JP5583999B2 - 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その応用は多岐に亘る。この白色ＬＥＤは、例えば蛍光灯などに代表される他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、ａ）他の方式と比較してエネルギー利用効率が高く、高い光度が得易いこと，ｂ）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、ａ）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，ｂ）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、所望の光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問題点がある。
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。なお、以下の先行技術文献中、特許文献４〜６については後述する。
特許第３４６５０１７号公報 特開２００２−２９０３３５公報 特開２００７−４３５９２公報 米国特許第４，４８６，７３９号明細書 特許第３９８５１７３号公報 特開平７−１８３８４９号公報
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、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、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矩形ないし略矩形の立ち上がりパルスを付加し、前記送信データの立ち下がり時に矩形ないし略矩形の立ち下がりパルスを付加して、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ており、該多階調駆動手段は、前記青色光励起型白色ＬＥＤに流れる電流が順方向となる範囲内で、前記立ち上がりパルスと立ち下がりパルスのパルス高さを個別に設定してそれぞれ生成するとともに、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスのパルス幅を、前記送信データのユニットインターバルと等しくしたことを特徴とする。




主要な形態の一つは、受信側にカラーフィルタを設けない場合において、前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスの電流の値に対して、４／５以下としたことを特徴とする。更には、前記駆動条件下において、前記立ち上がりパルス電流値に対する立ち下がりパルスの電流値の比率を、１．０±０．２としたことを特徴とする。他の形態の一つは、受信機にカラーフィルタを設けた場合において、前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスの電流の値に対して、５以下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、前記いずれかの可視光通信用送信機から出力された多階調の光信号を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を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、送信機に変調符号器、受信機に変調復号器を設け、使用する変調符号として、８Ｂ１０Ｂを用いることを特徴とする。他の形態の一つは、送信機に変調符号器、受信機に変調復号器を設け、使用する変調符号として、ＤＣフリーであり、かつ、符号化率２/３、最小ランを１としたＲＬＬ符号を用い、ＮＲＺＩ変調されたデータを送受信することを特徴とする。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るであろう。
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を駆動することとしたので、汎用でコスト的に有利な青色光励起型白色ＬＥＤを用い、青色カラーフィルタを用いることなく、素子破壊を防止し、かつ、調整が容易なシステム構成に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。また、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスのパルス幅を、前記送信データのユニットインターバルと等しくしたので、多階調駆動信号の生成に必要となるクロックにデータクロックをそのまま使用でき、別途逓倍クロック生成等に必要な回路を追加することなく、高速伝送化を図ることができる
本発明の第一の実施例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。 本発明の第二の実施例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。 本発明の第三の実施例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。 本発明の第四の実施例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、本発明の第一の実施例について説明する。図１(A)には、第一の実施例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、図２に示すような青色ＬＥＤのピーク波長範囲が４４０〜４７０ｎｍのものを使用する。
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受信機２００のＰＤ２１０に入射するようになっている。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値化処理を行うリミッティングアンプ２１６の入力側に接続され、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)に一例を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。同図(G)はクロックパルスである。
詳述すると、駆動波形生成部１１０は、例えば、送信データパルスに同期したクロックを生成するＰＬＬ，立ち上がりおよび立下りのエッジパルス検出器，Ｄフリップフロップによるデジタル回路（図示せず）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。
なお、この駆動波形生成部１１０については、図１(B)に示す駆動波形生成部１３０のように、駆動波形生成部内のクロック生成を行うＰＬＬをなくして、データクロックを外部から供給する構成をとってもよい。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（ないし駆動波形生成部１３０）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(C)〜(F)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ユニットインターバルと同じ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ユニットインターバルと同じ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ＨＢ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、ＨＢ／ＨＡ≦４／５，ＨＢ／ＨＣ≦４／５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。
次に、多階調駆動部１２０は、ｎｓｅｃ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：８２．２ｍＡ
(2)データパルスＳＢの電流値：１３．９ｍＡ
(3)立ち下がりパルスＳＣの電流値：８８．３ｍＡ
(4)プリバイアス電流値：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。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。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は、送信信号に対して十分な帯域を有しており、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によりデータの送受信実験を行った。伝送速度は５０Ｍｂｐｓ，７５Ｍｂｐｓ，１００Ｍｂｐｓ，１２５Ｍｂｐｓの４通りとし、前記表１に示す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ＰＲＢＳ２７−１を使用し、送信データ数は１０１０ビットとした。
伝送速度を５０Ｍｂｐｓとしたときの結果についてみてみると、「設定１」から「設定１０」までの条件においてエラーフリーとなっており、問題なくデータが伝送できていると認められる。「設定１０」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（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（ＨＢ／ＨＣ）はそれぞれ０．９９と０．８８になっている。また、「設定１」から「設定９」の条件においては、各比率とも４／５以下の値となっている。このことから、少なくとも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（ＨＢ／ＨＡ）およ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（ＨＢ／ＨＣ）が４／５以下であれば、５０Ｍｂｐｓの伝送が良好に行えることになる。
また、前記表２の結果によれば、７５Ｍｂｐｓ以上のデータ伝送時においても、駆動条件の最適値自体は異なるものの、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（ＨＢ／ＨＡ）並びに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（ＨＢ／ＨＣ）が４／５以下である必要があること自体は疑いの余地が無い。
更に言えば、立ち上がりパルス電流値ＨＡに対する立ち下がりパルス電流値ＨＣの比率（ＨＣ／ＨＡ）は、１．０±０．２に設定することが望ましい。
次に「設定７」および「設定１１」の駆動条件の際に、５０Ｍｂｐｓ伝送時のアイパターンを観測した結果を図５に示す。エラーフリーである「設定７」の駆動条件の際には、良好なアイパターンが得られているが（同図(A)参照）、ビットエラーレートが８．０×１０−３と悪化している「設定１１」の駆動条件下においては、符号間干渉が発生しており（同図(B)参照）、これがビットエラーレートの悪化要因であることがわかる。
次に、図６〜図８を参照しながら、本発明の第二の実施例について説明する。この第二の実施例は、上述した第一の実施例と比較して、カラーフィルタを追加した点とＬＥＤの駆動電流条件の点で異なる。
図６には、第二の実施例の回路構成が示されている。送信側の構成は、白色ＬＥＤを含め、第一の実施例と同様であるであるが、ＬＥＤの駆動条件が異なっている。一方、受信側は、第一の実施例におけるＰＤ２１０の前に、図７に示す透過率特性を持つカラーフィルタ２０８を設けた構成となっている。送信機１００から出力された光信号は、カラーフィルタ２０８によって蛍光体から発光した光の大半が濾過された後、ＰＤ２１０に入射するようになっている。トランスインピーダンスアンプ２１２以降の処理は、第一の実施例と同様である。
本実施例における伝送方式（変調方式）は、第一の実施例と同様の「ＯＯＫ」であり、伝送速度は５０〜１２５Ｍｂｐｓである。また、駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１２０によって生成される階調信号については、階調数，パルス幅とも第一の実施例と同様であるが、本実施例においては、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ＨＢ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、ＨＢ／ＨＡ≦５，ＨＢ／ＨＣ≦５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。
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。これを以下の表３に示す駆動電流の設定条件で駆動する。
例えば、表３の「設定６」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：４５．６ｍＡ
(2)データパルスＳＢの電流値：４２．７ｍＡ
(3)立ち下がりパルスＳＣの電流値：６７．０ｍＡ
(4)プリバイアス電流値：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、受信機２００のカラーフィルタ２０８に入射する。これより、青色励起型白色ＬＥＤ１４０から出力された光のうち、蛍光体から発光した光の大半が濾過された後、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。本実施例においては、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を有しており、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により、データの送受信実験を行った。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、次の表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１０１０ビットとした。
伝送速度を５０Ｍｂｐｓとしたときの結果についてみてみると、「設定２」から「設定１１」までの条件においてエラーフリーとなっており、問題なくデータが伝送できていると認められる。「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ＨＢ／ＨＣは、それぞれ５．２７と４．２１になっている。また、「設定２」から「設定１０」の条件においては、前記各比率とも５以下の値となっている。このことから、少なくとも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ＨＢ／ＨＡ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ＨＢ／ＨＣが５以下であれば、５０Ｍｂｐｓの伝送が良好に行えることになる。
また、表４の結果によれば、７５Ｍｂｐｓ以上のデータ伝送時においても、駆動条件の最適値自体は異なるものの、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ＨＢ／ＨＡ並びに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ＨＢ／ＨＣが５以下である必要があること自体は疑いの余地がない。
最後に「設定８」および「設定１２」の駆動条件の際に、５０Ｍｂｐｓ伝送時のアイパターンを観測した結果を、図８に示す。エラーフリーである「設定８」の駆動条件の際には、同図(A)に示すように良好なアイパターンが得られているが、ビットエラーレートが６．３×１０−７と悪化している「設定１２」の駆動条件下においては、同図(B)に示すように符号間干渉が発生しており、これがビットエラーレートの悪化要因であることがわかる。
次に、図９〜図１０を参照しながら、本発明の第三の実施例について説明する。この第三及び次の第四の実施例は、変調符号器と復号器を前記第一及び第二の実施例にそれぞれ付加したものである。
図９には、第三の実施例の回路構成が示されている。図１(A)に示した第一の実施例の回路構成に、変調符号器１０８及び復号器２１８を追加した構成となっている。ここでは、変調符号器１０８に使用する変調符号として、８Ｂ１０Ｂ（例えば、特許文献４参照）と１７ＰＰ（例えば、特許文献５参照）を使用した場合について述べる。これらの符号を使用する理由は、１）ＤＣフリーの符号であるため、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、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こと，２）例えば、マンチェスター符号（例えば、特許文献６参照）と比較した場合に、下記表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ため、必要とする変調帯域上限を低くすることができること，である。なお、表５中の変調帯域の上限値は、１÷最小パルス幅×０．７として計算している。これは、一般的な経験則による。
一般に、１７ＰＰは、（１，７）ＲＬＬ符号（Run Length Limited符号）に分類される。ＲＬＬ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"１"と"１"の間に入る"０"の個数の最小値（最小ラン）と最大値（最大ラン）の両方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"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（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としたときに、ｍ／ｎで表される。）は、２／３である。
データの伝送速度を１００Ｍｂｐｓとし、変調符号として８Ｂ１０Ｂおよび１７ＰＰを使用した際の受信機におけるイコライザ２１４の出力のアイパターンを示すと、図１０のようになる。なお、駆動条件は、同図(A)の８Ｂ１０Ｂの場合は表１の「設定４」，同図(B)の１７ＰＰの場合は表１の「設定３」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、エラーフリーである。なお、エラーフリーの際に、第一の実施例で示すような駆動条件を満たしていることは言うまでもない。
次に、図１１及び図１２を参照しながら、本発明の第四の実施例について説明する。図１１には、第四の実施例の回路構成が示されている。第二の実施例の回路構成に変調符号器１０８および復号器２１８を追加した構成となっている。
データの伝送速度を１００Ｍｂｐｓとし、変調符号として８Ｂ１０Ｂ及び１７ＰＰを使用した際の受信機におけるイコライザ２１４の出力のアイパターンを、図１２に示す。なお駆動条件は、同図(A)の８Ｂ１０Ｂの場合は表３の「設定６」，同図(B)の１７ＰＰの場合は表３の「設定５」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、エラーフリーである。なお、エラーフリーの際に、第二の実施例で示すような駆動条件を満たしていることは言うまでもない。
なお、第三及び第四の実施例では、使用する変調符号の一例として１７ＰＰを使用しているが、ＤＣフリーで、かつ、（１，ｘ）ＲＬＬ符号であれば、前記実施例と同等な効果が期待できる。このため、本発明の効果は、変調符号として１７ＰＰを使用した場合に限定されるものではない。
以上のように、上記各実施例によれば、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、駆動パルス幅の最小分解能が小さいほど最適な波形が得られやすいが、その分、データクロックの（ユニットインターバル÷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をユニットインターバルと同じとしているため、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と同じ周波数でよく、そのため実装が容易で、コスト面で優位である。
(3) 第一の実施例と第三の実施例によれば、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) 第三の実施例と第四の実施例によれば、ＤＣフリーの変調符号を使用することにより、
ａ）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。
ｂ）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。
(5) 光メディアシステムに使用されているような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るため、システムを安価に構成することが可能となる。
なお、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、最近では、演色性を改善するために、蛍光体からの発光成分に赤色成分その他を含んでいるＬＥＤがある。このようなＬＥＤも、本発明の「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
１０８：変調符号器
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
１３０：駆動波形生成部
１４０：青色光励起型白色ＬＥＤ
２００：受信機
２０８：カラーフィルタ
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
２１８：復号器
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

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矩形ないし略矩形の立ち上がりパルスを付加し、前記送信データの立ち下がり時に矩形ないし略矩形の立ち下がりパルスを付加して、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ており、
    該多階調駆動手段は、前記青色光励起型白色ＬＥＤに流れる電流が順方向となる範囲内で、前記立ち上がりパルスと立ち下がりパルスのパルス高さを個別に設定してそれぞれ生成するとともに、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスのパルス幅を、前記送信データのユニットインターバルと等しくしたことを特徴とする可視光通信用送信機。
  2. 前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスの電流の値に対して、４／５以下としたことを特徴とする請求項１記載の可視光通信用送信機。
  3. 前記立ち上がりパルス電流値に対する立ち下がりパルスの電流値の比率を、１．０±０．２としたことを特徴とする請求項２記載の可視光通信用送信機。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に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可視光信号を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. 前記可視光通信用受信機において、カラーフィルタを介して可視光信号を受信するとともに、前記送信データに対応する駆動電流の値を、前記立ち上がりパルス及び立ち下がりパルスの電流の値に対して、５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４又は５記載の可視光通信システム。
  7. 使用する変調符号として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. 使用する変調符号として、ＤＣフリーであり、かつ、符号化率２/３、最小ランを１としたＲＬＬ符号を用い、ＮＲＺＩ変調されたデータを送受信する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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