与TVS封装，另一个是LED的带隙与TVS的阈值电压之间的匹配。如此，这个RGB LED阵列可以被用在可见光通信系统多色干扰管理，或者作为多模式探测器。
首先使用红色，绿色和蓝色LED同时作为光源和光接收器。9颗LED形成有3×3的RGB LED方阵，灯间距30mm，其中三颗相同颜色的LED串联。每个LED上有一个12°全光束角的透镜。透镜能使得LED到LED链路取得明显信道增益。其中，绿色和蓝色LED中有瞬态电压抑制器(TVS)与InGaN芯片并联，且采用倒装封装，红色LED采用AlInGaP芯片的陶瓷板上正装封装。
两个LED模组产生9个可能的颜色对，因为每边有红色，绿色或蓝色发光二极管。从接收端LED的输出信号通过示波器记录。9组实验进行：R-R，R-G，R-B，G-R，G-G、G-B，B-R，B-G，B-B。以前，基于AlInGaP或InGaN的光电二极管或太阳能电池备受关注。AlInGaP和InGaN/GaN LED的吸收光的光致发光(PL)和电流注入的电致发光(EL)也有相对的研究。MarcinKowalczyk提到，LED可以探测小于其发射波长100nm以内的光。LED的结构类似于光电二极管(PD)都由PN结构成。两个效应约束了响应波长。带隙决定了LED的发射波长以及作为接收器的上截止波长。任何大于此波长的光子没有足够的能量激发电子-空穴对。但短波长光入射到LED上时，主要受材料对光子的吸收影响。当波长较短时，光子更容易被PN结的表面吸收，对光电流的贡献变小。这两种效应使LED成为比大多数商业光电二极管响应光谱更窄的光探测器。
通过上述实验，实验得出，红色LED可以响应红色和绿色的光，不响应蓝光。据推测红色LED对蓝光不敏感缘自封装结构，其中红色LED的阴极在上方，大部分注入的蓝光被n-GaP吸收并不能有效激发发光层的电子空穴对。与红色LED对红色LED的响应相比，红色LED对绿色LED发出的绿光的响应要小得多，有数量级的差异。当使用绿色LED作为接收器时，它对红光没有反应。此外，不像红色的LED，绿色发光二极管对自身没有什么反应，但对蓝色LED发的蓝光有很强的响应。
在某种程度上，蓝色LED可以被视为很好的可见光窄谱蓝光接收器件，因为蓝色的LED只响应蓝光。然而，它对蓝光的响应强度和绿色LED相比不是太好。
接着，使用白色光源并在接收LED前放一个滤光片选择出被LED接收到的波长范围。滤光片选择如下(中心波长/半峰全宽，单位nm)：525/50，582/75，630/38，红色LED；435/40，475/50，525/50绿色LED；435/40，475/50蓝色LED。发射白光LED是由一个恒定的电压驱动，接收LED的响应由示波器测量电压得到。每个LED与滤光片的响应除以通过滤光片的光功率进行归一化。进一步通过与没有滤光片时的响应相比进行归一化(LED对整个白色光谱响应的测量)，得到相对响应率。因此，没有滤光片的相对响应率被定义为1。当LED的相对响应率大于1时，意味着在相应的波长范围内的贡献大于整个光谱的平均贡献。相对响应率越大意味着LED在这个光谱范围越敏感。
可以得到如表1、表2和表3所示的RGB LED的响应谱段，其中，表1为红色LED光源的响应谱段，表2为绿色LED光源的响应谱段，表3为蓝色LED光源的响应谱段。
表1
滤波器 无 525/50 582/75 630/38
响应电压(V) 4.56 0.50 3.61 1.24
相对响应率 1 0.46 2.19 2.64
表2
滤波器 无 435/40 475/50 525/50
响应电压(V) 3.03 2.2 0.56 0.1
相对响应率 1 3.01 2.99 0.13
表3
滤波器 无 435/40 475/50
响应电压(V) 4.7 3.3 0.61
相对响应率 1 2.89 2.16
根据上述表1、表2和表3所列出了RGB LED响应的结果，可以看出红色LED在582/75nm和630/38nm滤光片下有较强的响应，而蓝、绿发光二极管对435/40nm和475/50nm有较强响应。和绿色的LED相比，蓝光LED的光电响应波长通常较短。用同一颜色的LED作为发射机和接收机可能不是最优的，因为它的光电发射和光电响应光谱通常不匹配。然而，红色LED是个例外，它的发射和响应光谱不匹配程度较小。除此之外，可以为发射机接收器对找到合适的颜色对，例如蓝色发光二极管发射，用绿色发光二极管探测。
通过上述实验，可以发现两个相互之间几乎没有干扰的链路，R-R和B-G。此外，根据实验得到表4所示的品蓝色、蓝色、蓝绿色、绿色、琥珀色、橙红色、红色、深红色这8种颜色的响应光谱段。
接着，以这8种颜色LED光源分别作为接收端与发送端，得到如下表5所示的8中接收端与8种发送端之间的响应电压。
表4
发光二极管(LED)的颜色 响应光谱段
品蓝色(Royal Blue) 435/40
蓝色(Blue) 435/40
蓝绿色(Cyan) 435/40,475/50
绿色(Green) 435/40,475/50
琥珀色(Amber) 582/75
橙红色(Red-orange) 582/72,630/38
红色(Red) 630/38,582/75
深红色(Deep Red) 630/38,582/75,678/67
表5
从表5中可以得出8对颜色对，分别为品蓝色与蓝色、蓝色与绿色、蓝绿色与绿色、绿色与深红色、琥珀色与深红色、橘红色与深红色、红色与橘红色、深红色与深红色。
图6所示的多色可见光通信系统中第一LED光源602与第二LED光源606、第一LED光源604与第二LED光源608只要从所述8对颜色中选择任意两对满足表5中矩阵元大于0.3即可。需要说明的是，图6所示的一种多色可见光通信系统只是一种两条LED-LED链路的可见光通信系统的示例，在实际的应用中，还可以搭建三条、四条等等多条LED-LED链路的多色可见光通信系统，只要多条LED-LED链路中LED光源的颜色是为八对颜色中的不同颜色对并且满足表5中矩阵元大于0.3即可。
将图6所示的多色可见光通信系统中，第一LED光源602被配置为红色LED光源，第二LED光源606被配置为红色LED光源，第一LED光源604被配置为蓝色LED光源，第二LED光源608被配置为绿色LED光源时，并且在没有任何均衡和放大电路的情况下采用简单的开关键控调制(OOK)能提供的数据速率可达40-200kbps，满足窄带物联网(NB-IoT)的需求。得到如图7所示的一种全双工可见光通信系统的框图，可以适用于双向窄带物联网应用场景下。
图7显示了一种全双工可见光通信系统的框图，正向链路是从红色LED到红色LED，反向链路由蓝色LED到绿色LED。OOK信号由任意波形发生器产生并由发送端LED发送，偏置电压Vdc＝8V，峰峰值Vpp＝1V。接收端LED接收到的信号由示波器记录，离线计算误码率。
红色LED和绿色LED作为接收端，如果接收端的阻抗与示波器的阻抗不匹配会影响接收信号强度，图8示出了红色LED与绿色LED作为光接收器时交流阻抗谱，其中，横坐标为频率，纵坐标为交流阻抗模值，该图给出了由网络分析仪测量得到的红色和绿色LED的阻抗大小，阻抗的实部是电阻，为了将LED输出电流转化为较大的电压，示波器的输入阻抗为1MΩ而不是50Ω。从图8中可以看出绿色LED相比于红色LED具有更小的电阻，因此受到阻抗不匹配更大的影响。图9示出了误码率与通信速率的关系示意图，其中，横坐标为通信速率，纵坐标为误码率，该图显示了从10kbps到50kbps数据率的误码率性能。R-R显示的最小误差是由发送的比特数确定(16384)，B-G有更高的误码率。根据此特性，为了提高链路带宽和传输性能，LED后可以接一个阻抗可调的放大电路。通过图10所示红色LED-红色LED可见光通信链路3dB带宽和接收端额外串联阻值的关系示意图，其中，横坐标为接收端额外串联阻值，纵坐标为3dB带宽，从图10的实验数据表明，提高链路带宽和传输性能可以通过阻抗调整的电路显著增加数据速率。
通过本实施例，可以构建多条LED-LED链路的全双工的多色可见光通信系统，利用LED光源的光谱选择性，多色可见光通信系统不需要滤光片，使得搭建多色可见光通信系统的成本降低，并且结构简单。此外，多颜色对的LED-LED链路的颜色对不同，因此可以提高通信系统的通信速率。
实施例4
参考图11，示出了另外一种多色可见光通信系统的框图，此多色可见光通信系统由两个RGB LED阵列模块组成一个半双工2×2的MIMO LED-LED的可见光通信系统。在忽略颜色间干扰等情况下，该系统在没有任何均衡和放大电路的情况下采用简单的开关键控调制(OOK)能提供的数据速率可达40-200kbps，满足窄带物联网(NB-IoT)的需求，因此，该多色可见光通信系统同样可以适用于低复杂度窄带物联网的应用场景中。
如图9所示，由R-R LED链路和B-G LED链路构成的MIMO可见光通信链路在没有任何放大均衡电路的情况下,可以达到80kbps的速率。根据对发光二极管型光电探测器的研究，性能能够除了能由一个阻抗匹配的放大电路显著提升以外，还可以自适应的通过调节接收端LED信号电流到信号电压的串联阻抗，在信噪比和带宽之间获得平衡。图11所示的多色可见光通信系统还可以扩展到更多颜色的LED、有机LED，以及量子点LED等。
通过本实施例，采用不同LED具有波长选择性，响应光谱的特征搭建多色的MIMOVLC具有很大的潜力。这种多色LED-LED的MIMO VLC系统能够有效地利用光谱上的自由度，提升通信性能。并且由于不需要使用滤光片，能够极大地降低成本，提高系统的实用性。
实施例5
参考图12，示出了一种由四对LED搭建的4×4的多色LED MIMO通信系统框图。
在未使用任何均衡和信道编码的情况下，用LED作为接收端的单点对单点的OOK调制离线测试能达到30Mbps的速率，并且误码率小于10-3，根据表5所示的不同LED之间响应的光谱选择性结果，LED光接收器可被认作是无需滤光片的窄谱光探测器。在实际搭建LED-LED MIMO VLC的时候，当选择窄光束角的LED光源时，由于偏离LED法线方向的角度增大，光强迅速减小，因此可以通过调节发送端和接收端排列，使得波长接近的LED在空间上分开，进一步减小干扰，这样能够使不同的LED之间的影响很小，在使用波分复用的时候干扰消除更加简单有效。
因此，设计出了图12所示的非对称多色双工可见光通信系统，为了消除不同LED带宽不同以及颜色间干扰而带来的同步问题，根据如表5实验测量的信道矩阵以及频谱响应曲线，选择其中的4对发送接收LED对，并且，信道矩阵为分块对角矩阵的四乘四的MIMO可见光通信系统，该四乘四的MIMO通信系统可以简化为两个独立的二乘二的MIMO，每一个MIMO系统中的LED速率相同，即不存在不等速率接收同步的问题。此外，蓝绿光部分的LED收发端使用的是不同的LED，而红光部分的收发端则是相同的LED，具有对称性，因此设计了一种上下行非对称的双工通信方式，蓝光部分只用作下行，红光部分时分复用上下行，上行进行反馈。
为了进一步降低LED-LED MIMO可见光通信的成本，本实施例采用低复杂度的MIMO收发策略。在可见光通信中，发送端LED的约束往往是由LED线性区的限制导致的峰值约束，而不是传统无线通信MIMO系统里的总功率或单根天线约束。这使得本实施例在使用MIMO的一些发送接收技术的时候需要做出响应的调整。本实施例研究了峰值受限对SVD分解产生的影响，比较了不同灯间干扰情况下两发送两接收端时SVD分解和MMSE-SIC对OOK和4PAM调制下的信道容量的影响。进一步分析了发送端LED电压分配对容量的影响，提出了根据接收机估计出的信噪比反馈给发送端并选择天线发送方式的低复杂度的组合最优发送接收机策略。
图13示出了2×2LED-LED MIMO可见光通信系统在不同对称颜色干扰下的奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图，其中，图13(a)示出了干扰比率为0.1时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图，其中，横坐标为信噪比，纵坐标为可达比特速率；图13(b)示出了干扰比率为0.3时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图，其中，横坐标为信噪比，纵坐标为可达比特速率；图13(c)示出了干扰比率为0.7时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图，其中，横坐标为信噪比，纵坐标为可达比特速率；图13(d)示出了干扰比率为0.9时奇异值分解加电压分配的可达比特速率的示意图，其中，横坐标为信噪比，纵坐标为可达比特速率。根据不同干扰比率下的最优策略，确定了最优的调制方式以及MIMO算法后，经过数据输入、串并转换和调制，信号经Bias-T和偏置驱动合并输入到发送端LED上，接收端LED把光信号转变为电流信号，经信号放大和模数转换后通过FPGA芯片实现同步、判决解调和并串转换,最后输出数据。
需要说明的是，上述图12所示的多进多出多色可见光通信系统是采用4对LED搭建，只是一个多进多出的多色可见光通信系统的一个示例，在实际的应用中，还可以搭建除4对LED外的多进多出的多色可见光通信系统，本实施例不对多进多出的多色可见光通信系统具体的结构作限定。
通过本实施例，提供了一种非对称的多色可见光通信系统，此可见光通信系统采用非对称的双工通信方式，以消除不同LED带宽不同以及颜色间干扰而带来的同步问题。并且，本实施例的多色可见光通信系统采用，根据接收机估计出的信噪比反馈给发送端并选择天线发送方式的低复杂度的组合最优发送接收机策略，使得本实施例的多色可见光通信系统成本更低。
实施例6
发光二极管作为光信号发送端时，偏置驱动电流会影响发光二极管的发光效率和电光响应频谱。驱动电流越大光效越低，带宽越高。对于同一种材料不同类型的蓝色发光二极管，3dB调制带宽的对数和发光效率近似在一条负斜率的直线上。同时偏置电压会对实际加载到发光二极管上的交流信号强度产生影响。实际加载到发光二极管上的交流信号强度和发光二极管对应电压处的阻抗与偏置器输出阻抗的分压成线性关系。发光二极管作为接收端的时候，其光电响应谱和背景光功率有关。光功率增大会导致响应带宽的降低。对发光二极管作为光信号探测时作等效电路分析，发现接收的光功率平均值越大，结电容越大，漏电电阻越小，输出交流电流信号相对减小。
在可见光通信链路中，从发光二极管到光电二极管的链路能够通过拉近收发端的距离，以增强接收端的光功率的方式增强信噪比从而达到提升通信速率的目的。而以LED发送光信号，同时用LED接收光信号的时候，与光电二极管接收端不同，随着收发端距离的拉近，信号波形发生畸变。该现象不是因为LED光接收器饱和所致，而是LED接收端的带宽随着接收端光功率的增加而降低。本实施例通过分析导致LED的带宽随光功率变化的物理机理，修正了LED色散载流子模型，并与实验结果比较分析,获得了较好的匹配结果。LED作为探测器的非线性对通信的影响体现在带宽和信噪比上。本实施例仿真了不同光功率下的信噪比和符号间干扰(带宽)对不同调制方式的可达速率的影响。不同的调制方式有不同的最佳光功率工作点。据此本实施例可以在光功率限制或调制方式确定的条件下提升通信速率。在调制深度固定的情况下,低平均光功率会导致LED-LED链路高带宽低信噪比,低阶调制性能更优,高平均光功率会导致低带宽高信噪比,高阶调制性能更优。因此针对LED-LED光通信链路的这个特点，本实施例提出根据LED-LED链路的距离和方位角的变化导致的平均光功率的变化来自适应地调整调制阶数。
上述的根据LED-LED链路的距离和方位角的变化导致的平均光功率的变化来自适应地调整调制阶数的方法，可以应用于实施例2到实施例5所提供的可见光通信系统。
通过本实施例对不同光功率下的信噪比和符号间干扰对不同调制方式的可达速率的影响的研究，得出低平均光功率下，采用低阶调制方式，高平均光功率下，采用高阶调制方式，可以达到更高的可达速率。将这一性质应用在实施例2到实施例5中的可见光通信系统中，都可以根据光功率自适应调整调制阶数，使可见光通信系统达到更高的通信速率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种可见光通信收发器，其特征在于，所述可见光通信收发器包括： LED光源、BiasTee电路、驱动放大模块和自适应放大均衡模块；
其中，所述LED光源与所述Bias Tee电路的射频和直流混合端口相连接，所述驱动放大模块与所述自适应放大均衡模块并联，并联后与所述Bias Tee电路的射频端口相连接；
所述驱动放大模块，用于对数字调制信号进行数模转换和放大得到第一电信号，并通过所述射频端口，将所述第一电信号发送至所述Bias Tee电路；
所述Bias Tee电路，用于通过射频和直流端口将所述第一电信号发送至所述LED光源；
所述LED光源，用于将所述第一电信号进行电光转换生成第一光信号并发送，同时对所接收的第二光信号进行光电转换得到第二电信号；其中，所述第二光信号包括对端发送的光信号，或者，所述LED光源发送的光信号激励外部材料产生的光信号，或者，反射后传回的光信号；所述LED光源对所述第二光信号的响应能力与所述第一光信号的光功率负相关；
所述Bias Tee电路，用于从所述LED光源获取所述第二电信号，并将所述第二电信号通过所述射频端口传输至所述自适应放大均衡模块；
所述自适应放大均衡模块，用于根据所述第一光信号的光功率，调整所述第二电信号的增益，得到所述第二光信号对应的电信号。
2.根据权利要求1所述的可见光通信收发器，其特征在于，所述自适应放大均衡模块包括：自适应增益控制电路与均衡电路；
其中，若所述LED光源的正向偏置电压大于所述LED光源的转换电压时，所述自适应增益控制电路的增益系数设置为，其中， 为正向偏置电压，α、为常数；
若所述LED光源的正向偏置电压小于所述LED光源的转换电压时，所述自适应增益控制电路的增益系数设置为,其中，β为常数;
所述均衡电路，用于增大所述第二电信号的带宽。
3.根据权利要求1所述的可见光通信收发器，其特征在于，所述LED光源包括：单色LED光源、微米级LED光源、有机LED光源、量子点LED光源中的任意一种，或者，单色LED光源的阵列、微米级LED光源的阵列、有机LED光源的阵列、量子点LED光源的阵列中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的可见光通信收发器，其特征在于，所述电光转换和所述光电转换这两个物理过程发生在同一材料微观结构上。
5.根据权利要求1所述的可见光通信收发器，其特征在于，所述LED光源在正常照明或显示时可以接收外部光信号。
6.一种可见光通信系统，其特征在于，所述可见光通信系统包括：
两个可见光通信收发器，所述可见光通信收发器为所述权利要求1~5任一项所述的可见光通信收发器；
所述两个可见光通信收发器之间通过光信号进行通信。
7.根据权利要求6所述的可见光通信系统，其特征在于，所述两个可见光通信收发器的LED光源颜色包括：红色与橙红色。
8.一种多色可见光通信系统，其特征在于，所述多色可见光通信系统包括：
至少两对LED-LED链路，每对所述LED-LED链路包括一个发送器和一个接收器；每对所述LED-LED链路中的LED被配置了预设颜色对，并且，不同LED-LED链路中的LED光源为不同的颜色对；
其中，所述发送器，用于生成并发送光信号；
所述发送器，包括一个第一处理模块，以及，与所述第一处理模块相连的第一LED光源；所述第一处理模块，用于生成数字或模拟调制信号，并将所述数字或模拟调制信号传输至所述第一LED光源；所述第一LED光源，用于将所述数字或模拟调制信号进行电光转换得到光信号并发送；
所述接收器，用于接收所述光信号并从所述光信号中获取所需信息；
所述接收器，包括一个第二处理模块，以及，与所述第二处理模块相连接的第二LED光源；所述第二LED光源，用于接收所述光信号，并将所述光信号进行光电转换得到所述数字或模拟调制信号；所述第二处理模块，用于从所述数字或模拟调制信号中获取所需信息;
所述多色可见光通信系统包括两个可见光通信系统，每个所述可见光通信系统包括两对LED-LED链路；
所述两对LED-LED链路中一对LED-LED链路中的发送器的LED光源被配置为红色LED光源，接收器的LED光源被配置为红色LED光源；另一对LED-LED链路中的发送器的LED光源被配置为蓝色LED光源，接收器的LED光源被配置为绿色LED光源；
每个所述可见光通信系统的通信方式为非对称全双工通信，具体包括：
蓝色LED光源被配置为下行通信方式，红光LED光源被配置为时分复用上下行，且进行上行时，将第二处理模块估计的信噪比反馈给第一处理模块并选择天线发送的通信方式。
9.根据权利要求8所述的多色可见光通信系统，其特征在于，所述LED-LED链路之间形成准对角信道矩阵，且，所述多色可见光通信系统的通信方式为全双工通信。
10.根据权利要求9所述的多色可见光通信系统，其特征在于，所述第一处理模块，包括：
低阶调制子模块，用于当所述LED-LED链路的平均光功率为低平均光功率时，按照低阶调制阶数对基带信号进行调制，得到所述数字或模拟调制信号；
高阶调制子模块，用于当所述LED-LED链路的平均光功率为高平均光功率时，按照高阶调制阶数对基带信号进行调制，得到所述数字或模拟调制信号。
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