JP2006186439A

JP2006186439A - 光通信装置

Info

Publication number: JP2006186439A
Application number: JP2004375057A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Takeda; 重喜武田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】照明用のＬＥＤを簡易な付加回路で通信に使用する。
【解決手段】送信器１の変調部４は、２次変調のため擬似ランダム信号発生器１３とベースバンド信号とを演算する演算器１４を具備し、受信器２の復調部１０は、光電気変換された信号を通過させる帯域通過フィルタ１７と、クロック信号を抽出するクロック抽出回路１９と、抽出されたクロック信号で動作する擬似ランダム信号発生器２０と、同じくクロック信号と制御回路の信号で復調処理を制御するスライディング回路２１と、その出力と帯域通過フィルタ１７の出力とを演算する演算器２２と、演算器２２の出力から一次変調信号の成分を抽出するフィルタ２３と、その出力を検波しスライディング回路の制御部２７を制御する検波器２６を具備したことを特徴とする光通信装置。
【選択図】図１

Description

本発明は照明光を利用した可視光通の光通信装置に関する。

近年、照明光に信号を乗せて通信を行う可視光通信が検討されている。大光量の光源デバイスとしてＬＥＤが開発されて照明用途にも使用されるようになっている。

一方、赤外光を使った通信用のデバイスは家電のコントローラや単純な伝送用途を中心に普及している。

照明用のＬＥＤは通信にも使用可能ではあるが、もともと照明用途のデバイスであるため、通信には必ずしも適している訳ではない。たとえば、キャリアとしての安定度、広帯域に広がったスペクトラムなど通信品質を悪化させ変復調を困難にする要素や、駆動には大電流が必要であり直接変調のスイッチングは高速化が困難であるなど解決すべき問題がある。

また、赤外光を使ったコントローラでは、ディジタル家電機器のコントロールデバイスを中心としたアプリケーションで使用され普及しているが、使用目的が家電機器の単純なコントロールあるいは単純な伝送のみにできており、高度な通信機能や多チャンネル通信には適していない。

一方、ディジタル家電の普及に伴い、ディジタル通信技術やディジタル信号処理技術が一般的になっており、汎用品のディジタル通信用デバイスを安価に利用できるようになっている。例えば、照明等に代表される通常光を用いて通信を安定に行うような技術は特許文献１に記載されている。
２００４−２２１７４７

しかしながら、特許文献１に開示された技術をもってしても通信装置としての具体的なスペック、例えば、変調方式、信号処理方式に関する具体的な技術が記載されていないために、実際、製造する場合、照明用のＬＥＤを使った安定した可視光通信を行うのは困難であった。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであ、通信用途としては不安定でかつ大電流駆動が必要な照明用ＬＥＤ等の通常光を安定にかつ簡易な方式で通信させることが可能な光通信装置を提供することを目的とする。

本発明による光通信装置は、照明用ＬＥＤに単純で簡易な回路を付加するだけで、安定で高容量の通信を可能にするものであり、具体的には、発光素子と発光素子を駆動する駆動部とベースバンド信号の一次変調と拡散符号による二次変調する変調部を具備する送信器と、前記送信器からの出射光を受光する受光部と受光した光を電気信号に変換する光電気変換部と変換された電気信号からベースバンド信号を復調する復調部を具備する受信器とからなる光通信装置おいて、前記送信器の変調部は、２次変調のため擬似ランダム信号発生器とベースバンド信号とを演算する演算器を具備し、前記受信器の復調部は、光電気変換された信号を通過させる帯域通過フィルタと、クロック信号を抽出するクロック抽出回路と、抽出されたクロック信号で動作する擬似ランダム信号発生器と、同じくクロック信号と制御回路の信号で復調処理を制御部にて制御するスライディング回路と、前記スライディング回路の出力と帯域通過フィルタの出力とを演算する演算する演算器と、該演算器の出力から一次変調信号の成分を抽出するフィルタと、フィルタの出力を検波し前記制御部を制御する検波器を具備したことを特徴とする。

前記送信器の駆動部は、前記変調部からの一次変調及び二次変調された信号を発光部を駆動する信号に重畳して発光部を発光させることを特徴とする。

前記受信器のスライディング回路の復調処理の制御は、入力される擬似ランダム信号を一定の時間間隔で１ビットずつスライディングさせ続けて出力し、前記検波器の出力がある値以上になった時、コントロール回路は前記スライディング回路を制御してスライディングを止め、次に前記検波器の出力が最大値となるようにスライディングのタイミングを１ビット以内で最大となるように調整した後に保持状態とすることによりベースバンド信号が復調部から出力されることを特徴とする。

本発明によれは、通常の照明用のＬＥＤに汎用デバイスで実現できる小規模の回路を付加するだけで、高品質で安定な光通信装置が実現できる。

通信用途としてはレベルやスペクトラムの安定度の良くない照明光のキャリアとしての安定度を増すために、伝送すべきベースバンド信号に加えて２次変調の相関検波と組み合わせて、不安定な要素を時間軸上で拡散して安定化を図る。

２次変調による時間軸上の拡散により、スイッチングによる直接変調に必要な大電流の負担を時間軸上で拡散軽減し、小電流での変調を可能にする。また、２次変調の拡散信号の相関検波による処理利得で安定度が良くない照明光源のキャリアの安定度が増して安定な通信が可能となる。

また２次変調信号による相関検波により信号の多重化が可能となり、チャネル数を増すことができ、さらに各チャネルのプライバシーも保たれる。

拡散による処理利得を得る代償に、ベースバンド信号の速度が制限されることになるが、２次変調の周波数を数GHｚとすると、ベースバンドはその１/数１０程度までは上げられるので、１チャネルあたり１００Mｂｐｓ程度は確保できる。この程度の捕捉、同期処理の回路は汎用のデバイスで実現できており、特段の技術やデバイスを必要としない。この結果、可視光通信のシステムを簡易な構成で実現できる。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく以下、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。

図１に本発明の光通信装置の一実施形態を示す。本発明の光通信装置は、送信器１及び受信器を具備している。

送信器１は、ベースバンド信号が入力される端子３を介してベースバンド信号の一次変調と拡散符号による二次変調をおこなう変調部４、変調された信号に基づいて発光素子６を駆動する駆動部５を出射部７から出力する構造となっている。

受信器２は、送信器１からの出射光を受光する受光部８、受光した光を電気信号に変換する光電気変換部９、変換された電気信号からベースバンド信号を復調する復調部１０を具備する。

そして、動作としては、先ず、端子３から伝送すべきベースバンド信号が入力される。入力されたベースバンド信号は変調部４で２次変調される。２次変調された信号は駆動部５で光源の駆動電流と加算されて発光部６を駆動する。発光部で発光した光は通常の照明用の光成分の上に、２次変調された光成分を含んでおり、出射部８より出射される。

出射された光の一部は受光部８で受光され、光電気変換器９で電気信号に変換され。復調部１０でベースバンド信号が復調されて端子１１から出力される。

図２は本発明の光通信装置の詳細に示した図であり、（ａ）は変調部４の詳細を示し、（ｂ）は復調部１０の詳細を示した図である。

送信器１の変調部４では、擬似ランダム信号発生器１３から発生した擬似ランダム信号は変調部４の入力端子１２から入力されたベースバンド信号とともに演算器１４に入力される。演算器１４では論理演算ではベースバンド信号が擬似ランダム信号で２次変調されて出力端子１５から出力される。

また、受信器の復調部１０では、光電変換された信号は復調部１０の入力端子１６から入力される。入力信号は帯域通過フィルタ１７に入力され、２次変調された信号成分のみが抽出されて出力され分岐点１８で分岐される。分岐された信号の１つはクロック抽出回路１９に入力され、２次変調用の擬似ランダム信号のクロックが抽出され分岐点３８で分岐され、擬似ランダム信号発生器２０とスライディング回路２１と制御部２７のクロックとなる。

分岐点１８で分岐された信号のもう一つとスライディング回路の出力は演算器２２に入力される。演算器２２の出力はフィルタ２３に入力され、ベースバンド信号による一次変調信号を抽出されて分岐点２４で分岐される。分岐された信号の１つは検波器２６で検波されて信号の成分を検出し、出力を制御部２７に入力する。検波出力の大きさに応じて制御部１７ではスライディング回路２１を制御して２次変調信号の捕捉と同期保持を行う。

捕捉と同期が成立すると、最良の通信状態となりベースバンド信号による一次変調信号が抽出されて分岐点２４で分岐されて端子２５から出力される。

図３（ａ）（ｂ）に捕捉と同期保持に関わる部分を示す。図３（ａ）の点線で囲まれた部分はスライディング回路２１である。送信器内の擬似ランダム信号発生器の１ビット長をＴｓとする。この状態で１ビットシフト回路２８にまだ同期のとれていない送信器内の擬似ランダム信号発生器２０からの擬似ランダム信号が入力されており一定時間Ｔ１の間およそｎＴｓだけ遅延させて出力される。つぎの一定時間Ｔ１には遅延時間がＴｓだけ増加し、入力される擬似ランダム信号はおよそ（ｎ＋１）Ｔｓだけ遅延されて出力される。以下この動作が繰り返され、一定時間Ｔ１ごとに遅延時間がＴｓだけ増し続けながら入力と出力が繰り返される。

この状態ではまだ捕捉が成立していないため、演算器２２に入力される光電気変換された信号と擬似ランダム信号発生器２０からの擬似ランダム信号とはほぼ直交しており、演算器２２からの出力は擬似ランダム信号同士の掛け算となり、擬似ランダム信号のクロックの２倍の周波数のまわりに逆拡散された信号成分となり、ベースバンド信号成分は現れない。このため低域通過フィルタ２３から出力はない。

図３（ｂ）の点線でかこまれた部分は制御部２７を示す。スライディングがすすみ、スライディング回路２１からの出力される擬似ランダム信号と帯域通過フィルタ１７を通過した信号に含まれる擬似ランダム信号がとのずれが１ビット以内になると演算器２２からベースバンド信号の成分が出力され始める。出力され始めたベースバンド信号は検波器２６で検波されて分岐点３１で分岐されその一方の信号は制御部２７に伝えられる。判定部３２である値以上に達したと判定されると判定部３２はスライディングを止める信号を発生させてスライディング回路２１に伝えて１ビットシフト回路２８の動作を停止させる。

次いで分岐点３１で分岐されたもう一方の信号は最大値検出部３３に伝えられる。最大値検出部３３は調整信号発生器３４を制御し、それに応じて微小時間調整回路２９はスライディングを停止したスライディング回路２１に制御信号を送り、微小時間調整回路２９で遅延時間をプラスマイナス１ビット以内の微小時間を調整させて、それに伴い検波器２６の出力をさせ、最大値検出部３３が最大値を検知したところで微小時間調整回路の動作を終わらせて、その遅延時間に固定させる。

この最大値を探す操作はビデオカメラのオートフォーカス方式で一般的な制御信号の最大値を検出保持する山登り方式で行える。この状態で２次変調信号の捕捉動作が完了する。

捕捉動作が完了すると、制御部２７は調整信号発生回路３４を再び動作させ、検波器２６最大値に保持され続けるよう、再び調整信号発生器３４を動作させクロック抽出回路１９のPLLの制御信号を発生させてクロック抽出回路のPLLを送信機の擬似ランダム信号のクロックにロックする。これで同期が保持される。

この状態で演算器からの出力のベースバンド信号成分は最大になり、また直交しているため逆拡散された信号成分は最小になる。復調されたベースバンド信号は端子２５より出力される。

一連の信号の動作を図４（ａ）（ｂ）に示す。図４（ａ）は検出器２６の出力と1ビットシフト回路２８のスライディングの遅延時間の関係を示す。スライディング時間の刻みを１ビット長Ｔｓとしているので、横軸をスライディングの遅延時間、縦軸を検出器の出力とすると、グラフはＴｓ毎にプロットした離散的な形になる。そのおのおのの遅延時間における出力３６は、０か幅２Tの三角の特性上にあり、その幅２Tｓの三角形は２次変調に用いられる擬似ランダム信号の自己相関関数の形となっている。捕捉動作においては、図４（ａ）の△に示すように出力３６はスライディングを受け値０のまま遅延時間がTｓ増す毎に自己相関の三角に近づいていく。

自己相関の三角は２Tｓ長あるので、その間２点が通過し、出力が検波器２６の出力が０から立ち上がる○で示す遅延時間が２つある。ここで１ビットシフト回路２８の動作を停止し、次いで微小時間調整回路２９が動作し始め±Tｓ以内の微小遅延時間を調整し、図４（ｂ）で○で示す最大点３７で遅延時間を固定し捕捉を完了する。その後、検波器２８の出力が最大点に保持されるよう、微小時間調整回路２９が±ΔTの調整をし続け、同期が保持される。

これらの一連の動作はＣＤＭＡやＧＰＳで採用されている直接拡散方式のスペクトラム拡散と類似している。キャリアが通常の直接拡散方式のスペクトラム拡散方式のようなコヒーレントな波ではなく、スペクトラムの広がった照明用ＬＥＤの光である点が異なり、このためＣＤＭＡで使用が可能なコスタスループのＰＬＬを使用して、直接キャリアにロックができず、２次変調のかかったベースバンド信号を同期検波で抽出することができない。しかし、自動焦点方式カメラやビデオのアナログ方式のＡＦに使用されている山登り方式の最大値検出技術を使うことで２次変調信号のクロックを抽出しＰＬＬをロックさせることは可能であり、本特許の特長となっている。

本発明の光通信装置は照明用のＬＥＤに簡易な回路で変調、復調機能を持たせることができる。スペクトラム拡散通信方式で使われている擬似ランダム信号の２次変調で通信用途としては不安定な照明用ＬＥＤ光の安定化を図ることができる。また通常のスペクトラム拡散方式で必要なコスタスループでキャリア再生の代わりに、自動焦点カメラのアナログ方式で一般的なAF回路である山登り方式を２次変調信号の捕捉、同期保持に使用している。この結果、簡易な回路でスペクトラム拡散方式と同じ効果が得られ、キャリアとしては精度が良くない照明光を処理利得により安定な通信に使用でき、また、相関検波となるので多重や秘話の能力も出てくる。このため、人が集まる場所のなど多チャネルや秘話性が必要な場所で照明光を通信手段に利用できる。

（ａ）（ｂ）は本発明の光通信装置の送信機と受信器を示した図である。（ａ）（ｂ）は本発明の光通信装置の変調系を示した図である。（ａ）（ｂ）は本発明の捕捉と同期に関わる部分を示した図である。（ａ）（ｂ）は本発明の捕捉と同期保持の信号を示した図である。

符号の説明

１：送信器
２：受信器
３：端子
４：変調部
５：駆動部
６：発光部
７：出射部
８：受光部
９：光電気変換器
１０：復調部
１１：端子
１２：端子
１３：擬似ランダム信号発生器
１４：演算器
１５：端子
１６：端子
１７：帯域通過フィルタ
１８：分岐点
１９：クロック抽出回路
２０：擬似ランダム発生器
２１：スライディング回路
２２：演算器
２３：低域通過フィルタ
２４：分岐点
２５：端子
２６：検波器
２７：制御部
２８：１ビットシフト回路
２９：微小時間調整回路
３０：分岐点
３１：分岐点
３２：判定部
３３：最大値検出部
３４：調整信号発生器
３５：検波出力カーブ
３６：出力
３７：最大点

Claims

ベースバンド信号の一次変調と拡散符号による二次変調を行う変調部及び変調された信号に基づいて発光素子を駆動して光を出射する駆動部を具備する送信器と、該送信器からの出射光を受光する受光部と受光した光を電気信号に変換する光電気変換部と変換された電気信号からベースバンド信号を復調する復調部を具備する受信器とからなる光通信装置おいて、
前記送信器の変調部は、２次変調のため擬似ランダム信号発生器とベースバンド信号とを演算する演算器を具備し、
前記受信器の復調部は、光電気変換された信号を通過させる帯域通過フィルタと、クロック信号を抽出するクロック抽出回路と、抽出されたクロック信号で動作する擬似ランダム信号発生器と、同じくクロック信号と制御回路の信号で復調処理を制御部にて制御するスライディング回路と、前記スライディング回路の出力と帯域通過フィルタの出力とを演算する演算する演算器と、該演算器の出力から一次変調信号の成分を抽出するフィルタと、該低域通過フィルタの出力を検波し前記制御部を制御する検波器を具備したことを特徴とする光通信装置。
前記送信器の駆動部は、前記変調部からの一次変調及び二次変調された信号を発光部を駆動する信号に重畳して発光部を発光させることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
前記受信器のスライディング回路の復調処理の制御は、入力される擬似ランダム信号を一定の時間間隔で１ビットずつスライディングさせ続けて出力し、前記検波器の出力がある値以上になった時、コントロール回路は前記スライディング回路を制御してスライディングを止め、次に前記検波器の出力が最大値となるようにスライディングのタイミングを１ビット以内で最大となるように調整した後に保持状態とすることによりベースバンド信号が復調部から出力されることを特徴とする光通信装置。