JP4950778B2 - COMMUNICATION DEVICE, TRANSMISSION DEVICE, AND RECEPTION DEVICE - Google Patents
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Description
本発明は、蛍光体を備えたLEDからの光を用いて通信を行う通信装置および送信装置および受信装置に関する。 The present invention relates to a communication device, a transmission device, and a reception device that perform communication using light from an LED including a phosphor.
一般照明やディスプレイ用バックライト光源,電光表示板には、さまざまな光源が利用されている。前記光源には、現在は主に白熱電球と蛍光灯が利用されている。しかしながら、近年、消費電力の少なさから白色発光ダイオード(以下、白色LEDと称す)が利用され始めている。白色LEDは、その低消費電力性に加え、長寿命,高速応答性,色純度の高さを持ち、将来的には照明などさまざまな分野の光源として広く利用される可能性がある。特に白熱電球や蛍光灯等の照明器具は、エネルギー消費効率とライフサイクルの環境面から、将来はすべて白色LEDに置き換わる可能性が高く、代替が実現できれば、消費電力が現状より3割以上削減できるので、CO2削減に貢献でき、蛍光灯に使用されている水銀の使用を中止することもできるので、環境にやさしい光源として期待ができる。現時点においても、すでに交通信号灯や自動車のブレーキランプなどに一部利用され始めている。 Various light sources are used for general lighting, backlight light sources for displays, and electric display panels. Currently, incandescent bulbs and fluorescent lamps are mainly used as the light source. However, in recent years, white light emitting diodes (hereinafter referred to as white LEDs) have begun to be used because of low power consumption. White LEDs have long life, high-speed response, and high color purity in addition to their low power consumption, and may be widely used as light sources in various fields such as lighting in the future. In particular, lighting fixtures such as incandescent bulbs and fluorescent lamps are highly likely to be replaced with white LEDs in the future in terms of energy consumption efficiency and life cycle environment. Therefore, it can contribute to CO 2 reduction and can stop the use of mercury used in fluorescent lamps, so it can be expected as an environmentally friendly light source. Even at the present time, it has already begun to be partially used for traffic signal lights and automobile brake lamps.
一般照明としても、すでに一部の室内灯や街路灯に白色LEDが利用され始めようとしている。これら白色LEDを光源として用いた照明は、人間の目に認識できないほど高速にパルス駆動を行うことが可能である。この特性を利用し、照明の機能と同時に、パルス駆動によるデータの送信を行うことが可能で、可視光通信装置としてさまざまな提案がなされている。 As general lighting, white LEDs are already being used for some indoor lights and street lights. Illumination using these white LEDs as a light source can be pulse-driven at such a high speed that it cannot be recognized by human eyes. Utilizing this characteristic, it is possible to transmit data by pulse driving simultaneously with the illumination function, and various proposals have been made as visible light communication devices.
白色LED照明によるデータ通信は、照明として利用される大きな電力エネルギーをそのままデータ通信に利用することが出来るので、効率が良く、良好な通信特性を得ることができ、近年非常に注目を集めている。 Data communication using white LED illumination can be used as it is for large-scale power energy used as illumination, so it is efficient and can obtain good communication characteristics. .
白色LEDは大きく分けると、2種類(第1のタイプ,第2のタイプ)のものに分けることが出来る。第1のタイプのものは、GaN(窒化ガリウム)系青色LEDの周囲に黄色を発色する蛍光体(例えば、YAG系蛍光体やオキソ窒化物ガラス蛍光体など)を配置し、青色LEDを発光させることで青色光を発光し、これにより前記蛍光体を励起し発光させ、青色光と蛍光体の黄色光との混色により白色光を得るものである。 White LEDs can be broadly divided into two types (first type and second type). In the first type, a phosphor that emits yellow color (for example, a YAG phosphor or an oxonitride glass phosphor) is arranged around a GaN (gallium nitride) blue LED, and the blue LED emits light. Thus, blue light is emitted, whereby the phosphor is excited to emit light, and white light is obtained by mixing the blue light and the yellow light of the phosphor.
第2のタイプのものは、光の3原色である赤色,緑色,青色の各色のLEDを同時に発光させ、3色を混色し、白色を得るものである。 In the second type, red, green, and blue LEDs, which are the three primary colors of light, emit light simultaneously, and the three colors are mixed to obtain white.
第1のタイプ(すなわち、蛍光体タイプ)の白色LEDは、第2のタイプ(すなわち、RGBタイプ)の白色LEDよりも電気エネルギーを光エネルギーにする発光効率が良く、高い輝度が得られやすいため、一般照明としては、第1のタイプ(蛍光体タイプ)のものが主に利用されている。 The white LED of the first type (that is, phosphor type) has better luminous efficiency that converts electric energy into light energy than the white LED of the second type (that is, RGB type), and high brightness is easily obtained. As the general illumination, the first type (phosphor type) is mainly used.
蛍光体タイプの白色LEDは、蛍光体の種類や量を調整することにより、白色発光色の色温度を変化させることが可能で、温かみのある電球色照明のような色温度が低い照明や、鮮やかな色温度の高い照明など、さまざまな色温度の照明を実現することが可能である。 The phosphor type white LED can change the color temperature of the white emission color by adjusting the type and amount of the phosphor, and the illumination has a low color temperature such as warm bulb color illumination, It is possible to realize lighting with various color temperatures, such as lighting with vivid color temperature.
例えば特許文献1には、蛍光体タイプ照明光通信システムが提案されている。
For example,
図1は特許文献1に示されている蛍光体タイプ照明光通信システムのブロック図である。図1の蛍光体タイプ照明光通信システムでは、光検出器43の前に青色フィルタ45を設け、蛍光体による黄色発光色を除去し、青色LEDの青色発光色のみを通信に利用している。
LED単体は、その高速性により、例えば100MHz以上の通信速度で光空間通信を行うことが可能である。しかしながら、LEDによる励起された蛍光体の応答速度はLEDに比べると遅い。そのため、上記特許文献1には、白色LEDの白色光を利用した光空間通信速度は1MHz程度と記載されている。
A single LED can perform optical space communication at a communication speed of, for example, 100 MHz or more due to its high speed. However, the response speed of the phosphor excited by the LED is slower than that of the LED. Therefore,
白色LEDに利用されている蛍光体(例えば、YAG系蛍光体やオキシ窒化物ガラス蛍光体)は、青色LEDの青色光で励起され、黄色光を発光し、2つの色が混ざることによって、白色発光となる。 Phosphors used in white LEDs (for example, YAG phosphors and oxynitride glass phosphors) are excited by blue light from blue LEDs, emit yellow light, and the two colors are mixed to produce white. Light is emitted.
一般に白色LEDに利用されている蛍光体の応答速度は、励起されたときに発光するまでの発色時間と励起光がなくなった後の蛍光体が消光するまでの消光時間は同じではなく、消光時間に対して発色時間は短い。 In general, the response speed of a phosphor used in a white LED is not the same as the color development time until the phosphor emits light when excited and the quenching time until the phosphor extinguishes after the excitation light disappears. In contrast, the color development time is short.
図2には、一般的な蛍光体であるYAG系蛍光体の励起された光強度、および励起光である半導体レーザー光の光強度が示されている。なお、図2において、横軸は時間であり、縦軸が光強度である。 FIG. 2 shows the excited light intensity of a YAG phosphor that is a general phosphor and the light intensity of semiconductor laser light that is excitation light. In FIG. 2, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents light intensity.
また、図3には、図2の光強度を測定するための測定系が示されている。図3の測定系は、被測定物である例えばYAG系蛍光体301と、被測定物である蛍光体301を励起するための半導体レーザー302と、励起された光を分光する分光器303と、高速な時間分解能をもつストリークカメラ304とにより構成されている。
FIG. 3 shows a measurement system for measuring the light intensity of FIG. The measurement system of FIG. 3 includes, for example, a YAG-based
図2において、約5n(ナノ)秒幅の半導体レーザーのパルスによって励起された前記YAG系蛍光体の消光時間は約60n秒となっている。ここで、消光時間とは、ピーク光強度に対して、1/eの強度になった時間を表す。YAG系蛍光体を用いる場合、その消光時間は約60n秒であるので、その消光時間の逆数である16.7MHz以上の光空間通信を行うことは出来ない。なお、図2において、前記YAG系蛍光体の発色時間は、測定限界に近く、一般的なLEDの光立ち上がり時間となんら遜色はない。 In FIG. 2, the quenching time of the YAG phosphor excited by a semiconductor laser pulse having a width of about 5 n (nano) seconds is about 60 nsec. Here, the extinction time represents the time when the intensity becomes 1 / e with respect to the peak light intensity. When the YAG phosphor is used, the extinction time is about 60 ns, so that optical space communication at 16.7 MHz or higher which is the reciprocal of the extinction time cannot be performed. In FIG. 2, the color development time of the YAG phosphor is close to the measurement limit, and is not inferior to the general LED light rise time.
上記のように、一般的なYAG系蛍光体タイプ白色LEDの応答時間、つまり発色時間と消光時間を合わせた時間は、数十n秒と長く、YAG系蛍光体タイプ白色LEDを用いる場合、一般的には16.7MHz以上の高速な光空間通信を行うことが出来ない。 As described above, the response time of a general YAG phosphor type white LED, that is, the combined time of color development time and quenching time is as long as several tens of nanoseconds. When using a YAG phosphor type white LED, Specifically, high-speed optical space communication at 16.7 MHz or higher cannot be performed.
特許文献1では、前記蛍光体の応答速度の遅さを鑑みて、光検出器43の前に青色フィルタ45を設けることによって、応答時間の遅い蛍光体による黄色発光色を除去し、光空間高速通信を成し遂げようというものである。
In
しかしながら、前記特許文献1の仕方では、青色フィルタを利用するため、光検出器43が受信する光強度が青色フィルタ45によって少なくなってしまう。これは、蛍光体タイプ白色LEDの青色光成分の光パワーは全体の光パワーに対して、約1/3であり、データ検出する受光素子に一般的なシリコン系のフォトダイオードを用いると、検出される青色光の強度は、全体の4分の1以下となってしまう。従って、光通信におけるS/N比が白色光すべてを受信する場合よりも−6dB悪化することになる。
However, in the method of
以下に、上述の内容を詳細に述べる。 Hereinafter, the above-described contents will be described in detail.
図4には、YAG系蛍光体とGaN系青色LEDとを組み合わせた、一般的な蛍光体タイプ白色LEDの波長スペクトルの一例が示されている。図4から、青色光成分の発光ピーク強度は黄色光成分よりも高いことがわかる。 FIG. 4 shows an example of a wavelength spectrum of a general phosphor type white LED in which a YAG phosphor and a GaN blue LED are combined. FIG. 4 shows that the emission peak intensity of the blue light component is higher than that of the yellow light component.
図5には、上記蛍光体タイプ白色LEDの青色光成分の波長スペクトルが示されており、これは、上記蛍光体タイプ白色LEDの発光を、青色フィルタを通した後の波長スペクトルを表している。 FIG. 5 shows the wavelength spectrum of the blue light component of the phosphor type white LED, which represents the wavelength spectrum of the light emission of the phosphor type white LED after passing through the blue filter. .
また、図6には、上記蛍光体タイプ白色LEDの黄色光成分の波長スペクトルが示されており、これは、上記蛍光体タイプ白色LEDの発光を、黄色フィルタを通した後の波長スペクトルを表している。 FIG. 6 shows the wavelength spectrum of the yellow light component of the phosphor type white LED, which represents the wavelength spectrum after the emission of the phosphor type white LED passes through the yellow filter. ing.
図5,図6において、青色光成分,黄色光成分の光強度は、それぞれの波長スペクトルの積分値、つまり面積とほぼ一致し、面積比は青色光成分を1とすると、黄色光成分は約2となり、黄色光成分は青色光成分の倍の大きさであることがわかる。 5 and 6, the light intensities of the blue light component and the yellow light component substantially coincide with the integrated values of the respective wavelength spectra, that is, the areas, and when the area ratio is 1, the yellow light component is about It can be seen that the yellow light component is twice as large as the blue light component.
図7は一般的なシリコン系受光素子であるフォトダイオードの分光感度曲線を示す図である。図7を参照すると、シリコン系受光素子の吸収ピーク波長である950nmから短波長側では、緩やかに感度が下がっている。 FIG. 7 is a diagram showing a spectral sensitivity curve of a photodiode which is a general silicon-based light receiving element. Referring to FIG. 7, the sensitivity gradually decreases on the short wavelength side from the absorption peak wavelength of 950 nm of the silicon-based light receiving element.
図7に示すフォトダイオードの分光感度曲線と図5に示す前記蛍光体タイプ白色LEDの青色光成分の波長スペクトルとを掛け合わせることによって、計算上、上記フォトダイオードが受光する蛍光体タイプ白色LEDの青色光成分の強度を求めることが可能である。 By multiplying the spectral sensitivity curve of the photodiode shown in FIG. 7 and the wavelength spectrum of the blue light component of the phosphor type white LED shown in FIG. 5, the calculation of the phosphor type white LED received by the photodiode is calculated. It is possible to determine the intensity of the blue light component.
図8には、図7に示すフォトダイオードの分光感度曲線と図5に示す蛍光体タイプ白色LEDの青色光成分とを掛け合わせたものが示されている。 FIG. 8 shows the product of the spectral sensitivity curve of the photodiode shown in FIG. 7 and the blue light component of the phosphor type white LED shown in FIG.
図8において、分光感度曲線が表す面積が、上記フォトダイオードが受光する蛍光体タイプ白色LEDの青色光成分の受信信号強度となる。 In FIG. 8, the area represented by the spectral sensitivity curve is the received signal intensity of the blue light component of the phosphor type white LED received by the photodiode.
また、図7に示すフォトダイオードの分光感度曲線と図6に示す蛍光体タイプ白色LEDの黄色光成分の波長スペクトルとを掛け合わせることによって、計算上、上記フォトダイオードが受光する蛍光体タイプ白色LEDの黄色光成分の強度を求めることが可能である。 Further, by multiplying the spectral sensitivity curve of the photodiode shown in FIG. 7 with the wavelength spectrum of the yellow light component of the phosphor type white LED shown in FIG. 6, the phosphor type white LED received by the photodiode is calculated. It is possible to determine the intensity of the yellow light component.
図9には、図7に示すフォトダイオードの分光感度曲線と図6に示す蛍光体タイプ白色LEDの黄色光成分とを掛け合わせたものが示されている。 FIG. 9 shows a product of the spectral sensitivity curve of the photodiode shown in FIG. 7 and the yellow light component of the phosphor type white LED shown in FIG.
図9において、分光感度曲線が表す面積が、上記フォトダイオードが受光する蛍光体タイプ白色LEDの黄色光成分の受信信号強度となる。 In FIG. 9, the area represented by the spectral sensitivity curve is the received signal intensity of the yellow light component of the phosphor type white LED received by the photodiode.
図8と図9を比較し、シリコン系のフォトダイオードを受光素子として用いたときに検出される、青色光成分と黄色光成分の強度比は、およそ1対3となる。 8 and 9, the intensity ratio of the blue light component and the yellow light component detected when a silicon photodiode is used as the light receiving element is about 1: 3.
従って、可視光通信において、通信データを検出する受光素子に一般的なシリコン系のフォトダイオードを用いて、青色フィルタを用いた特許文献1の手法では、検出される青色光成分の光強度は、白色光全体の光強度の4分の1以下となり、S/N比に換算すると白色光全体を受信するよりも−6dB悪化することになる。このため、特許文献1の仕方では、良好な光通信を行なうことができないという問題があった。
Therefore, in the method of
本発明は、蛍光体を備えたLEDからの光を用いて通信を行う場合に、高速かつ良好な光通信を行なうことが可能な通信装置および送信装置および受信装置を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a communication device, a transmission device, and a reception device capable of performing high-speed and good optical communication when communication is performed using light from an LED including a phosphor. .
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、蛍光体を備えたLEDと、送信データを変調して変調信号にする変調手段と、前記変調手段からの変調信号に一定周期ごとに前記LEDの駆動電流を増やした基準信号を付加して前記LEDを駆動する駆動手段と、前記LEDからの光を受光する受光手段と、前記受光手段からの出力信号から前記基準信号を検出し、検出した前記基準信号を時間軸の基準として用いて、前記受光手段からの出力信号から、前記変調信号を復調する復調手段とを備えていることを特徴とする通信装置である。
In order to achieve the above object, an invention according to
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の通信装置において、前記蛍光体を備えたLEDは、青色LEDの周囲に黄色を発色する蛍光体が配置され、青色LEDからの青色光により前記蛍光体を励起し発光させて、青色光と蛍光体の黄色光との混色により白色光を得る蛍光体タイプ白色LEDであることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the communication device according to the first aspect, in the LED including the phosphor, a phosphor that emits yellow color is disposed around the blue LED, and the blue light from the blue LED is used. The phosphor is a phosphor type white LED that excites and emits light to obtain white light by mixing the blue light and the yellow light of the phosphor.
また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の通信装置において、前記受光手段は、前記LEDからの白色光を直接受光する1つの受光手段により構成されていることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the communication device according to the second aspect, the light receiving means is constituted by a single light receiving means that directly receives white light from the LED.
また、請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の通信装置において、前記復調手段は、前記基準信号に同期させて、所定の決められた時間間隔ごとに前記受光手段からの出力信号の強弱を1ビットごとに2回サンプリングした値同士で比較することによって、前記変調信号を復調することを特徴としている。
The invention of
また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の通信装置において、前記復調手段は、前記受光手段からの出力信号から前記基準信号を検出したとき、前記基準信号の立ち上がりエッジを時間軸の基準として用いることを特徴としている。
The invention of
また、請求項6記載の発明は、蛍光体を備えたLEDと、送信データを変調して変調信号にする変調手段と、時間軸の基準として復調に用いるための一定周期ごとに前記LEDの駆動電流を増やした基準信号を前記変調手段からの変調信号に付加して前記LEDを駆動する駆動手段とを備えていることを特徴とする送信装置である。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an LED including a phosphor, a modulation unit that modulates transmission data into a modulation signal, and driving the LED at a constant period for use in demodulation as a time axis reference. And a driving means for driving the LED by adding a reference signal with an increased current to the modulation signal from the modulation means.
また、請求項7記載の発明は、蛍光体を備えたLEDからの光を受光する受光手段と、前記蛍光体を備えたLEDが、送信データを変調した変調信号に一定周期ごとに前記LEDの駆動電流を増やした基準信号が付加された信号によって駆動されるものであるとき、前記受光手段からの出力信号から前記基準信号を検出し、検出した前記基準信号を時間軸の基準として用いて、前記受光手段からの出力信号から、前記変調信号を復調する復調手段とを備えていることを特徴とする受信装置である。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a light receiving means for receiving light from an LED including a phosphor, and an LED including the phosphor, wherein the LED includes a modulated signal obtained by modulating transmission data at a certain period. when the reference signal with increased drive current is intended to be driven by the added signal, the detecting the reference signal from the output signal from the light receiving means, by using the reference signal detected as the reference time base, And a demodulating means for demodulating the modulated signal from an output signal from the light receiving means.
本発明によれば、送信側に、蛍光体を備えたLEDと、送信データを変調して変調信号にする変調手段と、前記変調手段からの変調信号に一定周期ごとに前記LEDの駆動電流を増やした基準信号を付加して前記LEDを駆動する駆動手段とを備え、
受信側に、前記LEDからの光を受光する受光手段と、前記受光手段からの出力信号から前記基準信号を検出し、検出した前記基準信号を時間軸の基準として用いて、前記受光手段からの出力信号から、前記変調信号を復調する復調手段とを備えているので、
蛍光体を備えたLEDからの光を用いて通信を行う場合に、高速かつ良好な光通信を行なうことができる。
According to the present invention, on the transmission side, an LED provided with a phosphor, a modulation unit that modulates transmission data into a modulation signal, and a drive current of the LED at a constant period to the modulation signal from the modulation unit Driving means for driving the LED by adding an increased reference signal ,
The receiving side, a receiving means for receiving light from said LED, said detecting said reference signal from an output signal from the light receiving means, by using the reference signal detected as the reference time base, from the light receiving means Since it comprises demodulation means for demodulating the modulation signal from the output signal,
When communication is performed using light from an LED including a phosphor, high-speed and good optical communication can be performed.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
前述したように、励起された黄色光の立ち上がり時間,発色時間は、消光時間に比べて高速である。つまり、このことは、受信側において、光空間通信(光通信)の受信立ち上がり信号は高速に受信することが可能であることを示している。 As described above, the rise time and color development time of the excited yellow light are faster than the quenching time. That is, this indicates that the reception rising signal of optical space communication (optical communication) can be received at high speed on the receiving side.
本発明では、蛍光体タイプ白色LEDを用いた照明において光空間通信を行うために、送信側では、ある一定期間毎に所定の基準信号(例えばガイド信号パルス)を変調信号に挿入して蛍光体タイプ白色LEDを駆動する。そして、受信側では、蛍光体タイプ白色LEDからの光を受光手段で受光するとき、蛍光体の応答速度の性質を利用し、受光手段からの出力信号から、所定の基準信号の高速な立ち上がり時間のエッジを捉え、これを時間軸の基準として用いて、受光手段からの出力信号から、前記変調信号を復調する。これにより、受信側においては、光強度が低減していないことから、S/N比を低下させることなく、送信側からの変調信号を信頼性良く高速に復調することができ、高速かつ良好な光空間通信を行うことが可能となる。 In the present invention, in order to perform optical spatial communication in illumination using a phosphor type white LED, on the transmission side, a predetermined reference signal (for example, a guide signal pulse) is inserted into the modulation signal every certain period of time. Drive type white LED. On the receiving side, when the light from the phosphor type white LED is received by the light receiving means, the response speed of the phosphor is utilized, and the output signal from the light receiving means is used to quickly increase the predetermined reference signal. The modulated signal is demodulated from the output signal from the light receiving means using this as a reference for the time axis. As a result, since the light intensity is not reduced on the receiving side, the modulated signal from the transmitting side can be demodulated reliably and at high speed without reducing the S / N ratio. Optical space communication can be performed.
以下に、本発明を詳細に説明する。 The present invention is described in detail below.
LEDを利用した可視光通信において、LEDをデジタル変調する方式の1つにRZ(Return to Zero)方式がある。さらに、RZ方式には、送信するデータを符号化するいくつかの符号化方式がある(例えば、2値符号化やマンチェスター符号化などがある)。 In visible light communication using LEDs, there is an RZ (Return to Zero) method as one of methods for digitally modulating LEDs. Further, the RZ system includes several encoding systems that encode data to be transmitted (for example, binary encoding and Manchester encoding).
図10は2値符号化によるLEDの変調方法を説明するための図である。図10を参照すると、2値符号化によるLEDの変調方法では、送信するデジタルデータ、つまりデータが“0”の時はLEDを消灯させ、データが“1”の時にはLEDを点灯させる。 FIG. 10 is a diagram for explaining a method of modulating an LED by binary coding. Referring to FIG. 10, in the method of modulating an LED by binary encoding, the LED is turned off when digital data to be transmitted, that is, the data is “0”, and the LED is turned on when the data is “1”.
これに対して、図11はマンチェスター符号化によるLEDの変調方法を説明するための図である。図11を参照すると、マンチェスター符号化によるLEDの変調方法では、送信するデジタルデータに対して、データが“0”の時には、LEDを点灯から消灯へ、データが“1”の時には、LEDを消灯から点灯へと変化させる。 On the other hand, FIG. 11 is a diagram for explaining a method of modulating an LED by Manchester encoding. Referring to FIG. 11, in the LED modulation method by Manchester encoding, when digital data to be transmitted is “0”, the LED is turned off when it is “0”, and when the data is “1”, the LED is turned off. Change from to lighting.
照明として利用されているLEDに変調を行うことを考えた場合、前者の2値符号化よりも後者のマンチェスター符号化の方が有効だと考えられている。 When considering the modulation of an LED used as illumination, the latter Manchester encoding is considered to be more effective than the former binary encoding.
理由は、前者の2値符号化方式では、送信するデータの“0”と“1”の割合の不均等さによって、LEDの点灯している時間割合が変化して明滅が起きてしまう。 The reason is that in the former binary encoding method, the ratio of the time during which the LEDs are lit changes due to the non-uniformity of the ratio of “0” and “1” of the data to be transmitted, causing blinking.
これに対し、後者のマンチェスター方式では、LEDの点灯している時間の割合は、送信するデータの“0”と“1”の均等さに無関係で一定である。従って、前記2値符号化のような明滅が起こらず、照明としての機能に不具合を起こさない。 On the other hand, in the latter Manchester system, the ratio of the time during which the LED is lit is constant regardless of the equality between “0” and “1” of the data to be transmitted. Therefore, the blinking as in the binary encoding does not occur, and the function as the illumination does not occur.
そのため、照明光を用いた光通信において、LEDなどの光源を変調させる手法として、一般的にマンチェスター方式が有利とされている。 Therefore, in the optical communication using illumination light, the Manchester system is generally advantageous as a method for modulating a light source such as an LED.
図12には、マンチェスター方式で蛍光体タイプ白色LEDを高速に点滅変調させる場合における、蛍光体タイプ白色LEDを駆動する駆動波形(駆動信号,変調信号)が示されている。 FIG. 12 shows a drive waveform (drive signal, modulation signal) for driving the phosphor type white LED when the phosphor type white LED is blinked and modulated at high speed by the Manchester method.
また、図13(a)には、図12の駆動信号(変調信号)で高速点滅変調させた白色LEDの通信光(送信光)を、受光素子(例えばシリコンタイプのフォトダイオード)で受光した信号(受信信号)が示されている。 FIG. 13A shows a signal obtained by receiving the communication light (transmission light) of the white LED subjected to the high-speed blinking modulation with the drive signal (modulation signal) of FIG. 12 by a light receiving element (for example, a silicon type photodiode). (Received signal) is shown.
従来の光空間通信方法において、受光素子で受信した信号を復調するためには、適切な閾値電圧を設定する必要がある。図13の例では、閾値電圧はCのように設定されており、受信信号のレベルとこの閾値電圧Cとの大小を比較することによって、図13(b)に示すように、図12に示す通信データ(送信データ,LED駆動信号(送信デジタル信号))をデジタル信号(復調信号)に復調することが可能となる。図14は在来の受信回路(復調回路)の一例を示す図である。図14の例では、受光素子4に通信光が入射したときに流れる電流を電流ー電圧変換部11で電圧に変換し、アンプ12で増幅し、アンプ12からの電圧と所定の閾値電圧Cとをコンパレータ13で比較し、アンプ12からの電圧が閾値電圧Cよりも大きい時は“1”,小さい時は“0”のデジタル信号を復調信号として出力することができる。
In the conventional optical space communication method, in order to demodulate the signal received by the light receiving element, it is necessary to set an appropriate threshold voltage. In the example of FIG. 13, the threshold voltage is set as C. By comparing the level of the received signal with the threshold voltage C, as shown in FIG. 13B, the threshold voltage is shown in FIG. Communication data (transmission data, LED drive signal (transmission digital signal)) can be demodulated into a digital signal (demodulation signal). FIG. 14 is a diagram showing an example of a conventional receiving circuit (demodulating circuit). In the example of FIG. 14, the current that flows when communication light enters the
図13(a),(b)から、在来のマンチェスター方式では、Dに示す範囲に閾値電圧Cを設定しなければ、復調はできないことがわかる。また、Dに示す範囲内に閾値電圧Cを設定したとしても、復調したデジタル信号(復調信号)の波形は、図12の送信デジタル信号(LED駆動信号)の波形と比べて変形しており、良好な復調が困難であることがわかる。 13 (a) and 13 (b), it can be seen that in the conventional Manchester system, demodulation is not possible unless the threshold voltage C is set in the range indicated by D. Even if the threshold voltage C is set within the range indicated by D, the waveform of the demodulated digital signal (demodulated signal) is deformed compared to the waveform of the transmitted digital signal (LED drive signal) in FIG. It can be seen that good demodulation is difficult.
このことは、蛍光体タイプ白色LEDを用いた光空間通信において、在来のマンチェスター方式を用いる場合、良好な高速通信が困難であることを表している。 This indicates that it is difficult to perform good high-speed communication when using the conventional Manchester system in optical space communication using a phosphor type white LED.
図15は、本発明の通信装置の構成例を示す図である。本発明の通信装置は、蛍光体タイプ白色LEDを用いた光空間通信において、良好な高速通信を実現するため、図15に示すように、蛍光体を備えたLED1と、送信データを変調して変調信号にする変調手段2と、前記変調手段2からの変調信号に所定の基準信号を付加して前記LED1を駆動する駆動手段3と、前記LED1からの光を受光する受光手段4と、前記受光手段4からの出力信号から所定の基準信号を検出し、検出した所定の基準信号を時間軸の基準として用いて、前記受光手段4からの出力信号から、前記変調信号を復調する復調手段5とを備えていることを特徴としている。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a communication apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 15, the communication device of the present invention modulates the transmission data with the
ここで、蛍光体を備えたLED1と、送信データを変調して変調信号にする変調手段2と、復調に用いるための所定の基準信号を前記変調手段2からの変調信号に付加して前記LED1を駆動する駆動手段3とは、送信装置として構成されている。
Here, the
また、蛍光体を備えたLED1からの光を受光する受光手段4と、前記蛍光体を備えたLED1が、送信データを変調した変調信号に所定の基準信号が付加された信号によって駆動されるものであるとき、前記受光手段4からの出力信号から所定の基準信号を検出し、検出した所定の基準信号を時間軸の基準として用いて、前記受光手段4からの出力信号から、前記変調信号を復調する復調手段5とは、受信装置として構成されている。
The light receiving means 4 for receiving light from the
また、上記蛍光体を備えたLED1は、具体的には、例えば、青色LEDの周囲に黄色を発色する蛍光体が配置され、青色LEDからの青色光により前記蛍光体を励起し発光させて、青色光と蛍光体の黄色光との混色により白色光を得る蛍光体タイプ白色LEDである。
Further, the
また、駆動手段3は、より具体的には、ある一定期間毎に所定の基準信号(例えばガイド信号パルス)を変調信号に挿入してLED1を駆動するようになっている。
More specifically, the driving
また、上記復調手段5は、より具体的には、前記所定の基準信号に同期させて、所定の決められた時間間隔ごとに前記受光手段4からの出力信号の強弱を比較することによって、前記変調信号を復調するようになっている。
More specifically, the
また、復調手段5は、より具体的には、前記受光手段4からの出力信号から所定の基準信号を検出したとき、該所定の基準信号の立ち上がりエッジを時間軸の基準として用いるようになっている。 More specifically, the demodulating means 5 uses a rising edge of the predetermined reference signal as a time axis reference when detecting a predetermined reference signal from the output signal from the light receiving means 4. Yes.
また、受光手段4は、前記LED1からの白色光を直接受光する1つの受光手段により構成されたものとなっている。
The light receiving means 4 is constituted by one light receiving means for directly receiving white light from the
図16は本発明の通信装置のより具体的な構成例を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing a more specific configuration example of the communication apparatus of the present invention.
図16において、LED1には例えば照明光として利用される蛍光体タイプ白色LEDが用いられ、受光手段4には受光素子として例えばシリコン系フォトダイオードが用いられる。また、復調手段5は、所定の基準信号としてのガイド信号を検出するガイド信号検出部6と、ガイド信号検出部6で検出されたガイド信号を時間軸の基準として用いて、前記受光手段4からの出力信号から、前記変調信号を復調する復調部7とを有している。
In FIG. 16, for example, a phosphor type white LED used as illumination light is used for the
図17には、本発明において白色LED1を高速点滅変調させるためのLED駆動信号波形が示されている。
FIG. 17 shows an LED drive signal waveform for white-light modulation of the
本発明では、図17に示すように、ある決められた一定周期ごとに所定の基準信号(ガイド信号)を付加した変調信号を駆動信号として用いるようにしている。なお、図17の例においては、ある一定周期ごとに蛍光体タイプ白色LED1の駆動電流を増やすことによって、ガイド信号としている。
In the present invention, as shown in FIG. 17, a modulation signal to which a predetermined reference signal (guide signal) is added every predetermined fixed period is used as a drive signal. In the example of FIG. 17, a guide signal is obtained by increasing the drive current of the phosphor type
なお、ガイド信号の生成方法としては、一定期間の間、蛍光体タイプ白色LED1を消灯させて、受光素子4における受信信号の立ち上がりを明確にさせる方法もある。このとき、消灯させる一定期間の時間は、前記蛍光体タイプ白色LED1に使用されている蛍光体の消光時間以上であることが望ましく、一般的なYAG系蛍光体であれば、その消光時間は約60n(ナノ)秒である。
As a method for generating the guide signal, there is a method in which the phosphor type
図18(a)には、図17に示した駆動信号で高速点滅変調させた蛍光体タイプ白色LED1からの光(光空間通信光)を、受光素子(例えばシリコン系フォトダイオード)4で受光した受信信号の波形が示されている。
In FIG. 18A, the light (light space communication light) from the phosphor type
図18(a)に示すように、蛍光体タイプ白色LED1に使用されている例えばYAG系蛍光体の立ち上がり時間,発色時間は、消光時間に比べて非常に高速であるので、図18(a)に示す受信信号から所定の閾値電圧Eを越えた信号の立ち上がりエッジを検出することで、時間軸の基準となる所定の基準信号(ガイド信号)を抽出することが容易にできる。
As shown in FIG. 18 (a), for example, the rise time and color development time of the YAG phosphor used in the phosphor type
このようにして抽出されたガイド信号を時間的な基準として(より正確には、ガイド信号の立ち上がりエッジを時間的な基準として)、図18(b)に示すような仕方で受信信号を復調することにより、良好な復調を行うことが可能となる。 The received signal is demodulated in a manner as shown in FIG. 18B using the guide signal extracted in this way as a temporal reference (more precisely, using the rising edge of the guide signal as a temporal reference). This makes it possible to perform good demodulation.
この復調は、具体的には、図18(a),(b)に示すように、ガイド信号の立ち上がり時間を基準とし、ある決められた時間であるT1時間後に受信信号をサンプリングする。 Specifically, as shown in FIGS. 18A and 18B, the demodulation is performed by sampling the received signal after a predetermined time T1 with reference to the rising time of the guide signal.
その後は、変調周波数の逆数である、送信データの単位時間であるT2の時間ごとに受信信号をサンプリングする。このT2の時間は、変調速度の2分の1の時間に一致し、送信データ1ビットごとに2回サンプリングすることによって、良好な復調が可能となる。 After that, the received signal is sampled every time T2 which is the unit time of transmission data, which is the reciprocal of the modulation frequency. The time T2 coincides with a half of the modulation speed, and good demodulation is possible by sampling twice for each bit of transmission data.
具体的には、図18(a)に示すように、ガイド信号を受信してから(ガイド信号の立ち上がりエッジを検出してから)T1時間後に最初に受信信号をサンプリングした値をS1とし、次のT2時間後に受信信号をサンプリングした値をS2、n番目に受信信号をサンプリングした値をSnとする。 Specifically, as shown in FIG. 18A, a value obtained by first sampling the received signal after T1 time after receiving the guide signal (after detecting the rising edge of the guide signal) is set as S1. A value obtained by sampling the received signal after T2 time is S2, and a value obtained by sampling the received signal nth is Sn.
このとき、受信信号を受信データに復調するために、n≧1とするとき、(2n−1)番目の値S(2n−1)と(2n)番目の値S(2n)とを比較し、S(2n−1)>S(2n)の場合には、受信データのn番目のデータを“0”にし、S(2n−1)<S(2n)の場合には、受信データのn番目のデータを“1”にする。 At this time, in order to demodulate the received signal into received data, when n ≧ 1, the (2n−1) th value S (2n−1) and the (2n) th value S (2n) are compared. , S (2n−1)> S (2n), the nth data of the received data is set to “0”, and if S (2n−1) <S (2n), the nth data of the received data The first data is set to “1”.
このように、本発明では、所定の基準信号(ガイド信号)を時間軸の基準とし、該ガイド信号に同期させて、あらかじめ決められた時間単位で受信信号をS1,S2,S3,・・・のようにサンプリングし、上述の仕方で受信データ(復調信号)に復調することによって、簡易にかつ良好に受信データ(復調信号)への復調を行なうことが可能となる。 As described above, in the present invention, a predetermined reference signal (guide signal) is used as a time axis reference, and the received signal is synchronized with the guide signal in units of predetermined time S1, S2, S3,. By sampling as described above and demodulating the received data (demodulated signal) in the manner described above, it is possible to easily and satisfactorily demodulate the received data (demodulated signal).
図19は図16に示した通信装置の受信回路(受光手段4,復調手段5)の具体例を示す図である。なお、図19において、図14と同様の箇所には同じ符号を付している。また、図19において、コンパレータ23がガイド信号検出部6としての機能を有し、カウンタ24,25,サンプルホールド回路26,27,コンパレータ28が復調部7としての機能を有している。図19の例では、受光素子4に通信光が入射したときに流れる電流を電流ー電圧変換部11で電圧に変換し、アンプ12で増幅し、アンプ12からの電圧と所定の閾値電圧Eとをコンパレータ23で比較し、アンプ12からの電圧(受信信号)が閾値電圧Eよりも大きくなったときに所定の基準信号(ガイド信号)として抽出することができる。そして、カウンタ24,25では、交互に時間間隔T2を計数する。なお、カウンタ24では、当初、時間T1も計数する。そして、所定の基準信号(ガイド信号)から時間T1を経過後、カウンタ24,25で交互に計数される時間間隔T2ごとに、アンプ12からの電圧(受信信号)をサンプルホールド回路26,27でそれぞれサンプリングし、コンパレータ28でサンプルホールド回路26,27からの出力S(2n−1),S(2n)の大小を比較し、“1”または“0”のデジタル信号を復調信号として出力することができる。
FIG. 19 is a diagram showing a specific example of the receiving circuit (light receiving means 4, demodulating means 5) of the communication apparatus shown in FIG. In FIG. 19, the same parts as those in FIG. In FIG. 19, the
また、図20は図16に示した通信装置の受信回路(受光手段4,復調手段5)の他の具体例を示す図であり、図20の例では、復調手段5の復調部7にMPU(CPU)30を使用したものとなっている。図21には、図20のMPU30を使用した復調部7の処理のフローチャートが示されている。図21を参照すると、MPU30は、ガイド信号を受信すると(ステップS1)、時間T1を計時し(ステップS2)、サンプリング回数nを“1”に初期設定する(ステップS3)。
20 is a diagram showing another specific example of the receiving circuit (light receiving means 4, demodulating means 5) of the communication apparatus shown in FIG. 16. In the example of FIG. (CPU) 30 is used. FIG. 21 shows a flowchart of processing of the
そして、受信信号をサンプリングしてS(2n−1)とする(ステップS4)。次いで、時間T2を計時し(ステップS5)、受信信号をサンプリングしてS(2n)とする(ステップS6)。そして、S(2n−1)とS(2n)とを比較し(ステップS7)、S(2n−1)がS(2n)よりも大きい時には受信信号を“0”として出力し(ステップS8)、S(2n−1)がS(2n)よりも小さい時には受信信号を“1”として出力する(ステップS9)。 The received signal is sampled to S (2n-1) (step S4). Next, the time T2 is measured (step S5), and the received signal is sampled and set to S (2n) (step S6). Then, S (2n-1) and S (2n) are compared (step S7), and when S (2n-1) is larger than S (2n), the received signal is output as "0" (step S8). , S (2n−1) is smaller than S (2n), the received signal is output as “1” (step S9).
次いで、受信データが終了したか否かを判断し(ステップS10)、受信データが終了していないときには、nを“1”だけインクリメントし(ステップS11)、さらに、時間T2を計時して(ステップS12)、再びステップS4に戻り、ステップS4〜S10の処理を繰り返し行なう。このようにして、図18に示したような復調処理を行なうことができる。
Next, it is determined whether or not the received data has ended (step S10). If the received data has not ended, n is incremented by “1” (step S11), and the time T2 is counted (step S11). S12) Returning to step S4 again, the processes of steps S4 to S10 are repeated. In this way, demodulation processing as shown in FIG. 18 can be performed.
1 蛍光体を備えたLED
2 変調手段
3 駆動手段
4 受光手段
5 復調手段
6 ガイド信号検出部
7 復調部
1 LED with phosphor
2 Modulating means 3 Driving means 4 Light receiving means 5 Demodulating means 6 Guide
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