JP6110746B2 - 可視光通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、可視光を媒体として通信する可視光通信装置に関する。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として備える照明器具において、照明光の強度を変調することによって信号を送信するものが提案されており、例えば特許文献１に開示されている。このような照明光通信装置では照明光そのものを変調することで信号を送信するため、赤外線通信装置のような特別の機器を必要としない。また、照明用光源として発光ダイオードを用いることで省電力が実現できるから、地下街などでのユビキタス情報システムへの利用が検討されている。

特許文献１に記載の照明光通信装置は、定電流源と、平滑コンデンサと、負荷回路と、負荷変動要素と、信号発生回路と、スイッチ要素とを備える。平滑コンデンサは、定電流源の出力を平滑するものである。負荷回路は、複数の発光ダイオードを含み、定電流源の出力が供給される。負荷変動要素は、一部の発光ダイオードに並列接続された抵抗器から成り、負荷回路に負荷されることで負荷回路の負荷特性を部分的に変化させる。信号発生回路は、２値の通信信号を発生する。スイッチ要素は、負荷変動要素である抵抗器と直列に接続されたスイッチング素子から成り、通信信号によりオン／オフが切り替えられることで、負荷変動要素を負荷回路に付加するか否かを切り替える。これにより、負荷回路の負荷特性が通信信号に応じて変化するため、発光ダイオードを流れる負荷電流が通信信号の波形に変調される。

特開２０１２−０６９５０５号公報

上記従来例では、高速な通信信号（例えば、数十ｋｂｐｓ）を受信するためには、受信端末では、フォトダイオード等の高速受信可能な受光素子を用いる必要がある。なお、「ｂｐｓ」とは、「bit per second」の略語である。ここで、携帯電話などの受信端末では、フレームレートが毎秒３０〜６０ｆｐｓ程度の低速なイメージセンサを搭載している。なお、「ｆｐｓ」とは、「frameｓ per second」の略語である。このようなイメージセンサでは、フレームレートよりも低速な通信信号（例えば、数十〜数百ｂｐｓ）は受信できるものの、フレームレートよりも高速な通信信号を受信できないため、低速な通信信号を送信する必要がある。

しかしながら、高速な通信信号とは別に低速な通信信号を照明光通信装置から送信する場合、各通信信号が互いに干渉することにより、高速受信可能な受光素子では正常に受信できないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、低速な通信信号と高速な通信信号とを互いに干渉することなく受信端末で受信できるようにすることのできる可視光通信装置を提供することを目的とする。

本発明の可視光通信装置は、発光素子から成る光源部の出力する照明光に重畳させる通信信号を出力する制御回路と、前記制御回路から出力される低速な第１通信信号により前記光源部の光強度を変調する第１変調回路と、前記制御回路から出力されて第１通信信号よりも高速な第２通信信号により前記光源部の光強度を変調する第２変調回路とを備え、前記各変調回路は、前記光源部を流れる負荷電流を増減させることで前記光源部の光強度を変調し、前記第１変調回路は、前記負荷電流の傾きが前記第２変調回路で増減される前記負荷電流の傾きよりも小さくなるように前記負荷電流を増減させることを特徴とする。

この可視光通信装置において、前記第１変調回路は、前記負荷電流の波形の包絡線が略三角波又は略台形波となるように前記負荷電流を増減させることが好ましい。

この可視光通信装置において、前記第１変調回路は、前記光源部に接続されるバイポーラトランジスタを有し、前記バイポーラトランジスタのオン抵抗を増減することで前記負荷電流を増減させることが好ましい。

本発明は、第１変調回路が、光源部の負荷電流の傾きが第２変調回路で増減される負荷電流の傾きよりも小さくなるように負荷電流を増減させる。このため、第１通信信号で増減される負荷電流の傾きと、第２通信信号で増減される負荷電流の傾きとが互いに異なるので、受信端末では、各通信信号を分離して受信することができる。したがって、本発明は、低速な通信信号と高速な通信信号とを互いに干渉することなく受信端末で受信できるようにすることができる。

本発明の実施形態に係る可視光通信装置の基本構成を示す図で、（ａ）は回路概略図で、（ｂ）は送信するデータを示す図で、（ｃ）は波形変換回路の出力信号を示す図で、（ｄ）は第２通信信号を示す図で、（ｅ）は各通信信号を重畳した光源部の負荷電流を示す図である。 同上の可視光通信装置の具体的な構成を示す図で、（ａ）は回路概略図で、（ｂ）は波形変換回路の出力信号を示す図で、（ｃ）は各通信信号を重畳した光源部の負荷電流を示す図である。 同上の可視光通信装置の他の構成を示す図で、（ａ）は波形変換回路の出力信号を示す図で、（ｂ）は各通信信号を重畳した光源部の負荷電流を示す図である。 同上の可視光通信装置における光源部に接続される合成抵抗の説明図で、（ａ）は抵抗ＲＸ２を設けた場合の図で、（ｂ）は抵抗ＲＸ２を設けない場合の図である。 同上の可視光通信装置における各通信信号を重畳した光源部の負荷電流を示す図で、（ａ）は抵抗ＲＸ２を設けた場合の図で、（ｂ）は抵抗ＲＸ２を設けない場合の図である。 （ａ）〜（ｃ）は、同上の可視光通信装置を用いた照明器具の概略図である。

本発明の実施形態に係る可視光通信装置１は、制御回路１１と、第１変調回路１２と、第２変調回路１３とを備える。制御回路１１は、発光ダイオード３０（発光素子）から成る光源部３の出力する照明光に重畳させる通信信号を出力する。第１変調回路１２は、制御回路１１から出力される低速な第１通信信号Ｓ１により光源部３の光強度を変調する。第２変調回路１３は、制御回路１１から出力されて第１通信信号Ｓ１よりも高速な第２通信信号Ｓ２により光源部３の光強度を変調する。各変調回路１２，１３は、光源部３を流れる負荷電流を増減させることで光源部３の光強度を変調する。第１変調回路１２は、負荷電流の傾きが第２変調回路１３で増減される負荷電流の傾きよりも小さくなるように負荷電流を増減させる。

以下、本発明の実施形態に係る可視光通信装置１について図面を用いて説明する。本実施形態の可視光通信装置１は、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、電源部２と光源部３との間に接続されるものである。本実施形態の可視光通信装置１は、インピーダンス要素１０と、制御回路１１と、第１変調回路１２と、第２変調回路１３とを備える。

電源部２は、後述する光源部３に一定の負荷電流を供給する定電流源である。電源部２は、例えばＰＦＣ（Power Factor Correction：力率改善）回路と降圧コンバータ回路とを備えるスイッチング電源から構成される。電源部２は、図２（ａ）に示すように、商用電源ＡＣ１から供給される交流電流を直流電流に変換して出力する。なお、図１（ａ）及び図２（ａ）には図示していないが、電源部２の出力端には、平滑コンデンサを並列に接続してもよい。この平滑コンデンサを設けることにより、電源部２から出力される直流電流のリプルを除去することができる。

光源部３は、図１（ａ）に示すように、１乃至複数の発光ダイオード３０を直列に接続して構成される。なお、光源部３の構成はこれに限定されるものではなく、例えば発光ダイオード３０の直列回路を複数並列に接続した構成などでもよい。また、本実施形態の可視光通信装置１では、光源部３を構成する発光素子として発光ダイオード３０を用いているが、これに限定される必要はなく、例えば有機エレクトロルミネセンス素子や半導体レーザなどの他の発光素子を用いてもよい。

インピーダンス要素１０は、例えば抵抗器などのインピーダンス素子を有し、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように光源部３に直列に接続される。本実施形態の可視光通信装置１では、インピーダンス要素１０は、インピーダンス素子である抵抗ＲＸ１，抵抗ＲＸ２の直列回路で構成される。

制御回路１１は、各種プログラムを記憶するメモリを内蔵したマイクロコントローラを主な構成要素とする。制御回路１１は、マイクロコントローラのメモリに記憶されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）で実行することにより、以下の機能を実現する。

制御回路１１は、可視光通信に用いる通信信号を出力する。通信信号は、例えば屋内における照明器具の位置情報や、照明器具の商品コードといった機器情報などを２値化したものである。本実施形態の可視光通信装置１では、通信信号は、照明器具の位置情報を２値化したものとする。この通信信号を重畳した照明光をユーザが所有する受信端末（例えば、携帯電話など）で受信することで、通信信号の有する情報をユーザが利用することができる。

制御回路１１は、通信信号として、低速（例えば、５００ｂｐｓ）な第１通信信号Ｓ１と、高速（例えば、１０ｋｂｐｓ）な第２通信信号Ｓ２とを出力する。第１通信信号Ｓ１及び第２通信信号Ｓ２は、何れも図１（ｂ）に示すような矩形波である。第１通信信号Ｓ１は、後述する第１変調回路１２の波形変換回路１２０に入力される。第２通信信号Ｓ２は、後述する第２変調回路１３に入力される。

第１変調回路１２は、低速な通信信号である第１通信信号Ｓ１により、光源部３の光強度を変調するものである。第１変調回路１２は、図２（ａ）に示すように、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであるスイッチング素子Ｑ１及び抵抗Ｒ１の直列回路と、波形変換回路１２０とを備える。スイッチング素子Ｑ１及び抵抗Ｒ１の直列回路は、インピーダンス要素１０と並列に接続される。また、スイッチング素子Ｑ１のベースには、波形変換回路１２０の出力信号が入力される。

波形変換回路１２０は、制御回路１１の出力する第１通信信号Ｓ１を、例えば図１（ｃ）に示すような三角波に変換して出力する。この三角波では、振幅が極大値をとれば「１」、振幅が極小値をとれば「０」に対応する。波形変換回路１２０は、例えば三角波を発振する発振器（図示せず）と、この三角波を反転するインバータ（図示せず）とを組み合わせた回路で構成することができる。なお、波形変換回路１２０は、第１通信信号Ｓ１を図２（ｂ）に示すような台形波に変換して出力するように構成してもよい。この台形波では、振幅が極小値をとれば「１」、振幅が変化しなければ「０」に対応する。

スイッチング素子Ｑ１は、波形変換回路１２０の出力信号によりオン／オフを切り替える。また、スイッチング素子Ｑ１がオンの場合は、波形変換回路１２０の出力信号の増減により、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗が増減する。したがって、波形変換回路１２０の出力信号のレベルの増減に基づいて、スイッチング素子Ｑ１及び抵抗Ｒ１の直列回路の抵抗値が増減する。これにより、光源部３を流れる負荷電流も増減し、光源部３の光強度が変調される。

第２変調回路１３は、高速な通信信号である第２通信信号Ｓ２により、光源部３の光強度を変調するものである。第２変調回路１３は、図２（ａ）に示すように、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor）であるスイッチング素子Ｑ２で構成され、インピーダンス要素１０の抵抗ＲＸ１に並列に接続される。スイッチング素子Ｑ２のゲートには、第２通信信号Ｓ２が入力される。

スイッチング素子Ｑ２は、第２通信信号Ｓ２によりオン／オフを切り替える。スイッチング素子Ｑ２がオンの場合は、インピーダンス要素１０の抵抗ＲＸ２を介して光源部３に負荷電流が流れる。スイッチング素子Ｑ２がオフの場合は、インピーダンス要素１０の抵抗ＲＸ１，ＲＸ２の両方を介して光源部３に負荷電流が流れる。したがって、第２通信信号Ｓ２のレベルの増減に基づいてインピーダンス要素１０の抵抗値が増減する。これにより、光源部３を流れる負荷電流も増減し、光源部３の光強度が変調される。

このように、本実施形態の可視光通信装置１では、第１変調回路１２及び第２変調回路１３により光源部３の光強度を変調することで、光源部３の出力する照明光に第１通信信号Ｓ１及び第２通信信号Ｓ２を重畳させる可視光通信を行う。

ここで、光源部３の負荷電流は、例えば図１（ｅ）に示すように、傾きが小さい包絡線を描く低周波数の三角波に、傾きの急な高周波数の矩形波が重畳された波形となる。すなわち、光源部３の照明光も同様の波形となる。具体例としては、波形変換回路１２０の出力信号が図２（ｂ）に示すような台形波で、第２通信信号Ｓ２が図１（ｄ）に示すような矩形波であれば、光源部３の負荷電流（又は照明光）は、図２（ｃ）に示すような波形となる。また、波形変換回路１２０の出力信号が図３（ａ）に示すような三角波で、第２通信信号Ｓ２が図１（ｄ）に示すような矩形波であれば、光源部３の負荷電流（又は照明光）は、図３（ｂ）に示すような波形となる。

そして、第１通信信号Ｓ１で増減される光源部３の負荷電流の傾きと、第２通信信号Ｓ２で増減される光源部３の負荷電流の傾きとが互いに異なるため、受信端末では、各通信信号Ｓ１，Ｓ２を分離して受信することができる。

例えば、イメージセンサ等の低速な通信信号を受信可能な受光素子を搭載した受信端末では、１フレーム間で光の強弱が平均化されてしまうので、複数のフレーム間の光の強弱しか感知できない。したがって、この受信端末では、第２通信信号Ｓ２による照明光の急激な明暗の変化は感知せず、第１通信信号Ｓ１による照明光の緩やかな明暗の変化を感知する。このため、この受信端末では、受光した照明光を光電変換することで、低速な第１通信信号Ｓ１のみを受信することができる。

また、例えば、フォトダイオード等の高速な通信信号を受信可能な受光素子を搭載した受信端末では、第１通信信号Ｓ１による照明光の緩やかな明暗の変化は感知せず、第２通信信号Ｓ２による照明光の急激な明暗の変化を感知する。このため、この受信端末では、受光した照明光を光電変換することで、高速な第２通信信号Ｓ２のみを受信することができる。

上述のように、本実施形態の可視光通信装置１では、第１変調回路１２が、光源部３の負荷電流の傾きが第２変調回路１３で増減される負荷電流の傾きよりも小さくなるように負荷電流を増減させる。このため、第１通信信号Ｓ１で増減される負荷電流の傾きと、第２通信信号Ｓ２で増減される負荷電流の傾きとが互いに異なるので、受信端末では、各通信信号Ｓ１，Ｓ２を分離して受信することができる。したがって、本実施形態の可視光通信装置１は、低速な通信信号（第１通信信号Ｓ１）と高速な通信信号（第２通信信号Ｓ２）とを互いに干渉することなく受信端末で受信できるようにすることができる。

ここで、本実施形態の可視光通信装置１では、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、抵抗ＲＸ１に抵抗ＲＸ２を直列に接続してインピーダンス要素１０を構成している。この抵抗ＲＸ２は設けなくとも上記の効果を奏することができるが、抵抗ＲＸ２を設ける方がより効果的である。以下、抵抗ＲＸ２の有用性について図４，５を用いて説明する。

なお、図４（ａ），（ｂ）において、「Ｒ１」は抵抗Ｒ１の抵抗値、「ＲＱ１」はスイッチング素子Ｑ１のオン抵抗値、「ＲＸ１」は抵抗ＲＸ１の抵抗値、「ＲＸ２」は抵抗ＲＸ２の抵抗値をそれぞれ表す。また、「ＲＱ１」は、スイッチング素子Ｑ１のベースの入力信号のレベルに応じて増減するが、ここでは説明を簡単にするために、スイッチング素子Ｑ１がオンの間の抵抗値を「ＲＱ１」で一括して表現する。

図４（ａ）には、抵抗ＲＸ２を設けた場合における、光源部３に接続される合成抵抗（すなわち、インピーダンス要素１０の抵抗と第１変調回路１２の抵抗）の抵抗値を示している。また、図４（ｂ）には、抵抗ＲＸ２を設けない場合における、光源部３に接続される合成抵抗の抵抗値を示している。

図４（ａ）では、スイッチング素子Ｑ２がオンのときにスイッチング素子Ｑ１のオン／オフを切り替えると、合成抵抗の抵抗値が「ＲＸ２／／ＲＱ１＋Ｒ１」と「ＲＸ２」との間で変化している。そして、抵抗ＲＸ２を設けた場合の照明光の波形は、図５（ａ）に示すような波形となる。

一方、図４（ｂ）では、スイッチング素子Ｑ２がオンのときにスイッチング素子Ｑ１のオン／オフを切り替えても、合成抵抗の抵抗値は「０」で変化しない。そして、抵抗ＲＸ２を設けない場合の照明光の波形は、図５（ｂ）に示すような波形となる。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、抵抗ＲＸ２を設けた場合の照明光の波形と比較して、抵抗ＲＸ２を設けない場合の照明光の波形は、その包絡線の変化に乏しい。このため、抵抗ＲＸ２を設けない場合、第１通信信号Ｓ１による光源部３の光強度の変調度が小さくなり、受信端末で第１通信信号を受信し難くなる虞がある。したがって、抵抗ＲＸ１に抵抗ＲＸ２を直列に接続してインピーダンス要素１０を構成することが好ましい。

なお、本実施形態の可視光通信装置１で用いる変調方式としては、例えば４ＰＰＭを採用することができる。「４ＰＰＭ」は「４-Pulse Position Modulation：４値パルス位置変調」の略語である。４ＰＰＭは、シンボル時間として定義される一定時間を４つのスロットに分割し、これらスロットのうち何れか１つのスロットにパルスが入力されることにより、２ビットのデータを送信するものである。詳しくは、ＪＥＩＴＡ（Japan Electronics and Information Technology Industries Association：電子情報技術産業協会）の規格ＣＰ−１２２３を参照されたい。勿論、本実施形態の可視光通信装置１に用いる変調方式は、これ以外の方式であってもよい。

本実施形態の可視光通信装置１は、例えば図６（ａ）〜（ｃ）に示すような照明器具に採用することができる。図６（ａ）〜（ｃ）に示す照明器具は、本実施形態の可視光通信装置１と、光源部３を保持する器具本体４とを備えている。なお、図６（ａ）に示す照明器具はダウンライトであり、図６（ｂ），（ｃ）に示す照明器具はスポットライトである。また、図６（ａ），（ｃ）に示す照明器具では、可視光通信装置１と光源部３とを配線５を介して接続している。なお、これらの照明器具は単独で用いるのみならず、複数を組み合わせて照明システムを構築してもよい。

１ 可視光通信装置
１１ 制御回路
１２ 第１変調回路
１３ 第２変調回路
３ 光源部
３０ 発光ダイオード（発光素子）

Claims (3)

1. 発光素子から成る光源部の出力する照明光に重畳させる通信信号を出力する制御回路と、前記制御回路から出力される低速な第１通信信号により前記光源部の光強度を変調する第１変調回路と、前記制御回路から出力されて第１通信信号よりも高速な第２通信信号により前記光源部の光強度を変調する第２変調回路とを備え、
   前記各変調回路は、前記光源部を流れる負荷電流を増減させることで前記光源部の光強度を変調し、
   前記第１変調回路は、前記負荷電流の傾きが前記第２変調回路で増減される前記負荷電流の傾きよりも小さくなるように前記負荷電流を増減させることを特徴とする可視光通信装置。
2. 前記第１変調回路は、前記負荷電流の波形の包絡線が略三角波又は略台形波となるように前記負荷電流を増減させることを特徴とする請求項１記載の可視光通信装置。
3. 前記第１変調回路は、前記光源部に接続されるバイポーラトランジスタを有し、前記バイポーラトランジスタのオン抵抗を増減することで前記負荷電流を増減させることを特徴とする請求項１又は２記載の可視光通信装置。
   

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