CN113141689B - 一种用于光通信的mimo高速阵列式蓝绿led光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源，所述光源包括信号输入调节模块、相位调节模块、电源模块、LED驱动电路、LED灯珠、聚光镜，所述信号输入调节模块与相位调节模块连接，用于接收外部输入信号，并输出多路控制信号至所述相位调节模块；所述相位调节模块用于调节多路控制信号的相位后将调节后信号一一对应的分别输出至各所述LED驱动电路；所述LED驱动电路用于接收所述调节后信号后，基于所述电源模块输出大电流驱动信号至所述LED灯珠。

Description

一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源
技术领域
本申请涉及光电通信技术领域，具体而言，涉及一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源。
背景技术
可见光通信技术是指利用可见光作为信息载体，在空气或水中直接传输可见光信号的通信方式。蓝绿(450nm-570nm)波段的可见光在海水中的穿透能力最强，单位距离上的衰减最小，为远距离水下可见光通信提供了理论基础。
海洋生态环境的检测与保护，海洋资源的开发与利用，海洋国土的安全防护等方面，都需要通信网络的支持。但无线电通信在水中的衰减极大，而低频通信的速率较低，无法满足大信息量的交互。利用蓝绿可见光通信可以实现远距离的水下光通信，利用光通信高速传输特点，可以实现水下固定传感器节点的通信需求，而光源的好坏在可见光通信中起到决定性作用。当前水下监测设备对无线通信的需求越来越高，对通信距离和通信速率的性能要求也越来越高，且对设备成本控制的要求也越来越高，现有的光源已经无法满足当前的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源。
第一方面，本申请实施例提供了一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源，所述光源包括：信号输入调节模块、相位调节模块、电源模块、LED驱动电路、LED灯珠、聚光镜，所述信号输入调节模块与相位调节模块连接，用于接收外部输入信号，并输出多路控制信号至所述相位调节模块；所述相位调节模块用于调节多路控制信号的相位后将调节后信号一一对应的分别输出至各所述LED驱动电路；所述LED驱动电路用于接收所述调节后信号后，基于所述电源模块输出大电流驱动信号至所述LED灯珠；每一所述LED灯珠均分别与一所述聚光镜连接，用于将所述LED灯珠发出的光信号聚焦整形后输出可见光通信光信号。
优选的，所述LED灯珠为蓝绿光LED灯珠。
优选的，所述聚光灯与所述LED灯珠之间还设置有反光杯，所述反光杯用以与所述聚光镜配合聚焦所述LED灯珠发出的光信号。
优选的，所述信号输入调节模块用以接收单路TTL信号或多路TTL信号；对于接收的单路TTL信号，使所述单路TTL信号转化为多路TTL信号并行输出；对于接收的多路TTL信号，对所述多路TTL信号进行缓冲隔离。
优选的，所述相位调节模块用以分别对所述信号输入调节模块发送的多路控制信号进行相位调节，使各路控制信号的相位一致。
优选的，所述LED驱动电路之间采用并联结构，且每个所述LED驱动电路均能够独立控制驱动一个LED灯珠，各所述LED驱动电路之间设置有消除自激励震荡电路。
优选的，所述LED灯珠的发光波长为450nm至530nm的蓝绿可见光波段，每个所述LED灯珠均有一个相对应的所述LED驱动电路。
优选的，所述电源模块用以为整个所述MIMO高速阵列式蓝绿LED光源供电，消除所述LED驱动电路的开关造成的大电流起伏。
本发明的有益效果为：通过输入1路信号与10路信号的方式，利用模块化的LED驱动电路并联，实现包含10个LED的阵列式光源。由于10个LED以及LED驱动电路相互独立，使得每个LED都可以独立控制，当外部输入10路信号时，即可实现10通道MIMO可见光信号的输出。且本申请的LED阵列式光源具有高速率与高消光比的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源的结构举例示意图；
图2为本申请实施例提供的单路LED驱动电路的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源的多发输出原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本发明内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
参见图1，图1是本申请实施例提供的一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源的结构举例示意图。在本申请实施例中，所述光源包括：信号输入调节模块、相位调节模块、电源模块、LED驱动电路、LED灯珠、聚光镜，所述信号输入调节模块与相位调节模块连接，用于接收外部输入信号，并输出多路控制信号至所述相位调节模块；所述相位调节模块用于调节多路控制信号的相位后将调节后信号一一对应的分别输出至各所述LED驱动电路；所述LED驱动电路用于接收所述调节后信号后，基于所述电源模块输出大电流驱动信号至所述LED灯珠；每一所述LED灯珠均分别与一所述聚光镜连接，用于将所述LED灯珠发出的光信号聚焦整形后输出可见光通信光信号。
在一种可实施方式中，所述LED灯珠为蓝绿光LED灯珠。
在一种可实施方式中，所述聚光灯与所述LED灯珠之间还设置有反光杯，所述反光杯用以与所述聚光镜配合聚焦所述LED灯珠发出的光信号。
在一种可实施方式中，所述信号输入调节模块用以接收单路TTL信号或多路TTL信号；对于接收的单路TTL信号，使所述单路TTL信号转化为多路TTL信号并行输出；对于接收的多路TTL信号，对所述多路TTL信号进行缓冲隔离。
在一种可实施方式中，所述相位调节模块用以分别对所述信号输入调节模块发送的多路控制信号进行相位调节，使各路控制信号的相位一致。
在一种可实施方式中，所述LED驱动电路之间采用并联结构，且每个所述LED驱动电路均能够独立控制驱动一个LED灯珠，各所述LED驱动电路之间设置有消除自激励震荡电路。
在一种可实施方式中，所述LED灯珠的发光波长为450nm至530nm的蓝绿可见光波段，每个所述LED灯珠均有一个相对应的所述LED驱动电路。
在一种可实施方式中，所述电源模块用以为整个所述MIMO高速阵列式蓝绿LED光源供电，消除所述LED驱动电路的开关造成的大电流起伏。
其中，所述的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源可以实现0Hz至10MHz的光通信速率，总的光功率大于30dBm，消光比大于25比1，且其可以实现OOK，PPM，8-PAM等调制方式，并可实现10通道MIMO输出。
示例性的，本发明实施例提供的一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源，通过输入一路或10路控制信号，实现LED的发光控制。当输入信号为1路时，输入信号调节模块就将其分为10路并联信号，再经过并联信号相位调节模块，确保10路并联信号进入到10个LED驱动电路时的相位一致；当输入信号为10路信号时，输入信号调节模块就会起到缓冲隔离作用，再经过并联信号相位调节模块，确保10路信号输入到10个LED驱动电路时的总相位延时一致。10个LED驱动电路相互独立，每一路LED驱动电路都可以根据该路LED的实际参数进行调节，以确保10路LED的实际发光相位一致，最高光强一致，消光比一致，电压上升与下降时间一致。消除因LED自身参数的微小差异造成的发光不一致问题。反光杯聚光镜用于将LED芯片发出的约120度发散角的光信号，聚焦为约10度发散角的光信号。电源模块用于为整个光源提供电源供应，由于LED驱动电路为大电流开关型电路，LED不发光时的总共耗较低，LED发光时的功耗较高，这样就会在电源端产生连续型、频率变化型的电流供应，因此电源端需要加入额外设计，以抑制因电流突变造成的电路不稳定变化。
参见图2，单路LED驱动电路由驱动芯片、直流分量调节模块、抑制自激震荡模块与输入电源稳定模块组成。由于LED驱动电路为开关型电路，导通与关断的电流差异较大，因此会对电源供应造成较大影响，故需要一个输入电源稳定模块。当多路LED驱动电路同时工作时，就有可能因剧烈的电流变化产生自激现象，为抑制自激现象，一是要实际测量自激产生的频段，二是要加入抑制自激震荡的模块。由于LED的发光存在一个阈值电压，当LED两端电压小于阈值电压时，LED不会发光，所以需要一个可以对LED提供电压偏置的直流分量调节模块。
参照LED芯片手册的V-I曲线可以设定直流电压的大小，而加载在LED芯片两端的直流电压大小则会影响LED的消光比大小。当加载的直流电压越大时，LED输出光的消光比则会越小，但会略微提高LED灯珠的最高响应带宽。
为提高LED灯珠最高响应带宽，首先需要保证驱动芯片的带宽远高于LED灯珠的带宽，在实施实例中，芯片的最高驱动速度为155MHz，实现了10MHz的LED输出光信号带宽。其次，在PCB设计时，需要尽可能减少驱动芯片到LED灯珠的距离，进而减小线路上的电感与电容。最后在LED灯珠两端反向并联一个高速二极管与电阻，加速LED灯珠的放电速度。LED的发光存在一个阈值电压，当LED两端电压小于阈值电压时，LED不会发光。利用一个直流分量调节模块，可以对LED提供一个电压偏置。
在本申请实施例中，在制作LED阵列式光源时，需要对每一个LED单独进行测试，以消除LED实际性能参数不一致引起的输出光信号不一致。
利用波形发生器(KEYSIGHT 33600A)作为信号源，产生3.3VTTL信号给驱动板。LED光源采用稳压源(RIGOL DP832A)供电。利用APD(索雷柏APD430A2)和示波器(KEYSIGHTDSOX4104A)可观察LED的实际光信号输出。
利用光功率计(索雷柏PM100D+S120C探头(400－1100nm))测量灯珠的输出光强为19.4dBm。
在本申请实施例中，实物中LED光源由3层PCB组成，外层放置LED灯珠、反光杯和聚光镜，由于反光杯和聚光镜的体积较大，占据了PCB表层的大部分空间，导致外层PCB无法安置更多器件。由于LED灯珠在发光时发热较为严重，使得LED驱动电路无法和LED灯珠安放在同一个PCB上。本实施例中LED为环形排布，可以在远处形成一个圆形光斑。本实施例中安装了10个LED与8个反光杯聚光镜。中间PCB放置10路LED驱动电路。内层PCB放置电源模块、信号输入调节模块与并联电路信号相位调节模块。其中，经实际测试可知，未安装反光杯聚光镜的LED的发光发散角为120度，安装反光杯聚光镜后的发散角约10度。
参见图3，利用用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源可以输入10路信号的特点，可以实现多种调制模式以及10通道MIMO输出。
实现PAM调试方式：利用实施实例光源消光比高的特点，通过控制同一时刻LED点亮个数的方式可以即可实现，OOK及8PAM的调制。
实现10通道MIMO输出的方式有两种，当距离较近时，采用将LED与光电探测器一一对齐的方式，控制LED聚光镜的发散角，使单个探测器仅能接收单个LED的输出光信号，以此实现10通道MIMO输出与接收。当距离较远时可以采用波长不同的LED型号，并在接收端增加10个窄带滤波片，每一个窄带滤波片的中心波长都与LED的波长相对应，以及10个光电探测器。
本申请提供的一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源，利用并联驱动电路相互间独立这一特点，在输入10路控制信号的条件下，可实现10通道信号输出以及多种调试方式，从而提高蓝绿看见光通信的带宽，实现高速(10*10Mbps＝100Mbps)远距离的蓝绿可见光通信。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种用于光通信的MIMO高速阵列式蓝绿LED光源，其特征在于，所述光源包括：信号输入调节模块、相位调节模块、电源模块、LED驱动电路、LED灯珠、聚光镜，所述信号输入调节模块与相位调节模块连接，用于接收外部输入信号，并输出多路控制信号至所述相位调节模块；所述相位调节模块用于调节多路控制信号的相位后将调节后信号一一对应的分别输出至各所述LED驱动电路；所述LED驱动电路用于接收所述调节后信号后，基于所述电源模块输出大电流驱动信号至所述LED灯珠；每一所述LED灯珠均分别与一所述聚光镜连接，用于将所述LED灯珠发出的光信号聚焦整形后输出可见光通信光信号；
所述信号输入调节模块用以接收单路TTL信号或多路TTL信号；对于接收的单路TTL信号，使所述单路TTL信号转化为多路TTL信号并行输出；对于接收的多路TTL信号，对所述多路TTL信号进行缓冲隔离。
2.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述LED灯珠为蓝绿光LED灯珠。
3.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述聚光镜与所述LED灯珠之间还设置有反光杯，所述反光杯用以与所述聚光镜配合聚焦所述LED灯珠发出的光信号。
4.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述相位调节模块用以分别对所述信号输入调节模块发送的多路控制信号进行相位调节，使各路控制信号的相位一致。
5.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述LED驱动电路之间采用并联结构，且每个所述LED驱动电路均能够独立控制驱动一个LED灯珠，各所述LED驱动电路之间设置有消除自激励震荡电路。
6.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述LED灯珠的发光波长为450nm至530nm的蓝绿可见光波段，每个所述LED灯珠均有一个相对应的所述LED驱动电路。
7.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述电源模块用以为整个所述MIMO高速阵列式蓝绿LED光源供电，消除所述LED驱动电路的开关造成的大电流起伏。
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