CN106982095B - 一种室内可见光oam组播通信系统发射端 - Google Patents

一种室内可见光oam组播通信系统发射端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室内可见光OAM组播通信系统，其下行链路通过激光器LD产生调制有组播信息的高斯光束，经二维激光分束器和空间光调制器，将准直的激光变成带有螺旋相位的OAM光束。空间光调制器在进行OAM螺旋相位调制的同时，通过将光束打旋的方式，扩展每一束光的覆盖面积，同时各光束照射区域重叠，以此弥补单一光束的中心暗斑，实现无盲区传输。针对组播通信系统，本发明通过LED波分复用进行上行通信，可实现系统内无盲区地双向数据交互。同时，本发明可利用OAM复用技术，大幅提高系统下行链路的通信容量，通信效率更高。

Description

一种室内可见光OAM组播通信系统发射端
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种解决OAM盲区的室内可见光组播通信发射端。
背景技术
可见光通信利用可见光波段作为信息载体，因其具有频谱资源丰富、绿色环保、安全、无需光纤等有线信道传输等优点，一直是研究的热点问题。随着近几年来工业4.0的到来，大数据时代和云平台计算的普遍应用使得可见光通信将会在物联网、智慧城市等方面带来新的体验与创新，具有更大的研究价值。
衡量室内可见光通信系统性能的重要的指标是传输容量、传输距离、通信范围及能否实现双向通信。LED器件的结构限制了其系统的调制带宽，LED光学器件的功率大小决定其有效传输距离。但由于工艺问题，LED功率与带宽会相互制约：发射功率增大将带来更长通信距离，但会导致带宽的减小。LED光通信系统的通信范围与LED器件的功率、个数、布局以及发光角度有关。但目前没有成熟的LED上行通信技术，同样，也没有解决OAM通信盲区进行可见光组播传输的技术。
现有技术中，为了扩展可见光通信的带宽，提出了很多调制方式。OFDM、DMT、WDM、MIMO等技术。这些调制技术在电信号上进行幅度，相位，频率等的调制，或利用波长进行调制，或利用空分复用技术，在提高系统传输容量方面都有取得了显著的成绩，但是高质量的通信取决于高质量的硬件和复杂的调制，因此也具有一定的局限性。提高可见光通信系统的传输容量仍是一个需要解决的问题。
光子可以携带OAM信息，轨道角动量(0AM)光束是一种具有相位奇点和螺旋波前的特殊光场，其光强分布为中空的圆环，相位分布函数为exp(ilθ)，l是拓扑荷数，理论可以是任意值，通过改变l的大小实现不同相位状态的光波，作为新的复用维度，以此大幅度提高通信容量。理论上，OAM光束具有无限多个相互正交的本征态，可以作为新的光通信复用维度，可以在编码方式和复用方式加以利用，与传统的调制方式相结合可以实现更高带宽的光通信。但是，由于现有的OAM调制光束为准直光，无法进行照明。且，OAM光束中心存在暗斑，暗斑处无有效光信号，因而无法进行可见光通信领域的应用，也无法提供有效照明。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种室内可见光组播通信系统，包括下行链路发射端和上行链路发射端。
首先，为实现上述目的，所述下行链路发射端，包括激光器LD、LD调制电路、二维激光分束器以及空间光调制器；
所述LD调制电路连接所述激光器LD，用于根据组播数据信号调制所述激光器LD发出的光信号；
所述激光器LD、所述二维激光分束器以及所述空间光调制器依次连接，所述二维激光分束器的每一路输出光路均对应一组空间光调制器，所述各组空间光调制器之间的轨道角动量均不相同，且，所述各组空间光调制器输出的各组光路相互交叠。
本发明中，利用空间光调制器构成足够多相互交叠的下行光路，通过光路之间相互交叠，对单独光路中间的暗斑进行补充，解决通信盲区的问题。同时，由于通过空间光调制器调制出的各路OAM光路轨道角动量相互正交，各光路之间不会相互影响，可保证接收端无干扰地接收组播信号。
更进一步，下行链路发射端中，还包括相互连接的LED调制电路以及LED发射端：所述LED调制电路用于根据组播数据信号调制所述LED发射端发出的光信号。
上述下行链路发射端中，所述LED发射端的响应波段为380-780nm。
同时，所述激光器LD的响应波长可包括850nm、1310nm或1550nm中的一种。
并且，上述下行链路发射端中，所述激光器LD为高斯光束的单模激光器。
同时，为保证下行通讯无盲区，上述下行链路发射端中，所述各组空间光调制器输出的各组光路之间的间距小于所述光路的直径，所述各组光路之间间距均匀。
其次，为实现上述目的，还提出一种适用于上述室内可见光组播通信系统的上行链路发射端，包括：包括相互独立的K组上行LED调制电路以及上行LED发射端；所述上行LED调制电路用于根据终端用户信号调制本组上行LED发射端发出的光信号；且，所述K组上行LED发射端、所述LED发射端的响应波段互异，相互独立传输。
进一步，上行链路发射端中，所述K组上行LED发射端的响应波段可选择在380nm至780nm之间。
有益效果
本发明，将可见光通信技术与OAM调制技术相结合，通过空间光调制器，将准直的激光变成带有螺旋相位的OAM光束，在进行相位调制的同时，通过将光束打旋的方式，扩展每一束光的覆盖面积。同时，对各光束照射区域进行重叠，弥补单一光束的中心暗斑，实现无盲区传输。
为进一步对OAM调制下的暗斑进行补充，本发明还复用LED光通信技术，将与OAM正交的LED光束补充各路OAM光束之间的暗区。接收端可独立接收任一路OAM光束或LED光束，而无需考虑各光路之间的相互作用，保障通信质量，同时保障照明强度。
更进一步，由于OAM调制方式下，调制模式理论上可达无限多种，因而，本发明还可通过布设激光器LD阵列的方式，实现整个室内场景下的无盲区通信。同时，也可提高室内可见光通信的容量。
在上行链路中，本发明采用K组相互独立的LED发射端，每个发射端均根据终端用户需求，独立进行上行通信，可满足上行链路小容量的即时通信传输需求。同时，不对下行通信造成任何干扰。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的室内可见光OAM复用LED-LD组播通信系统发射端示意图；
图2为根据本发明实施例所提供的OAM复用无盲区通信光束分布的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明的室内可见光OAM复用LED-LD组播通信系统发射端示意图。其中，下行链路包括激光器LD、LD调制电路、二维激光分束器以及空间光调制器：
所述LD调制电路连接所述激光器LD，用于根据组播数据信号调制所述激光器发出的光信号；
所述激光器、所述二维激光分束器以及所述空间光调制器依次连接，所述二维激光分束器的每一路输出光路均对应一组空间光调制器，所述各组空间光调制器之间的轨道角动量均不相同，且，所述各组空间光调制器输出的各组光路相互交叠。
本发明中，利用空间光调制器构成足够多相互交叠的下行光路，通过光路之间相互交叠，对单独光路中间的暗斑进行补充，解决通信盲区的问题。同时，由于通过空间光调制器调制出的各路OAM光路轨道角动量相互正交，各光路之间不会相互影响，可保证接收端无干扰地接收组播信号。
各光路之间的交叠关系可参见图2所示。其中，各组空间光调制器输出的各组光路之间的间距小于所述光路的直径，所述各组光路之间间距均匀。
为更好地补充各光路之间的暗区，下行链路发射端中，还包括相互连接的LED调制电路以及LED发射端：所述LED调制电路用于根据组播数据信号调制所述LED发射端发出的光信号。
上述下行链路发射端中，所述LED发射端的响应波段为380-780nm。所述激光器的响应波长可包括850nm、1310nm或1550nm中的一种。
为保证照明效果，上述下行链路发射端中，所述激光器为高斯光束的单模激光器。
本系统中的上行链路由相互独立的K组上行LED调制电路以及上行LED发射端组成；所述上行LED调制电路用于根据终端信号调制本组上行LED发射端发出的光信号；且，所述K组上行LED发射端、所述LED发射端的响应波段互异，相互独立传输。所述K组上行LED发射端的响应波段可选择在380nm至780nm之间，与所述LED发射端及其余上行LED发射端互异的任一波段。
本发明技术方案，区别于现有的室内可见光通信系统利用大功率、发光角度大的LED或者LED阵列实现无盲区通信，采用OFDM、DMT等调制方式提高室内可见光通信容量的方式。本发明将LD应用到室内可见光通信系统中，并利用光学二维激光分束器分出多个能够覆盖整个房间平面的子束，再结合OAM光束具有螺旋相位的物理特性，实现无盲区的室内可见光组播通信。在上行链路中，利用K路LED根据用户需求即时发送K个不同的信号，完成上行链路中小容量传输需求的即时通信。
本发明所提供的下行链路发射端中，激光器LD与LED发射端调制有相同的组播数据信号，所述每一个激光器LD所连接的空间光调制器之间的轨道角动量保持互异。
本实施例仅以一组激光器LD为例。
在下行链路中采用发光功率为10W、发光半角为60°的LED。下行链路中的激光器工作波长选择1550nm。本实施例中，在上行链路中采用发光功率为3W，发光半角为60°的3只LED。
在下行链路中，经过调制的发送信号经过LED调制电路以可见光作为载波发送经过空气传送到接收端。经过相同调制的相同发送信号经过LD调制电路以1550nm高斯光束作为载波发送到6×6的二维激光分束器。二维激光分束器输出25×25矩形阵列分布的高斯子光束阵列，每路高斯子光束通过一个相位调制器输出625个具有不同本征状态的OAM光束，这625个光束相互正交，并且每个OAM光束都具有螺旋相位，每一束光斑的面积均大于原先的激光光束。
下行链路还可通过LED发出的可见光与OAM光束相互正交、独立，进一步补充OAM光束的中心暗斑。
假设房间的规格是5m×5m×3m，625个OAM光束成25行25列排列，假设每个OAM光束的直径为0.4m，只要保证空间光调制器发散出的OAM光束之间间距小于0.25m就可有效补充单路OAM中心的暗斑。由于LED和LD相互独立，下行链路还可增设LED发射端发送相同的信号，进一步弥补OAM光束的中心暗斑，实现组播通信。
在上行链路中，3路经过调制的不同发送信号分别经过自己的调制电路以可见光(或不可见光均可)作为载波，在不同的时间点发送出去。用户端在不同的时间发送，且3路信号无关联，3路信号载波可见光频率互异。即使同时发送，接收端也不会产生相互干扰。可满足用户小容量即时通信的需求。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种室内可见光组播通信系统下行链路发射端，其特征在于，包括激光器LD、LD调制电路、二维激光分束器以及至少2组空间光调制器；
所述LD调制电路连接所述激光器LD，用于根据组播数据信号调制所述激光器LD发出的光信号；
所述激光器LD、所述二维激光分束器以及所述空间光调制器依次连接，所述二维激光分束器的每一路输出光路均对应一组空间光调制器，所述各组空间光调制器的轨道角动量互异，且，所述空间光调制器输出的各组光路相互交叠。
2.如权利要求1所述的室内可见光组播通信系统下行链路发射端，其特征在于，还包括相互连接的LED调制电路以及LED发射端；
所述LED调制电路用于根据组播数据信号调制所述LED发射端发出的光信号。
3.如权利要求2所述的室内可见光组播通信系统下行链路发射端，其特征在于，所述LED发射端的响应波段为380-780nm。
4.如权利要求3所述的室内可见光组播通信系统下行链路发射端，其特征在于，所述激光器LD的响应波长包括850nm、1310nm或1550nm中的一种。
5.如权利要求4所述的室内可见光组播通信系统下行链路发射端，其特征在于，所述激光器LD为高斯光束的单模激光器。
6.如权利要求5所述的室内可见光组播通信系统下行链路发射端，其特征在于，所述各组空间光调制器输出的各组光路之间的间距小于所述光路的直径，所述各组光路之间间距均匀。
7.一种配合如权利要求1所述下行链路发射端的室内可见光组播通信系统上行链路发射端，其特征在于，包括相互独立的K组上行LED调制电路以及上行LED发射端，
所述上行LED调制电路用于根据终端用户调制本组上行LED发射端发出的光信号，
所述K组上行LED发射端、所述LED发射端的响应波段互异。
8.如权利要求7所述的室内可见光组播通信系统上行链路发射端，其特征在于，所述K组上行LED发射端的响应波段在380nm至780nm之间。
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