CN108322258A - 集成可见光通信系统级芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成可见光通信(VLC)系统级芯片(SoCs)系统结构。在一个实施方式中,系统结构包括以下各项的一个或多个:电源管理单元(PMU)、VLC单元、用于加密通过VLC和/或其他通信接口传输的数据和解密接收的数据的安全单元、用于回程数据连接和控制用于LED照明控制的信号的数据通信单元。根据不同的电源和用于回程连接和控制信号交互的数据链路组合，相应的结构由集成在系统级芯片内的不同的元件组成。

Description

集成可见光通信系统级芯片结构
技术领域
本发明涉及集成可见光通信(VLC)系统级芯片(SoC)结构。
背景技术
由于包括通过LED照明、具有LED背光的标志和数字LED显示屏实现的基于位置的无线广播在内的多种新型应用，在过去的几十年间，利用普通的发光二极管(LED)灯光实现可见光通信(VLC)成为研究的热点。大多数的VLC芯片开发集中在包括定制的互补金属氧化物半导体(CMOS) 成像器在内的无线光学接收器的设计，然而，截至目前VLC发射器仍是主要基于分立元件实现。这些分立的系统成本高、可靠性低并且尺寸大。更重要的是，专用的VLC发射器的功耗过高，导致比特效率在100nJ/bit的范围。
发明内容
所公开的实施方式可包括用于VLC系统级芯片(VLC SoCs)的若干个系统结构。在一个实施方式中，常规的VLC SoCs结构包括以下各项的一个或多个：电源管理单元(PMU)、VLC单元(其可包括VLC发射器和/或VLC 接收器)、安全单元(例如加密/解密)、以及用于回程连接和控制的通信单元。该VLC发射器可包括，例如VLC模拟信号处理单元，以及VLC基带数字信号处理(DSP)单元。在不同的实施方式中，该VLC发射器可以是 LED和/或微显示器。
附图描述
下面将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：
图1示出了集成VLC系统中的多个单元的一个实施方式。
图2A示出了使用交流(AC)电源和有线数据链路的集成VLC系统的一个实施方式。
图2B示出了使用交流(AC)电源和无线数据链路的集成VLC系统的一个实施方式。
图2C示出了使用直流(DC)电源和无线数据链路的集成VLC系统的一个实施方式。
图2D示出了使用直流(DC)电源和有线数据链路的集成VLC系统的一个实施方式。
图3示出了示例性的VLC单元的数字基带的一个实施方式。
图4A示出了示例性的VLC单元的数字基带中的开关控件(on-off keying，OOK)调制方案的一个实施方式。
图4B示出了示例性的VLC单元的数字基带中的可变脉冲位置调制 (variablepulse-position modulation，VPMM)方案的一个实施方式。
图5示出了示例性的VLC单元的模拟信号处理的一个实施方式。
图6示出了示例性的集成VLC系统的DC-DC升压转换器的一个实施方式。
图7示出了用于微显示屏的VLC发射器的一个实施方式。
图8示出了示例性的集成VLC系统的VCL接收器的一个实施方式。
图9示出了图8所示的VLC接收器的环境光抑制部分的一个实施方式。
图10示出了图8所示的VLC接收器的环境光抑制部分的另一个实施方式。
由于本说明书中所描述的实施方式可能是多种不同的修改和替代形式, 本发明的具体实施方式将以示例的形式在附图中示出并进行详细描述。但是，应该理解的是，附图以及对附图的详细说明并非要将实施方式限定为所公开的特定的形式，相反地，其旨在涵盖落入附加的权利要求的主旨和范围内的所有的修改、等同和替代。本文中所使用的标题仅用于组织结构方面的目的,并不意味着用于限制说明书的范围。在整个申请中,“可能”这个词被用于表达一种宽泛的意味(也就是说,意思是有可能),而不是强制性的意味(即,意味着必须)。类似的,“包括(include，including，includes)”这个词的意思是包括但不限于。除非明确说明，本文中使用的术语“第一”、“第二”等用于标记它们后面的名词,而不意味着任何类型的排序(例如,空间、时间、逻辑等)。
在本说明书中，不同的实体(可被称作“单元”、“电路”、其他元件等) 可被描述为或称为“用于”执行一项或多项任务或操作。这种表述-【实体】用于【执行一项或多项任务】-在本文中是指结构(即，一些实际存在的东西，例如电路)。更具体地，这种表述用于指示该结构被设置为在运行过程中执行一项或多项任务。即使该结构当前未在运行中，也可以说一个结构“用于”执行某项任务。例如“时钟电路用于生成输出时钟信号”旨在覆盖在操作过程中执行此功能的电路即使所讨论的电路目前未运行(例如没有接通它的电源)。因此，被描述为“用于”执行某个任务的实体是指一些实际存在的东西，例如装置、电路、存储可执行的程序指令以执行任务的存储器等。在本文中，这些短语不用于指代无形的东西。一般地，形成与“用于”相对应的结构的电路可包括硬件电路。硬件电路可包括组合逻辑电路、诸如每秒浮点计算、寄存器、锁存器等的定时存储装置、有限状态机、诸如静态随机存取存储器或嵌入式随机存储存储器的存储器、定制设计电路、模拟电路、可编程逻辑阵列等的任意组合。同样地，为了方便描述，多种单元/电路/元件可被描述为执行一项或多项任务。这种描述应该被理解为包括短语“用于”。
术语“用于”旨在表达“可用于”的意思。例如尽管未编程的现场可编程门阵列(FPGA)是“可执行”某个具体的功能，它也可以被认为“用于”执行该功能。在适当编程之后，FPGA可用于实现该功能。
在一个实施方式中,可通过使用硬件描述语言(HDL)对电路描述进行编码实现根据此发明的硬件电路,如Verilog或VHDL。HDL描述可以与一个为特定集成电路制造技术设计的元件库结合,并可修改定时、电源和其他事由以产生最终设计数据库，该数据库可被传送到制造厂,生成掩膜,并最终产生集成电路。一些硬件电路或其部分也可能是由用户在原理图编辑器中定制的，并且与合成集成电路一起留存在集成电路设计中。集成电路可包括晶体管并且可进一步包括其他电路元件(如电容器、电阻器、电感器等被动元件)以及晶体管和电路元件之间的互连。一些实施例可能实现耦合在一起的多个集成电路以实现硬件电路和/或可能在某些实施例中使用的分立元件。另外,硬件描述语言(HDL)设计可以合成至一个可编程逻辑阵列,例如现场可编程门阵列(FPGA),并且可在FPGA中实现。
本文中所使用的术语“基于”或“取决于”用于描述一个或多个影响决定的因素。这一术语并不排除其他因素可能影响决定。那就是,一个决定可能是只基于指定的因素,或基于指定的因素以及其他未指定的因素。对于" 根据B决定A"这一短语,该短语指定B是用于决定或影响A的因素。此短语不排除A的决定可能也基于其他一些因素,例如C。这个短语也涵盖了只基于B来决定A的实施方式。此处使用的短语“基于”与“至少部分地基于”意义相同。
本说明书包括对多个实施方式的引用,以表明该发明并不只涉及一个特定的实施方式,而是在本发明精神范围内的多个实施例,包括附加权利要求。特定的特性、结构或特征可以以任何与本发明一致的适当的方式组合。
具体实施方式
图1示出了包括VLC(SoC)16的集成VLC系统的一个实施方式中的若干个元件。在一个实施方式中，VLCSoC 16包括以下各项中的一个或多个： 1)电源管理单元(PMU)10、2)通信单元12、3)VLC单元14以及4)安全单元18，其中该PMU10连接至电源11并用于从电源11获取电能并供电至 SoC16中的元件，该通信单元12连接至外部数据源13并且用于与数据源13通信以发送/接收用于回程连通的和/或系统控制的数据，该VLC单元14连接至LEDs15以及一个或多个光电传感器17，该安全单元18与通信单元12和 VLC单元14相连。
VLC单元14用于调制LEDs15以传送信息和/或VLC单元14用于通过一个或多个光电传感器17利用VLC接收信息。在一个实施方式中，SoC16可同时支持VLC发送和接收，使得SoC16可用于VLC源(例如LED灯、符号或其他装置)以及VLC接收器(例如手持装置等)，此外，SoC16也可支持双向 VLC装置。
VLC单元14和通信单元12可协同使用以将信息传送至装置。该VLC单元14，例如，可传送快速响应码(QR code)、统一资源定位符(URL)或其他可用于访问更大量信息的数据。更大量的信息可经由通信单元12通过无线或有线网络传送。
安全单元18可保证网络和/或VLC数据访问的安全性，例如，安全单元 18可包括密码硬件，用于加密通过VLC传输的数据，和/或解密要通过VLC 传输的数据。因此，敏感数据可只传输给特定的用户，而其他接收到这些 VLC数据的接收者不能解密这些数据。同样地，要在网络上传输的数据可由安全单元18加密以及从网络接收到的数据(例如要通过VLC传输的数据) 可由安全单元18加密。
光电传感器17可以是任意一种光电传感器，例如，该光电传感器可包括光电探测器或CMOS图像传感器。光电探测器可用于高带宽/数据速率通信，而CMOS图像传感器可用于低带宽/数据速率通信。一个给定的系统可包括一种或多种类型的光电传感器17。其他的实施方式中可使用其他的光电传感器。
LEDs15可以是任一种LED。在一个实施方式中，LEDs15可以是大量的低成本的标准LEDs。通过廉价的LEDs15和SoC16的费用节省(与分立元件相比)的结合，VLC可更加容易地被市场接受。随着时间的推移，SoC16 还可利用摩尔定律降低成本、增加性能等。VLC还可以与低成本的无线/有线网络结合使用。在一个实施方式中，LEDs15可以是有机LEDs(OLEDs)。
电源可以是直流(DC)电源或交流(AC)电源，或者可以通过专用电源线供电或与数据一起供电(例如通过以太网供电-PoE)。此外，数据可以通过无线或有线通信系统发送/接收。图1列出了不同的设置，基于这些设置，提供了若干个如下所示的更加详细的集成VLC系统结构：
表1用于VLC系统的多种电源和数据源设置
图2A示出了使用AC电源和有线数据链路的VLC SoC16的一个实施方式。其中使用AC-DC电源转换器20作为PMU10来向VLC SoC 16内的元件供电。此外，使用有线通信单元21与外部数据源建立用于回程连接和控制的数据链路(即通信单元21可以是图1中的通信单元12的一个实施方式)。图2A中的实施方式中的VLC单元14包括发射器(TX)电路14A 和接收器(RX)电路14B。TX电路14A可以是基带数字信号处理单元22 和调节LED灯15的模拟信号处理单元23。RX电路14B可从光电传感器 17接收信号并探测所接收到的光中的VLC数据。
图2B示出了使用AC电源和无线数据链路的VLC SoC16的一个实施方式。使用无线通信单元24与外部数据源建立用于回程连接和控制的无线数据链路(即通信单元21可以是图1中的通信单元12的一个实施方式)。
2C示出了使用DC电源和无线数据链路的VLC SoC16的一个实施方式。使用一个DC-DC电源转换器25作为PMU10来向VLC SoC 16内的元件供电。此外，类似于图2B中的实施方式，其包括无线通信单元24。
图2D示出了使用DC电源和有线数据链路的VLC SoC16的一个实施方式。类似于图2C中的实施方式，其包括一个DC-DC电源转换器25。此外，类似于图2A中的实施方式，包括有线通信单元21。
SoC16的多个元件被表述为“单元”。在本文中，术语“单元”一般用于在诸如系统级芯片等的集成电路中指代在SoC中执行特定的一组操作的电路块。例如安全单元可以执行诸如加密和解密的安全操作。通信单元12可实现给定网络的协议和电气要求。VLC单元16可实现VLC编码和解码等。一般来说，“单元”可包括固定功能的硬件电路和/或处理器以及存储了那些由处理器执行以实现该单元操作的指令的存储器。在不同的实施方式中可使用固定功能硬件和处理器/存储器的任意组合。
示例性实施方式旨在利用DC电源和有线数据链路提供VLC数据传输。
VLC单元14的基带数字信号处理(例如由图2A-2D中的基带DSP单元22进行处理)如图3所示。每个数据集由物理层数据头(PHR)和物理业务数据单元(PSDU)与里德-所罗门码(RS)和卷积码(CC)编码以避免路径损耗和由前向纠错引起的干扰(RS编码器30和卷积编码器34)。在这个实施例中，在两个编码器之间插入交织器32以打乱数据序列的顺序并由此减轻突发差错对特定符号的影响。然后，在该实施方式中，游程长度受限(RLL)编码器36使用曼彻斯特编码或4B6B编码来保证DC平衡并避免冗长的1和0数据序列来使LED灯的闪烁以及接收机侧时钟和数据恢复困难最小化。最后是支持OOK和可变秒冲位置调制(VPPM)的调制器38。
VLC调制方案可与LED调光功能一起考虑。如图4A所示，OOK方案通过增加补偿符号(CS)来根据亮度(调光)设定维持DC电平从而实现稳定的VLC传输范围。具体地，在亮度为50％时，不需要增加CS，所以与其他的亮度设置相比，此时的数据率最高。另一方面，VPPM方案提供了稳定的数据率但其传输范围会随着脉冲宽度改变，如图4B所示，其中脉冲宽度可通过亮度设定调节。按照标准中的规定，OOK调制和VPPM下的光学时钟频率分别为200kHz和400kHz。
LED灯15一般包括多个位于不同的阵列格式中的LED。为了将数字基带信号(DVLC)加在多个LED上，对于一个实施方式，如图5所示，使用了支持多达四路LED的快速响应电流脉冲驱动器(即图2A-2D中所示的 VLC模拟信号处理单元23)。使用一个受控的漏电流镜通过适应LED接通电压的变化来平衡每个支路的输出电流。(由晶体管M2提供的)参考基电极电流由DVLC利用晶体管M3进行调制以用于可见光通信。输出晶体管 M1-4可以是高电压NMOS(HV-NMOS)装置以抵抗由VLC调制导致的大的电压摆幅。晶体管M1、M4、M5和M8的栅极可直接由DVLC通过下拉晶体管MPD调制以进一步地加速接通时间。当DVLC低时，可以通过切断它们的op-amp驱动器和浮动栅极节点来避免大的HV-NMOS栅极电容。
图6中所示的用于一个实施方式的DC-DC升压电源转换器25可设置为提供可调谐的6-20V的电压以及最大电流400mA输出以驱动多达4路的LED阵列，其中每路包括5个串联的LED。其他实施方式可支持更多或更少路的LED，每路可具有更多或更少的LED。由锂离子电池输入的电压可在3-5V之间变化。转换器的转换频率可设置为例如2MHz以适应用于VLC调制的最大输出电流转换速度400kHz。转换器可以以下两种模式运行：用于轻负载的脉冲跳跃模式(PSM)以提供高效率，以及用于重负载的脉冲宽度模式以具有固定的转换频率。对于PWM，为了环路的稳定性和实现快速响应，可使用具有Type-II补偿的电流模式控制。通过感知输入和输出电压，合适的倾斜补偿可以避免在电流模式下占空比>0.5的次谐波震荡。可在误差放大器(EA)的输出处提供误差放大器(EA)钳位电路以限制启动时的浪涌电流。还可包括过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)。
图7示出了用于LED微显示屏42的VLC TX电路14B的一个实施方式的框图。图7还示出了用于显示器42的显示控制器40。VLC TX电路14B 和显示控制器40(例如分别通过DVLC信号和RSEL和CDATA信号)连接至微显示器42。如前所述，VLC TX电路14B可集成在VLC SoC16中。在某些实施方式中，显示控制器40也可集成在VLC SoC16中。在其他实施方式中，显示控制器40可以是一个单独的元件或集成在另一个芯片中。
微控制器42可以具有任何尺寸和分辨率，尺寸可以大到典型的LCD 显示屏的尺寸。也就是说，图7中的实施方式不限于微显示器。微显示器 42可以是像素44阵列，每个像素包括一个开或关的(或被控制在不同的亮度水平以提供所需灰度的)LED15。其中以分解图示出的是微显示器42的几个像素44。每个像素包括一个LED15和电压控制电路46。电压控制电路46可将编码的VLC信号(DVLC)和来自显示控制器的像素数据的效果结合。
VLC TX电路14A可利用晶体管M3调制由像素数据(如存在)提供的电流。也就是说，可以使电流开断以响应DVLC编码。在帧时间内有若干个点，VLC数据可在这些点处传输。在各个点处可用的时间量是可变的,因此使得这些点可以一起或单独地使用以实现所需的调光比或灰度。可以看到，当一个DVLC信号在图7中示出(因此相同的VLC数据可通过微显示器42的各个像素在特定的时间点传送)，可以预期到在其他的实施方式中，微显示器的不同部分可同时传送不同的VLC数据。
微显示控制器40可向给定的像素44写入一个像素值，使包含该像素的行的行选择(RSEL)信号生效，并驱动该行每列的像素值作为列数据 (CDATA)信号。当使RSEL信号生效之后，晶体管M2可打开并且晶体管 M1的栅极的电荷了被调制为与CDATA大致匹配。当RSEL信号未生效时，电容器CST可保留晶体管M1的栅极上的电荷。取决于像素数据，相应的LED15 可以是开、关或部分开(灰度)的状态。处于开或部分开状态的像素可开启晶体管M1并且电流可被供应至LED15以点亮LED15。处于关状态的像素可以关断晶体管M1并且熄灭LED15。可以调制任意处于开状态的像素点以提供VLC数据。
图8示出了VLC接收(RX)电路14B的一个实施方式。在图8所示的实施方式中，VLC接收电路14B可包括环境光抑制电路50、输入互阻抗放大器(TIA)52、单端到差分(S2D)转换器54、两个连续时间线性均衡器(CTLE)的级联56，DC偏移消除(DOC)放大器62、差分到单端转换器(D2S)58、以及一系列逆变器作为输出缓冲器(BUF)60。可集成一对低压降调节器(LDOs)64来提供更高的电源抑制比(一个用于环境光抑制电路50和TIA52的误差放大，另一个用于其余电路)。
环境光可为相对恒定的，因此在光电探测器17中可表现为DC电流。误差放大器正输入处的低通滤波器可将环境光信号从VLC信号滤除，并且未过滤的信号的减损可将环境光作为误差放大器的输出。通过误差放大器和晶体管MREJ，环境光抑制电路50可产生DC电流以将环境光从TIA52的输入中去除。因此，TIA52可放大接收到的DVLC信号，并且该接收到的DVLC信号可由VLC RX电路14B的其余部分转换为数字输出。
图9和图10是环境光抑制电路50和TIA52的两个实施方式。图9的实施方式可以是一个单端的TIA52，而图10的实施方式可以是差分的TIA 52。
在充分理解了上述内容的情况下，本发明的多种变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。所列的权利要求应该被理解为包含所有的变化和修改。

Claims (20)

1.一种集成电路，包括：
用于网络通信的通信单元；
可见光通信单元，所述可见光通信单元利用沿一个或多个发光二极管的可见光通信进行通信；以及
安全单元，所述安全单元连接至通信单元和可见光通信单元，其特征在于，所述安全单元用于加密用于在至少一个所述网络和发光二极管上传送的数据。
2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述集成电路还包括电源管理单元，所述电源管理单元用于向所述通信单元、所述可见光通信单元和所述安全单元供电。
3.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述可见光通信单元用于传送和接收可见光通信数据。
4.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述可见光通信单元用于与多种类型的光电传感器交互。
5.如权利要求4所述的集成电路，其特征在于，所述多种类型的光电传感器包括互补金属氧化物半导体传感器。
6.如权利要求4所述的集成电路，其特征在于，所述多种类型的光电传感器包括光电探测器。
7.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述网络是无线网络。
8.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述网络是有线网络。
9.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述可见光通信单元包括基带信号处理器和模拟处理单元。
10.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述可见光通信单元包括接收电路，所述接收电路包括环境光抑制电路。
11.一种系统，包括：
一个或多个发光二极管；以及
连接至所述发光二极管的集成电路，所述集成电路包括：
用于网络通信的通信单元；
可见光通信单元，所述可见光通信单元利用沿所述一个或多个发光二极管的可见光通信进行通信；以及
安全单元，所述安全单元连接至通信单元和可见光通信单元，其特征在于，所述安全单元用于加密用于在至少一个所述网络和发光二极管上传送的数据。
12.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述系统进一步包括一个或多个光电传感器，所述光电传感器连接至所述集成电路。
13.如权利要求12所示的系统，其特征在于，所述一个或多个光电传感器包括多个不同类型的光电传感器。
14.如权利要求12所示的系统，其特征在于，所述可见光通信单元包括环境光抑制电路，所述环境光抑制电路用于抑制由一个或多个光电传感器接收到的环境光。
15.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述一个或多个发光二极管是有机发光二极管。
16.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述一个或多个发光二极管被排布成显示图片的显示器。
17.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述可见光通信单元包括基带信号处理器和模拟处理单元。
18.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述系统还包括电源管理单元，所述电源管理单元用于向所述通信单元、所述可见光通信单元和所述安全单元供电。
19.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述网络是无线网络。
20.如权利要求11所示的系统，其特征在于，所述网络为有线网络。
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