CN116131947B - 一种基于光伏器件的可见光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光伏器件的可见光通信装置，其以发射模块根据第一数据信号转换获得驱动电压信号，并根据驱动电压信号调控第一光伏器件的发射光辐射通量，以提供携带数据的可见光信号；以接收模块的第二光伏器件根据可见光信号响应提供电流信号，接收模块根据电流信号获得与第一数据信号一致的第二数据信号。本发明的基于光伏器件的可见光通信装置将发射模块和接收模块的光电转换元件均设置为光伏器件，提高了可见光通信在室外水下、强磁和高危区域的通信可靠性，且第一光伏器件利用环境光光致发光，以电压调控发射光亮度，由具有逻辑电平的第一数据信号放大处理后即可直接调控光伏器件发光，节省了电压电流转换成本，以及系统能耗。

Description

一种基于光伏器件的可见光通信装置

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种基于光伏器件的可见光通信装置。

背景技术

可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）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，其凭借人眼察觉不到的频率进行无线通信，这种通信绿色低碳，具有大容量、免频谱申请、抗电磁干扰、可实现近乎零耗能通信、可有效避免无线电通信电磁信号泄露等优点。

可见光通信系统以光为信息传输载体，其发射端设置光源，接收端设置光电转换元件，分别用于发射可见光信号和接收可见光信号，在现有技术中，发射端的光源一般为发光二极管（light emitting diode，简称LED），接收端的光电转换元件一般为光电二极管(PIN管)和雪崩二极管(APD管)，以适用于室内的高频域可见光通信需求。

随着可见光通信的日益发展，可见光通信还用在水下通信，强磁和高危区域通信等场所，然而发光二极管、光电二极管和雪崩二极管能耗高，在水下、强磁和高危环境等室外无电网供电环境中的工作可靠性不及室内环境。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种基于光伏器件的可见光通信装置，以提高可见光通信在室外水下、强磁和高危区域的通信质量。

本发明一方面提供一种基于光伏器件的可见光通信装置，包括发射模块和接收模块，其中，

所述发射模块根据第一数据信号转换获得驱动电压信号，并根据所述驱动电压信号调控第一光伏器件的光致发光的发射光辐射通量，以提供携带数据信息的可见光信号；

所述接收模块包括第二光伏器件，所述第二光伏器件根据所述可见光信号响应提供电流信号，所述接收模块根据所述电流信号获得与所述第一数据信号一致的第二数据信号。

可选地，所述发射模块还包括：

第一放大电路，用于根据所述第一数据信号获得所述驱动电压信号；

肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极接地，负极连接至所述第一放大电路的输出端和第一光伏器件的正极。

可选地，所述接收模块还包括：

跨阻放大电路，用于根据所述电流信号提供第一电压信号；

第二放大电路，用于根据所述第一电压信号提供第二电压信号；

滤波电路，用于根据所述第二电压信号提供第三电压信号；

扩频电路，用于根据所述第三电压信号提供第四电压信号；

其中，所述滤波电路和所述扩频电路均为有源高通滤波电路，且所述滤波电路的通带中心频率低于所述扩频电路的通带中心频率，所述滤波电路和所述扩频电路的综合通带包括1KHz至1MHz，所述第四电压信号对应所述第二数据信号的模拟量。

可选地，所述滤波电路包括第三电容器、第五电阻器、第六电阻器和第三运算放大器，其中，

所述第五电阻器和所述第六电阻器依次串联在电源与地之间，所述第五电阻器和所述第六电阻器的中间节点连接至所述第三运算放大器的正输入端；

所述第三电容器的第一端用于接入所述第二电压信号，第二端连接至所述第五电阻器和所述第六电阻器的中间节点；

所述第三运算放大器的输出端与负输入端连接；

所述滤波电路在所述第三运算放大器的输出端提供所述第三电压信号。

可选地，所述第五电阻器为可变电阻器。

可选地，所述扩频电路包括第四电容器、第七电阻器、第八电阻器、第九电阻器和第四运算放大器，其中，

所述第四电容器的第一端用于接入所述第三电压信号，第二端连接至所述第四运算放大器的正输入端；

所述第七电阻器连接在所述第四电容器的第二端至地之间；

所述第九电阻器和所述第八电阻器依次串联在所述第四运算放大器的输出端至地之间，所述第九电阻器和所述第八电阻器的中间节点连接至所述第四运算放大器的负输入端；

所述扩频电路在所述第四运算放大器输出端提供所述第四电压信号。

可选地，所述接收模块还包括第一电容器，其中，

所述第一电容器的第一端与所述光伏器件的阳极连接，用于滤除所述电流信号中的直流分量，并在所述第一电容器的第二端提供所述电流信号中的交流分量至所述跨阻放大电路。

可选地，所述跨阻放大电路包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的负输入端用于接收所述电流信号，输出端用于提供所述第一电压信号，所述第一运算放大器的供电电压正端口和供电电压负端口分别与正电压源和负电压源连接，所述第一运算放大器的正输入端接地；

第一电阻器，串联在所述第一运算放大器输出端至负输入端之间；

第二电容器，串联在所述第一运算放大器输出端至负输入端之间。

可选地，所述第二放大电路包括：

第二运算放大器；

依次串联在所述第二运算放大器的输出端至所述跨阻放大电路的输出端之间的第二电阻器和第三电阻器，所述第二电阻器与所述第三电阻器的中间节点连接至所述第二运算放大器的负输入端；

第四电阻器，串联在所述第二运算放大器正输入端与地之间；

其中，所述第二放大电路在所述第二运算放大器的输出端提供所述的第二电压信号。

可选地，所述接收模块还包括比较电路，所述比较电路包括：

第五运算放大器，所述第五运算放大器的正输入端与所述扩频电路的输出端连接，以接收所述第四电压信号，负输入端接收预设的参考电平信号；

第十一电阻器，串联在所述第五运算放大器的输出端与正电压源之间；

其中，所述比较电路根据所述第四电压信号与所述参考电平信号的比较在所述第五运算放大器的输出端提供所述第二数据信号的数字量。

可选地，所述接收模块还包括参考电平电路，用于提供所述参考电平信号，所述参考电平电路包括第十电阻器，所述第十电阻器为电位器，所述电位器的输入端和输出端分别与直流电压源和地连接，并在选择端连接至所述第五运算放大器的负输入端。

可选地，所述参考电平电路还包括第五电容器，所述第五电容器串联在所述第十电阻器的选择端与地之间。

上述基于光伏器件的可见光通信装置包括发射模块和接收模块，发射模块根据第一数据信号放大获得驱动电压信号，并以驱动电压信号调控第一光伏器件的光致发光的发射光辐射通量，调控第一光伏器件发射携带数据信息的可见光信号；接收模块以第二光伏器件接收该可见光信号，并处理获得与第一数据信号逻辑一致的第二数据信号，实现数据信息的接收。本发明的基于光伏器件的可见光通信装置将可见光通信的发射光源和光电转换元件均设计为光伏器件，光伏器件能耗低，在室外的水下光通信、强磁和高危区域等无电网供电环境下的可见光通信的可靠性高，且光伏器件在室外环境下的通信误码率低，可提高通信质量；且将发射模块的光源设置为第一光伏器件，可借用环境光使第一光伏器件光致发光，并以与第一数据信号逻辑相关的驱动电压信号调控第一光伏器件的发射光辐射通量，获得携带数据信息的可见光信号，进一步节约了驱动能量，同时驱动电压信号可通过对具有逻辑电平的第一数据信号进行放大处理获得，节省了电流驱动所需的电压电流转换成本，降低了可见光通信的实现成本。

滤波电路和扩频电路均为有源高通滤波电路，其通带的中心频率差异，通过将滤波电路的通带设计为低频段，将扩频电路的通带设计为高频段，以扩频电路对滤波电路的输出信号的高频段进行增益补偿，从而提高滤波电路和扩频电路在综合带宽，适配可见光通信的1KHz至1MHz频段内的通信需求，为可见光通信的低频通信提供了便利。

附图说明

图1示出了本发明的基于光伏器件的可见光通信装置的原理架构示意图；

图2示出了本发明实施例的可见光通信装置的发射模块的电路结构示意图；

图3示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的结构示意图；

图4和图5示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的电路结构示意图；

图6示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的滤波电路的频带图；

图7示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的扩频电路的频带图；

图8示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的滤波电路和扩频电路的综合频带图；

图9示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的一种第二光伏器件的-3dB带宽图；

图10示出了本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的滤波电路处理前后的信号波形图。

主要元件符号说明：

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在现有技术中，可见光通信的发射端光源均采用发光二极管，其以原始的第一数据信号经过放大、电压电流转换，提供驱动电流信号，以电流驱动发光二极管发光，以获得携带数据信息的可见光信号，其中，电压电流转换需要三极管元件，成本高，在接收端，接收器件为光电二极管，光电二极管的工作需要提供反相偏压，功耗高。

本申请的发明人研究发现：大部分光伏器件不仅具有可见光接收功能，还具有光致发光的功能，且光伏器件的发光辐射通量是其两端电压的函数。以及在室外环境中，光伏器件的通信误码率低于现有技术中常用的光电探测器。

在1MHz频段下，有源滤波器比无源滤波器性能高，且有源滤波器的输入阻抗高，输出阻抗极低，具有良好的隔离性能，其各级之间均无阻抗匹配的要求；无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC（电感、电容）电路滤波。

基于上述研究，本申请提供一种基于光伏器件的可见光通信装置，其原理架构如图1所示。

在本发明的基于光伏器件的可见光通信装置中，发射模块对主设备提供的第一数据信号依次进行放大和稳压处理，以控制第一光伏器件的光致发光的发光亮度，提供携带数据信息的可见光信号至接收模块；接收模块以第二光伏器件接收可见光信号，并对第二光伏器件的输出电信号依次进行放大与滤波、嵌位和扩频处理，得到第二数据信号，第二数据信号与第一数据信号的逻辑一致，具体可根据实际需求为模拟量或数据量。

请参阅图2，所示为本发明实施例的可见光通信装置的发射模块的电路结构，在本实施例中，发射模块主要包括第一放大电路、肖特基二极管SBD和第一光伏器件PV1。

在本实施例中，第一放大电路包括第六运算放大器U6、第十二电阻器R12、第十三电阻器R13、第十四电阻器R14，其中，第六运算放大器U6的正输入端接入第一数据信号Din，第十三电阻器R13和第十二电阻器R12依次串联在第六运算放大器U6的输出端至地之间，第十三电阻器R13和第十二电阻器R12的中间节点连接至第六运算放大器U6的负输入端，第十四电阻器R14的第一端连接至第六运算放大器U6的输出端；肖特基二极管SBD的正极接地，负极连接至第十四电阻器R14的第二端；第一光伏器件PV1的正极连接至第十四电阻器R14的第二端，负极接地。

请参阅图3、图4和图5，所示为本发明实施例的可见光通信装置的接收模块，在本实施例中，接收模块主要包括第二光伏器件PV12、第一电容器C1、跨阻放大电路10、第二放大电路20、滤波电路30、扩频电路40、比较电路50，以及参考电平电路60。

第二光伏器件PV2根据接收的可见光信号提供电流信号输出，其中，在具体实施中，该可见光信号可以是紫外和红外波段，在本实施例中，以单个光伏器件为例，其阴极接地，在接收到适当强度的光信号时，在其阳极提供电流信号输出。

第一电容器C1连接在第二光伏器件PV2的阳极与跨阻放大电路10的输入端之间，将光伏器件PV产生的电流信号传递至跨阻放大电路10，同时初步滤除部分极低频的环境光信号或其他干扰信号引起的光电转换获得的直流分量，仅将第二光伏器件PV2光电感应获得的电流信号中的交流分量传递至后续电路。

跨阻放大电路10将从第二光伏器件PV2接收的电流信号中的交流分量转换为电压信号并放大处理后提供第一电压信号输出。跨阻放大电路10可直接将电流信号转换为电压信号，相比于一般的放大器，其无需设置电流信号转电压信号的转换电路，可降低电路设计版图空间占用。

其中，经过第一电容器C1滤除直流分量后，传递至跨阻放大电路10的交流分量的幅值相比于第二光伏器件PV2光电感应获得的电流信号的幅值整体有所降低，及该交流分量的峰值降低了，获得的第一电压信号的峰值不易超出跨阻放大电路10的信道宽度而失真（所述失真指：例如±1V的信号放大5倍后，为±5V，如果对应的放大器的信道宽度为±4V，则4V以上的波形特性均被限制为4V，信号失真），提高了通信保真性，提高了通信质量（对于第二放大电路20同样，后续不在详述其原理）。且在保障不失真的情况下，本申请可设计放大倍率更高的第二放大电路，提高对微小信号的解析能力，进一步提高通信效果。

在本实施例中，跨阻放大电路10包括第一运算放大器U1、第一电阻器R1和第二电容器C2。

第一运算放大器U1的供电电压正端口和供电电压负端口分别接入正电压源和负电压源，以提供第一运算放大器U1的工作电源供应，在本实施例中，分别为5V直流电压源和-5V直流电压源，在可选实施例中，为±3.3V直流电压源或其他规格直流电压源，本申请在此不作尽述。

第一电阻器R1串联在第一运算放大器U1的输出端和负输入端之间，第二电容器C2串联在第一运算放大器U1的输出端和负输入端之间，第一运算放大器U1的正输入端接地，跨阻放大电路10在第一运算放大器U1的负输入端接入由第一电容器C1传递来的电流信号，在第一运算放大器U1的输出端提供第一电压信号输出，其放大倍数为第一电阻器R1的阻值，且为反相放大，其抗干扰能力强，可提高跨阻放大电路10获得的第一电压信号的质量。

第二放大电路20将从跨阻放大电路10接收的第一电压信号进一步放大后提供第二电压信号输出，设置两级放大电路，可提高系统对强度较低的光信号的解析能力。

在本实施例中，第二放大电路20包括第二运算放大器U2、第二电阻器R2、第三电阻器R3和第四电阻器R4。

第二电阻器R2串联在第二运算放大器U2的输出端与负输入端之间，第四电阻器R4连接在第二运算放大器U2的正输入端与地之间；第二运算放大器U2的供电电压正端口和供电电压负端口分别与正电压源和负电压源连接，以提供第二运算放大器U2的工作电源供应，在本实施例中，正电压源和负电压源分别为5V直流电压源和-5V直流电压源，在可选实施例中，为±3.3V直流电压源或其他规格直流电压源，本申请在此不作尽述。

第二放大电路20在第三电阻器R3的一端接入第一电压信号，在第二运算放大器U2的输出端提供第二电压信号，其放大倍数G1=﹣R2/R3，第二电压信号的时序与第一电压信号反相，式中，R2和R3分别为第二电阻器R2和第三电阻器R3的阻值。

在本实施例中，跨阻放大电路10和第二放大电路20均为反相放大，其抗干扰能力强，经过两次反相放大，获得的第二电压信号中包含的数据信息与系统接收的光信号中包含的数据信息同相，且信号质量高，在可选实施例中，跨阻放大电路10和第二放大电路20均设计为同相放大。其中，可以理解，在本发明中，第二放大电路20的主要功能为放大处理，其具体的实现电路不限于上述两种，对于其他方案本申请在此不作详述。

在本实施例中，滤波电路30为有源高通滤波电路，包括第三运算放大器U3、第三电容器C3、第五电阻器R5、第六电阻器R6。

其中，第五电阻器R5和第六电阻器R6依次串联在电压源与地之间，第五电阻器R5与第六电阻器R6的中间节点连接至第三运算放大器U3的正输入端，第三电容器C3串联在第二放大电路20的输出端与第三运算放大器U3的正输入端之间，第三运算放大器U3的负输入端与输出端连接，第三运算放大器U3的供电电压正端口和供电电压负端口分别与正电压源和地连接，以提供第三运算放大器U3的工作电源供应和参考地偏置需求，滤波电路30通过第三电容器C3接入第二电压信号，在第三运算放大器U3的输出端提供第三电压信号。在本实施例中，正电压源为5V直流电压源，在可选实施例中，为3.3V直流电压源或其他规格直流电压源，本申请在此不作尽述。

滤波电路30的起始频率计算公式为：

其中，f1为滤波电路30的起始频率，r1是第五电阻器R5与第六电阻器R6并联后的阻值，c1是第三电容器C3的容值。

在本实施例中，第五电阻器R5与第六电阻器R6构成分压电路，其根据有源高通滤波电路的正电源提供的电源信号分压，在第五电阻器R5与第六电阻器R6的中间阶段获得一偏置电压信号，该偏置电压信号与通过第三电容器C3滤除低频直流分量后的第二电压信号叠加，以将第二电压信号整体抬升至正电压，经过滤波电路30处理后，获得整体均为正电压的第三电压信号（如图4所示，滤波后的信号准确地抬升至正电压）。

其中，通过第三电容器C3滤除低频直流分量后的第二电压信号的幅值可复原为无低频直流分量干扰状态，幅值的峰值和谷值与预期值一致，与预设的偏置电压信号叠加后，其谷值可准确地抬升至0V或之上。

在无第三电容器C3的情况下，不同强度的低频直流分量的干扰会使第二电压信号的幅值不同，在强干扰时，要获得整体均为正电压的第三电压信号，偏置电压信号只需要提高较低的偏置即可，在弱干扰时，偏置电压需要提供较高的偏置；但在使用中，偏置电压信号不易再调节，在配置为较低偏置时，在弱干扰的情况下，不能有效将第二电压信号整体抬升为正电压；在配置为较高偏置时，在强干扰的情况下，抬升后的信号的峰值容易过高，从而出现失真情况。

即本申请通过第三电容器C3滤除第二电压信号中的低频直流分量后，可准确的将其整体抬升为正电压，可有效降低负电压对后端电路的处理负担，同时降低失真率，提高通信质量。

在本实施例中，第五电阻器R5为可变电阻器，即第二电压信号的抬升量可调，以便与输入可见光信号的规格相匹配，对不同幅值规格的信号，处理后均可准确地抬升为正电压。

且本申请的滤波电路特别选用有源高通滤波电路，利用有源高通滤波电路的低频滤波功能实现第二电压信号的低频直流分量的滤除，同时利用有源高通滤波电路的正电源分压获得偏置电压信号，整体上仅需要额外设置一个第五电阻器，即可实现输出准确的正电压，电路实现简单，实用性高。

在本实施例中，扩频电路40也为有源高通滤波电路，其包括第四运算放大器U4、第四电容器C4、第七电阻器R7、第八电阻器R8和第九电阻器R9。

其中，第四电容器C4的第一端与滤波电路30的输出端连接，以接入第三电压信号，第二端连接至第四运算放大器的正输入端；第七电阻器R7连接在第四电容器C4的第二端至地之间；第九电阻器R9和第八电阻器R8依次串联在第四运算放大器U4的输出端至地之间，第八电阻器R8和第九电阻器R9的中间节点连接至第四运算放大器U4的负输入端；第四运算放大器U4的供电电压正端口和供电电压负端口分别与正电压源和地连接，以提供第四运算放大器U4的工作电源供应和参考地偏置需求，扩频电路40在第四运算放大器U4的输出端提供第四电压信号。在本实施例中，正电压源为5V直流电压源，在可选实施例中，为3.3V直流电压源或其他规格直流电压源，本申请在此不作尽述。

扩频电路40的起始频率计算公式为:

f2=1/（2πr2c2）（2）

其中，f2为扩频电路40的起始频率，r2是第七电阻器R7的阻值，c2是第四电容器C4的容值。

扩频电路40的放大倍数计算公式为：

G2=1+R1/R2(3)

其中，G2为扩频电路的放大倍数，R1为第九电阻器R9的阻值，R2为第八电阻器R8的阻值。

扩频电路40对滤波电路30输出的第三电压信号的高频段进行增益补偿，整体上提高滤波电路30和扩频电路40的综合通带带宽，以与可见光通信的低频通信频段进行匹配，提高可见光通信的低频段的全带宽通信质量。

在本实施例中，比较电路50包括第五运算放大器U5和第十一电阻器R11。

在本实施例中，第十一电阻器R11连接在直流电压源与第五运算放大器U5的输出端之间，第五运算放大器U5的正输入端与有源带通滤波器40的输出端（第四运算放大器U4的输出端）连接，负输入端接入预设的参考电平信号，第五运算放大器U5的供电电压正端口和供电电压负端口分别与正电压源和地连接，以提供第五运算放大器U5的工作电源供应和参考地偏置需求，在本实施例中，正电压源为5V直流电压源，在可选实施例中，为3.3V直流电压源或其他规格直流电压源，本申请在此不作尽述。

比较电路50将接收的第四电压信号OUT1与预设的参考电平信号进行比较，获得高电平为5V低电平为0V的第五电压信号OUT2。第五电压信号OUT2为数字信号，其数字逻辑高电平为5V，与本申请一实施例中各运算放大器的正供电电压一致，可降低系统对不同电压源的设计需求，且在一定程度上可降低误码率。

在本实施例的接收模块中，第四电压信号OUT1为模拟量的数据信号，比较电路50提供的第五电压信号OUT2为数字量的数据信号，在实际应用中，可根据接收的光信号携带的数据类型选择第四电压信号OUT1或第五电压信号OUT2作为最终输出的数据信号。

参考电平电路60包括第十电阻器R10和第五电容器C5，第十电阻器R10为电位器，其输入端和输出端分别接电压源与地，在其选择端提供参考电平信号至比较电路50，第五电容器C5串联在第十电阻器R10的选择端与地之间，可提高参考电平信号的稳定性，提高比较电路50获得的第五电压信号OUT2的可靠性。

在一可选实施例中，配置参数为R1=20kΩ，R2=50kΩ，R3=500Ω，R4=500Ω，R5=2MΩ，R6=2MΩ，R7=80kΩ，R8=4kΩ， R9=10KΩ，R10=1MΩ，R11=5kΩ，R12=1KΩ，R13=10KΩ，R14=1KΩ,C1=1uF，C2=20pF，C3=200pF，C4=200pF，C5=1uF，第一运算放大器U1的型号为OPA380，第二运算放大器U2和第六运算放大器U6的型号为OPA340NA，第三运算放大器U3和第四运算放大器U4的型号为OPA2340EA，第五运算放大器U5的型号为LMV331,肖特基二极管SBD型号为SS14-E3/61T。

计算得跨阻放大电路10的放大倍率为20000倍，第一电压信号至第二电压信号放大100倍且反相，滤波电路30的起始频率为796Hz，扩频电路40的放大倍数G2=2.5。

经过滤波电路30和扩频电路40的处理，获得的第四电压信号OUT1相比于第二电压信号，电位可整体抬高2.5V，可排除第一电压信号和第二电压信号中交流负电位的影响，使第四电压信号OUT1整体电位均为正值，提高第四电压信号OUT1质量，还可为后续比较提供便利，进一步提高比较电路40提供的第五电压信号OUT2的质量。

请参阅图6、图7和图8，所示为本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的滤波、扩频以及滤波和扩频的综合频带图，对第三电压信号进行扩频处理，可有效提高接收模块的通带增益，提高通信质量，即本申请的可见光通信装置的接收模块在1KHz至1MKHz带宽内的通信质量高。

请参阅图9，所示为发明人对硫化锑（Sb₂S₃）薄膜光伏器件的-3dB带宽图测试结果，由图9可得，硫化锑薄膜光伏器件的-3dB带宽在200kHz和400kHz之间，处于一般光伏器件的-3dB带宽（1MHz以下）内，且参考图8，本发明实施例的可见光通信装置在200kHz和400kHz之间的滤波和扩频的综合增益高，通信质量高，且可满足物联网通信的带宽需求，而且硫化锑薄膜光伏器件不需要外界额外提供偏压，可以在一定程度上节约接收模块运行所需资源。可以理解，本申请主要用于低频段光信号的接收，对于可用于低频段光信号的响应的光伏器件不做特别限制，对于其他-3dB带宽满足物联网通信的带宽需求的光伏器件（1MHz以下）也可适用。

请查阅图10，所示本发明实施例的可见光通信装置的接收模块的滤波电路处理前后的信号波形图，如图10所示，本实施例的滤波电路30可准确将滤波信号整体抬升为正电压。

在可选实施例中，滤波电路30和扩频电路40的综合导通频率范围与实际选用的光伏器件的-3dB带宽相匹配，即在1MHz以下，本发明的接收模块均可通过调节滤波电路的设计参数使其与实际选用的光伏器件的-3dB带宽相适应，以达到最好的滤波效果，提高其与多种光伏器件的适配灵活性，提高接收模块的实用性。

本发明提供的基于光伏器件的可见光通信装置包括发射模块和接收模块，发射模块根据第一数据信号放大获得驱动电压信号，并以驱动电压信号调控第一光伏器件的光致发光的发射光辐射通量，调控第一光伏器件发射携带数据信息的可见光信号；接收模块以第二光伏器件接收该可见光信号，并处理获得与第一数据信号逻辑一致的第二数据信号，实现数据信息的接收。本发明的基于光伏器件的可见光通信装置将可见光通信的发射光源和光电转换元件均设计为光伏器件；其中，将发射模块的光源设置为第一光伏器件，可借用环境光使第一光伏器件光致发光，并以与第一数据信号逻辑相关的驱动电压信号调控第一光伏器件的发射光辐射通量，获得携带数据信息的可见光信号，节约了驱动能量，同时驱动电压信号可通过对具有逻辑电平的第一数据信号进行放大处理获得，节省了电流驱动所需的电压电流转换成本，降低了可见光通信的实现成本；在接收端，第二光伏器件无需额外偏置，节约了偏置功耗。整体上无电压电流转换以及额外的反向偏压需求，发射和接收的实现成本低，且更少的实现电路的元件数量，可降低元件损坏率对整体通信可靠性的影响，进而提高通信实现的可靠性；发射和接收的光电转换元件均为光伏器件，设计一致性高，可降低设计成本。

本发明提供的可见光通信装置的接收模块，依次设置有第二光伏器件、第一电容器、跨阻放大电路、第二放大电路、滤波电路、扩频电路、比较电路，对接收到的光信号依次进行光电转换、直流分量滤除、跨阻放大、放大、滤波、扩频、比较，以从接收到的光信号中解析获得数据信号，其中，所述滤波电路和扩频电路均为有源高通滤波电路，其综合导通频率范围包括1KHz至1MHz，有效提高了通带内的传输增益，提高了通信质量。

该滤波电路以第三电容器滤除第二电压信号中的低频直流分量，将第二电压恢复为预期的理想状态，幅值为预期值，同时利用有源高通滤波电路的正电源提供的电压信号分压获得一偏置电压信号，将该预设的偏置电压信号叠加至排除低频直流分量的第二电压信号，可准确地将其整体抬升为正电压，使获得的第三电压信号整体为正电压，降低后端电路对负电压的处理需求，提高实用性。且排除直流分量后，获得的第三电压信号与原始信号的匹配度，可降低后端模数转换的误码率，通信精度高，可靠性高。

且第一电容器在先滤除部分极低频的环境光信号或其他干扰信号引起的光电转换的直流分量后，使后续的电路仅需针对光伏器件光电感应输出的电流信号中的交流分量进行处理，其中，该交流分量相比于光伏器件直接提供的电流信号的幅值整体降低，放大处理中的输入信号幅值有所降低，在相同的放大倍率下，其通过放大处理后受信道宽度影响的失真率有所降低，提高了通信质量，即在保障不失真的情况下，本发明的接收模块可设计放大倍率更高的第二放大电路，进一步提高信号接收效率，且受环境光影响低，可适用于强光环境下的可见光通信。

本发明以光伏器件作为光电感应器件，光伏器件无需额外增加外置偏压，自供给充电，释放了光电转换对电源的需求，进而为有源器件的设置提供了设计空间。

且大部分光伏器件价格便宜，可以在一定程度上节约资金。当室外强光与携带数据的发光二极管发出的信号光源叠加时，光伏器件的响应频率保持良好，且在室外强光照射时，光伏器件传输信号的误码率也相对较小。

光伏器件与跨阻放大电路之间设置第一电容器，通过第一电容器将光伏器件光伏响应产生的电流信号传递至跨阻放大电路，可初步滤除部分极低频信号的干扰，降低后续电路的负担，提高系统效率。

参考电平电路设置第十电阻器，通过调节第十电阻器的输出，可在第十电阻器的选择端提供不同的参考电平信号，可与不同强度的可见光信号和系统放大倍率进行适配，提高了接收模块的实用性。

参考电平电路还设置第六电容器，第六电容器设置的第十电阻器的选择端与地之间，可提高参考电平信号的电平稳定性，提高比较电路获得的数据信号的可靠性，提高通信质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于光伏器件的可见光通信装置，包括发射模块和接收模块，其特征在于，

所述发射模块根据第一数据信号转换获得驱动电压信号，并根据所述驱动电压信号调控第一光伏器件的光致发光的发射光辐射通量，以提供携带数据信息的可见光信号；

所述接收模块包括第二光伏器件，所述第二光伏器件根据所述可见光信号响应提供电流信号，所述接收模块根据所述电流信号获得与所述第一数据信号一致的第二数据信号，

其中，所述第一光伏器件的光致发光的光源为环境光；

所述接收模块还包括第一电容器和解析电路；

所述第一电容器串联在所述第二光伏器件与所述解析电路之间，用于滤除所述第二光伏器件提供的所述电流信号中的直流分量，以向所述解析电路提供所述电流信号中的交流分量；

所述解析电路用于根据所述电流信号中的交流分量提供所述第二数据信号。

2.根据权利要求1所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述发射模块还包括：

第一放大电路，用于根据所述第一数据信号获得所述驱动电压信号；

肖特基二极管，所述肖特基二极管的正极接地，负极连接至所述第一放大电路的输出端和第一光伏器件的正极。

3.根据权利要求1所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述解析电路包括：

跨阻放大电路，用于根据所述电流信号中的交流分量提供第一电压信号；

第二放大电路，用于根据所述第一电压信号提供第二电压信号；

滤波电路，用于根据所述第二电压信号提供第三电压信号；

扩频电路，用于根据所述第三电压信号提供第四电压信号；

其中，所述滤波电路和所述扩频电路均为有源高通滤波电路，且所述滤波电路的通带中心频率低于所述扩频电路的通带中心频率，所述滤波电路和所述扩频电路的综合通带包括1KHz至1MHz，所述第四电压信号对应所述第二数据信号的模拟量。

4.根据权利要求3所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述滤波电路包括第三电容器、第五电阻器、第六电阻器和第三运算放大器，其中，

所述第五电阻器和所述第六电阻器依次串联在电源与地之间，所述第五电阻器和所述第六电阻器的中间节点连接至所述第三运算放大器的正输入端；

所述第三电容器的第一端用于接入所述第二电压信号，第二端连接至所述第五电阻器和所述第六电阻器的中间节点；

所述第三运算放大器的输出端与负输入端连接；

所述滤波电路在所述第三运算放大器的输出端提供所述第三电压信号。

5.根据权利要求4所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述第五电阻器为可变电阻器。

6.根据权利要求4所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述扩频电路包括第四电容器、第七电阻器、第八电阻器、第九电阻器和第四运算放大器，其中，

所述第四电容器的第一端用于接入所述第三电压信号，第二端连接至所述第四运算放大器的正输入端；

所述第七电阻器连接在所述第四电容器的第二端至地之间；

所述第九电阻器和所述第八电阻器依次串联在所述第四运算放大器的输出端至地之间，所述第九电阻器和所述第八电阻器的中间节点连接至所述第四运算放大器的负输入端；

所述扩频电路在所述第四运算放大器输出端提供所述第四电压信号。

7.根据权利要求3所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述跨阻放大电路包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的负输入端用于接收所述电流信号，输出端用于提供所述第一电压信号，所述第一运算放大器的供电电压正端口和供电电压负端口分别与正电压源和负电压源连接，所述第一运算放大器的正输入端接地；

第一电阻器，串联在所述第一运算放大器输出端至负输入端之间；

第二电容器，串联在所述第一运算放大器输出端至负输入端之间。

8.根据权利要求3所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述第二放大电路包括：

第二运算放大器；

依次串联在所述第二运算放大器的输出端至所述跨阻放大电路的输出端之间的第二电阻器和第三电阻器，所述第二电阻器与所述第三电阻器的中间节点连接至所述第二运算放大器的负输入端；

第四电阻器，串联在所述第二运算放大器正输入端与地之间；

其中，所述第二放大电路在所述第二运算放大器的输出端提供所述的第二电压信号。

9.根据权利要求3所述的基于光伏器件的可见光通信装置，其特征在于，所述解析电路还包括比较电路，所述比较电路包括：

第五运算放大器，所述第五运算放大器的正输入端与所述扩频电路的输出端连接，以接收所述第四电压信号，负输入端接收预设的参考电平信号；

第十一电阻器，串联在所述第五运算放大器的输出端与正电压源之间；

其中，所述比较电路根据所述第四电压信号与所述参考电平信号的比较在所述第五运算放大器的输出端提供所述第二数据信号的数字量。

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