CN203399119U - 一种动态化参数最佳匹配的ook-nrz白光led通信装置 - Google Patents

Abstract

一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，属于无线通信技术，用于室内外短途数据传输。由信号发射端、信号接收端和可见光通信信道组成。信号发射端包括动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块、信号调制与编码模块、Bias-Tee信号耦合模块和LED光源模块。信号接收端包括光电检测模块、信号放大模块、信号滤波模块、信号判决模块、信号解调与解码模块和数据显示模块。通过对通信距离、误码率、信噪比的动态化调节，使其满足动态化的最佳匹配关系，有效改善了通信质量。同时，通过对LED光源工作温度和工作电流的实时监测与反馈控制，实现了通信与照明的高效化、节能化与安全化。

Description

一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置

技术领域

本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置。

背景技术

目前，LED器件的发光效率和发光功率已得到了大幅提升，满足了其作为照明光源的基本要求，如今白光LED的光效已超过100lm/W，远超过白炽灯的光效(15lm/W)和荧光灯的光效(75lm/W)。与传统白炽灯和荧光灯相比，LED由于在节能、环保、光效等方面的优势，基于白光LED的通讯技术及其在物联网方面的应用也逐渐发展起来。与传统射频通信方式相比，可见光通信技术具有发射功率高、传输速率快、对人体无公害、无电磁干扰等优点，尤其是在室内、外短途通讯方面具有较好的应用前景。同正交频分复用（OFDM）方式相比，非归零开关键控（OOK-NRZ）方式具有实现方式简单、开发容易、调制和解调设备设计方便等优点，成为可见光通信系统设计中常用的调制方式之一。然而，对OOK-NRZ白光LED通信系统的理论建模和数值分析表明，在一定的性能要求下，通信距离、信噪比、误码率三者之间存在某种制约关系，即一方面，当信噪比一定时，在某通信距离处，误码率可降至最低；同时另一方面，当通信距离一定时，在某信噪比处，误码率也可降至最低。这就意味着，若想最大化的提高通信质量（即使误码率最小），在改变通信距离时，必须智能化调整信号发射功率，进而调节信噪比，使通信距离、误码率、信噪比满足最佳匹配关系。但是，根据对现有可见光通信系统方面的文献和专利检索情况，我们没有发现依据上述三个参数间最佳匹配关系设计和实现该类通信系统的相关报道。因此，基于这种考虑，本实用新型公开了一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，通过对相关参数的智能化调节，使其满足最佳匹配关系，在保证通信质量的同时，最大化提高功率效率，从而提供了可用于室内外短途通讯、节能、环保的通信方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，用于在智能照明的同时传输信息，从而提供一种高效、绿色环保的室内外短途通信方案，实现通信性能的最优化以及通信系统的低碳化、安全化和高效化，克服现有无线通信装置成本高、保密性差以及存在射频污染等缺点，也可克服现有的可见光通信装置由于参数不匹配造成的功效低、通信质量不佳等缺点。

本实用新型采用的技术方案是：

一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，由信号发射端、可见光通信信道和信号接收端组成，信号发射端与信号接收端经由可见光通信信道相连；信号发射端由动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块、信号调制与编码模块、Bias-Tee信号耦合模块和LED光源模块组成；信号接收端由光电检测模块、信号放大模块、信号滤波模块、信号判决模块、信号解调与解码模块和数据显示模块组成；可见光通信信道为发送端至接收端的可见光自由传输空间。

信号发射端各模块之间的连接关系为：信号调制与编码模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的交流输入端相连，动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的直流输入端相连，Bias-Tee信号耦合模块的输出端与LED光源模块输入端相连，LED光源模块的温度输出端与动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端1相连，LED光源模块的电流输出端与动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端2相连。

动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块由51单片机单元、最佳匹配参数映射表存储单元、DC/DC驱动单元、光源电流监测单元、光源温度监测与报警单元、通信参数输入单元、通信参数显示单元组成；动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块中各单元之间的连接关系为：最佳匹配参数映射表存储单元与51单片机单元相连，DC/DC驱动单元的输入端与51单片机单元相连，光源电流监测单元和光源温度监测与报警单元的输出端与51单片机单元相连，通信参数输入单元的输出端与51单片机单元相连，通信参数显示单元的输入端与51单片机单元相连；DC/DC驱动单元的输出端作为动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输出端；光源电流监测单元的输入端和光源温度监测与报警单元的输入端分别作为动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端1和输入端2。

信号调制与编码模块由数据传输设置单元、OOK-NRZ调制与编码单元和电流驱动器单元组成。信号调制与编码模块中各单元之间的连接关系为：数据传输设置单元的输出端与OOK-NRZ调制与编码单元和电流驱动器单元的输入端相连，OOK-NRZ调制与编码单元的的输出端与电流驱动器单元的输入端相连；电流驱动器单元的输出端作为信号调制与编码模块的输出端；

Bias-Tee信号耦合模块由直流输入端、交流输入端、直流耦合电感、交流耦合电容、旁路电容和模块输出端组成。Bias-Tee信号耦合模块中各单元之间的连接关系为：直流输入端与直流耦合电感的输入端相连，同时与旁路电容的输入端相连，旁路电容的输出端接地；交流输入端与交流耦合电容的输入端相连；直流耦合电感的输出端和交流耦合电容的输出端相连作为模块输出端。

信号接收端包括光电检测模块、信号放大模块、信号滤波模块、信号判决模块、信号解调与解码模块和数据显示模块。各模块之间的连接关系为：光电检测模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与信号滤波模块的输入端相连，信号滤波模块的输出端与信号判决模块的输入端相连，信号判决模块的输出端与信号解调与解码模块的输入端相连，信号解调与解码模块的输出端与数据显示模块的输入端相连。

本实用新型的主要工作过程如下：

(1)整个装置的工作过程是：信号发射端通过可见光通信信道将已调制的可见光信号传送到信号接收端。在信号发射端，当LED光源工作温度正常时，动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块根据通信距离由最佳匹配参数映射表存储单元中读取LED直流驱动电压，并将其与信号调制与编码模块输出的调制电压信号经由Bias-Tee信号耦合模块输出以驱动LED光源模块，使其发出的可见光信号加载了有用信息。该可见光信号经通过可见光通信信道到达信号接收端。在信号接收端，光电检测模块将可见光信号变换为电信号，并经信号放大模块放大以及信号滤波模块去除噪声后，由信号判决模块以及信号解调与解码模块获得原发送信息，最终送至数据显示模块进行显示。

(2)信号发射端分四种工作过程：

一、正常数据传输过程：当通信装置进行正常数据传输时，51单片机单元首先读取由通信参数输入单元输入的通信距离、波特率等通信参数，经简单处理后根据参数存储机制从最佳匹配参数映射表存储单元中读取用于驱动LED光源的最佳直流电压（即选定当前通信状态下最佳发射功率），由此调整DC/DC驱动单元的工作电流，并将其输出至Bias-Tee信号耦合模块的直流输入端。ARM单片机单元根据数据传输设置单元设定的数据传输要求，将需要发送的数据送到OOK-NRZ信号调制与编码模块信号进行编码处理，并进一步经电流驱动器单元进行电流放大后，将其输出至Bias-Tee信号耦合模块的交流输入端。最终，Bias-Tee信号耦合模块将最佳直流驱动电压和已加载有用信息的交流电压耦合相加后，驱动LED光源模块，使其发出有用可见光信号。

二、电流监测及参数最佳匹配过程：信号发射端利用动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块、LED光源模块和光源电流监测单元实现动态化的参数最佳匹配功能。具体是：51单片机单元通过光源电流监测单元实时采样LED光源模块的工作电流，当检测到LED光源模块的工作电流与最佳发射功率的电流不匹配时，重新调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其满足参数最佳匹配要求，进而使该通信装置工作在最佳通信状态。

三、未通信（即照明）时的温度监测过程：信号发射端利用光源温度监测与报警单元实现照明状态下的保护与恢复功能。51单片机单元通过光源温度监测与报警单元实时采样LED光源模块的工作温度，当LED光源模块的工作温度超出LED安全温度范围时，51单片机单元由光源温度监测与报警单元发出温度超标报警信号，并调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其降至最小值。而后，51单片机单元通过光源温度监测与报警单元多次读取LED光源模块的工作温度，直到LED光源模块的工作温度符合LED安全要求。并重新调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其工作在照明状态。

四、通信状态的温度监测过程：信号发射端利用光源温度监测与报警单元实现通信状态下的保护与恢复功能。51单片机单元通过光源温度监测与报警单元实时采样LED光源模块的工作温度，当LED光源模块的工作温度超出LED安全温度范围时，51单片机单元由光源温度监测与报警单元发出温度超标报警信号并暂停通信，保存当前通信状态，并调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其降至最小值。而后，51单片机单元通过光源温度监测与报警单元多次读取LED光源模块的工作温度，直到LED光源模块的工作温度符合LED安全要求。并重新调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其满足参数最佳匹配要求，恢复原通信状态。

(3)信号接收端的工作过程是：光电检测模块将发送端经由可见光通信信道发出的可见光信号变换为电信号，并经信号放大模块放大以及信号滤波模块去除噪声后，由信号判决模块以及信号解调与解码模块获得原发送信息，最终送至数据显示模块进行显示。

(4)通信参数的最佳匹配过程是：当通信装置进行正常数据传输时，51单片机单元首先读取由通信参数输入单元输入的通信距离、波特率等通信参数，经处理后根据参数存储机制从最佳匹配参数映射表存储单元中读取用于驱动LED光源的最佳直流电压（即选定当前通信状态下最佳发射功率），由此调整DC/DC驱动单元的输出电流，并将其输出至Bias-Tee信号耦合模块的直流输入端，最终加载至白光LED光源上。

本实用新型的有益效果是：一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，通过对通信距离、误码率、信噪比的动态化调节，使其满足动态化的最佳匹配关系，有效改善了通信质量。同时，通过对LED光源工作温度和工作电流的实时监测与反馈控制，实现了通信与照明的高效化、节能化与安全化。

附图说明

图1：本实用新型的装置图；

图2：本实用新型的动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的组成框图；

图3：本实用新型的动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的电路原理图；

图4：本实用新型的信号调制与编码模块的电路原理图；

图5：本实用新型的Bias-Tee信号耦合模块的电路原理图；

图6：本实用新型的信号接收端的电路原理图；

图7：本实用新型的参数最佳匹配的工作流程图；

图8：本实用新型的信号发射端的工作流程图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型包括信号发射端、信号接收端与可见光通信信道，三者之间的连接关系为：信号发射端与信号接收端经由可见光通信信道相连。信号发射端由动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块、信号调制与编码模块、Bias-Tee信号耦合模块、LED光源模块四个模块组成。信号接收端包括光电检测模块、信号放大模块、信号滤波模块、信号解调与解码模块、ARM单片机模块和数据显示模块。信号发射端各模块之间的连接关系为：信号调制与编码模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的交流输入端相连，动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的直流输入端相连，Bias-Tee信号耦合模块的输出端与LED光源模块输入端相连，LED光源模块的温度输出端与动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端1相连，LED光源模块的电流输出端与动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端2相连。信号接收端各模块之间的连接关系为：光电检测模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与信号滤波模块的输入端相连，信号滤波模块的输出端与信号判决模块的输入端相连，信号判决模块的输出端与信号解调与解码模块的输入端相连，信号解调与解码模块的输出端与数据显示模块的输入端相连。LED光源模块为白光LED单光源或白光LED阵列光源。可见光通信信道为发送端发射至接收端的所有可见光的传输路径。

参见图2，动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块由51单片机单元、最佳匹配参数映射表存储单元、DC/DC驱动单元、光源电流监测单元、光源温度监测与报警单元、通信参数输入单元、通信参数显示单元组成。各单元之间的连接关系为：最佳匹配参数映射表存储单元与51单片机单元相连，DC/DC驱动单元的输入端与51单片机单元相连，光源电流监测单元和光源温度监测与报警单元的输出端与51单片机单元相连，通信参数输入单元的输出端与51单片机单元相连，通信参数显示单元的输入端与51单片机单元相连；DC/DC驱动单元的输出端作为动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输出端；光源电流监测单元的输入端和光源温度监测与报警单元的输入端分别作为动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端1和输入端2。

参见图3，51单片机单元的核心控制器件为STC89C58；DC/DC驱动单元采用BUCK型拓补电路，采用的主要元件为MOS管驱动器ADP3624ARZ，PMOS管SI4405，滤波电容为Robycon电解电容2200μF，储能电感为闭磁式功率电感102，续流二极管为超快恢复二极管HER207；最佳匹配参数映射表存储单元为EEPROM AT24C08；光源电流监测单元中采用的模数转换器为ADS1100；光源温度监测与报警单元中采用的温度传感器为DS18B20；通信参数输入单元为矩阵式键盘；通信参数显示单元为LCD显示器。

参见图4，所述的OOK-NRZ调制与编码单元采用的核心控制器件为ARM7控制器LPC2148；所述的数据传输设置单元为矩阵式键盘；所述的信号调制与编码模块中采用的电流驱动器单元为ADP3624。

参见图5，Bias-Tee信号耦合模块由直流输入端、交流输入端、直流耦合电感、交流耦合电容、旁路电容和模块输出端组成。各单元之间的连接关系为：直流输入端与直流耦合电感的输入端相连，同时与旁路电容的输入端相连，旁路电容的输出端接地；交流输入端与交流耦合电容的输入端相连；直流耦合电感的输出端和交流耦合电容的输出端相连作为模块输出端。旁路电容的作用是滤除高频噪声。直流耦合电感为闭磁式功率电感（型号为102），交流耦合电容为Robycon电解电容（大小为100μF），旁路电容为独石电容（型号为100）。

参见图6，信号解调与解码模块的主要器件为ARM7控制器LPC2148；光电检测模块的主要器件为PN硅光电二极管BPW21；信号放大模块的主要器件为AD8351；信号判决模块的主要器件为比较器AD8656和施密特反相器74HC14。

参见图7，当需要传输数据时，51单片机单元首先读取由通信参数输入单元输入的通信距离、波特率等通信参数，经简单处理后根据参数存储机制从最佳匹配参数映射表存储单元中读取用于驱动LED光源的最佳直流电压（即选定当前通信状态下最佳发射功率），由此调整DC/DC驱动单元的输出电流。同时在通信过程中，51单片机单元通过光源电流监测单元获得LED光源的工作电流，若其不是当前通信参数下的最佳电流，则循环多次微调DC/DC工作参数，直至其输出最佳电流，继续传输数据。

参见图8，首先，检测是否通信，若未通信，则进入照明状态；若通信，则进入通信状态（同时照明）。在照明状态下，首先调整DC/DC输出电流，使其工作在照明状态；在照明过程中，51单片机单元通过光源温度监测与报警单元实时采样LED光源模块的工作温度，当该温度超出LED安全温度范围时，51单片机单元由光源温度监测与报警单元发出温度超标报警信号，并调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其降至最小值。而后，51单片机单元多次通过光源温度监测与报警单元读取LED光源模块的工作温度，直到其符合LED安全要求，并再次调整DC/DC工作参数使其恢复照明状态。在通信状态下，首先启动参数最佳匹配工作过程（参见图4）；且在通信过程中，51单片机单元通过光源温度监测与报警单元实时读取LED光源模块的工作温度，当该温度超出LED安全温度范围时，51单片机单元由光源温度监测与报警单元发出温度超标报警信号、暂停通信并保存当前通信状态，同时调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其降至最小值。而后，51单片机单元通过光源温度监测与报警单元循环多次读取LED光源模块的工作温度，直到其符合LED安全要求。并重新调整DC/DC驱动单元的输出电流，使其满足参数最佳匹配要求，恢复原通信状态。

Claims (8)

1.一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征在于：由信号发射端、可见光通信信道和信号接收端组成，信号发射端与信号接收端经由可见光通信信道相连，可见光通信信道为发送端至接收端的可见光自由传输空间；

信号发射端由动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块、信号调制与编码模块、Bias-Tee信号耦合模块、LED光源模块四个模块组成；信号调制与编码模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的交流输入端相连，动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的直流输入端相连，Bias-Tee信号耦合模块的输出端与LED光源模块输入端相连，LED光源模块的温度输出端与动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端1相连，LED光源模块的电流输出端与动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端2相连；

动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块由51单片机单元、最佳匹配参数映射表存储单元、DC/DC驱动单元、光源电流监测单元、光源温度监测与报警单元、通信参数输入单元、通信参数显示单元组成；动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块中各单元之间的连接关系为：最佳匹配参数映射表存储单元与51单片机单元相连，DC/DC驱动单元的输入端与51单片机单元相连，光源电流监测单元和光源温度监测与报警单元的输出端与51单片机单元相连，通信参数输入单元的输出端与51单片机单元相连，通信参数显示单元的输入端与51单片机单元相连；DC/DC驱动单元的输出端作为动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输出端；光源电流监测单元的输入端和光源温度监测与报警单元的输入端分别作为动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块的输入端1和输入端2；

信号调制与编码模块由数据传输设置单元、OOK-NRZ调制与编码单元和电流驱动器单元组成；信号调制与编码模块中各单元之间的连接关系为：数据传输设置单元的输出端与OOK-NRZ调制与编码单元和电流驱动器单元的输入端相连，OOK-NRZ调制与编码单元的的输出端与电流驱动器单元的输入端相连；电流驱动器单元的输出端作为信号调制与编码模块的输出端；

Bias-Tee信号耦合模块由直流输入端、交流输入端、直流耦合电感、交流耦合电容、旁路电容和模块输出端组成；Bias-Tee信号耦合模块中各单元之间的连接关系为：直流输入端与直流耦合电感的输入端相连，同时与旁路电容的输入端相连，旁路电容的输出端接地；交流输入端与交流耦合电容的输入端相连；直流耦合电感的输出端和交流耦合电容的输出端相连作为模块输出端；

信号接收端包括光电检测模块、信号放大模块、信号滤波模块、信号判决模块、信号解调与解码模块和数据显示模块；信号接收端各模块之间的连接关系为：光电检测模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与信号滤波模块的输入端相连，信号滤波模块的输出端与信号判决模块的输入端相连，信号判决模块的输出端与信号解调与解码模块的输入端相连，信号解调与解码模块的输出端与数据显示模块的输入端相连；

信号发射端通过可见光通信信道将已调制的可见光信号传送到信号接收端；在信号发射端，当LED光源工作温度正常时，动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块根据通信距离由最佳匹配参数映射表存储单元中读取LED直流驱动电压，并将其与信号调制与编码模块输出的调制电压信号经由Bias-Tee信号耦合模块输出以驱动LED光源模块，使其发出的可见光信号加载了有用信息，该可见光信号经通过可见光通信信道到达信号接收端；在信号接收端，光电检测模块将可见光信号变换为电信号，并经信号放大模块放大以及信号滤波模块去除噪声后，由信号判决模块以及信号解调与解码模块获得原发送信息，最终送至数据显示模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：信号发射端利用动态化参数最佳匹配的白光LED驱动模块、LED光源模块和光源电流监测单元实现动态化的参数最佳匹配功能；信号发射端利用光源温度监测与报警单元实现通信与照明状态下的保护与恢复功能。

3.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：所述的51单片机单元的核心控制器件为STC89C58；所述的DC/DC驱动单元采用BUCK型拓补电路，采用的主要元件为MOS管驱动器ADP3624ARZ，PMOS管SI4405，滤波电容为Robycon电解电容2200μF，储能电感为闭磁式功率电感102，续流二极管为超快恢复二极管HER207；所述的最佳匹配参数映射表存储单元为EEPROM AT24C08；所述的光源电流监测单元中采用的模数转换器为ADS1100；所述的光源温度监测与报警单元中采用的温度传感器为DS18B20；所述通信参数输入单元为矩阵式键盘；所述的通信参数显示单元为LCD显示器。

4.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：所述的OOK-NRZ调制与编码单元采用的核心控制器件为ARM7控制器LPC2148；所述的数据传输设置单元为矩阵式键盘；所述的信号调制与编码模块中采用的电流驱动器单元为ADP3624。

5.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：用于驱动LED光源模块的信号包括满足参数最佳匹配的直流工作电压以及加载OOK-NRZ调制信息的交流电压，二者通过Bias-Tee信号耦合模块相互耦合后加载至LED光源。

6.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：所述的Bias-Tee信号耦合模块中，直流耦合电感为闭磁式功率电感，交流耦合电容为Robycon电解电容，旁路电容为独石电容。

7.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：所述的LED光源模块为白光LED单光源或白光LED阵列光源。

8.根据权利要求1所述的一种动态化参数最佳匹配的OOK-NRZ白光LED通信装置，其特征是：所述信号解调与解码模块的主要器件为ARM7控制器LPC2148；所述光电检测模块的主要器件为PN硅光电二极管BPW21；所述的信号放大模块的主要器件为AD8351；所述的信号判决模块的主要器件为比较器AD8656和施密特反相器74HC14。

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