CN115333634B - 一种适用于商用照明led的高带宽、多自由度无线光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，包括：无线光通信系统发射机和接收机。发射机内利用频域均衡电路对需要传输的数据电信号进行预处理，以提升商用照明LED光源的传输带宽。并通过直流偏置电压源调节LED光源的发射功率，结合Bias‑T偏置电路将均衡后的数据信息与直流偏置电压信号复合，以驱动LED光源完成电/光转换。在接收机前端，接收机内利用菲涅尔透镜阵列，增强接收机移动过程中对不同入射角度光信号的接收灵敏度，提升无线光通信系统的动态响应自由度。并提出在传统无线光通信系统接收探测器和跨阻放大器的后端，引入数字整形恢复电路，优化无线光信号传输过程中产生的链路损伤，提升无线光通信系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，具体而言，尤其涉及一种适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统。
背景技术
随着多媒体业务的不断发展，移动用户对通信速率的需求不断增加，传统无线射频通信频谱资源日趋紧张。无线光通信具有太赫兹量级的丰富频谱资源且无需授权可免费使用。此外，无线光通信技术具有传输时延低、抗电磁干扰能力强、收发机结构相对简单、系统高效节能以及与现有照明设备实现有效兼容等优点。这使其成为无线射频通信外解决信息传输“最后一公里”问题的另一重要技术手段。此外，450～550nm的蓝绿光波段信号在水下传输时具有极低的衰减损耗，这也使得无线光通信成为水下中长距离高速通信的主要技术手段之一，对构建未来6G“空天地海”一体化通信网络具有重要价值。
无线光通信系统中使用的光源主要包括：激光二极管(LD)和发光二极管(LED)两种。其中，LD光源发散角小、调制带宽大，能够实现高速、较长距离的数据传输。但其发射机和接收机之间需要精确对准，以保障数据链路的可靠通信。此外，LD光源具有温度敏感性，需配备温度控制单元以保证系统的稳定运行，使用寿命相对较短，这些都会增加系统实现的复杂度与成本，不利于低成本、轻量化的系统集成。相较于LD光源，LED光源的发散角更大，温度稳定性更强，芯片具有较长的工作寿命且成本较低。通过多个LED构成的阵列结构可有效提高发射机信号的输出功率，从而有效延长系统的通信距离。尽管LED光源的光束范围较大，但接收端光电探测器的光敏面积有限，传统LED光通信系统中，收发机之间仍需要对准操作以保障系统的通信可靠性，系统的自由度较低，并没有充分发挥LED光源的广覆盖特性，从而限制了无线光通信系统的可移动性。此外，目前广泛应用于照明系统的商用LED芯片通信带宽有限，难以支持数据信号的高速传输，这对未来高速无线光通信系统与现有照明系统的有效兼容带来了挑战。
发明内容
根据上述提出的技术问题，为使无线光通信系统不局限于传统点对点的固定通信模式，提升无线光收发装置的自由度，并实现高速无线光通信系统与现有照明系统的有效兼容。本发明提出一种适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统。
本发明采用的技术手段如下：
一种适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，包括无线光通信发射机和无线光通信接收机，其中，无线光通信发射机用于提高商用LED传输速率；无线光通信接收机包括用于增强不同方向入射光信号灵敏度的接收机前端和用于改善信号传输质量的接收机后端。
进一步地，所述无线光通信发射机包括信号源、频域均衡电路、Bias-T偏置电路、直流电压源和商用LED光源；其中：
所述频域均衡电路，用于改善发送信号的频率响应特性；
所述直流电压源，用于为LED提供其正常工作所需的电压信号；
所述Bias-T偏置电路，用于将数据信号与直流电压信号复用为一路，并驱动商用LED光源发光。
进一步地，所述无线光通信发射机通过增加LED光源数量，并通过调节直流电压源的输出电压信号，提升发送端输出光信号的强度，增加系统传输距离。
进一步地，所述无线光通信接收机包括菲涅尔透镜阵列、光电探测器、跨阻放大器和数字整形恢复电路；其中：
所述菲涅尔透镜阵列，设置在所述接收机前端，由多个菲涅尔透镜组合而成，用于实现对不同角度接收光信号的汇聚；
所述光电探测器，用于实现光信号到电信号的转换；
所述跨阻放大器，用于对电信号进行第一级的低噪声放大；
所述数字整形恢复电路，通过内部限幅放大器对接收信号进行二级放大，再通过提取同步时钟，对接收信号进行数据恢复，改善信号经无线信道传输时引入的抖动和衰减，进一步提升通信系统的可靠性。
进一步地，通过调整所述菲涅尔透镜阵列内的透镜数量，改变接收机的自由度。
进一步地，通过调整所述跨阻放大器的反馈电路参数提升信号的放大倍数。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其发射端利用频域均衡电路改善商用照明LED通信系统的频率响应特性，拓展其通信带宽，提升高速无线光通信系统与现有照明设备的兼容性。
2、本发明提供的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其接收端使用菲涅尔透镜阵列提升接收机对不同角度入射光信号的汇聚能力，增强无线光通信系统的自由度和接收机灵敏度。
3、本发明提供的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，在跨阻放大器之后使用数字整形恢复技术，进一步改善传输信号的通信质量，提升无线光通信系统的通信可靠性。
4、本发明可有效提升无线光通信系统的灵活性和可靠性，同时拓展商用照明LED光源的通信带宽，使未来高速无线光通信系统与现有照明LED系统实现有效兼容，降低系统实施成本和部署难度，具有广阔的应用前景。
基于上述理由本发明可在无线光通信等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高带宽、多自由度无线光通信系统结构图。
图2为本发明实施例提供的6菲涅尔透镜阵列核心框架示意图。
图中：1、无线光通信发射机；2、信号源；3、频域均衡电路；4、Bias-T偏置电路；5、直流电压源；6、商用LED光源；7、无线信道；8、无线光通信接收机；9、菲涅尔透镜阵列；10、光电探测器；11、跨阻放大器；12、数字整形恢复电路；13、数据输出端；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，包括无线光通信发射机1和无线光通信接收机8，其中，无线光通信发射机1用于提高商用LED传输速率；无线光通信接收机8包括用于增强不同方向入射光信号灵敏度的接收机前端和用于改善信号传输质量的接收机后端。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述无线光通信发射机1包括信号源2、频域均衡电路3、Bias-T偏置电路4、直流电压源5和商用LED光源6；其中：所述频域均衡电路3，用于改善发送信号的频率响应特性；所述直流电压源5，用于为LED提供其正常工作所需的电压信号；所述Bias-T偏置电路4，用于将数据信号与直流电压信号复用为一路，并驱动商用LED光源6发光。其连接关系和工作原理如下：
连接关系：
假设信号源2产生的数据格式为非归零开关键控(NRZ-OOK)信号，信号源2的输出端口与频域均衡电路3的输入端相连，均衡电路内部由电阻和电容等电路器件构成T型均衡网络，对信号源2发出的数据信息进行频域均衡处理。Bias-T偏置电路4包括射频信号和直流偏置两个输入端口，频域均衡电路3的输出端与Bias-T偏置电路4的射频输入端相连，直流电压源5与Bias-T的直流偏置输入端口相连，经过复合后的射频与直流偏置电压信号用来驱动商用LED光源6，通过控制LED光源发射光信号的强度实现数据信息的电-光转换。可通过调节直流电压源5输出电压的大小，控制LED光源的输出功率，同时商用LED光源6可采用阵列光源结构，以提升系统的传输距离。发射机输出的光信号经过无线信道7传输后到达无线光通信接收机8。
工作原理：
首先，需要发送的数据信息由信号源2产生，经过频域均衡电路3进行预处理；接着，均衡后的交流数据信号与直流电压源5输出的直流偏置电压信号，经过Bias-T偏置电路4被复合为一路信号；最后，经过复合后的电信号驱动商用LED光源6发光，实现通信信号的电-光转换。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，无线光通信发射机1通过增加LED光源数量，并通过调节直流电压源5的输出电压信号，提升发送端输出光信号的强度，增加系统传输距离。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述无线光通信接收机8包括菲涅尔透镜阵列9、光电探测器10、跨阻放大器11和数字整形恢复电路12；其中：
所述菲涅尔透镜阵列9，设置在所述接收机前端，由多个菲涅尔透镜组合而成，用于实现对不同角度接收光信号的汇聚；所述光电探测器10，用于实现光信号到电信号的转换；所述跨阻放大器11，用于对电信号进行第一级的低噪声放大；所述数字整形恢复电路12，通过内部限幅放大器对接收信号进行二级放大，再通过提取同步时钟，对接收信号进行数据恢复，改善信号经无线信道传输时引入的抖动和衰减，进一步提升通信系统的可靠性。
在无线光通信接收机8内，首先利用菲涅尔透镜阵列9对不同角度的入射光信号进行汇聚，以提升系统的接收灵敏度。以透镜数量为6的菲涅尔透镜阵列组合为例，如图2所示，为该阵列组合使用的核心框架示意图，经3D打印后，与菲涅尔透镜组合。由图可见，1片正五边形菲涅尔透镜置于组合结构中间，另外5片正六边形菲涅尔透镜通过夹具置于四周，可通过调整每个夹具的开合角度，使该阵列构成近似半球的形状，从而确保不同入射方向的光信号，汇聚在光电探测器的有效探测面积上。该菲涅尔透镜阵列组合，可实现6个不同方向入射光信号的有效汇聚，为便于对汇聚后的焦点信号进行接收，提升接收机的自由度，使用大面积的PIN型光电探测器10对接收到的光信号进行光-电转换。PIN管响应电流的大小与接收光信号强度的变化成正比。转换后的电流信号幅值较小，经过跨阻放大器11进行放大，并将其转换为电压信号。无线信号经过无线信道传输时，会受到衰减和多径效应的影响，为进一步提升接收信号的通信质量，补偿无线光信号传输过程中引入的链路损伤，使用数字整形恢复电路12对信号进行二级放大和去抖动的处理。最终，经过整形恢复后数据输出端13输出原始数据信息，完成基于商用照明LED光源的无线光通信过程。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，通过调整所述菲涅尔透镜阵列9内的透镜数量，改变接收机的自由度。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，通过调整所述跨阻放大器11的反馈电路参数提升信号的放大倍数。
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。
Claims (5)
1.一种适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其特征在于，包括无线光通信发射机和无线光通信接收机，其中，无线光通信发射机用于提高商用LED传输速率；无线光通信接收机包括用于增强不同方向入射光信号灵敏度的接收机前端和用于改善信号传输质量的接收机后端；
所述无线光通信接收机包括菲涅尔透镜阵列、光电探测器、跨阻放大器和数字整形恢复电路；其中：
所述菲涅尔透镜阵列，设置在所述接收机前端，由多个菲涅尔透镜组合而成，用于实现对不同角度接收光信号的汇聚；
所述光电探测器，用于实现光信号到电信号的转换；
所述跨阻放大器，用于对电信号进行第一级的低噪声放大；
所述数字整形恢复电路，通过内部限幅放大器对接收信号进行二级放大，再通过提取同步时钟，对接收信号进行数据恢复，改善信号经无线信道传输时引入的抖动和衰减，进一步提升通信系统的可靠性。
2.根据权利要求1所述的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其特征在于，所述无线光通信发射机包括信号源、频域均衡电路、Bias-T偏置电路、直流电压源和商用LED光源；其中：
所述频域均衡电路，用于改善发送信号的频率响应特性；
所述直流电压源，用于为LED提供其正常工作所需的电压信号；
所述Bias-T偏置电路，用于将数据信号与直流电压信号复用为一路，并驱动商用LED光源发光。
3.根据权利要求2所述的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其特征在于，所述无线光通信发射机通过增加LED光源数量，并通过调节直流电压源的输出电压信号，提升发送端输出光信号的强度，增加系统传输距离。
4.根据权利要求1所述的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其特征在于，通过调整所述菲涅尔透镜阵列内的透镜数量，改变接收机的自由度。
5.根据权利要求1所述的适用于商用照明LED的高带宽、多自由度无线光通信系统，其特征在于，通过调整所述跨阻放大器的反馈电路参数提升信号的放大倍数。
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