CN110702219A - 可见光通信传感器以及可见光通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可见光通信传感器以及可见光通信方法。可见光通信传感器包括比较器、感测单元以及第一斜坡信号产生器。比较器包括第一输入端、第二输入端以及输出端。感测单元耦接比较器的第一输入端。感测单元用以感测可见光通信信号，以输出感测信号至比较器的第一输入端。第一斜坡信号产生器耦接比较器的第二输入端，并且用以输出第一斜坡信号至比较器的第二输入端。比较器依据第一输入端以及第二输入端的电压值来经由输出端输出比较结果信号。本发明的可见光通信传感器以及可见光通信方法可有效地接收可见光通信信号。

Description

可见光通信传感器以及可见光通信方法
技术领域
本发明涉及一种通信技术，尤其涉及一种可见光通信传感器以及可见光通信方法。
背景技术
随着无线通信技术的演进，利用可见光来进行信息的传递是无线通信产业目前重要的研发方向之一。可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术可例如应用于光照上网、可见光点播电视业务、可见光无线广播或可见光定位等应用领域，并且具有高能源效率、低电磁波干扰以及开发新频谱的优点。然而，如何将可见光通信技术整合至当前的电子产品的现有的特定功能元件中，以增加可见光通信的可应用性是目前仍待解决的问题。因此，如何使整合有可见光通信功能的电子产品的特定功能元件除了可正常执行其既有功能，同时亦可有效且准确地感测可见光信号，以下将提出几个实施例的解决方案。
发明内容
本发明提供一种可见光通信传感器以及可见光通信方法，可有效地接收可见光通信信号。
本发明的可见光通信传感器包括比较器、感测单元以及第一斜坡信号产生器。比较器包括第一输入端、第二输入端以及输出端。感测单元耦接比较器的第一输入端，并且用以感测可见光通信信号，以输出感测信号至该比较器的第一输入端。第一斜坡信号产生器耦接比较器的第二输入端，并且用以输出第一斜坡信号至比较器的第二输入端。比较器依据第一输入端以及第二输入端的电压值来经由输出端输出比较结果信号。
本发明的可见光通信方法适用于可见光通信传感器。可见光通信传感器包括比较器、感测单元以及第一斜坡信号产生器。可见光通信方法包括以下步骤：通过感测单元感测可见光通信信号，以输出感测信号至比较器的第一输入端；通过第一斜坡信号产生器输出第一斜坡信号至比较器的第二输入端；以及通过比较器依据第一输入端以及第二输入端的电压值来经由输出端输出比较结果信号。
基于上述，本发明的可见光通信传感器以及可见光通信方法可通过将可见光通信传感器设置在图像传感器用于感测图像的像素阵列中，以有效地感测可见光通信信号，并且可通过时序控制的方式搭配执行图像传感器的图像感测功能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的可见光通信传感器的功能电路图；
图2是依照本发明的一实施例的可见光通信传感器的电路示意图；
图3是依照本发明的一实施例的可见光通信传感器操作在可见光通信模式的时序图；
图4是依照本发明的一实施例的可见光通信传感器的像素阵列的示意图；
图5是依照本发明的一实施例的可见光通信信号的数据传输的时序示意图；
图6是依照本发明的一实施例的可见光通信方法的流程图。
附图标记说明
100：可见光通信传感器
110、210：比较器
120、220：第一斜坡产生器
130、230：感测单元
200：图像传感器
240：第二斜坡产生器
400：像素阵列
500：可见光通信数据
S1、S2、S3、S4、S5：开关
C1：存储电容
N1：第一输入端
N2：第二输入端
N3：输出端
P1：第一端点
P2：第二端点
P3：第三端点
M1：像素开关
PD：感光二极管
I1：感测信号
V1、Va、Vs、VN1、VN3：电压
VS1、VS2、VS3：电压信号
SVLC：可见光信号
S610～S630：步骤
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1是依照本发明的一实施例的可见光通信传感器的功能电路图。参考图1，可见光通信传感器100包括比较器110、第一斜坡信号产生器120以及感测单元130。比较器110的第一输入端耦接感测单元130。感测单元130可例如是对应于互补式金氧半导体图像传感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor,CIS)的一个或多个像素(pixel)单元。比较器110的第二输入端耦接感测单元130。在本实施例中，第一斜坡信号产生器120用以产生斜坡信号至比较器110的第二输入端。当感测单元130感测到可见光通信信号时，感测单元130传输感测信号至比较器110的第一输入端。因此，比较器110可依据斜坡信号以及感测信号的电压值来经由输出端输出比较结果信号，以使耦接至比较器110的输出端的相关信号处理单元(图未示)可进一步处理或转换比较结果信号为对应的可见光通信数据。在一实施例中，信号处理单元可例如包括同步电路(synchronous circuit)、时脉数据回复电路(Clock and Data Recovery,CDR)、数字至模拟转换器(Digital toAnalog Converter,DAC)或相关的数据校正与统计电路，本发明并不加以限制。所述信号处理单元可依据比较结果信号来产生对应的可见光通信数据。
图2是依照本发明的一实施例的可见光通信传感器的电路示意图。本实施例用于说明如何通过图像传感器的像素单元来感测可见光通信信号。参考图2，可见光通信传感器200包括比较器210、第一斜坡信号产生器220、感测单元230以及第二斜坡信号产生器240。本实施例的可见光通信传感器200可例如是应用一种斜坡型模拟至数字转换器(RampAnalog to Digital Converter,Ramp ADC)的电路架构。感测单元230可例如是对应于CMOS图像传感器的一个或多个像素单元。感测单元230可选择性地操作在图像感测模式以及可见光通信模式的其中之一。在本实施例中，比较器210的第一端N1经由开关S3耦接至比较器210的输出端N3以及第一端点P1。第一端点P1可耦接后端的相关信号处理单元(图未示)，以分析或转换比较器210的输出端N3输出的比较结果信号为对应的可见光通信数据。并且，比较器210的第一端N1经由图像传感器的信号线(例如由第三端点P3延伸的信号线)、开关S4耦接至感测单元230，比较器210的第二端N2耦接第一斜坡信号产生器220，以接收第一斜坡信号220产生器提供的斜坡信号。
在本实施例中，感测单元230包括感光二极管PD、存储电容C1、开关S1、第一重置开关S2以及像素开关M1。像素开关M1可为晶体管开关。感光二极管PD的一端接地，并且感光二极管PD的另一端耦接开关S1。开关S1的一端耦接存储电容C1的一端、第一重置开关S2的一端以及像素开关M1的控制端。第一重置开关S2耦接至电源电压Va。存储电容C1的另一端耦接图像传感器的行信号线或列信号线(例如由第三端点P3延伸的信号线)。像素开关M1的第一端耦接电源电压Va，并且像素开关M1的第二端耦接第二端点P2。在本实施例中，第二斜坡信号产生器240经由开关S5耦接至感测单元230，以供感测单元230在图像感测模式时经由P2点输出感测信号。在本实施例中，当第一重置开关S2为导通状态时，存储电容C1被储能。并且，第一重置开关S2以及第二重置开关S3同步导通。当第二重置开关S3为导通状态时，比较器210的第一输入端被重置为一重置电位。在本实施例中，当感测单元230操作可见光通信模式时，开关S4为导通状态，开关S5为非导通状态。
具体而言，当感测单元230操作在图像感测模式时，开关S5为导通状态，第二斜坡信号产生器240被用于进行模拟至数字转换操作。开关S1与第一重置开关S2可依据特定时序切换其导通状态。因此，感光二极管PD可感测图像，以产生感测信号I1至像素开关M1的控制端，以使像素开关M1依据感测信号I1来提供对应的图像感测信号至第二端点P2，其中第二端点P2可耦接至图像处理电路(图未示)。在本实施例中，当感测单元230操作在图像感测模式时，另一种操作方式如下，开关S5为非导通状态。开关S1与第一重置开关S2可依据特定时序切换其导通状态。因此，感光二极管PD可感测图像，以产生感测信号I1至像素开关M1的控制端，以使像素开关M1依据感测信号I1来提供对应的图像感测信号至第二端点P2，其中第二端点P2可耦接至图像处理电路(图未示)进行双相关取样(Correlated DoubleSampling,CDS)操作。
当感测单元230操作在可见光通信模式时，开关S4为导通状态，S5为非导通状态，开关S1可依据另一特定时序切换为导通状态，PD以经由存储电容C1提供感测信号I1至比较器210的第一输入端N1，并且第一斜坡信号产生器220提供斜坡信号至比较器210的第二输入端N2。因此，比较器210可依据第一输入端N1以及第二输入端N2的电压值来经由输出端N3输出比较结果信号。在本实施例中，第一斜坡信号产生器220以及第二斜坡信号产生器240可分别包括电容单元以及开关单元，以通过充、放电的方式来产生斜坡信号。
图3是依照本发明的一实施例的感测单元操作在可见光通信模式的时序图。参考图2以及图3，本实施例的时序图可适用于图2的可见光通信传感器200。举例而言，当感测单元230操作在可见光通信模式时，开关S1可接收电压信号VS1，以持续导通，并且第一重置开关S2以及第二重置开关S3可分别接收电压信号VS2、VS3，以使第一重置开关S2以及第二重置开关S3被周期性的导通。在本实施例中，当第一重置开关S2导通时，存储电容C1被重新储能，以使电压Vs被对应重置在高电位状态。并且，当第二重置开关S3导通时，比较器210的第一输出端N1的电压被重置在一重置电位状态。
在此例中，在电压Vs被重置在高电位状态后，第一斜坡信号产生器220提供斜坡信号至比较器210的第二输入端N2，因此比较器210的第一输入端N1的电压VN1以及第二输入端N2的电压V1如图3所示。并且，若感光二极管PD未感测到可见光，则感光二极管PD提供的感测信号I1(电子流)较低或为0，则比较器210的第一输入端N1的电压VN1的电压下降幅度较低或为0。换言之，在感光二极管PD未感测到可见光的情况下，由于第一斜坡信号产生器220提供的斜坡信号使比较器210的第二输入端N2的电压V1的下降幅度较大，而感光二极管PD使比较器210的第一输入端N1的电压VN1的下降幅度较小，使比较器210的第二输入端N2的电压都低于第一输入端N1的电压。因此，比较器210的输出端N3的电压或可见光信号SVLC为0。
然而，在此例中，若感光二极管PD感测到可见光，则感光二极管PD提供的感测信号I1(电子流)较高或为1，则比较器210的第一输入端N1的电压VN1的电压下降幅度较大。如图3所示，比较器210的第一输入端N1的电压VN1的电压下降幅度增加，并且其下降幅度大于比较器210的第二输入端N2的电压V1的电压下降幅度。换言之，在感光二极管PD感测到可见光的情况下，由于感光二极管PD使比较器210的第一输入端N1的电压VN1的下降幅度将会大于比较器210的第二输入端N2的电压V1的下降幅度，使比较器210的第二输入端N2的电压将高于第一输入端N1的电压。因此，比较器210的输出端N3的电压或可见光信号SVLC为1。接着，在下一周期，第一重置开关S2以及第二重置开关S3被导通，以使存储电容C1被重新储能并且电压Vs被对应重置在高电位状态。据此，本实施例的可见光通信传感器200可有效且准确地感测可见光信号。
图4是依照本发明的一实施例的图像传感器的像素阵列的示意图。参考图2以及图4，图2的感测单元230可设置在图像传感器的像素阵列400中，并且对应于一个或多个图像感测像素。在本实施例中，像素阵列400可包括多个图像感测像素，其中可例如包括对应于红色像素类型、绿色像素类型以及蓝色像素类型的图像感测像素R、G、B，但本发明并不限于此。在本实施例中，像素阵列400中的至少一部分的多个图像感测像素各别包括感测单元230，并且这些图像感测像素经由第三端点P3串接至比较器210的第一输入端N1。并且，在本实施例中，这些各别包括感测单元230的这些图像感测像素可为相同的颜色像素类型的图像感测像素，但本发明也不限于此。在一实施例中，这些各别包括感测单元230的这些图像感测像素可包括至少一种颜色像素类型的图像感测像素。
图5是依照本发明的一实施例的可见光通信信号的数据传输的时序示意图。参考图2、图4以及图5，图2的感测单元230可设置在图像传感器的像素阵列400中，并且像素阵列400可包括例如对应于红色像素类型、绿色像素类型以及蓝色像素类型的图像感测像素R、G、B。因此，可见光通信传感器200的比较器210的输出端N3输出的比较结果信号经由进一步处理或转换后，可进一步输出如图5所示的可见光通信信号的数据传输方式。如图5所示，在一笔数据的时间周期中，可见光通信传感器200可输出可见光通信数据500，其中可见光通信数据500可包括由红色像素类型、绿色像素类型以及蓝色像素类型的图像感测像素R、G、B所取得的数据，因此传输数据量可为3倍，并且其时间周期可短至例如1微秒(us)，但本发明并不限于此。在一实施例中，图像传感器的像素阵列400只有某一相同颜色像素类型的多个图像感测像素可作为感测单元230，因此，可见光通信传感器200输出的可见光通信数据500，也可以仅包括由红色像素类型、绿色像素类型以及蓝色像素类型的图像感测像素R、G、B的其中之一所取得的数据。
图6是依照本发明的一实施例的可见光通信方法的流程图。参考图1以及图6，本实施例的可见光通信方法可至少适用于图1实施例的可见光通信传感器100。可见光通信传感器100包括比较器110、第一斜坡信号产生器120以及感测单元130。在步骤S610中，感测单元130感测可见光通信信号，以输出感测信号至比较器110的第一输入端。在步骤S620中，第一斜坡信号产生器120输出第一斜坡信号至比较器110的第二输入端。在步骤S630中，比较器110依据第一输入端以及第二输入端的电压值来经由输出端输出比较结果信号。并且，比较器110可例如输出比较结果信号至信号处理单元，以使所述信号处理单元可依据比较结果信号来产生对应的可见光通信数据。因此，本实施例的可见光通信方法具有可有效地感测可见光通信信号的效果。
另外，关于本实施例的可见光通信传感器100的其他相关技术细节、元件特征或实施方式，可参考上述图1至图5实施例的说明而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。
综上所述，本发明的可见光通信传感器以及可见光通信方法可通过感测单元感测可见光通信信号，并且经由比较器比较感测信号与斜坡信号，以输出比较结果信号，以使所述比较结果信号可经由信号处理后来产生对应的可见光通信数据。并且，可见光通信传感器可设置在图像传感器用于感测图像的像素阵列中。也就是说，本发明的可见光通信传感器以及可见光通信方法可有效且准确地感测可见光信号，并且可通过时序控制的方式来搭配执行图像感测功能，或是同时执行图像感测功能以及可见光通信功能。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种可见光通信传感器，其特征在于，包括：
比较器，包括第一输入端、第二输入端以及输出端；
感测单元，耦接所述比较器的所述第一输入端，并且用以感测可见光通信信号，以输出感测信号至所述比较器的所述第一输入端；以及
第一斜坡信号产生器，耦接所述比较器的所述第二输入端，并且用以输出第一斜坡信号至所述比较器的所述第二输入端，
其中所述比较器依据所述第一输入端以及所述第二输入端的电压值来经由所述输出端输出比较结果信号。
2.根据权利要求1所述的可见光通信传感器，其中所述感测单元包括：
感光二极管，用以感测所述可见光通信信号；
存储电容，耦接所述感光二极管以及所述比较器的所述第一输入端；以及
第一重置开关，其一端耦接所述感光二极管以及所述存储电容，其另一端耦接电源电压，其中当所述第一重置开关为导通状态时，所述存储电容被储能。
3.根据权利要求2所述的可见光通信传感器，还包括：
第二斜坡信号产生器，耦接所述感测单元以及所述比较器的所述第一输入端，并且用以输出第二斜坡信号至所述比较器的所述第一输入端。
4.根据权利要求2所述的可见光通信传感器，还包括：
第二重置开关，耦接所述比较器的第一端以及所述比较器的所述输出端，其中所述第一重置开关以及所述第二重置开关同步导通。
5.根据权利要求1所述的可见光通信传感器，其中所述感测单元设置在图像传感器的像素阵列中。
6.根据权利要求5所述的可见光通信传感器，其中所述像素阵列中的至少一部分的多个图像感测像素作为所述感测单元，并且所述多个图像感测像素串接至所述比较器的所述第一输入端。
7.根据权利要求6所述的可见光通信传感器，其中作为所述感测单元的所述多个图像感测像素包括至少一种颜色像素类型。
8.根据权利要求6所述的可见光通信传感器，其中当所述多个图像感测像素操作在图像数据读出阶段时，所述多个图像感测像素的各别的所述感测单元的所述比较器停止输出所述比较结果信号，并且当所述多个图像感测像素操作在图像数据转换阶段时，所述多个图像感测像素的各别的所述感测单元的所述比较器输出所述比较结果信号。
9.根据权利要求1所述的可见光通信传感器，其中所述感测单元还包括：
像素开关，耦接感光二极管以及存储电容，
其中当所述感测单元操作在图像感测模式时，所述像素开关输出图像感测信号，并且当所述感测单元操作在可见光通信模式时，所述比较器输出所述比较结果信号。
10.一种可见光通信方法，其特征在于，适用于可见光通信传感器，所述可见光通信传感器包括比较器、感测单元以及第一斜坡信号产生器，其中所述方法包括：
通过所述感测单元感测可见光通信信号，以输出感测信号至所述比较器的第一输入端；
通过所述第一斜坡信号产生器输出第一斜坡信号至所述比较器的第二输入端；以及
通过所述比较器依据所述第一输入端以及所述第二输入端的电压值来经由输出端输出比较结果信号。
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