CN212211009U - 一种可见光通信设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可见光通信设备，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括依次电连接的HDMI输入模块、H.265视频压缩单元、信号调制单元、放大驱动单元、LED光源和光学天线及第一电源模块，所述接收端包括滤光片及依次电连接的光电二极管、滤波处理单元、信号解调单元、H.265视频解压缩单元、HDMI输出模块及第二电源模块。采用运算放大器配合外围电路组成高增益互阻放大器，将光电二极管的电流信号转化成电压信号，并利用积分电路对环境光进行滤波。由此，本实用新型的可见光通信设备成本低，功耗低，抗干扰能力强。

Description

一种可见光通信设备

技术领域

本实用新型涉及光通信领域，尤其涉及一种可见光通信设备。

背景技术

可见光通信技术，指的是利用可见光作为信息载体，无需光纤等有线介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。相对常用的无线射频通信方式，可见光信号主要具有两个优势：

无电磁污染：可以应用在一些对电磁辐射敏感的区域。比如在石化工厂、油库、核电站等领域里，用无线射频通信容易出现电火花。另外在高铁车厢、飞机机舱、舰船和医院里，用射频会干扰精密电子设备，而可见光通信不存在电磁辐射问题。

保密安全：无线射频信号可以穿透墙壁所以容易被窃听，而用可见光信号可被局限在室内，窗帘遮住光线即可防止信息外泄，很难被窃听。可以为政府、军工、金融、海关和国防通信等涉密敏感区域提供卓越的安全通信功能。

目前无论国外还是国内，可见光通信技术的具体应用大多数处于实验室研究阶段，并未形成规模化的试应用。主要原因如下：

目前企业和研究机构研发的高速通信产品大多为体积庞大的原型机，这种设备目前非常昂贵，难以形成产品实现工程应用。

光接收灵敏度低，需要提高光信号发射功率，进一步增加产品的成本。通信稳定性(易受环境影响产生干扰信号)。

解决以上的问题可以更好的发挥可见光通信技术的优势，进而在一些特殊领域，诸如地铁车厢内灯光通信、卫星内部、舰船内部无线通信、太空舱内外、深潜舱等设备间的非接触高速无线通信以及人口密集区的高速大容量无线接入，实现更好的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种可见光通信设备。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种可见光通信设备，包括：发射端和接收端，所述发射端包括依次电连接的HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口)输入模块、H.265(视频编码标准)视频压缩单元、信号调制单元、放大驱动单元、LED光源和光学天线及第一电源模块，

所述HDMI输入模块负责采集视频数据；

所述H.265视频压缩单元用于将视频数据基于H.265标准进行压缩；

所述信号调制单元用于对压缩后的视频数据进行00K(on-off keying，开关键控)调制；

所述放大驱动单元用于将调制后的视频信号放大，并输送给LED光源；

所述LED光源用于将放大后的数据转化成光信号；

所述光学天线用于将光信号按照设定的方向发射出去；

所述第一电源模块用于为发射端提供工作电源；

所述接收端包括滤光片及依次电连接的光电二极管、滤波处理单元、信号解调单元、H.265视频解压缩单元、HDMI输出模块及第二电源模块；

所述滤光片设于所述光电二极管前端，用于滤除环境杂光；

所述光电二极管用于将光信号转化成电信号；

所述滤波处理单元用于对电信号进行滤波，过滤掉干扰信号；

所述信号解调单元用于对数据进行00k解调处理；

所述H.265视频解压缩单元用于对数据基于H.265标准进行解压缩处理；

所述HDMI输出模块用于将视频数据输出；

所述第二电源模块用于为接收端提供稳定的工作电源。

与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果：

用光电二极管替换了昂贵的光敏传感器，成本低。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

优选地，所述信号调制单元包括单片机STM32F103C8T6和电阻R1、R2、R3，开关SW1，电容C1、C2、C3、C4，晶振Y1；

STM32F103C8T6的NRST端经电阻R1连接3.3V电源，经电容C2接地，SW1并联在C2两端；

STM32F103C8T6的PB2/BOOT1端经电阻R2接地；

STM32F103C8T6的VBAT端经电容C1接地；

STM32F103C8T6的OSC_IN/PD0端和OSC_OUT/PD1分别电连接晶振Y1的两端，晶振Y1的两端还分别经C3和C4接地；

STM32F103C8T6的BOOT0端经电阻R3接地；

STM32F103C8T6的PB15端为输出端。

优选地，所述放大驱动单元包括场效应管Q1，所述场效应管Q1的栅极电连接STM32F103C8T6的PB15端，所述LED光源一端电连接3.3V电源，另一端电连接场效应管的漏级，场效应管的源极接地。

优选地，所述第一电源模块包括稳压器附属外围电路，用于为发射端提供3.3V、5V工作电压。

优选地，所述信号解调单元包括单片机U1’和电阻R1’、R2’、R3’，开关SW1’，电容C1’、C2’、C3’、C4’，晶振Y1’,所述U1’为STM32F103C8T6。

U1’的NRST端经电阻R1’连接3.3V电源，经C2’接地，SW1’并联在C2’两端；

U1’的PB2、BOOT1端经电阻R2’接地；

U1’的VBAT端经电容C1’接地；

U1’的OSC_IN、PD0端和OSC_OUT、PD1分别电连接晶振Y1’的两端，晶振Y1’的两端还分别经C3’和C4’接地；

U1’的BOOT0端经电阻R3’接地；

U1’的PB15端为输出端。

优选地，所述第二电源模块包括稳压器及附属外围电路，用于为接收端提供10V、5V、3.3V工作电压。

优选地，所述光电二极管为SFH551。

优选地，所述滤波处理单元包括由运算放大器U2’、运算放大器U4’、比较器U3’及外围电路；运算放大器U2’配合外围电路组成的高增益互阻放大电路，其同相端接第二电源模块提供的3V电压，反相端连接光电二极管；运算放大器U4’配合外围电路构成积分处理电路，用于吸收光电二极管输出的光电流中的直流分量；比较器U3’配合外围电路构成比较器，其同相端连接第二电源模块提供的3V电压，反相端接运算放大器U2’的输出端，用于将光电二极管接受的光信号转化整形为规则的高低电平。

优选地，所述运算放大器U2’为OPA2335；比较器U3’为TLV3501；运算放大器U4’为OPA335。

附图说明

图1为本实用新型的可见光通信设备的功能框图；

图2为本实用新型中发射端信号调制单元的电路原理图；

图3是本实用新型中放大驱动单元的电路原理图；

图4是本实用新型中发射端3.3V工作电压的生成电路原理图；

图5是本实用新型中发射端5V工作电压的生成电路原理图；

图6是本实用新型中接收端洗你号解调单元电路原理图；

图7是本实用新型中接收端光电二极管和滤波单元电路原理图；

图8是本实用新型中接收端10V工作电压生成电路原理图；

图9是本实用新型中接收端5V工作电压生成电路原理图；

图10是本实用新型中接收端3.3V工作电压生成电路原理图。

附图中各标号所代表的元件或模块名称如下：

1、HDMI输入模块；2、H.265视频压缩单元；3、信号调制单元；4、放大驱动单元；5、LED光源；6、光学天线；7、滤光片；8、光电二极管；9、滤波处理单元；10、信号解调单元；11、H.265视频解压缩单元；12、HDMI输出模块。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

请参照图1-图10所示，所述可见光通信设备包括发射端和接收端，所述发射端包括依次电连接的HDMI输入模块、H.265视频压缩单元、信号调制单元、放大驱动单元、LED光源和光学天线及第一电源模块，

所述HDMI输入模块负责采集视频数据；

所述H.265视频压缩单元用于将视频数据基于H.265标准进行压缩；

所述信号调制单元用于对压缩后的视频数据进行00K调制；

所述放大驱动单元用于将调制后的视频信号放大，并输送给LED光源；

所述LED光源用于将放大后的数据转化成光信号；

所述光学天线用于将光信号按照设定的方向发射出去；

所述第一电源模块用于为发射端提供工作电源；

具体地，所述发射端包括：

如图2所示，单片机U1和R1、R2、SW1、C1、C2、Y1、C3、C4、R3构成信号调制单元，单片机U1为STM32F103C8T6，实现对数据的00K调制处理。

由自带HDMI接口的“海思Hi3519开发板”构成H.265视频压缩单元。通过“海思Hi3519开发板”实现对视频数据基于H.265协议的压缩。

如图3所示，Q1为P型场效应管，构成放大驱动单元。LED1构成LED光源，其前端安装有光学天线。

如图4所示，DC1作为电源接口，U2(MP1584EN)和C10、R4、R7、C8、D1、C19、L2、R8、C11、R5、R6、RV1、C9以及C12、C13、C14为发射端提供3.3V工作电压。

如图5所示，U3(AMS1117-5.0)和C15、C16、C17、C18为发射端提供5V工作电压。

所述接收端包括滤光片及依次电连接的光电二极管、滤波处理单元、信号解调单元、H.265视频解压缩单元、HDMI输出模块及第二电源模块；

所述滤光片设于所述光电二极管前端，用于滤除环境杂光；

所述光电二极管用于将光信号转化成电信号；

所述滤波处理单元用于对电信号进行滤波，过滤掉干扰信号；

所述信号解调单元用于对数据进行00k解调处理；

所述H.265视频解压缩单元用于对数据基于H.265标准进行解压缩处理；

所述HDMI输出模块用于将视频数据输出；

所述第二电源模块用于为接收端提供稳定的工作电源。

如图6所示，U1’(STM32F103C8T6)和R1’、R2’、SW1’、C1’、C2’、Y1’、C3’、C4’、R3’构成信号解调单元，通过用软件程序的方式，基于00K实现对数据的解调处理。

由自带HDMI接口的“海思Hi3519开发板”构成H.265视频解压缩单元。通过在“海思Hi3519开发板”平台上用软件程序的方式，实现对视频数据基于H.265协议的解压。

如图8所示，DC1’作为电源接口，U5’(78M10)和C21’、C22’、C23’、C24’为接收端提供10V工作电压；

如图9所示，U6’(AMS1117-5.0)和C25’、C26’、C27’、C28’为接收端提供5V工作电压；

如图10所示，U7’(AMS1117-3.3)和C12’、C13’、C14’、C15’为接收端提供3.3V工作电压。

如图7所示，D1’为光电二极管SFH551，构成光电二极管，前端安装有滤光片。SFH551适用于可见光到近红外光探测，其以低偏置实现了宽带特性，且具有低成本、高速响应、高可靠性的特点，适用于高速光通信。采用SFH551光电二极管，降低了产品光电传感器的成本，提高产品电路的响应速度和可靠性。U2’(OPA2335)、U3’(TLV3501)、U4’(OPA335)与D1’、C7’、R4’、R5’、R6’、R9’、R10’、C11’、Z1’、C8’、C9’构成滤波处理单元。滤波处理单元的结构比较复杂，可分为四部分来分析描述：

一、Z1’是稳压二极管，利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，利用这种特性可起到稳压作用。Z1’和R4’、C8’、C9’一起构成稳压电路，用于提供一个电压为+3V的稳定的参考电压。现有几乎很多采用普通分压式电阻提供基准电压方式，相对于这种方式，本涉及可以提供精度和稳定性更高的参考基准电压。

二、U2’(OPA2335)构成高增益的互阻放大电路，实现对光电二极管输出信号的放大处理。现有技术大多采用普通运放结合反馈电阻和反馈电容构成互阻放大器，通过设置反馈电阻的取值来确定电路增益，利用反馈电容C3’来抑制振荡。同时在现有技术设计中还经常采用多级放大的方式。这种电路设计一般会存在4个问题：

a.为了提高电路的增益，通常会加大反馈电阻，但是加大反馈电阻会使电路高频性能下降，对电路的光通信距离的增加贡献不大。

b.为了增加电路的抗干扰性，通常会加大反馈电容，反馈电容值过大时，系统响应速度减慢。

c.普通运放的输入失调电压很高，精度达不到，非常容易收到环境影响并引入干扰，需要相应的补偿单元电路来对干扰进行应对抑制。

d.多级放大和简单的滤波器方式无助于提升信噪比，采用多级放大时甚至会出现通信距离缩短的情况。

相对于现有的技术方案，本方案中采用OPA2335运算放大器构成高增益的互阻放大电路，实现对光电二极管输出信号的放大处理。OPA2335是一款低噪声、高速、16位准确度的CMOS运算放大器。OPA2335精度高，输入失调电压正负0.5mV，最大幅值不超过1mV，带宽高于150MHz，输入电压噪声仅0.85nV，输出驱动电流高达50mA。U2’的同相端由稳压电路提供的3V电压作为输入，U2’的反相端连接光电二极管的输出。当光电二极管接受到光信号时，输出随光信号变化的电流信号，经过U2’构成的互阻放大器处理之后，输出电压信号，输出电压等于U2’的增益乘以输入的电流，也就是U2’的最终输出电压取决于光电二极管输出的电流大小。这种设计方式大大提高了前级信号的处理能力，性能远远优于一般的运放增益电路。此外这种放大电路的设计还允许电路本身可以兼容多种光电传感器。

三、运放U4’(OPA335)是一款最大漂移0.05uV/℃的单电源CMOS运算放大器，U4’配合R5’，R6’，R9’，R10’、C11’构成积分处理电路，用于吸收光电二极管输出的光电流的直流分量，降低环境光线对产品通信的影响,使得整个电路具有高通特性。

四、U3’(TLV3501)是一款具有关断功能的4.5ns轨至轨高速比较器。比较器的同相端输入连接稳压电路提供的+3V，反相端来自U2’的输出。比较器在产品中会起到对信号整形的作用，最终会输出高低电平给信号解调单元。

由此，本实用新型：

1)提高可见光通信接收端的灵敏度，试验过程中，接收端只需要10Lux的信号光强既可以实现正常通讯。

2)抗干扰稳定性更好，试验过程中可以抵抗5Klux的环境光线干扰。

3)用光电二极管替换了昂贵的光敏传感器，成本低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，对本领域的技术人员显而易见地，在产品结构中的部件可进行各种不同的修改和替换，如将U2’、U3’、U4’换成其他型号的运算放大器和比较器，将D1’换成其他型号光电二极管和光电传感器等。本领域技术人员还将理解，可使用各种不同技术中的任何一种来表示信息和信号。例如，贯穿以上描述被述及的数据、指令、命令、信息、信号、位、码元、和芯片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或其任何组合来表示。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可见光通信设备，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括依次电连接的HDMI输入模块、H.265视频压缩单元、信号调制单元、放大驱动单元、LED光源和光学天线及第一电源模块，

所述HDMI输入模块负责采集视频数据；

所述H.265视频压缩单元用于将视频数据基于H.265标准进行压缩；

所述信号调制单元用于对压缩后的视频数据进行00K调制；

所述放大驱动单元用于将调制后的视频信号放大，并输送给LED光源；

所述LED光源用于将放大后的数据转化成光信号；

所述光学天线用于将光信号按照设定的方向发射出去；

所述第一电源模块用于为发射端提供工作电源；

所述接收端包括滤光片及依次电连接的光电二极管、滤波处理单元、信号解调单元、H.265视频解压缩单元、HDMI输出模块及第二电源模块；

所述滤光片设于所述光电二极管前端，用于滤除环境杂光；

所述光电二极管用于将光信号转化成电信号；

所述滤波处理单元用于对电信号进行滤波，过滤掉干扰信号；

所述信号解调单元用于对数据进行00k解调处理；

所述H.265视频解压缩单元用于对数据基于H.265标准进行解压缩处理；

所述HDMI输出模块用于将视频数据输出；

所述第二电源模块用于为接收端提供稳定的工作电源。

2.根据权利要求1所述的可见光通信设备，其特征在于，所述信号调制单元包括单片机STM32F103C8T6和电阻R1、R2、R3，开关SW1，电容C1、C2、C3、C4，晶振Y1；

STM32F103C8T6的NRST端经电阻R1连接3.3V电源，经电容C2接地，SW1并联在C2两端；

STM32F103C8T6的PB2/BOOT1端经电阻R2接地；

STM32F103C8T6的VBAT端经电容C1接地；

STM32F103C8T6的OSC_IN/PD0端和OSC_OUT/PD1分别电连接晶振Y1的两端，晶振Y1的两端还分别经C3和C4接地；

STM32F103C8T6的BOOT0端经电阻R3接地；

STM32F103C8T6的PB15端为输出端。

3.根据权利要求2所述的可见光通信设备，其特征在于，所述放大驱动单元包括场效应管Q1，所述场效应管Q1的栅极电连接STM32F103C8T6的PB15端，所述LED光源一端电连接3.3V电源，另一端电连接场效应管的漏级，场效应管的源极接地。

4.根据权利要求1或2所述的可见光通信设备，其特征在于，所述第一电源模块包括稳压器附属外围电路，用于为发射端提供3.3V、5V工作电压。

5.根据权利要求1或2所述的可见光通信设备，其特征在于，所述信号解调单元包括单片机U1’和电阻R1’、R2’、R3’，开关SW1’，电容C1’、C2’、C3’、C4’，晶振Y1’；

U1’的NRST端经电阻R1’连接3.3V电源，经C2’接地，SW1’并联在C2’两端；

U1’的PB2、BOOT1端经电阻R2’接地；

U1’的VBAT端经电容C1’接地；

U1’的OSC_IN、PD0端和OSC_OUT、PD1分别电连接晶振Y1’的两端，晶振Y1’的两端还分别经C3’和C4’接地；

U1’的BOOT0端经电阻R3’接地；

U1’的PB15端为输出端。

6.根据权利要求1或2所述的可见光通信设备，其特征在于，所述第二电源模块包括稳压器及附属外围电路，用于为接收端提供10V、5V、3.3V工作电压。

7.根据权利要求1或2所述的可见光通信设备，其特征在于，所述光电二极管为SFH551。

8.根据权利要求7所述的可见光通信设备，其特征在于，所述滤波处理单元包括由运算放大器U2、运算放大器U4、比较器U3及外围电路；运算放大器U2配合外围电路组成的互阻放大电路，其同相端接第二电源模块提供的3V电压，反相端连接光电二极管；运算放大器U4配合外围电路构成积分处理电路，用于吸收光电二极管输出的光电流中的直流分量；比较器U3配合外围电路构成比较器，其同相端连接第二电源模块提供的3V电压，反相端接运算放大器U2的输出端，用于将光电二极管接受的光信号转化整形为规则的高低电平。

9.根据权利要求8所述的可见光通信设备，其特征在于，所述运算放大器U2为OPA2335；比较器U3为TLV3501；运算放大器U4为OPA335。

Images