CN112332916A - 可见光通信系统及折叠扇 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种可见光通信系统及折叠扇，所述可见光通信系统包括设置于设备发射端的发射端电路和LED光源，设置于设备接收端的光探测设备和接收端电路；发射端电路，用于将待发送的电信号进行信号编码，并将编码后的信号调制在LED光源上进行可见光信号发送；光探测设备，用于接收所述LED光源发送的可见光信号，并将接收到的可见光信号传输到所述接收端电路；接收端电路，用于对接收到的可见光信号进行解调，并对解调后的信息进行译码，得到原始发送的电信号。本发明提出的可见光通信系统及折叠扇，采用可见光通信实现短距离稳定的主从机通信，不仅在折叠空间狭窄的环境下取代有线通信，而且还可以满足特定场景下的照明需要，提升用户体验。

Description

可见光通信系统及折叠扇
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种可见光通信系统及折叠扇。
背景技术
目前产品设计越来越精致，产品设计过程中在对产品结构内部的空间有所限制的同时，还要求其能够满足信号抗干扰要求。因此，现有技术中为了完全避免射频接入产生的电磁干扰，需要通过加屏蔽的有线通信实现产品内部通信。但是，对于一些对产品结构内部空间有所限制的产品，经常遇到屏蔽结构无法加入的问题，导致产品主从机在最后一米的无干扰通信成为一个难以解决的问题。
近年来，随着白光LED技术的发展，可见光通信技术系统成为新一代短距离无线通信技术研究热点之一。可见光通信在利用LED发光的同时，将信号调制在LED光源上，以可见光波段作为载体传输数据，相比于其他短距离通信技术，可见光通信的优势是：绿色环保、照明，通信双结合；光源带宽，达400Thz,短距离，通信网络简易，安全性高。因此，如何实现产品的可见光通信对于产品的精致设计具有重要意义。
发明内容
本发明实施例提出了一种可见光通信系统及折叠扇，以解决对于一些对产品结构内部空间有所限制的产品，由于屏蔽结构无法加入导致的产品主从机在最后一米的无干扰通信难以实现的问题。
本发明实施例提供的可见光通信系统，包括设置于设备发射端的发射端电路和LED光源，设置于设备接收端的光探测设备和接收端电路；
所述发射端电路，用于将待发送的电信号进行信号编码，并将编码后的信号调制在LED光源上进行可见光信号发送；
所述光探测设备，用于接收所述LED光源发送的可见光信号，并将接收到的可见光信号传输到所述接收端电路；
所述接收端电路，用于对接收到的可见光信号进行解调，并对解调后的信息进行译码，得到原始发送的电信号。
可选地，所述光探测设备包括布置在设备接收端不同方向的多个光电探测器和加法器，所述多个光电探测器将各自探测到的信号发送到所述加法器，经过加法器进行运算处理得到均值信号，所述加法器将得到的均值信号发送到接收端电路，由接收端电路进行信号处理。
可选地，所述光探测设备包括布置在设备接收端不同方向的多个光电探测器和控制器电路，所述控制器电路包括与每一光电探测器对应的取样模块电路、选通模块电路以及设置于各个取样模块电路和对应的选通模块电路之间的判别模块电路；
所述取样模块电路，用于对对应的光电探测器接收到的信号进行取样；
所述判别模块电路，用于对各个取样模块电路得到的取样信号进行比较，从中选取信噪比最大的信号进行通信；
所述选通模块电路，用于根据所述判别模块电路的判别结果打开接收信号的信噪比最大的光电探测器对应的信号通路，以将对应的光电探测器接收到的信号发送到接收端电路，由接收端电路进行信号处理。
可选地，所述可见光通信系统的物理层工作在PHYII层，具体采用RS码实现信道编码。
可选地，所述可见光通信系统具体采用正交频分复用技术OFDM实现调制解调。
可选地，所述接收端电路则采用频域均衡技术对接收到的可见光信号进行预均衡处理。
可选地，所述可见光通信系统还包括接入控制器，所述可见光通信系统通过设置于设备发射端的发射端电路和LED光源与所述接入控制器建立通信连接，所述接入控制器通过以太网或卫星网络与外部网络连接。
本发明实施例还提供了一种折叠扇，包括如上所述的可见光通信系统。
可选地，所述折叠扇包括机头组件和底座，所述机头组件和底座通过折叠柱连接，在机头组件和底座分别设置有发射端电路、LED光源、光探测设备和接收端电路。
可选地，位于机头组件的LED光源设置于机头组件与折叠柱连接端，位于底座的LED光源设置于底盘与折叠柱连接端。
本发明实施例提供的可见光通信系统及折叠扇，采用可见光通信实现短距离稳定的主从机通信，可见光通信具有无频段干扰，无电磁辐射干扰的优势，可见光通信系统不仅在折叠空间狭窄的环境下取代有线通信，而且还可以满足特定场景下的照明需要，提升用户体验。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种可见光通信系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的可见光通信系统中光探测设备的电路原理图；
图3为本发明另一实施例提供的可见光通信系统中光探测设备的电路原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1为本发明实施例提供的一种可见光通信系统的结构框图。如图1所示，本发明实施例提供的可见光通信系统，包括设置于设备发射端的发射端电路10和LED光源20，设置于设备接收端的光探测设备30和接收端电路40；
所述发射端电路10，用于将待发送的电信号进行信号编码，并将编码后的信号调制在LED光源20上进行可见光信号发送；
所述光探测设备30，用于接收所述LED光源20发送的可见光信号，并将接收到的可见光信号传输到所述接收端电路40；
所述接收端电路40，用于对接收到的可见光信号进行解调，并对解调后的信息进行译码，得到原始发送的电信号。
本发明实施例，LED光源20采用LED白光灯实现，具体的将需要处理传输的电信号，经过发射端电路处理，加载在LED白光灯上，经过光探测设备处理，再经过接收端电路，最后又转换成电信号，再经过中央处理器处理，实现了电信号通过媒介LED(白光)转到电信号的这一过程。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，光探测设备30包括布置在设备接收端不同方向的多个光电探测器(301、302.....30N)和加法器50，所述多个光电探测器将各自探测到的信号发送到所述加法器，经过加法器进行运算处理得到均值信号，所述加法器将得到的均值信号发送到接收端电路40，由接收端电路40进行信号处理。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，光探测设备30包括布置在设备接收端不同方向的多个光电探测器(301、302.....30N)和控制器电路，所述控制器电路包括与每一光电探测器对应的取样模块电路(601、602.....60N)、选通模块电路(701、702.....70N)以及设置于各个取样模块电路和对应的选通模块电路之间的判别模块电路80；
本实施例中的取样模块电路，用于对对应的光电探测器接收到的信号进行取样；
本实施例中的判别模块电路80，用于对各个取样模块电路得到的取样信号进行比较，从中选取信噪比最大的信号进行通信；
本实施例中的选通模块电路，用于根据所述判别模块电路的判别结果打开接收信号的信噪比最大的光电探测器对应的信号通路，以将对应的光电探测器接收到的信号发送到接收端电路，由接收端电路进行信号处理。
图2、图3为探测器内部设计电路框图，图2为低速率分集探测器，图3为高速率分集探测器，低速率探测器主要适用于点对点之间的分集接收，即在设备接收端的不同方向安装多个光电探测器，对多个探测器接收到的信号进行比较，选取信噪比大的信号进行通信，并且在误差率不高的情况下，可通过将经过多个探测器探测到的信号经过加法器进行运算处理，得到平均值，之后再经接收机接收，由接收机发出电信号经中央处理器系统处理。高速率分集接收器，可以处理点对点，点对面之间的通信，此通信需要提高采样分辨率，由于需要克服串码的干扰，所以探测器探测到的信号不能直接用加法器简单的相加，必须设计专门的控制器电路，所述控制器电路由3大电路模块组成，取样模块电路、判别模块电路、选通模块电路，三大模块电路都存在处理器,取样模块包括AD转换、DA转换、比较器、微处理器，判别模块电路包括DSP处理器，选通模块电路包括选择器、微处理器，处理器与处理器之间通过串口通信，对信道进行自动判决和选择，不同的探测器探测到加载信息光信号，经过取样模块取样，取样模块电路与判别模块电路的DSP处理器总是以信噪比最高的信息反馈给DSP，同时也给选通模块电路的微处理器反馈，当判别模块电路和选通模块电路同时接收到高信噪比的信号时，选通打开最终将信号发给接收器电路，通过微处理器处理达到了自动判决与选择的效果，最终排除了因为各种干扰信号而带来的码间干扰的影响。最后经过选通之后信号进入接收机电路处理转换成电信号经中央处理器系统处理。对于探测器数量的选择需要现场的系统干扰环境来选择，环境干扰度高的情况下，适当选择4个以下的探测器，以减少采集的干扰。
分集接收电路的设计根据信号传输速率的不同分为两类，第一类：在通信速率不是很高，通常低于100Mbpa时采用低速率分集接收装置，就是简单的将多个信号直接相加，总体上说是提高接收信号的功率；第二类：当传输速率超过100Mbps时，由于码间串扰的影响，不能将信号直接相加，需要设计控制电路对信道进行自动判决和选择，在高速通信中，信噪比最大的方向为直射链路的方向，应作为最佳的接收方向。第一种方案优点实现的电路简单，用的探测器数量也比较少，成本也比较低廉。低二种方案的优点是通信的速率非常高，精度也非常准，信噪比高，功率大。
本发明实施例中，所述可见光通信系统的物理层工作在PHYII层，具体采用RS码实现信道编码。短距离可见光通信的标准要求网络支持指定设备，移动台及车载设备等，所有设备的通信工作在可见光谱(380ˉ780nm)内；物理层(PHY)的工作模式分为PHYI、PHYII、PHYIII、PHYI工作在低频段内，数据速率低，采用二进制系列调制，PHYI时钟频率小于400kHz,适合高直流LED，转换速率慢，适合长帧形式长距离传输，PHYII工作在高频段内，时钟频率在120Mhz,适合响应速度快的LED,可以快速解码恢复数据，因此适合短帧形式近距离发送，PHYIII仅工作在RGB型LED器件下，与PHYI、PHYII互不影响，PHYIII时钟频率小于24MHz,适合短帧发送，用于室内。信道编码接收，是为了提高通信性能而设计信号变换，以使传输信号能更好地抵抗各种信道损耗的影响，如噪声、干扰以及衰落等，在可见光通信(VLC)应用编码技术主要是为了提高通信质量，所以在满足带宽的要求和复杂性要求的同时提高编码增益；通信系统中常见的信道编码：RS(Reed Solomon)码、卷积码、Turbo码和LDPC(Low Density Parity)码等应用到可见光通信中，也可以用RS码和卷积码形成级联码作为可见光通信(VLC)的信道编码，RS码和积卷码在纠错方面不如Turbo和LDPC码；物理层PHYI层使用的信道编码是卷积码作为外码，RS作为内码的级联码；PHYII层使用的RS码，PHYIII层使用的1/2RS(64,32)码。因此，考虑到本发明的应用场景，本发明技术方案在可见光通信系统的物理层工作在PHYII层，具体采用RS码实现信道编码。
本发明实施例中，所述可见光通信系统具体采用正交频分复用技术OFDM实现调制解调。为了克服白光LED的调制带宽的限制需要选择合适的调制复用技术，为此需深入探究频带利用率、抗干扰性能好的调制复用技术，调制编码有开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、多脉冲位置调制(MPPM)、差分脉冲位置调制(DPPM),开关按键(OOK)在频率偏低，脉冲位置调制(PPM)具有自提前同步信号，适合低噪声的场合，多脉冲位置调制(MPPM)带宽效率和功率均较高，OFDM是一种高效调制接收，具有频谱效率高，带宽扩展性强，抗多径衰落。因此，本发明技术方案具体采用正交频分复用技术OFDM实现调制解调。
本发明实施例中，所述接收端电路则采用频域均衡技术对接收到的可见光信号进行预均衡处理。均衡技术主要包括在发送端对LED窄带特性进行预均衡以及在接收端消除干扰的均衡，均衡技术采用两种设计方案，1、使用模拟的电路对信号衰减进行补偿，2、基于FPGA(field programmable Gate Array),设计符合要求的FIR滤波器。本发明实施例中，接收端均衡技术也称为后均衡技术，接收端电路则采用频域均衡技术对接收到的可见光信号进行预均衡处理。本发明实施例中，所述可见光通信系统还包括接入控制器，所述可见光通信系统通过设置于设备发射端的发射端电路和LED光源与所述接入控制器建立通信连接，所述接入控制器通过以太网或卫星网络与外部网络连接。
本实施例中，还可以采用接入控制器通过以太网、卫星网络等方式连接外部网络，将通信信号通过LED灯转换为光信号，以照射的方式实现下行传输，产品也可以通过接入了以太网的LED接入控制器将数据传输到网络中，手机通过WIFI接入以太网获取数据，而手机要发送的指令也是通过WiFi传输到以太网，以太网的信息通过接入以太网的控制器以光的形式被产品的LED灯接收最后经过处理与产品通信。
本发明实施例还提供了一种折叠扇，包括如上实施例所述的可见光通信系统，可见光通信系统的具体结构可参见图1所示。
本实施例中，所述折叠扇包括机头组件和底座，所述机头组件和底座通过折叠柱连接，在机头组件和底座分别设置有发射端电路、LED光源、光探测设备和接收端电路。
进一步地，位于机头组件的LED光源设置于机头组件与折叠柱连接端，位于底座的LED光源设置于底盘与折叠柱连接端。在可见光通信技术中，光源的布局设计是影响系统性能的一个关键因素，一方面是组成白光LED阵列光源内部LED灯的排布，另一方面是另一端的LED的整体布局，通过两方面的合理布局可以满足照明与通信的需要。本实施例中，折叠扇采用的是点对点白光LED灯的通信，即在底盘折叠柱端设置一个白光LED灯珠，在支撑机头组件折叠处即机头组件与折叠柱连接端也设置一个白光LED灯珠，通信时，白光可以通过折叠伸缩支撑杆形成光通道，需要照明时机头部分的LED灯珠，可以实现晚上照明使用。
本实施例中，折叠扇的可见光通信的物理层工作模式采用PHYII，工作在高频段内，时钟频率在120Mhz,适合响应速度快的LED,可以快速解码恢复数据，因此适合短帧形式近距离发送。
本实施例中，折叠扇的白光LED通信的物理层工作在PHYII层，因此使用RS码进行信道编码。
本实施例中，折叠扇光通信技术方法的调制复用技术根据信道优劣选择恰当的OFDM的调制解调方式。
本实施例中，折叠扇由于传输速率不是很高，可以采用低速率分集接收装置作为光探测设备。
本发明实施例提供的折叠扇，实现短距离(1米内)通信，在空间非常不足无法放置带屏蔽信号线的情况下，当折叠扇的底座(主机)和机头组件(从机)需要通信时，如果用信号线进行通信，则由于需要折叠功能与设计空间上的限制，因此通信线无法存放，为减轻结构设计的空间限制，用可见光技术来实现主从机之间的通信，并且可以使折叠的次数和折叠的结构不用受到限制，并且信号的通信效果非常稳定，可以在复杂的电磁环境下，传统的无线通信受到限制，而可见光频段则不受到低频的电磁干扰，特别是该通信系统具有避免电磁干扰、保密性好、节能环保等特点。
而且，在照明领域，基于白光LED可见光通信增加了半导体照明的附加值，还可以使用通信用的可见光实现照明，可见光通信具有不占用频谱资源，发射功率高、以光源的布局，调制解调和编码/解码技术，无线信道传输和复用技术、码间干扰的技术来实现可见光的通信功能，从而解决因折叠和空间狭窄的结构环境中解决最近1米的主从机通信，并且抗干扰、保持稳定通信。
本发明实施例提供的可见光通信系统及折叠扇，采用可见光通信实现短距离稳定的主从机通信，可见光通信具有无频段干扰，无电磁辐射干扰的优势，可见光通信系统不仅在折叠空间狭窄的环境下取代有线通信，而且还可以满足特定场景下的照明需要，提升用户体验。进一步地，本发明白光LED光源还可以通过接入控制器接入外网基站，实现室内的家庭电器互联的小系统通信，与WIFI,红外通信相辅相成。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，本申请所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种可见光通信系统，其特征在于，包括设置于设备发射端的发射端电路和LED光源，设置于设备接收端的光探测设备和接收端电路；
所述发射端电路，用于将待发送的电信号进行信号编码，并将编码后的信号调制在LED光源上进行可见光信号发送；
所述光探测设备，用于接收所述LED光源发送的可见光信号，并将接收到的可见光信号传输到所述接收端电路；
所述接收端电路，用于对接收到的可见光信号进行解调，并对解调后的信息进行译码，得到原始发送的电信号。
2.如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光探测设备包括布置在设备接收端不同方向的多个光电探测器和加法器，所述多个光电探测器将各自探测到的信号发送到所述加法器，经过加法器进行运算处理得到均值信号，所述加法器将得到的均值信号发送到接收端电路，由接收端电路进行信号处理。
3.如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光探测设备包括布置在设备接收端不同方向的多个光电探测器和控制器电路，所述控制器电路包括与每一光电探测器对应的取样模块电路、选通模块电路以及设置于各个取样模块电路和对应的选通模块电路之间的判别模块电路；
所述取样模块电路，用于对对应的光电探测器接收到的信号进行取样；
所述判别模块电路，用于对各个取样模块电路得到的取样信号进行比较，从中选取信噪比最大的信号进行通信；
所述选通模块电路，用于根据所述判别模块电路的判别结果打开接收信号的信噪比最大的光电探测器对应的信号通路，以将对应的光电探测器接收到的信号发送到接收端电路，由接收端电路进行信号处理。
4.如权利要求1-3任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，所述可见光通信系统的物理层工作在PHYII层，具体采用RS码实现信道编码。
5.如权利要求1-3任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，所述可见光通信系统具体采用正交频分复用技术OFDM实现调制解调。
6.如权利要求1-3任一项所述的可见光通信系统，其特征在于，所述接收端电路则采用频域均衡技术对接收到的可见光信号进行预均衡处理。
7.如权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述可见光通信系统还包括接入控制器，所述可见光通信系统通过设置于设备发射端的发射端电路和LED光源与所述接入控制器建立通信连接，所述接入控制器通过以太网或卫星网络与外部网络连接。
8.一种折叠扇，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的可见光通信系统。
9.如权利要求8所述的折叠扇，其特征在于，所述折叠扇包括机头组件和底座，所述机头组件和底座通过折叠柱连接，在机头组件和底座分别设置有发射端电路、LED光源、光探测设备和接收端电路。
10.如权利要求9所述的折叠扇，其特征在于，位于机头组件的LED光源设置于机头组件与折叠柱连接端，位于底座的LED光源设置于底盘与折叠柱连接端。
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