CN107210814A - 用于优化vlc型双向传输流量的与光伏模块相关的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种基于光的使用的双向无线通信设备，其至少包括：（a）一个或多个发射模块（10），每个发射模块（10）由如下组成：‑ 通过控制部件（6）供电并且发射在幅度上和/或在相位上被调制的光（1）的光源（9）；‑ 控制部件（6），其生成来自对要传输的源数据（2）的数字/模拟转换的电信号；（b）接收模块（20），其由如下组成：‑ 光电检测器（11），其被所述被调制光（1）照射并且响应于所述被调制光（1）而生成被调制电信号（14,15）；‑ 信号处理模块（12），该信号由所述光电检测器（11）生成，所述信号处理模块（12）能够经由返回线路（17）与控制部件（6）通信。所述无线通信设备的特征在于，接收模块（20）还包括电子部件（13），其位于光电检测器（11）与信号处理模块（12）之间并且能够适配光电检测器（11）的阻抗以便通过使关联于lie a在光电检测器（11）的输出上的不良阻抗适配的所述被调制电信号的失真最小化来使被调制的电信号（14）的信噪比最大化，同时使被调制电信号（14）的水平和被传输数据（18）的流量最大化。

Description

用于优化VLC型双向传输流量的与光伏模块相关的电子设备

技术领域

本发明涉及在优化传输数据流量方面利用可见光或不可见（红外（IR）和紫外（UV））光的通信设备。

背景技术

利用可见光的通信设备（VLC或LiFi，“可见光通信（Visible LightCommunication）”和“光保真度（Light Fidelity）”的相应的首字母缩合词）使用可见光来在两个远距点之间传输信息。利用可见光的通信系统一般包括构成发射部件的一个或多个电致发光二极管（LED）以及构成接收部件的光电检测器。LED提供可见范围内的光信号（其强度是按照要传输的数据调制的）。LED光源提供允许有照射和数据传输的双功能的优点。LED光源的物理特征允许探求具有每秒吉比特（Gbit/s）量级的流量的数据传输流量。

这样的通信系统是有利的，因为可以使用与信息处理系统相关的大部分光电检测器作为接收部件，所述信息处理系统允许分析接收到的光信号幅度变化并允许从中得出所传输的信号。

存在用于从LED传输可以被光电检测器接收到的数据的多种类型的调制，例如：

- 非零均值光强度调制，所使用的调制因此可以是NRZ（“不归零（Non-Return-to-Zero）”的首字母缩合词）类型。这是两态编码，当传输逻辑1时信号处于一个状态下（例如，高态），并且在传输逻辑0时信号处于另一状态下（例如，低态）。光电检测器于是将接收到的光信号强度转译成与控制光源的电信号的形状对应的电信号。

- 添加了极化电流的零均值强度调制，该极化电流允许照射功能。所使用的调制为应用于LiFi的OFDM（“正交频分多路复用（Ortogonal Frequency-DivisionMultiplexing）”的首字母缩合词）类型。其允许经由极化电流来控制照射，添加零均值的OFDM信号将不会修改照射水平。这意味着光电检测器于是对接收到的光信号强度变化进行转译。对光电检测器进行选取以使得不存在所述检测器的关联于入射光强度（例如，日光强度或LED强度）的饱和。

如果目标是同时实现照射功能和数据传输功能，则必要的是一方面从直流电流（直流分量或DC分量）极化LED模块并且另一方面从零均值时间模拟信号（交流分量或AC分量）调制LED模块的强度。这就是为什么所述OFDM LiFi技术适配于这种双功能类型。

传统的基于LED的LiFi通信设备包括：

- 数据源（例如，互联网）；

- 专用电子模块，其允许将数字信号数据编码成模拟信号；

- LED模块；

- 在照射/传输功能的情况下，允许把极化电压（或电流）与包括要传输的数据的模拟信号相加的专用控制部件；

- 光电检测器，能够检测被调制光信号并将其转换成电信号；

- 信号处理模块，能够运用由光电检测器生成的电信号。

光伏模块是能够将被调制光信号转译成被调制电信号的光电检测器，也就是说，所述被调制电信号对应于光强度的变化并且被假设为表示控制光源的电信号的形状。使用光伏模块作为接收部件的通信系统是有利的，这在于其允许显示光电检测器的极化（以及因此能量供给），并且还允许考虑为构成所述接收部件的电子组件（例如，为信号处理模块）供给能量。

一般来说，光伏模块被优化以借助于阻抗适配来产生能量最大值。关于在光伏模块和负载被通过静态转换器连接时执行对最大功率点的寻找（通常称为MPPT，“最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking）”的首字母缩合词）的控制算法，文献提出了大量的解决方案。光伏模块的I-V（光强对于电压）特性取决于照射水平、温度以及所述模块的老化情况。然而，该I-V特性在光被调制时还是频率、调制类型和相关的调制深度的函数。

为了在每一时刻都提取最好的被调制信号，需要在光伏模块与信号处理模块之间引入阻抗适配级，以便尽可能最完美地耦合这两个元件；但是已知的允许阻抗适配的设备并未被适配（因为它们被构想为用于提取功率最大值），并且因此在对于由光伏模块接收的被调制光信号的忠实转译方面也未给出令人满意的结果。当没有优化光伏模块的负载阻抗时，由光伏模块生成的模拟电信号要么过于失真以至于其所包含的信息不能被处理，要么过于弱以至于未被信号处理模块处理。

尤其是通过GROBE LILIANE等人的文献“High-speed visible lightcommunication Systems（高速可见光通信系统）”（IEEE Communication, Magazine, IEEEServices Cente，美国皮斯卡特维，第51卷，No. 12，2013年12月1日（2013-12-01），第60-66页）而已知有用于在光电检测器输出处对信号进行放大的电子部件。在其中电信号是在光电检测器的输出处正确地重现的情况下，使用跨阻放大器（按照英语术语“跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier）”的首字母缩合词为TIA）将允许增加信号水平并且因而增加信噪比（按照英语术语“信噪比（Signal to Noise Ratio）”的首字母缩合词为SNR）并且因此潜在地增加流量。相反，如果由于例如光电检测器的不良阻抗适配而没有正确地重现信号，则不具有为了校正电信号的失真而对阻抗进行适配的功能的TIA只会使失真信号放大，这将具有如下后果：SNR劣化以及因此流量恶化。TIA或等同的电子放大系统因此并不以找出SNR最大值为目的，因为它们并不寻求信号水平的最大化。

本发明的主要目的在于描述一种电子设备，其允许增加由光伏模块（该光伏模块由被调制光照射）生成的电信号的质量和水平。这一方面允许在使接收到的信号的失真最小化的同时通过该通信模式（VLC）来传输数据，并且另一方面允许根据光伏模块接收到的光的频率和/或调制方面的特征以动态方式适配光伏模块的电响应，以便增加传输数据流量。

发明内容

本发明的对象涉及一种基于光的使用的双向无线通信设备，以及所述设备的多种阻抗适配方法。

本发明的对象双向无线通信设备至少包括：

（a）一个或多个发射模块，每个发射模块由如下组成：

- 通过控制部件供电并且发射在幅度上和/或在相位上被调制的光的光源；

- 控制部件，其生成来自对要传输的源数据的数字/模拟转换的电信号；

（b）接收模块，由如下组成：

- 光电检测器，其被所述被调制光照射并且响应于所述被调制光而生成被调制电信号；

- 信号处理模块，该信号由所述光电检测器生成，所述信号处理模块能够经由返回线路与控制部件通信；

所述无线通信设备的特征在于，接收模块还包括电子部件，其位于光电检测器与信号处理模块之间并且能够对光电检测器的阻抗进行适配以便通过使关联于在光电检测器的输出上的不良阻抗适配的所述被调制电信号的失真最小化来使被调制的电信号的信噪比最大化，同时使被调制电信号的水平和被传输数据的流量最大化。

根据该设备的不同实施方式，所述光电检测器是能够产生充电或供电电流的光伏模块。根据该设备的不同实施方式，能够适配光电检测器的阻抗的电子部件包括：

- 变量值物理组件，如电容、电感和/或电阻；

- 管理所述物理组件的电子模块。

根据一个实施变形，由控制模块生成的电信号可以包括直流分量和交流分量。

根据该设备的不同实施方式，被调制光可以是分别由如电致发光二极管或激光二极管的光源发射的非相干光或相干光。

根据该设备的补充的实施变形，所述被调制光可以是由对应于可见、对应于紫外和/或对应于红外的波长范围中的光源发射的。

根据一个实施变形，源数据可以是基准信号或通信数据。

在另一特定实施方式中，根据本发明的利用可见光的通信设备包括发射具有不同调制特征的被调制光的多个发射模块，光电检测器被集成到连续地接收所述被调制光中的一个或另一个的移动对象并具有能够最大化由所述发射模块中的每一个传输的数据的流量的阻抗适配电子部件。

根据按照本发明的无线通信设备的光电检测器的阻抗适配方法的第一示例，按以下方式进行：

（a）初始化通信；

（b）借助于电子部件确定初始阻抗值，所述值随光电检测器的性质而变化；

（c）确定表示对于通信而言可接受的所接收电信号的质量的标准，该标准被称为可接受质量标准；

（d）以递增方式调节光电检测器的阻抗以便最大化表示所接收电信号的水平的标准，只要表示所接收电信号的质量的标准比可接受质量标准更好；

（e）传输包括通信数据的被调制光信号。

根据按照本发明的无线通信设备的光电检测器的阻抗适配方法的第二示例，按以下方式进行：

（a）初始化通信；

（b）借助于电子部件确定初始阻抗值，所述值随光电检测器的性质而变化；

（c）以递增方式调节光电检测器的阻抗以便改进表示所接收电信号的质量的标准，所述表示所接收电信号的质量的更好标准被称作针对定义为预优化阻抗的阻抗而被优化的质量标准；

（d）以递增方式调节光电检测器的预优化阻抗以便最大化表示所接收电信号的水平的标准，只要表示所接收电信号的质量的标准比被优化的质量标准更好；

（e）传输包括通信数据的被调制光信号。

在所述阻抗适配方法的特定实施方式中，初始化通信在于经由发射模块传输与接收模块的已知基准信号相关的报头(en-tête)信号。

在所述阻抗适配方法的另一特定实施方式中，表示被传输信号的质量的标准是被传输信号的傅里叶变换特性、误码率、误帧率或误包率。

以同样的方式，表示被传输信号的水平的标准是被传输信号的信噪比、峰值—峰值幅度、最大幅度或最小幅度。

最后，以递增方式调节光电检测器的阻抗以便达到目标标准包括在于以下的步骤：

（a）选取增量步长；

（b）测量分别针对基准信号、针对在等于初始阻抗加上增量步长的阻抗下接收的信号、以及针对在等于初始阻抗减去增量步长的阻抗下接收的信号而获得的表示所接收电信号的质量或水平的标准；

（c）通过确定对应于目标标准的阻抗值并且通过针对新的基准信号取得在所述阻抗值的情况下接收的电信号从而以两两方式对表示所接收电信号的质量或水平的标准进行比较；

（d）通过迭代方法来重复对误码率或信噪比进行测量和比较的步骤，直到基准电信号达到目标标准。

附图说明

通过关联于各图，借助于本发明的详细描述，将更好地理解本发明，在各图中：

- 图1是本发明的对象双向无线通信设备的示意图；

- 图2a、图2b和图2c是示波器屏幕的再现，其针对不同的阻抗值显示表示由控制模块发射的电信号的交流分量的曲线和表示由光伏模块生成的电信号的曲线；

- 图3是本发明的对象无线通信设备的光伏模块的阻抗适配方法的原理的示意图；

- 图4图示本发明的对象设备的特定实施方式，其中，接收模块被集成到连续接收来自不同光源的多个被调制光的移动对象。

具体实施方式

参考图1，图1是本发明的对象双向无线通信设备的示意图。该设备包括发射模块10和接收模块20。发射模块10允许对来自例如互联网的数字源数据2进行编码，以用于以被按幅度和/或相位调制的光1的形式来传输数字源数据。为此，由控制部件6对光源9（如电致发光二极管）供电，控制部件6生成一般包括直流分量7和交流分量8的电信号。直流分量7用于极化所述电致发光二极管9以便实现照射功能，并且交流分量8来自于对源数据2的数字/模拟转换。接收模块20由如下构成：光电检测器（如光伏模块11），其将被调制光1转换成被调制电信号14；光伏模块11的阻抗适配电子部件13；以及电信号15的处理模块12。电信号15的处理模块12能够经由返回线路17与发射模块10的控制部件6通信，以及经由线路16与阻抗适配电子部件13的管理装置通信。电子部件13的作用是对光伏模块11的阻抗进行适配，光伏模块11操控电信号15的水平和质量以便最大化被传输数据18的流量。

图2a、图2b和图2c是示波器屏幕的再现，其针对经由电子部件13调节的不同阻抗值而显示表示由控制模块6以1 kHz频率发射的电信号的交流分量8的曲线以及表示由光伏模块11生成的电信号15的曲线。

图2a和图2b呈现了其中未优化阻抗适配的两种情况。电信号15a失真并且其幅度过小以至于信号处理模块12不能够检测到它（图2a）。因此该信号的水平和质量对于发生通信而言是不可接受的。电信号15b并未失真，但是其幅度过小以至于信号处理模块12不能够检测到它（图2b）。在该情况下，是信号水平限制了通信。图2c呈现优化的阻抗适配，具有其质量和水平都良好的电信号15c。该后一种配置允许最大化被传输数据18的流量。

图3是本发明的对象无线通信设备的光伏模块的阻抗适配方法的原理的示意图。为了促进对图3的描述的理解，将误码率或误包率（因此在该示例中寻求使其最小化）取作所接收信号的质量标准（CQ）。还将信噪比取作水平标准（CN）。所述阻抗适配方法包括以下步骤：

1. 初始化通信；

2. 通过以下来初始化系统：

a. 选取由阻抗适配软件定义的光伏模块的阻抗初始值IM，阻抗尤其是随光电检测器的性质和调制类型而变化的；

b. 根据通信参数（如流量、调制类型或照度）定义可接受的质量标准CQ_Acc；

c. 针对在初始阻抗IM的情况下接收的基准信号测量信号水平标准CN_Ref；

d. 选取增量步长P，其值可能是实数或虚数；

3. 阻抗适配算法包括以下步骤：

a. 阻抗适配初始化；

i. 将值IM_1初始化为等于值IM+P；

测量CN_1（对应于IM_1值）

测量CQ_1（对应于IM_1值）

ii.将值IM_2初始化为等于值IM-P；

测量CN_2（对应于IM_2值）

测量CQ_2（对应于IM_2值）

b. 阻抗适配；

i.如果CQ_Acc>min(CQ_1,CQ_2)

如果CN_1>CN_ref并且CQ_1<CQ_Acc

初始化为*值IM_3=IM_1+P

测量值CN_3和CQ_3

-如果CN_1<CN_3并且CQ_3<CQ_Acc

那么IM_1=IM_3并且CN_1=CN_3并且过程再继续于初始化为*值IM_3=IM_1+P的步骤

-如果CN_1>CN_3并且CQ_3<CQ_Acc

那么阻抗被优化并且为此具有值IM_1

-如果CQ_3>CQ_Acc

那么阻抗被优化并且为此具有值IM_1

如果CN_2>CN_ref并且CQ_2<CQ_Acc

初始化为**值IM_3=IM_2+P

测量值CN_3和CQ_3

-如果CN_2<CN_3并且CQ_3<CQ_Acc

那么IM_2=IM_3并且CN_2=CN_3并且过程再继续于初始化为**值IM_3=IM_2+P的步骤

-如果CN_2>CN_3并且CQ_3<CQ_Acc

那么阻抗被优化并且为此具有值IM_2

-如果CQ_3>CQ_Acc

那么阻抗被优化并且为此具有值IM_2

否则，被优化的阻抗为此具有值IM

ii.如果CQ_Acc<min(CQ_1,CQ_2)

阻抗被优化并且该阻抗的值等于IM。

图4图示本发明的对象设备的特定实施方式，其中接收模块20被集成到移动对象，该移动对象在其移动过程中连续接收来自于不同发射模块（10a，10b，10c）的并且其频率调制和/或相位调制可能不同的多个被调制光（1a，1b，1c）。该图图示了接收模块20借助于光伏模块11的阻抗适配功能的用于以通用方式对由不同发射模块（10a，10b，10c）传输的源数据进行解码的能力。

发明优点

总之，本发明通过允许改进由光电检测器接收的信号的质量和水平从而对所针对的目的良好地进行回应，这允许增加数据的传输流量和/或允许能够连续地对由不同发射模块传输的信息进行解码。

Claims (14)

1.一种基于光的使用的双向无线通信设备，其至少包括：

（a）一个或多个发射模块（10），每个发射模块（10）由如下组成：

- 通过控制部件（6）供电并且发射在幅度上和/或在相位上被调制的光（1）的光源（9）；

- 控制部件（6），其生成来自对要传输的源数据（2）的数字/模拟转换的电信号；

（b）接收模块（20），由如下组成：

- 光电检测器（11），其被所述被调制光（1）照射并且响应于所述被调制光（1）而生成被调制电信号（14,15）；

- 信号处理模块（12），该信号由所述光电检测器（11）生成，信号处理模块（12）能够经由返回线路（17）与控制部件（6）通信；

所述无线通信设备特征在于，接收模块（20）还包括电子部件（13），其连接在光电检测器（11）与信号处理模块（12）之间并且能够对所述光电检测器（11）的阻抗进行适配以便通过使关联于在所述光电检测器（11）的输出上的不良阻抗适配的所述被调制电信号（14）的失真最小化来使所述被调制电信号（14）的信噪比最大化，同时使所述被调制电信号（14）的水平和被传输数据（18）的流量最大化。

2.根据权利要求1所述的无线通信设备，其特征在于，所述光电检测器（11）是能够产生充电或供电电流的光伏模块。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的无线通信设备，其特征在于，能够适配所述光电检测器（11）的阻抗的所述电子部件（13）包括：

- 变量值物理组件，如电容、电感和/或电阻；

- 管理所述物理组件的电子模块。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的无线通信设备，其特征在于，由所述控制模块（6）生成的电信号包括直流分量（7）和交流分量（8）。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的无线通信设备，其特征在于，所述被调制光（1）是分别由如电致发光二极管或激光二极管的光源（9）发射的非相干光或相干光。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的无线通信设备，其特征在于，所述被调制光（1）是由对应于可见、对应于紫外和/或对应于红外的波长范围中的光源（9）发射的。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的无线通信设备，其特征在于，所述源数据（2）能够是基准信号或通信数据。

8.根据前述权利要求中的一项所述的利用可见光的通信设备，其特征在于，所述设备包括发射具有不同调制特征的被调制光（1a，1b，1c）的多个发射模块（10a，10b，10c），光电检测器（11）被集成到连续接收所述被调制光（1a，1b，1c）中的一个或另一个的移动对象并且具有能够最大化由所述发射模块（10a，10b，10c）中的每一个传输的数据的流量的阻抗适配电子部件（13）。

9.一种根据前述权利要求中的任一项所述的无线通信设备的光电检测器（11）的阻抗适配方法，其特征在于，所述方法包括在于以下的步骤：

（a）初始化通信；

（b）借助于电子部件（13）确定初始阻抗值（IM），所述值随光电检测器（11）的性质而变化；

（c）确定表示对于通信而言可接受的所接收电信号的质量的标准，该标准被称为可接受质量标准（CQ_Acc）；

（d）以递增方式调节光电检测器（11）的阻抗以便最大化表示接收到的电信号的水平的标准，只要表示所接收电信号的质量的标准比可接受质量标准（CQ_Acc）更好；

（e）传输包括通信数据的被调制光信号（1）。

10.一种根据权利要求1到8中的任一项所述的无线通信设备的光电检测器（11）的阻抗适配方法，其特征在于，所述方法包括在于以下的步骤：

（a）初始化通信；

（b）借助于电子部件（13）确定初始阻抗值（IM），所述值随光电检测器（11）的性质而变化；

（c）以递增方式调节光电检测器（11）的阻抗以便改进表示所接收电信号的质量的标准，所述表示所接收电信号的质量的更好标准被称作针对定义为预优化阻抗的阻抗而被优化的质量标准；

（d）以递增方式调节光电检测器（11）的预优化阻抗以便最大化表示所接收电信号的水平的标准，只要表示所述所接收电信号的质量的标准比被优化的质量标准更好；

（e）传输包括通信数据的被调制光信号（1）。

11.一种根据权利要求9或10中的一项所述的无线通信设备的光电检测器（11）的阻抗适配方法，其特征在于，初始化通信在于经由发射模块（10）传输与接收模块（20）的已知基准信号相关的报头信号。

12.一种根据权利要求9到11中的任一项所述的无线通信设备的光电检测器（11）的阻抗适配方法，其特征在于，表示被传输信号的质量的标准是被传输信号的傅里叶变换特性、误码率、误帧率或误包率。

13.一种根据权利要求9到12中的任一项所述的无线通信设备的光电检测器（11）的阻抗适配方法，其特征在于，表示被传输信号的水平的标准是被传输信号的信噪比、峰值—峰值幅度、最大幅度或最小幅度。

14.一种根据权利要求9到13中的一项所述的无线通信设备的光电检测器（11）的阻抗适配方法，其特征在于，以递增方式调节光电检测器（11）的阻抗以便达到目标标准包括在于以下的步骤：

（a）选取增量步长（P）；

（b）测量分别针对基准信号、针对在等于初始阻抗加上增量步长（IM+P）的阻抗（IM_1）下接收的信号、以及针对在等于初始阻抗减去增量步长（IM-P）的阻抗（IM_2）下接收的信号而获得的表示所接收电信号的质量（CQ_Ref，CQ_1，CQ_2）或水平（CN_Ref，CN_1，CN_2）的标准；

（c）通过确定对应于目标标准的阻抗值并且通过针对新的基准信号取得在所述阻抗值的情况下接收的电信号从而以两两方式对表示所接收电信号的质量（CQ_Ref，CQ_1，CQ_2）或水平（CN_Ref，CN_1，CN_2）的标准进行比较；

（d）通过迭代方法来重复对误码率或信噪比进行测量和比较的步骤，直到基准电信号达到目标标准。