CN115173944B - 一种可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种可见光通信系统。该系统包括：调制发光模块，用于发射根据待通信信息调制得到的通信光线；跟踪感光模块，用于接收并解调所述通信光线中的所述待通信信息，还用于根据自身与所述通信光线之间的角度进行对准。从而实现了接收端的自对准，并可以在使用过程中随时根据角度的变化实现实时对准，提高了可见光通信过程中的接收光功率、信噪比和误码率，也扩大了接收端的视野。

Description

一种可见光通信系统
技术领域
本发明实施例涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种可见光通信系统。
背景技术
可见光通信（Visible Light Communication，VLC）已成为一种前景广阔的无线通信方法，光载波频率的使用允许以多个数量级显著扩大可用频谱、高度空间多路复用、以及以更高的数据速率进行通信的可能性。但在投入使用之前，需要人工手动将接收端与发射端对准，同时在使用过程中，接收端的角度可能发生偏移，从而影响通信效果。另外针对某些尺寸较小的光源，光功率较低，由于几何光学中的集光率守恒减小了视野（Field ofView，FOV），尤其会受到接收端对准程度的影响。
发明内容
本发明实施例提供一种可见光通信系统，以实现接收端的自对准，从而提高可见光通信过程中的接收光功率、信噪比和误码率。
本发明实施例提供了一种可见光通信系统，该系统包括：
调制发光模块，用于发射根据待通信信息调制得到的通信光线；
跟踪感光模块，用于接收并解调所述通信光线中的所述待通信信息，还用于根据自身与所述通信光线之间的角度进行对准。
可选的，所述跟踪感光模块包括：
光跟踪传感器，用于根据不同区域对所述通信光线的接收量生成各个区域的光感应信号；
跟踪电路，用于根据所述光感应信号生成电机驱动信号；
电机，用于根据所述电机驱动信号调整所述光跟踪传感器的感光平面的方向，以与所述通信光线进行对准。
可选的，所述光跟踪传感器包括金属墙，以及在所述金属墙两侧设置的第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管用于生成所述光感应信号。
可选的，所述第一光电二极管与所述第二光电二极管的尺寸相同，且所述金属墙与所述第一光电二极管的感光面及所述第二光电二极管的感光面垂直。
可选的，所述跟踪电路包括：
比较单元，用于对各个区域的所述光感应信号进行比较；
开关单元，包括多个开关管，用于根据所述比较单元的比较结果确定各个所述开关管的开闭，以控制所述电机的驱动电压的接入方向。
可选的，所述比较单元包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述第一运算放大器的正输入端与所述第一光电二极管连接，负输入端与所述第二光电二极管连接；所述第二运算放大器的正输入端与所述第二光电二极管连接，负输入端与所述第一光电二极管连接。
可选的，所述开关单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述第一运算放大器的输出用于控制所述第二开关管和所述第四开关管的开闭，所述第二运算放大器的输出用于控制所述第一开关管和所述第三开关管的开闭；当所述第二开关管和所述第四开关管闭合且所述第一开关管和所述第三开关管断开时，所述电机的正极连接所述驱动电压，负极接地，当所述第一开关管和所述第三开关管闭合且所述第二开关管和所述第四开关管断开时，所述电机的负极连接所述驱动电压，正极接地。
可选的，所述光跟踪传感器的数量为多个，呈阵列排布，且多个所述光跟踪传感器之间并联连接。
可选的，所述调制发光模块使用基于氮化镓的micro-LED作为光源，调制方式为无归零开关键控。
可选的，所述系统还包括聚焦模组，用于将所述通信光线聚焦到所述跟踪感光模块上。
本发明实施例提供了一种可见光通信系统，包括调制发光模块和跟踪感光模块，其中，调制发光模块用于发射根据待通信信息调制得到的通信光线，跟踪感光模块一方面用于接收并解调通信光线中的待通信信息，另一方面还用于根据自身与通信光线之间的角度进行对准，从而实现了接收端的自对准，并可以在使用过程中随时根据角度的变化实现实时对准，提高了可见光通信过程中的接收光功率、信噪比和误码率，也扩大了接收端的视野。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的可见光通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的另一种可见光通信系统的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的光跟踪传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的跟踪电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本发明实施例的范围的情况下，可以将第一光电二极管称为第二光电二极管，且类似地，可将第二光电二极管称为第一光电二极管。第一光电二极管和第二光电二极管两者都是光电二极管，但其不是同一光电二极管。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的可见光通信系统的结构示意图，本实施例可适用于采用可见光通信的方式进行通信的情况。如图1所示，该系统包括：调制发光模块100，用于发射根据待通信信息调制得到的通信光线；跟踪感光模块200，用于接收并解调所述通信光线中的所述待通信信息，还用于根据自身与所述通信光线之间的角度进行对准。
具体的，可见光通信是指利用可见光波段的光作为信息载体，在空气中直接传输光信号的通信方式。则可以通过调制发光模块100对待通信信息进行调制，即对待通信信息进行处理加到光载波上，使其变为适合于可见光传输的形式，从而得到通信光线，进一步再将该通信光线发射出去。跟踪感光模块200可以放置在正对调制发光模块100光源的位置，以便于接收到调制发光模块100发射的通信光线，并提高VLC链路的传输性能，在接收到通信光线后可以对其进行解调，从而获得所需的待通信信息。同时，跟踪感光模块200还可以调整接收通信光线的角度，可以在检测到其感光平面未正对通信光线，或者与正对方向偏转较大的情况下向偏转方向的相反方向进行调整，以实现对准。在实验阶段，如图2所示，调制发光模块100可以通过脉冲发生器101模拟产生所需的通信光线，并使用偏置器102作为光调制器驱动，再将输出的通信光线通过光源103发射出去，同时跟踪感光模块200可以通过光接收器201接收该通信光线，并使用宽带示波器202对接收到的通信光线进行显示，还可以增加误差检波器203以便对产生的误差进行分析，调制发光模块100与跟踪感光模块200之间的自由空间距离可以设置为80cm。其中，可选的，所述调制发光模块100使用基于氮化镓（GaN）的micro-LED作为光源，发光二极管（LED）通常用作可见光通信中的光源，由于系统带宽主要受LED的光电带宽限制，基于氮化镓的micro-LED的载流子寿命较短，结电容也较低，可根据其尺寸进行缩放，从而使得带宽能够达到100MHz左右，但是相应的，由于GaNmicro-LED尺寸较小，使得光功率从100mW降至1mW，因此本实施例所提供的能够实现自对准的可见光通信系统将更为重要，以实现高数据速率的VLC链路。进一步可选的，所述调制发光模块100的调制方式为无归零开关键控（NRZ-OOK），通过使用GaN micro-LED和NRZ-OOK进行高速率可见光通信，使得对入射光的空间模式不敏感，在2.1*10-4的误码率（Bit ErrorRatio，BER）下速度可达到600Mbps，低于前向纠错限制（Forward Error Correction，FEC）。
在上述技术方案的基础上，可选的，所述跟踪感光模块200包括：光跟踪传感器，用于根据不同区域对所述通信光线的接收量生成各个区域的光感应信号；跟踪电路，用于根据所述光感应信号生成电机驱动信号；电机，用于根据所述电机驱动信号调整所述光跟踪传感器的感光平面的方向，以与所述通信光线进行对准。具体的，可以使用光跟踪传感器作为光接收器进行感光，并且可以在光跟踪传感器上的不同区域分别进行感光，然后可以根据各个区域对通信光线的接收量确定光跟踪传感器的感光平面与通信光线之间的角度，具体则可以通过光跟踪传感器上的各个区域分别生成对应的光感应信号，以便利用光感应信号进行处理。在获得光感应信号后，可以通过跟踪电路对光感应信号加以利用，并判断出光跟踪传感器当前的偏转方向，从而生成电机驱动信号。相应的，跟踪感光模块200可以通过电机来实现对准的机械转动过程，其中的电机可以是由PWM控制的伺服电机，不同的电机驱动信号可以控制电机向不同的方向偏转，同时在电机与光跟踪传感器之间增加机械传动装置，即可通过电机实现对光跟踪传感器的感光平面方向的调整，从而实现跟踪通信光线并指向通信光线的方向。其中，光跟踪传感器和跟踪电路可以集成在CMOS芯片上。
其中，可选的，所述光跟踪传感器的数量为多个，呈阵列排布，且多个所述光跟踪传感器之间并联连接。具体的，由于单个光跟踪传感器产生的光感应信号通常较小，因此可以使用多个相互并联的光跟踪传感器来获得一个较大的光感应信号，以便清楚的识别。同时多个光跟踪传感器可以呈阵列排布，且放置方向一致，以保证各个光跟踪传感器的最大接收光功率点相同，从而保证结果的准确性。
进一步可选的，如图3所示，所述光跟踪传感器包括金属墙211，以及在所述金属墙 211两侧设置的第一光电二极管212和第二光电二极管213，所述第一光电二极管212和所述 第二光电二极管213用于生成所述光感应信号。具体的，金属墙211可以通过堆叠工艺中的 金属层、触点和过孔进行创建，金属墙211不透光，则当光跟踪传感器有一定的偏转时，通信 光线与金属墙211之间形成角度
Figure 681923DEST_PATH_IMAGE001
（不等于0），会在一侧的光电二极管上形成微尺度阴影， 即减少了一侧光电二极管上对通信光线的接收量，使得所生成的光感应信号（光电流）变 小，从而可以根据不同的光电流值确定光跟踪传感器的偏转情况。其中，可选的，所述第一 光电二极管212与所述第二光电二极管213的尺寸相同，且所述金属墙211与所述第一光电 二极管212的感光面及所述第二光电二极管213的感光面垂直，从而更方便于根据光感应信 号确定光跟踪传感器的偏转情况，具体的，第一光电二极管212与第二光电二极管213的尺 寸相同，即感光面的长宽相同，同时金属墙211垂直于两个光电二极管的感光面，则当通信 光线平行于金属墙211入射（
Figure 531193DEST_PATH_IMAGE001
=0）时，在第一光电二极管212与第二光电二极管213上对通 信光线的接收量相同，从而两个光电二极管产生的光电流值相同，而当通信光线与金属墙 211之间的角度为
Figure 737046DEST_PATH_IMAGE001
（不等于0）时，由于其中一侧的光电二极管对通信光线的接收量减少， 导致其产生的光电流值比另一侧的光电二极管所产生的光电流值小，从而可以通过直接对 两个光电流值的比较方便的确定光跟踪传感器的偏转情况。其中，两侧光电二极管所产生 的光电流值与角度
Figure 853907DEST_PATH_IMAGE001
之间的关系可以参考如下关系式：
Figure 752592DEST_PATH_IMAGE002
其中，IL表示第一光电二极管212产生的光电流，IR表示第二光电二极管213产生的 光电流，
Figure 587693DEST_PATH_IMAGE003
表示对应于反射光与到达金属墙211在第一光电二极管212一侧的总光的比率，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示对应于反射光与到达金属墙211在第二光电二极管213一侧的总光的比率，H表示金 属墙211的高度，L表示两个光电二极管的长度（垂直金属墙211方向），其中的
Figure 925134DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 771867DEST_PATH_IMAGE005
取决于 工艺、布局和封装，即具体为常数，根据该关系式可以确定IL与IR之间的电流比与光强度无 关，而只取决于角度
Figure 667885DEST_PATH_IMAGE001
。进一步的，考虑到视野和精度之间的权衡，金属墙211的高度可以设 置为12微米，从而优化了光跟踪传感器的性能，同时由于该物理尺寸远大于吸收光的波长， 使得衍射对光跟踪传感器性能的影响较小。
进一步可选的，所述跟踪电路包括：比较单元，用于对各个区域的所述光感应信号进行比较；开关单元，包括多个开关管，用于根据所述比较单元的比较结果确定各个所述开关管的开闭，以控制所述电机的驱动电压的接入方向。具体的，可以通过比较单元对第一光电二极管212和第二光电二极管213产生的光电流进行比较，并可以在不同的比较结果下，通过控制不同的开关管的开闭来控制提供给电机的驱动电压的接入方向，而不同的接入方向可以使得电机向不同方向转动，从而实现对准过程。
进一步可选的，如图4所示，所述比较单元包括第一运算放大器CP1和第二运算放大器CP1；所述第一运算放大器CP1的正输入端与所述第一光电二极管DL连接，负输入端与所述第二光电二极管DR连接；所述第二运算放大器CP1的正输入端与所述第二光电二极管DR连接，负输入端与所述第一光电二极管DL连接。具体的，第一运算放大器CP1可以通过比较第一光电二极管DL产生的电压VL与第二光电二极管DR产生的电压VR的大小确定其输出电压V1，第二运算放大器CP2可以通过比较第二光电二极管DR产生的电压VR与第一光电二极管DL产生的电压VL的大小确定其输出电压V2，进一步还可以通过第一可变电阻R2和第二可变电阻R3对第二光电二极管DR产生的电压进行分压，并使用分压电压VX作为第一运算放大器CP1负输入端的输入，以使得两个光电二极管产生的电压之间的比较存在一定的冗余，从而实现仅当光跟踪传感器的偏转超过一定角度时才进行对准，避免长期处于抖动的状态，以减少消耗。
进一步可选的，所述开关单元包括第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4；所述第一运算放大器CP1的输出用于控制所述第二开关管M2和所述第四开关管M4的开闭，所述第二运算放大器CP2的输出用于控制所述第一开关管M1和所述第三开关管M3的开闭；当所述第二开关管M2和所述第四开关管M4闭合且所述第一开关管M1和所述第三开关管M3断开时，所述电机M的正极连接所述驱动电压VDD，负极接地，当所述第一开关管M1和所述第三开关管M3闭合且所述第二开关管M2和所述第四开关管M4断开时，所述电机M的负极连接所述驱动电压VDD，正极接地。具体的，可以当第一运算放大器CP1的输出电压V1为正时，控制第二开关管M2和第四开关管M4闭合，从而驱动电压VDD可以依次流经第二开关管M2、电机M（正到负）和第四开关管M4并最终接地，当第二运算放大器CP2的输出电压V2为正时，控制第一开关管M1和第三开关管M3闭合，从而驱动电压VDD可以依次流经第三开关管M3、电机M（负到正）和第一开关管M1并最终接地。则可以根据第一光电二极管DL和第二光电二极管DR产生的光电流的大小确定第一运算放大器CP1和第二运算放大器CP2的输出电压的正负，从而控制各个开关管的开闭，进而控制电机M的驱动电压VDD的接入方向，以控制电机M向不同的方向转动。其中，电机M可选用直流伺服电机，以对电压差做出响应，使得整个系统简单可靠，当电机M静止时，电机驱动器将不消耗功率，从而使得对于低功率应用，静态消耗电流（88微安左右）和跟踪感光模块的消耗（334毫安左右）都很低。根据仿真结果，该系统对入射角具有良好的灵敏度，在120度的范围内可以实现1.9度的跟踪精度，跟踪对准后，也极大的提高了接收光功率、信噪比和误码率。
在上述技术方案的基础上，可选的，所述系统还包括聚焦模组，用于将所述通信光线聚焦到所述跟踪感光模块上。当使用GaN micro-LED作为光源时，光功率较低，视野较小，因此可以通过聚焦光学进行补偿，以进一步提高VLC链路的数据速率，具体的，聚焦模组可以包括发射光学模组和接收光学模组，其中，发射光学模组靠近调制发光模块，可用于将通信光线汇聚至光轴方向并射入接收光学模组，接收光学模组靠近跟踪感光模块，可用于将通信光线汇聚至跟踪感光模块，从而提高通信光线的接收效率。
本发明实施例所提供的可见光通信系统，包括调制发光模块和跟踪感光模块，其中，调制发光模块用于发射根据待通信信息调制得到的通信光线，跟踪感光模块一方面用于接收并解调通信光线中的待通信信息，另一方面还用于根据自身与通信光线之间的角度进行对准，从而实现了接收端的自对准，并可以在使用过程中随时根据角度的变化实现实时对准，提高了可见光通信过程中的接收光功率、信噪比和误码率，也扩大了接收端的视野。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种可见光通信系统，其特征在于，包括：
调制发光模块，用于发射根据待通信信息调制得到的通信光线；
跟踪感光模块，用于接收并解调所述通信光线中的所述待通信信息，还用于根据自身与所述通信光线之间的角度进行对准；
所述跟踪感光模块包括：
光跟踪传感器，用于根据不同区域对所述通信光线的接收量生成各个区域的光感应信号；
跟踪电路，用于根据所述光感应信号生成电机驱动信号；
电机，用于根据所述电机驱动信号调整所述光跟踪传感器的感光平面的方向，以与所述通信光线进行对准；
所述光跟踪传感器包括金属墙，以及在所述金属墙两侧设置的第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管用于生成所述光感应信号。
2.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述第一光电二极管与所述第二光电二极管的尺寸相同，且所述金属墙与所述第一光电二极管的感光面及所述第二光电二极管的感光面垂直。
3.根据权利要求2所述的可见光通信系统，其特征在于，所述跟踪电路包括：
比较单元，用于对各个区域的所述光感应信号进行比较；
开关单元，包括多个开关管，用于根据所述比较单元的比较结果确定各个所述开关管的开闭，以控制所述电机的驱动电压的接入方向。
4.根据权利要求3所述的可见光通信系统，其特征在于，所述比较单元包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述第一运算放大器的正输入端与所述第一光电二极管连接，负输入端与所述第二光电二极管连接；所述第二运算放大器的正输入端与所述第二光电二极管连接，负输入端与所述第一光电二极管连接。
5.根据权利要求4所述的可见光通信系统，其特征在于，所述开关单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述第一运算放大器的输出用于控制所述第二开关管和所述第四开关管的开闭，所述第二运算放大器的输出用于控制所述第一开关管和所述第三开关管的开闭；当所述第二开关管和所述第四开关管闭合且所述第一开关管和所述第三开关管断开时，所述电机的正极连接所述驱动电压，负极接地，当所述第一开关管和所述第三开关管闭合且所述第二开关管和所述第四开关管断开时，所述电机的负极连接所述驱动电压，正极接地。
6.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述光跟踪传感器的数量为多个，呈阵列排布，且多个所述光跟踪传感器之间并联连接。
7.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述调制发光模块使用基于氮化镓的micro-LED作为光源，调制方式为无归零开关键控。
8.根据权利要求1所述的可见光通信系统，其特征在于，所述系统还包括聚焦模组，用于将所述通信光线聚焦到所述跟踪感光模块上。
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