CN206835098U

CN206835098U - 一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置

Info

Publication number: CN206835098U
Application number: CN201720527293.8U
Authority: CN
Inventors: 武中文; 张楠; 刘原豪
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2027-05-12

Abstract

本实用新型公开了一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，包含依次连接的FPGA调制模块、D/A数模转换模块、均衡电路、LED驱动电路、LED光源阵列、太阳能电池、能量收集电路，所述能量收集电路与驱动电路连接；本实用新型将硬件均衡技术与能量收集技术应用于可见光通信的发射装置上，均衡电路将接收到模拟信号波形归整，减少由器材的非线性造成信号波形形变的影响，提高发射装置的调制带宽；采用运算放大器与三极管结合的均衡驱动电路，降低电路的复杂性与成本；采用能量收集技术，将环境光收集起来，给LED驱动电路供电，实现能量的循环使用。

Description

一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置

技术领域

本实用新型属于可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置。

背景技术

随着智能设备的普及和信息技术的迅速发展，人们对带宽和数据传输速率提出了更高的要求，现有的无线通信技术受到载波频率和物理带宽限制，已经无法足未来无线通信的需求。鉴于此，人们开始把目光转向传输速率更高的光通信技术。人们对光通信的早期研究主要集中在红外通信领域，截止目前，对红外通信的研究已经取得一系列进展，可见光通信正是在红外通信技术的基础上发展起来的。

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术是以可见光为信息载体，以自由空间为传输信道进行数据传输的新型无线通信技术。该技术主要是将白光LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为光源发射信号，通过合理的处理将待传输数据调制到LED光源发出的可见光上，通过自由空间信道进行传输，在接收端由光电转换单元将可见光信号转换为电信号后进行后续的处理并正确接收，从而实现完整的通信。同时，实现白光LED通信与照明的双重作用。采用白光LED，相较于白炽灯有如下优点：

(1)功耗低、发热少、使用寿命长；

(2)响应快、调制性能好、调制带宽高。

由于其绿色环保的特性，有望取代传统照明方式，成为下一代照明光源。但采用白光LED有一个缺点，即LED的窄带特性，这一特性严重限制了信号的速率传输，成为制约VLC技术发展的瓶颈。为了解决这一问题，可以采用硬件均衡技术。现有的发射端模拟均衡电路比较主流的是“T型”均衡电路和多谐振预均衡技术，它可以有效提升调制带宽，但有如下缺点：

(1)拓扑结构复杂；

(2)电路负载压力大；

(3)成本高；

(4)灵活性较低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其不仅可以实现室内的数据传输，并且弥补器件不匹配和非线性对带宽造成的影响，大幅提高了发射端的调制带宽和传输速率，降低发射装置的成本和制作复杂度；同时，将能量收集技术应用于发射端，将接收到的光能转化为电能给发射端驱动电路供电，体现“绿色、节能、循环”的思想。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，包含依次连接的FPGA调制模块、D/A数模转换模块、均衡电路、LED驱动电路、LED光源阵列、太阳能电池、能量收集电路，所述能量收集电路与驱动电路连接；

所述FPGA调制模块，用于将接收到信源的信号进行调制，并发送至D/A数模转换模块；

所述D/A数模转换模块，用于将FPGA调制模块输出的数字信号转换为模拟信号并输出至均衡电路；

所述均衡电路，将输入的模拟信号进行均衡处理并传输至LED驱动电路；

所述LED驱动电路，用于将均衡电路输出信号进行功率放大的同时驱动LED光源阵列长亮；

所述太阳能电池，用于将收集到的环境光能转化为电能；

所述能量收集电路，用于收集存储太阳能电池产生的电能，同时为LED驱动电路提供所需电能。

作为本实用新型一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置的进一步优选方案，所述均衡电路包含第一电阻、第一电容、第二电阻、第三电阻、第三电容和运算放大器，第一电阻的一端与第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接电压输入Vin端，运算放大器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第三电容的一端和电压输出Vout端，第三电容的另一端接地。

作为本实用新型一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置的进一步优选方案，所述LED驱动电路包含第五电阻、第五电容、第六滑动电阻、第七电阻、LED光源阵列和三极管，所述交流信号输入Input端连接第五电容的一端，第五电容的另一端分别连接第五电阻的一端、第六滑动电阻的一端、三极管的基极，第五电阻的另一端和LED光源阵列的输入端连接电压VCC端，LED光源阵列的输出端连接三极管的集电极，三极管的发射极连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端分别连接第六滑动电阻的另一端并接地。

作为本实用新型一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置的进一步优选方案，所述FPGA调制模块包含FPGA芯片以及分别与其连接的电源管理模块、时钟电路、复位电路和USB转串口；所述电源管理模块用于提供FPGA调制模块所需电能；所述复位电路用于清除FPGA调制模块调试过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；所述时钟电路包含60M晶振，用于提供满足发射信号的频率；所述USB转串口用于实现电脑与FPGA调制模块的通信转换

作为本实用新型一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置的进一步优选方案，所述能量收集电路包含芯片BQ25504以及分别与其连接的外围电路和充电锂电池；所述外围电路用于驱动芯片BQ25504稳定工作；所述芯片BQ25504用于收集微弱电能并使输出电压稳定；所述充电锂电池用于将芯片BQ25504输出端电能存储起来，进而提供所述LED驱动电路所需电能。

作为本实用新型一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置的进一步优选方案，所述运算放大器的芯片型号为OPA657。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型将硬件均衡技术与能量收集技术应用于可见光通信的发射装置上，均衡电路将接收到模拟信号波形归整，减少由器材的非线性造成信号波形形变的影响，提高发射装置的调制带宽；采用运算放大器与三极管结合的均衡驱动电路，降低电路的复杂性与成本；采用能量收集技术，将环境光收集起来，给LED驱动电路供电，实现能量的循环使用；

2、本实用新型可以在满足“照明与通信”的同时，提升发射信号功率、提升发射带宽、降低装置成本、降低装置复杂度，并充分体现“绿色、节能、循环”的思想。

附图说明

图1是本实用新型的发射装置结构示意图；

图2为本实用新型的FPGA调制模块结构示意图；

图3为本实用新型的均衡电路原理图；

图4为本实用新型的驱动电路原理图；

图5为本实用新型的能量收集模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案进一步说明。

如图1所示，给出了本实用新型的发射装置结构示意图，包含：FPGA调制模块、D/A数模转换模块、均衡电路、LED驱动电路、LED光源阵列、太阳能电池、能量收集电路。如图2所示，本实用新型给出了FPGA调制模块结构示意图，其中，FPGA调制模块包含：电源管理模块、时钟电路、复位电路、USB转串口。FPGA调制模块将接收到信源的信号进行调制，并发送至D/A数模转换模块。电源管理模块用来给FPGA调制模块供电，有工作指示灯和开关的功能；复位电路用来清除FPGA调试过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；时钟电路包含60M晶振，可以满足发射信号的频率要求；USB转串口，实现电脑与FPGA调制模块的通信转换。

D/A数模转换模块，用于将FPGA调制模块输出的数字信号转换为模拟信号，并输出至均衡电路。

均衡电路，将输入信号进行均衡处理并输出至LED驱动电路。具体来说，图3为均衡电路的原理图，所述均衡电路包含第一电阻R₁、第一电容C₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第三电容C₃和运算放大器，第一电阻的一端与第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接交流信号输入Vin端，运算放大器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第三电容的一端和交流信号输出Vout端，第三电容的另一端接地，其中所述运算放大器型号为OPA657。如图3所示，所述均衡电路的传递函数可以表示为：

其中，ω₁＝1/(R₁//R₂)C₂，ω＝2πf，f为发射频率，对式(1)取模得：

在ω增大时，也增大，而OPA657可以获得1.6GHz高增益，因此可以得出，该均衡器的增益效果十分突出。

在本实施方式中，所述第一电阻R₁＝806Ω，所述第一电容C₁＝0.1uF，所述第二电阻R₂＝806Ω，所述第三电阻R₃＝100Ω，所述第三电容C₃＝10pF。以上参数的取值，与均衡电路的整体效果有关，可以使均衡电路具有较好的线性度和阻抗匹配特性。

LED驱动电路，作用为将均衡电路输出信号进行功率放大的同时驱动LED阵列长亮；其中，均衡电路输出信号为交流信号，携带信息；驱动LED长亮采用的方式为直流电流驱动。交流信号与直流信号耦合至LED阵列，实现了“通信与照明”的双重功能。具体来说，图4为驱动电路原理图，所述LED驱动电路包含第五电阻、第五电容、第六滑动电阻、第七电阻、LED光源阵列和三极管，所述交流信号输入Input端连接第五电容的一端，第五电容的另一端分别连接第五电阻的一端、第六滑动电阻的一端、三极管的基极，第五电阻的另一端和LED光源阵列的输入端连接电压VCC端，LED光源阵列的输出端连接三极管的集电极，三极管的发射极连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端分别连接第六滑动电阻的另一端并接地；包含：第五电阻R₅、第五电容C₅、第六滑阻R₆、第七电阻R₇、LED阵列和三极管，其中三极管型号为MJE200。第五电阻R₅和第六滑阻R₆作为前置电阻，其中通过调节第六滑阻R₆可以调节LED亮度。

在本实施方式中，所述第五电阻R₅＝1KΩ，所述第五电容C₅＝10pF，所述第六滑阻R₆＝5KΩ，所述第七电阻R₇＝4Ω。以上参数取值，可以保证LED稳定长亮。

能量收集电路，作用为将收集到的环境光能转化为电能，并给LED驱动电路供电。具体来说，图5为能量收集模块结构示意图，包含：太阳能电池、外围电路、芯片BQ25504、和充电锂电池。所述太阳能电池从环境光中收集光能转化为电能，收集到的电能输出至所述外围电路和所述芯片BQ25504，将电能收集起来；收集到的电能，输出给充电锂电池，使锂电池稳定输出4.5V～5V电压，给所述LED驱动电路供电。

Claims

1.一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其特征在于：包含依次连接的FPGA调制模块、D/A数模转换模块、均衡电路、LED驱动电路、LED光源阵列、太阳能电池、能量收集电路，所述能量收集电路与驱动电路连接；

所述太阳能电池，用于将收集到的环境光能转化为电能；

2.根据权利要求1所述的一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其特征在于：所述均衡电路包含第一电阻、第一电容、第二电阻、第三电阻、第三电容和运算放大器，第一电阻的一端与第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接信号输入Vin端，运算放大器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第三电容的一端和信号输出Vout端，第三电容的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其特征在于：所述LED驱动电路包含第五电阻、第五电容、第六滑动电阻、第七电阻、LED光源阵列和三极管，交流信号的输入Input端连接第五电容的一端，第五电容的另一端分别连接第五电阻的一端、第六滑动电阻的一端、三极管的基极，第五电阻的另一端和LED光源阵列的输入端连接电压VCC端，LED光源阵列的输出端连接三极管的集电极，三极管的发射极连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端分别连接第六滑动电阻的另一端并接地。

4.根据权利要求1所述的一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其特征在于：所述能量收集电路包含芯片BQ25504以及分别与其连接的外围电路和充电锂电池；所述外围电路用于驱动芯片BQ25504稳定工作；所述芯片BQ25504用于收集微弱电能并使输出电压稳定；所述充电锂电池用于将芯片BQ25504输出端电能存储起来，进而提供所述LED驱动电路所需电能。

5.根据权利要求2所述的一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其特征在于：所述FPGA调制模块包含FPGA芯片以及分别与其连接的电源管理模块、时钟电路、复位电路和USB转串口；所述电源管理模块用于提供FPGA调制模块所需电能；所述复位电路用于清除FPGA调制模块调试过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；所述时钟电路包含60M晶振，用于提供满足发射信号的频率；所述USB转串口用于实现电脑与FPGA调制模块的通信转换。

6.根据权利要求2所述的一种基于硬件均衡与能量收集的可见光通信发送装置，其特征在于：所述运算放大器的芯片型号为OPA657。