JP5161176B2 - 可視光通信用送信機及び可視光通信システム - Google Patents

可視光通信用送信機及び可視光通信システム Download PDF

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Description

本発明は，可視光を用いて信号を伝送する可視光通信用送信機及び可視光通信システムに関し、例えば、蛍光体の発光を含む白色発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、白色ＬＥＤという）を使用する通信に好適な可視光通信用送信機及び可視光通信システムに関する。
近年、白色ＬＥＤの開発が盛んに行われ、照明，車載用ランプ，液晶バックライト等多岐に亘る。この白色ＬＥＤは、例えば蛍光灯などの白色光源と比較して、オン／オフの切り替え応答速度が非常に速いといった特徴を持っている。そこで、データ伝送媒体としてＬＥＤによる白色光を用い、白色ＬＥＤの照明光にデータ伝送機能を持たせる可視光通信システムが提案されている（下記特許文献１参照）。すなわち、白色ＬＥＤの発光強度を送信データに応じて変調し、受信側ではその光の強弱をフォトダイオード（Photo Diode：以下、ＰＤという）などの光電変換器により電気信号に変換することで、データ伝送を実現する。
ところで、白色ＬＥＤは，例えば下記非特許文献１にあるように、発光方式により主に３種類に分類することができる。
(1) 青色光励起型白色ＬＥＤ：青色ＬＥＤと、主に黄色を発光する蛍光体を組み合わせたものである。青色ＬＥＤの周囲にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系に代表されるような蛍光体を配置し、一つのパッケージに納めた構造となっている。この方式では、中心に配置された青色ＬＥＤから出力された青色光によって周囲の蛍光体が励起され、この蛍光体から主に青色と補色関係のある光（主に黄色）が出力される。この蛍光体による黄色蛍光と、前記青色ＬＥＤによる青色光とを混色することで、擬似的に白色光を得ている。
このような青色光励起型白色ＬＥＤの長所としては、(1)他の方式と比較してエネルギー利用効率が高く、高い照度が得易いこと、(2)構成が簡便なため安価に作製が可能であることが挙げられる。一方、短所としては、演色性が悪いことが挙げられる。この演色性とは、照明による物体の色の見え方の特性を指し、色が自然光で見た場合に近いほど演色性がよいという。
(2) 紫外光励起型白色ＬＥＤ：紫外ＬＥＤとＲ，Ｇ，Ｂ（赤，緑，青）の３原色を発光する蛍光体を組み合わせたものである。紫外光ＬＥＤの周囲にＲ，Ｇ，Ｂの３原色を発光する蛍光体をそれぞれ配置し、一つのパッケージに納めた構造となっている。この方式では、中心に配置された紫外光ＬＥＤから出力された紫外光によって周囲の蛍光体が励起され、これらの蛍光体からＲ，Ｇ，Ｂの３原色の光がそれぞれ出力される。これらのＲ，Ｇ，Ｂの光を混色することで白色光を得ている。
このような紫外光励起型白色ＬＥＤの長所としては、上述した演色性が良好であることが挙げられる。一方、短所としては、(1)前記青色光励起型白色ＬＥＤと比較してエネルギーの利用効率が低く、高い照度が得られにくいこと，(2)紫外発光であるため、ＬＥＤの駆動電圧が高いこと，が挙げられる。
(3) ３色発光型白色ＬＥＤ：Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤを組み合わせたものである。赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ，青色ＬＥＤの３種類のＬＥＤを一つのパッケージに収めた構造となっている。この方式は、３原色であるそれぞれのＬＥＤを同時に発光させることで、白色光が得られる。
このような３色発光型白色ＬＥＤの長所としては、前記紫外光励起型白色ＬＥＤと同様に演色性が良いことが挙げられる。一方、短所としては、３種類のＬＥＤを一つのパッケージに実装することになるので、他の方式と比較して高価となってしまうこと，が挙げられる。
従来の白色ＬＥＤを用いた光通信装置としては、図１３(A)に示すものがあり、送信データが送信機９００の駆動部９０２に供給されると、対応する駆動電流が白色ＬＥＤ９０４に出力され、白色ＬＥＤ９０４が送信データに対応して発光する。例えば、ＯＯＫ（On-Off Keying）などの変調方式で変調されて、白色ＬＥＤ９０４が点滅する。白色ＬＥＤ９０４から出力された光信号は、受信機９１０のＰＤ９１２に入射し、電気信号に変換されてトランスインピーダンスアンプ（電流電圧変換アンプ）９１４で電圧信号に変換される。この電圧信号は、イコライザ９１６による所望の等化処理の後、リミッティングアンプ９１８で２値化され、受信データとして出力される。
ところで、前記白色ＬＥＤ９０４として、青色光励起型白色ＬＥＤを用いた場合、蛍光体から出力される光の応答速度が低速であるため、高々数Ｍｂｐｓ程度の伝送速度しか得られない（下記非特許文献２参照）。そこで、光電変換器の前に青色のみ透過するＬＥＤ光透過カラーフィルタを設け、蛍光体から出力された応答速度の遅い光成分をこのカラーフィルタで除去することにより、高速化を図る方法が提案されている（下記特許文献１参照）。図１３(B)には、この場合の装置構成が示されており、受信機９２０のＰＤ９１２の光入射側に青色カラーフィルタ９２２を配置した構成となっている。この青色カラーフィルタ９２２によって、光信号中の応答速度の遅い蛍光体から発光される光が除去される。これにより、ＰＤ９１２には青色ＬＥＤの光のみが入射することになり、結果として前記構成より速いデータ伝送を行うことができる。しかし、この方法を用いても、高々数１０Ｍｂｐｓ程度の伝送速度しか得られない。
また、白色ＬＥＤ９０４として、上述した紫外光励起型白色ＬＥＤを用いた場合は、前記青色光励起型白色ＬＥＤを用いた場合と同様の理由により、伝送速度は数Ｍｂｐｓ程度となってしまう。加えて、ＬＥＤの駆動電圧が高くなることから、駆動回路の構成も難しくなる。なお、蛍光体材料の改良により蛍光体から発光される光の応答速度の向上を図るといった方法もあるが、所望の照度が得られないことや、蛍光体材料自体のコストが高くなるといった不都合がある。
更に、白色ＬＥＤ９０４として、上述した３色発光型白色ＬＥＤを用いた場合は、前記方式と比較して蛍光体発光成分もなく、各ＬＥＤが異なる信号を搬送するといった波長多重化を行ってデータ伝送することも可能となり、高速化が可能である（下記特許文献２参照）。しかし、複数のＬＥＤを用いるため、コストが高くなってしまう。
以上のような点からすると、汎用でコスト的に有利な青色光励起型白色ＬＥＤを用いて、かつ、高速伝送を行なうことができれば、非常に好都合となる。このような観点から改良を加えたものとして、下記特許文献３に開示された「光通信用送信機等」がある。図１３(C)にその概略が示されており、送信機９３０にピーキング回路９３２を設けた構成となっている。これにより、高速変調を行うのに最適な駆動電流波形の生成と調整を行うことで、太陽光や蛍光灯の光が存在する空間においても、高速伝送に適した光信号が送信機から出力されるようになる。
特許第３４６５０１７号公報 特開２００２−２９０３３５公報 特開２００７−４３５９２公報
シーエムシー出版，「白色ＬＥＤ照明システム技術の応用と将来展望」 信学技報 ICD2005-44，Vol.105，No.184，25-30p，「可視光通信用ＬＥＤドライバーの試作と可視光ＬＥＤの応答性能の評価」
しかしながら、上述した特許文献３記載の従来技術では、アナログピーキング回路を使用しているため、ＬＥＤの定格電流を超えた過電流が流れて、ＬＥＤ素子が破壊される恐れがある。また、抵抗やコンデンサ等の受動部品を使用しているため、伝送速度が速い場合、または、青色カラーフィルタを使用しない場合において、最適な駆動条件を得るための調整が難しい。
本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、汎用でコスト的に有利な青色光励起型白色ＬＥＤを用い、素子破壊を防止しつつ、十分な伝送速度の可視光データ通信を行なうことである。他の目的は、前記目的に加えて、受信側で青色カラーフィルタを用いることなく、十分な伝送速度の可視光データ通信を行なうことである。
前記目的を達成するため、本発明の可視光通信用送信機は、送信データに基づいて生成された駆動電流信号に基づいて青色光励起型白色ＬＥＤを駆動し、可視光信号を受信機に対して出力する可視光通信用送信機であって、前記送信データの立ち上がり時に立ち上がり階調信号パルスを付加するとともに、前記送信データの立ち下がり時に立ち下がり階調信号パルスを付加して、多階調の駆動電流信号を生成する多階調駆動手段，を備え、前記立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスのパルス幅を、前記送信データの最小パルス幅の１／２としたことを特徴とする。
本発明の可視光通信システムは、前記可視光通信用送信機と、該可視光通信用送信機から出力された多階調の光信号を、青色光励起型白色ＬＥＤの蛍光体から出力された光も含めて受光して電気信号に変換し、受信データを出力する可視光通信用受信機と、を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスの電流の値に対して、１／３以下としたことを特徴とする。
他の可視光通信システムは、前記可視光通信用送信機と、該可視光通信用送信機から出力された多階調の光信号を、青色光励起型白色ＬＥＤの蛍光体から出力された光を除去するフィルタ手段を介して受光して電気信号に変換し、受信データを出力する可視光通信用受信機と、を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスの電流の値に対して、５／４以下としたことを特徴とする。
他の形態の一つは、変調符号器を前記可視光通信用送信機に設けるとともに、前記変調符号器で変調された変調符号を復号する変調復号器を前記可視光通信用受信機に設けたことを特徴とする。更に別の形態は、前記変調符号として、８Ｂ１０Ｂを用いたことを特徴とする。あるいは、前記変調符号として、ＤＣフリーであり、かつ、符号化率を２/３，最小ランを１としたRun Length Limited符号を用いるとともに、ＮＲＺＩ変調を行うことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、送信データの立ち上がり時及び立ち下がり時にそれぞれ階調信号パルスを付加した多階調の駆動電流信号によって白色ＬＥＤを駆動するとともに、立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスの幅を、前記送信データの最小パルス幅の１／２としたので、汎用でコスト的に有利な青色光励起型白色ＬＥＤを用い、素子破壊を防止し、かつ，調整が容易なシステム構成によって十分な伝送速度の可視光データ通信を行なうことができる。
本発明の実施例１の装置構成を示す回路ブロック図である。 前記実施例における青色光励起型白色ＬＥＤの発光スペクトルの一例を示すグラフである。 前記実施例の主要部の信号波形を示すタイムチャートである。 前記実施例における主要部の回路構成の一例を示す回路図である。 前記実施例におけるアイパターンの一例を示すグラフである。(A)はエラーフリー時，(B)はエラー発生時を示す。 本発明の実施例２の装置構成を示す回路ブロック図である。 前記実施例におけるカラーフィルタの透過特性の一例を示すグラフである。 前記実施例におけるアイパターンの一例を示すグラフである。(A)はエラーフリー時，(B)はエラー発生時を示す。 本発明の実施例３の装置構成を示す回路ブロック図である。 前記実施例におけるアイパターンの一例を示すグラフである。(A)は変調符号８Ｂ１０Ｂの場合，(B)は変調符号１７ＰＰの場合である。 本発明の実施例４の装置構成を示す回路ブロック図である。 前記実施例におけるアイパターンの一例を示すグラフである。(A)は変調符号８Ｂ１０Ｂの場合，(B)は変調符号１７ＰＰの場合である。 従来の可視光通信システムを示す回路ブロック図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図１〜図５を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。図１には、実施例１の回路構成が示されている。同図において、送信側から説明すると、伝送対象の送信データは、送信機１００の駆動波形生成部１１０に入力されている。駆動波形生成部１１０の出力側は、多階調駆動部１２０を介して、青色光励起型白色ＬＥＤ１４０に接続されている。なお、青色光励起型白色ＬＥＤ１４０としては、例えば、ピーク波長範囲が４４０〜４７０ｎｍのものを使用する。図２には、青色光励起型白色ＬＥＤ１４０の発光スペクトルの一例が示されており、横軸は波長（ｎｍ），縦軸は相対発光強度（a.u.）である。同図の例は、波長４４０ｎｍ付近にピークがある。なお、５５０ｎｍ付近の低いピークは、緑色から黄色にかけての蛍光体による発光成分である。
一方、受信側は、上述した背景技術と同様であり、送信機１００から出力された光信号は、汎用のＳｉによるＰＩＮフォトダイオードなどによって構成されたＰＤ２１０に入射するようになっている。受信機２００のＰＤ２１０の電気信号出力側は、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ２１２，等化処理を行なうイコライザ２１４を介して、２値化処理を行なうリミッティングアンプ２１６の入力側に接続されている。このリミッティングアンプ２１６の出力側から受信データが出力されるようになっている。本実施例における伝送方式（変調方式）はベースバンド方式のＯＯＫ（on-off-keying）を前提とし、伝送速度は５０〜１２５Mbpsである。
以上の各部のうち、送信機１００の駆動波形生成部１１０と多階調駆動部１２０は、図３(A)に示す送信データ信号から、同図(B)に示すような駆動電流波形を得るための回路である。すなわち、同図(C)〜(F)に示す信号が合成されて同図(B)に示す波形の駆動電流が得られる。詳述すると、駆動波形成生成部１１０は、例えば、送信データパルスに同期したクロック及び逓倍クロックを生成するＰＬＬ，エッジパルス検出器，ワンショットマルチバイブレータ（図示せず）によるデジタル回路によって構成されており、図３(A)の送信データに基づいて、同図(C)〜(F)に示す多値（ここでは４値）の階調波形を生成する機能を備えている。多階調駆動部１２０は、ＯＲ回路によって構成されており、駆動波形生成部１１０から出力された図３(C)〜(F)の信号を合成して同図(B)に示す波形の駆動電流を出力する機能を備えている。
図４には、前記駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１２０の主要部の一例が示されている。同図に示すように、ＯＰアンプ，トランジスタ，スイッチ，抵抗による階調波形生成回路１１２Ａ〜１１２Ｄが設けられており、図３(C)〜(F)に示す階調信号ＳＡ〜ＳＤがそれぞれ出力されるようになっている。階調信号のパルス高さＨＡ〜ＨＤは、ＯＰアンプのプラス入力Ｖin1〜Ｖin4の電圧ＶHA〜ＶHDによって設定されており、立ち上がり及び立ち下がりのタイミングは、スイッチの制御端子ＥＮ1〜ＥＮ4に印加される制御信号ＫWA〜ＫWDによって設定されている。例えば、階調波形生成回路１１２Ａに着目すると、制御信号ＫWAは、図３(A)の送信データの立ち上がりタイミングで立ち上がり、パルス幅ＷＡに相当する一定時間経過後に立ち下がる。このため、その期間スイッチがＯＮとなり、電圧ＶHAが階調信号ＳＡとして出力される。他の階調波形生成回路１１２Ｂ〜１１２Ｄについても同様であり、それぞれ多階調信号ＳＢ〜ＳＤが出力される。
なお、制御信号ＫWA〜ＫWDは、送信データの論理値から決定される４ビットのデジタル信号と考えることができる。例えば、送信データが論理値のＬからＨとなるタイミング（立ち上がりタイミング）で「ＫWA，ＫWB，ＫWC，ＫWD」＝「１，１，１，１」，立ち上がりタイミングから階調信号ＳＡのパルス幅ＷＡに相当する時間の経過後に「０，１，１，１」，送信データが論理値のＨからＬとなるタイミング（立ち下がりタイミング）で「０，０，０，１」，立ち下がりタイミングから階調信号ＳＣのパルス幅ＷＣに相当する時間の経過後に「０，０，１，１」となる。
階調波形生成回路１１２Ａ〜１１２Ｄから出力された階調信号ＳＡ〜ＳＤは、ワイヤードＯＲ回路によって加算され、カレントミラー回路１１４を介して青色光励起型白色ＬＥＤ１４０に供給されるようになっている。
次に、図３に示す階調信号パルスＳＡ〜ＳＤについて説明する。まず、送信データの立ち上がり時に生成される立ち上がりパルスＳＡのパルス幅ＷＡは、送信データの立ち上がりタイミングから送信データの最小パルス幅の１／２のパルス幅となっている。同様に、送信データの立ち下がり時に生成される階調信号ＳＣのパルス幅ＷＣは、送信データの立ち下がりタイミングから送信データの最小パルス幅の１／２のパルス幅となっている。データパルスＳＢのパルス幅ＷＢは、送信データと同じパルス幅となっている。プリバイアス電流ＳＤの電流値ＨＤは、送信データによらず一定となっている。
一方、パルス高さ（電流の大きさ）については、各パルスの総和ＨＡ＋ＨＢ＋ＨＣ＋ＨＤが、駆動対象のＬＥＤの定格電流値の条件もしくは駆動回路の駆動電流値上限によって制限を受ける。本実施例では、５０Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現する場合、データパルスＳＢの高さは、立ち上がりパルスＳＡの高さＨＡ及び立ち下がりパルスＳＣの高さＨＣに対して１／３以下に設定されている。このように設定することで、符号間干渉を抑制でき、ビットエラーレートを低くすることができる。
多階調駆動部１２０は、ｎｓオーダーで電流駆動可能な回路であり、青色励起型白色ＬＥＤ１４０の駆動に必要な順方向バイアス電圧（３．６Ｖ程度）より大きなバイアス電圧が出力可能となっている。
前記青色光励起型白色ＬＥＤ１４０としては、例えば、定格電流５００ｍＡ（パルス駆動時）の汎用の白色ＬＥＤを使用する。これを下記表１に示す駆動電流の設定条件で駆動する。例えば「設定２」の条件では、以下の通りとなる。
(1)立ち上がりパルスＳＡの電流値ＨＡ：７５．９ｍＡ
(2)データパルスＳＢの電流値ＨＢ：６．３ｍＡ
(3)立ち下がりパルスＳＣの電流値ＨＣ：７６．５ｍＡ
(4)プリバイアス電流値ＨＤ：５．２ｍＡ
次に、以上のように構成された本実施例の動作を説明する。送信機１００の駆動波形生成部１１０には、例えば、図３(A)に示すような送信データが入力される。すると、駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１２０では、図３(B)に示す多階調駆動信号が生成され、これが青色励起型白色ＬＥＤ１４０に供給されて発光する。青色励起型白色ＬＥＤ１４０から出力された光信号は、レンズ等（図示せず）によって集光されて受信機２００のＰＤ２１０に入射する。受光した光信号は、ＰＤ２１０で電流信号に変換され、トランスインピーダンスアンプ２１２で電流信号から電圧信号に変換される。電圧に変換された信号は、イコライザ２１４で所望の等化処理がなされた後、リミッティングアンプ２１６によって二値化され、出力データが得られる。なお、本実施例においては、受信機の変調光に対する受信帯域が送信信号に対して十分な帯域となっており、受信に必要な帯域内での周波数特性が平坦である受信機を使用した。
本実施例について試作した可視光通信システムを用いて行なったデータの送受信実験について説明する。データの伝送速度は５０Ｍｂｐｓ，７５Ｍｂｐｓ，１００Ｍｂｐｓ，１２５Ｍｂｐｓの４通りとし、前記表１に示した各駆動設定条件にてビットエラーレートを測定した結果を以下の表２に示す。なお、送信データは擬似ランダムパターン（ＰＲＢＳ）２７−１を使用し、送信データ数は１０１1ビットとした。
例えば、表２のうち、最上段の伝送速度を５０Ｍｂｐｓとしたときに着目すると、「設定１」から「設定７」までの条件においてエラーフリーもしくはエラーレートが十分に低い値となっており、実用上問題なくデータが伝送できていると考えられる。そして、それらのうち、「設定１」から「設定６」の条件においては、前記表１に示すように、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab（＝ＨＢ／ＨＡ）と、立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcb（ＨＢ／ＨＣ）が、いずれも１／３以下の値となっている。また、「設定７」の条件においては、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒabと立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbは、それぞれ０．２８と０．３５になっている。これらの点からすると、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab及び立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbが、少なくとも１／３以下であれば、５０Ｍｂｐｓのデータ伝送を良好に行うことができることになる。
更に、前記表２の結果によれば、伝送速度７５Ｍｂｐｓ以上のデータ伝送時においても、エラーフリーもしくはエラーレートが十分に低い値となる駆動電流設定値は、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab及び立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbが１／３以下となっている。
次に、前記表２の「設定４」及び「設定８」の駆動条件下であって、かつ、５０Ｍｂｐｓ伝送時のアイパターンを観測した。その結果は、図５に示すようになった。同図中、(A)は、エラーフリーである「設定４」の駆動条件下のアイパターンであり、(B)はエラーが発生している「設定８」の駆動条件下のアイパターンである。これらの図に示すように、(A)のエラーフリーの場合には良好なアイパターンが得られている。しかし、(B)のビットエラーレートが３．０×１０−３と悪化している場合には、良好なアイパターンが得られておらず、符号間干渉の発生によってビットエラーレートが悪化していることが分かる。
以上のように、本実施例によれば、次のような効果がある。
(1)白色ＬＥＤを多階調駆動することとしたので、デジタル的にパルス高さなどを良好かつ簡便に調整することができ、アナログ構成によるピーキング回路のような白色ＬＥＤの定格電流を超えた過電流が流れて素子が破壊される恐れがない。
(2)多階調駆動を行う場合、パルス幅の最小分解能が小さいほど調整は容易となるが、その分、データクロックの（送信データの最小パルス幅／駆動最小パルス幅）倍のクロックが必要となる。これに対し、本実施例によれば、立ち上がりパルスＳＡ及び立ち下がりパルスＳＣのパルス幅ＷＡ，ＷＣを送信データの最小パルス幅の１／２としているため、多階調駆動電流波形の生成に使用するクロックが送信データクロックの２倍の周波数でよく、実装が容易で、コスト面で優位である。
(3)受信側で青色カラーフィルタを使用しないため、部品点数が減り、コスト面で優位である。
(4)光メディアシステムに使用されている汎用の多階調駆動型ＬＤドライバＩＣを使用することができ、安価に構成することができる。
(5)立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab及び立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbを１／３以下とすることで、データ伝送を良好に行うことができる。
次に、図６〜図８を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。なお、上述した実施例１と対応する構成要素には同一の符号を用いることとする。図６には、実施例２の回路構成が示されており、上述した実施例１と比較して、受信機２５０の光入射側にカラーフィルタ２５２を追加した構成となっている。他の構成は、上述した実施例１と同様である。従って、図３に示した信号波形や図４の回路構成も、前記実施例１と同様である。
カラーフィルタ２５２の光透過特性の一例を示すと、図７のようになる。同図中、横軸は波長（ｎｍ），縦軸は透過率（％）である。同図に示すように、５００ｎｍ〜７５０ｎｍ付近の波長の光の透過率が低い特性となっている。一方、送信機１００の青色光励起型白色ＬＥＤ１４０の発光スペクトルは図２に示したとおりである。両者を比較すれば、５５０ｎｍ付近の緑色から黄色にかけての蛍光体による発光成分がカラーフィルタ２５２によってカットされることが分かる。
本実施例においても、パルス高さ（電流の大きさ）については、各パルスの総和ＨＡ＋ＨＢ＋ＨＣ＋ＨＤは、駆動対象のＬＥＤの定格電流値の条件もしくは駆動回路の駆動電流値上限によって制限を受ける。しかし、本実施例では、５０Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を実現する場合、データパルスＳＢの高さは、立ち上がりパルスＳＡの高さＨＡ及び立ち下がりパルスＳＣの高さＨＣに対して５／４以下に設定されている。このように設定することで、符号間干渉を抑制でき、ビットエラーレートを低くすることができる。
加えて、上述した実施例１では、表１の条件で青色光励起型白色ＬＥＤ１４０を駆動したが、本実施例では、表３に示す駆動電流の設定条件で、青色光励起型白色ＬＥＤ１４０が駆動される。例えば表３の「設定４」の条件では、以下の通りとなる。
(1)立ち上がりパルスＳＡの電流値ＨＡ：６８．９ｍＡ
(2)データパルスＳＢの電流値ＨＢ：１２．４ｍＡ
(3)立ち下がりパルスＳＣの電流値ＨＣ：６４．３ｍＡ
(4)プリバイアス電流値ＨＤ：５．２ｍＡ
次に、以上のように構成された本実施例の動作を説明する。送信機１００の駆動波形生成部１１０には、例えば、図３(A)に示すような送信データが入力される。すると、駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１２０では、図３(B)に示す多階調駆動信号が生成され、これが青色励起型白色ＬＥＤ１４０に供給されて発光する。以上の動作は、上述した実施例１と同様である。
青色励起型白色ＬＥＤ１４０から出力された光信号は、受信機２５０のカラーフィルタ２５２に入射する。これにより、青色励起型白色ＬＥＤ１４０から出力された光のうち、蛍光体から出力された光の大半が濾過される。カラーフィルタ２５２を透過した光は、レンズ等（図示せず）によって集光されてＰＤ２１０に入射する。受光した光信号は、ＰＤ２１０で電流信号に変換され、トランスインピーダンスアンプ２１２で電流信号から電圧信号に変換される。そして、電圧に変換された信号は、イコライザ２１４で所望の等化処理がなされた後、リミッティングアンプ２１６によって二値化され、出力データが得られる。本実施例にいても、受信機の変調光に対する受信帯域は、送信信号に対して十分な帯域となっており、受信に必要な帯域内での周波数特性が平坦である受信機を使用した。
次に、本実施例について試作した可視光通信システムを用いて行なったデータの送受信実験について説明する。データの伝送速度は５０Ｍｂｐｓ，７５Ｍｂｐｓ，１００Ｍｂｐｓ，１２５Ｍｂｐｓの４通りとし、前記表３に示した各駆動設定条件にてビットエラーレートを測定した結果を以下の表４に示す。なお、送信データはＰＲＢＳ２７−１を使用し、送信データ数は１０１1ビットとした。
例えば、表４のうち、最上段の伝送速度を５０Ｍｂｐｓとしたときに着目すると、「設定１」から「設定１１」までの条件においてエラーフリーもしくはエラーレートが十分に低い値となっており、実用上問題なくデータが伝送できていると考えられる。そして、それらのうち、「設定２」から「設定１０」の条件においては、前記表３に示すように、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab（＝ＨＢ／ＨＡ）と、立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcb（ＨＢ／ＨＣ）が、いずれも５／４以下の値となっている。また、「設定１１」の条件においては、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒabと立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbは、それぞれ１．２３と０．９８になっている。これらの点からすると、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab及び立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbが、少なくとも５／４以下であれば、５０Ｍｂｐｓのデータ伝送を良好に行うことができることになる。
更に、前記表４の結果によれば、伝送速度７５Ｍｂｐｓ以上のデータ伝送時においても、エラーフリーもしくはエラーレートが十分に低い値となる駆動電流設定値は、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab及び立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbが５／４以下となっている。
次に、前記表４の「設定７」及び「設定１３」の駆動条件下であって、かつ、５０Ｍｂｐｓ伝送時のアイパターンを観測した。その結果は、図８に示すようになった。同図中、(A)は、エラーフリーである「設定７」の駆動条件下のアイパターンであり、(B)はエラーが発生している「設定１３」の駆動条件下のアイパターンである。こられの図に示すように、(A)のエラーフリーの場合には良好なアイパターンが得られている。しかし、(B)のビットエラーレートが３．８×１０−３と悪化している場合には、良好なアイパターンが得られておらず、符号間干渉の発生によってビットエラーレートが悪化していることが分かる。
以上のように、本実施例によれば、カラーフィルタによる光量の多少の低下はあるものの、青色光励起型白色ＬＥＤ１４０の発光スペクトルのうち、蛍光体による発光成分をカラーフィルタ２５２によってカットすることとしたので、立ち上がりパルスや立ち下がりパルスを小さくしても、良好なデータ伝送を行なうことができる。具体的には、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒab及び立ち下がりパルス電流値ＨＣに対するデータパルス電流値ＨＢの比率Ｒcbを５／４以下とすることで、データ伝送を良好に行うことができる。
次に、図９及び図１０を参照しながら、本発明の実施例３について説明する。図９には、本実施例の回路構成が示されている。同図に示すように、本実施例の回路構成は、上述した図１の実施例１の回路構成に対して、送信機３００では駆動波形生成部１１０の入力側に変調符号器３０２を追加し、受信機３１０ではリミッティングアンプ２１６の出力側に変調復号器３１２を追加した構成となっている。
変調符号器３０２で使用する変調符号としては、
(1)ＮＲＺ符号（Non Return to Zero）
(2)マンチェスター符号（例えば、特開平７−１８３８４９号公報参照）
(3)８Ｂ１０Ｂ（例えば、米国特許第４，４８６，７３９号公報参照）
(4)１７ＰＰ（例えば、特許３９８５１７３号公報参照）
がある。
表５には、前記変調符号と諸数値の関係が示されている。なお、同表中の変調帯域上限周波数の値は、一般的な経験則から、（１／最小パルス幅）×０．７として計算している。
本実施例では、変調符号器３０２に使用する変調符号として、８Ｂ１０Ｂと１７ＰＰを使用する。これらの符号を使用する理由は、
(1)いずれも、ＤＣフリーの符号である。このため、受信側におけるクロック再生が容易で、かつ、キャリアに可視光を用いた際に問題となりうる不要なチラツキを抑制することができる。更に、受信回路上で直流成分を除去できるため、変調されていない外乱光（太陽光）などの影響を抑制することができる。
(2)例えば、マンチェスター符号と比較した場合に、前記表５に示す通り、伝送速度に対して必要とする最小パルスの幅が広くなる。このため、必要とする変調帯域上限周波数を低くすることができる。
変調符号８Ｂ１０Ｂは、８bitのデータを１０ビットのデータに変換する符号化方式である。５ビット以上の論理値"１"又は"０"が連続しないため、データからクロックを取り出すことが可能であり、データとクロックを同じ配線で伝送することができる。一方、変調符号１７ＰＰは、一般的に（１，７）ＲＬＬ符号に分類される符号である。ＲＬＬ（Run Length Limited）符号とは、ビット１で伝送矩形波を反転させるＮＲＺＩ（NonReturn to Zero Inverted）変調を前提としたとき、ＮＲＺＩ変調前の符号系列における論理値"１"と"１"の間に入る論理値"０"の個数の最小値（最小ラン）と最大値（最大ラン）をそれぞれ、もしくは、一方のみ制限したものであり、その際の最小ランをｄ，最大ランをｋとしたときに「（ｄ,ｋ）ＲＬＬ」といった表記の仕方をする。例えば、上述のような（１，７）ＲＬＬという表記をすると、連続する論理値"０"または"1"は最小で２個，最大で８個となる。なお、１７ＰＰの符号化率，すなわち、符号化前のデータビット長をｍ，符号化後のデータビット長をｎとした際のｍ／ｎの値は、２／３である。
以上のような変調符号８Ｂ１０Ｂ及び１７ＰＰを使用し、データの伝送速度を１００Ｍｂｐｓとした場合の受信機３１０におけるリミッティングアンプ２１６後出力のアイパターンを見ると、それぞれ図１０(A)，(B)に示すようになった。なお、駆動条件は、変調符号８Ｂ１０Ｂの場合は前記表１の「設定３」，変調符号１７ＰＰの場合は「設定４」としている。図１０に示すように、いずれの変調符号を使用した場合においても良好なアイパターンが得られており、エラーフリーとなっている。なお、エラーフリーの際に、実施例１で示したような駆動条件を満たしていることは言うまでもない。
以上のように、本実施例によれば、ＤＣフリーの変調符号を使用することにより、次のような効果も得ることができる。
(1)キャリアに可視光を用いた際に問題となりうる不要なチラツキを抑制することができる。
(2)受信回路上で直流成分を除去できるため、変調されていない外乱光（太陽光）などの影響を抑制することができる。
次に、図１１及び図１２を参照しながら、本発明の実施例４について説明する。本実施例は、上述した図９の実施例３を、上述した図６の実施例２に適用したものである。送信機３００は前記実施例３と同様の構成となっており、受信機４００は光入射側にカラーフィルタ２５２を設けるとともに、リミッティングアンプ２１６の出力側に変調復号器３１２を追加した構成となっている。
同様に、データの伝送速度を１００Ｍｂｐｓとし、変調符号として８Ｂ１０Ｂ及び１７ＰＰを使用した場合の受信機４００におけるリミッティングアンプ２１６の後出力のアイパターンを見たところ、それぞれ図１２(A)，(B)に示すようになった。なお、駆動条件は、８Ｂ１０Ｂの場合は表３の「設定５」，１７ＰＰの場合は「設定６」としている。いずれの変調符号を使用した場合においても良好なアイパターンが得られており、エラーフリーとなっている。なお，エラーフリーの際に，実施例２で示したような駆動条件を満たしていることは言うまでもない。本実施例でも、上述した実施例３と同様の効果を得ることができる。
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)青色光励起型白色ＬＥＤ１４０としては、青色ＬＥＤの光により励起された蛍光体が、補色関係にある黄色の光を発光するタイプが一般的であるが、最近は、蛍光体発光成分に赤色成分を含むＬＥＤもあり、このようなＬＥＤも「青色光励起型白色ＬＥＤ」に含まれる。
(2)前記実施例で示した駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１２０の回路構成は一例であり、同様の作用を奏する公知の各種の回路構成が可能である。
本発明によれば、青色光励起型白色ＬＥＤを使用して十分な伝送速度の可視光データ通信を行なうことができ、高速の可視光通信に好適である。
１００：送信機
１１０：駆動波形生成部
１１２Ａ−１１２Ｄ：階調波形生成回路
１１４：カレントミラー回路
１２０：多階調駆動部
１４０：青色光励起型白色ＬＥＤ
２００：受信機
２１０：ＰＤ
２１２：トランスインピーダンスアンプ
２１４：イコライザ
２１６：リミッティングアンプ
２５０：受信機
２５２：カラーフィルタ
３００：送信機
３０２：変調符号器
３１０：受信機
３１２：変調復号器
４００：受信機
９００：送信機
９０２：駆動部
９０４：白色ＬＥＤ
９１０：受信機
９１２：ＰＤ
９１４：トランスインピーダンスアンプ
９１６：イコライザ
９１８：リミッティングアンプ
９２０：受信機
９２２：青色カラーフィルタ
９３０：送信機
９３２：ピーキング回路
ＳＡ−ＳＤ：階調信号パルス

Claims (8)

  1. 送信データに基づいて生成された駆動電流信号に基づいて青色光励起型白色ＬＥＤを駆動し、可視光信号を受信機に対して出力する可視光通信用送信機であって、
    前記送信データの立ち上がり時に立ち上がり階調信号パルスを付加するとともに、前記送信データの立ち下がり時に立ち下がり階調信号パルスを付加して、多階調の駆動電流信号を生成する多階調駆動手段，
    を備え、
    前記立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスのパルス幅を、前記送信データの最小パルス幅の１／２としたことを特徴とする可視光通信用送信機。
  2. 請求項１記載の可視光通信用送信機と、
    該可視光通信用送信機から出力された多階調の光信号を、青色光励起型白色ＬＥＤの蛍光体から出力された光も含めて受光して電気信号に変換し、受信データを出力する可視光通信用受信機と、
    を備えたことを特徴とする可視光通信システム。
  3. 前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスの電流の値に対して、１／３以下としたことを特徴とする請求項２記載の可視光通信システム。
  4. 請求項１記載の可視光通信用送信機と、
    該可視光通信用送信機から出力された多階調の光信号を、青色光励起型白色ＬＥＤの蛍光体から出力された光を除去するフィルタ手段を介して受光して電気信号に変換し、受信データを出力する可視光通信用受信機と、
    を備えたことを特徴とする可視光通信システム。
  5. 前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がり階調信号パルス及び立ち下がり階調信号パルスの電流の値に対して、５／４以下としたことを特徴とする請求項４記載の可視光通信システム。
  6. 変調符号器を前記可視光通信用送信機に設けるとともに、前記変調符号器で変調された変調符号を復号する変調復号器を前記可視光通信用受信機に設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の可視光通信システム。
  7. 前記変調符号として、８Ｂ１０Ｂを用いたことを特徴とする請求項６記載の可視光通信システム。
  8. 前記変調符号として、ＤＣフリーであり、かつ、符号化率を２/３，最小ランを１としたRun Length Limited符号を用いるとともに、ＮＲＺＩ変調を行うことを特徴とする請求項６記載の可視光通信システム。
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