KR101362709B1

KR101362709B1 - 가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법

Info

Publication number: KR101362709B1
Application number: KR1020127013134A
Authority: KR
Inventors: 마사시 야마다; 코스케 나카무라
Original assignee: 다이요 유덴 가부시키가이샤
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2014-02-12
Also published as: DE112011101653T5; KR20120085830A; JP2011244103A; US20120230703A1; US8750719B2; JP5399975B2; DE112011101653B4; WO2011142174A1

Abstract

고속인 전송 속도를 실현하면서 송신기로부터 수신기까지의 통신 거리를 확대하는 것이 가능하고, 간이한 처리 회로로부터 구성되는 가시광 통신용 수신기를 제공한다. 최소 런이 1로 DC프리의 RLL 부호에 의해 부호화되고, NRZI 변조된 송신 데이터의 상승 시에 해당 송신 데이터에 상승 펄스를 부가하는 것과 함께 하강 시에 하강 펄스를 부가함으로써 생성되는 구동 전류 신호에 의해 구동된 청색광 여기형 백색 LED로부터의 가시광 신호를 수광하는 수광부; 수광한 가시광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환부; 상기 광전 변환부로부터의 전기 신호를 듀오 바이너리 신호에 등화하는 등화기; 상기 등화기로부터의 듀오 바이너리 신호를 3치 신호로 변별하는 변별기; 상기 변별기로부터의 3치 신호를 최우 복호하는 최우 복호기; 상기 최우 복호기의 복호 결과를 RLL 복호화하는 복호기;를 구비한다.

Description

가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법 {VISIBLE LIGHT COMMUNICATION RECEIVER, VISIBLE LIGHT COMMUNICATION SYSTEM, AND VISIBLE LIGHT COMMUNICATION METHOD}

본 발명은, 가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법에 관한 것이고, 특히, 청색광 여기(勵起)형 백색 LED로부터 출사(出射)되는 백색광에 의해 데이터를 전송하는 가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법에 관한 것이다.

백색 LED로부터 출사되는 백색광을 전송 매체로서, 데이터를 전송하는 가시광 통신 시스템이 알려져 있다. 예컨대, 일본 특허 제3465017호 공보(특허문헌 1)에는, 송신 데이터에 기초하여 변조된 구동 신호에 의해 백색 LED를 발광시켜, 이 백색 LED로부터의 백색광을 수신기에 있어서 수광(受光)하고, 수광한 광신호를 포토 다이오드 등의 광전 변환기에 의해 전기 신호로 변환함으로써 데이터 전송을 수행하는 가시광 통신 시스템이 기재되어 있다.

일반적인 광원으로서 이용 가능한 백색 LED로서, 청색 LED의 주위에 YAG(이트륨·알루미늄·가넷)계 등의 형광체를 배치하여 구성되는 LED(본 명세서에 있어서, 「청색광 여기형 백색 LED」라고 칭하는 일이 있다)가 알려져 있다. 청색광 여기형 백색 LED에 있어서는, 청색 LED로부터 출사되는 청색광에 의해 주위의 형광체가 여기되고, 이 형광체로부터 출력되는 황색광과 상기 청색 LED로부터의 청색광이 혼색되는 것에 의해 유사적인 백색광을 얻을 수 있다.

청색광 여기형 백색 LED로부터의 출력광을 전송 매체로 하는 데이터 전송의 전송 속도는 수 Mbps정도로 비교적 저속이 된다(하기 비특허문헌 1 참조). 이것은, 형광체의 저속인 응답에 의해 시스템 전체의 전송 속도가 제약을 받기 때문이다. 그리하여, 전송 속도를 개선하기 위한 다양한 제안이 행해지고 있다. 예컨대, 특허문헌 1에 있어서는, 수신기 측에 청색광만을 투과하는 컬러 필터를 구비하고, 이 컬러 필터에 의해 청색광 여기형 백색 LED로부터의 백색광 가운데 형광체로부터 출력된 황색광 성분을 제거하는 것에 의해, 수십 Mbps정도의 전송 속도를 실현하는 방법이 제안되고 있다. 또한, 일본 특허 공개 2007-43592 공보(특허문헌 2)에서는, 청색 LED에 의한 광신호 성분을 모니터한 결과를 바탕으로 피킹 회로에 의해 구동 파형을 조정하는 것에 의해 전송 속도를 개선하는 것이 제안되고 있다.

1. 일본 특허 제3465017호 공보 2. 일본 특허 공개 2007-43592 공보

1. 일본 신학기보(信學技報) ICD2005-44, Vol. 105, No. 184, 25-30p, 「가시광 통신용 LED 드라이버의 시작(試作)과 가시광 LED의 응답 성능의 평가」

가시광 통신에 있어서는, 배경광이 잡음이 되기 때문에 전송 품질이 열화하기 쉬워, 고속인 전송 속도를 실현하면서 송신기로부터 수신기까지의 통신 거리를 충분히 확보하는 것이 곤란하다. 본 발명의 다양한 실시 형태는, 고속인 전송 속도를 실현하면서 송신기로부터 수신기까지의 통신 거리를 확대하는 것이 가능하고, 간이한 처리 회로로부터 구성되는 가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법을 제공한다.

기타의 과제는, 다음의 상세한 설명, 첨부 도면 등의 기재로부터 이해된다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신용 수신기는, 최소 런이 1로, DC프리의 RLL 부호에 의해 부호화되어, NRZI 변조된 송신 데이터의 상승[立上] 시에 해당 송신 데이터에 상승 펄스를 부가하는 것과 함께 하강[立下] 시에 하강 펄스를 부가함으로써 생성되는 구동 전류 신호에 의해 구동된 청색광 여기형 백색 LED로부터의 가시광 신호를 수광(受光)하는 수광부; 수광한 가시광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환부; 상기 광전 변환부로부터의 전기 신호를 듀오 바이너리 신호로 등화(等化)하는 등화기; 상기 등화기로부터의 상기 듀오 바이너리 신호를 3치(値) 신호에 변별하는 변별기; 상기 변별기로부터의 상기 3치 신호를 최우 복호(最尤復號)하는 최우 복호기; 및 상기 최우 복호기의 복호 결과를 (1, x) RLL 복호화하는 복호기;를 구비한다.

본 발명의 다양한 실시 형태에 의하면, 고속인 전송 속도를 실현하면서 송신기로부터 수신기까지의 통신 거리를 확대하는 것이 가능하고, 간이한 처리 회로로부터 구성되는 가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신 시스템을 도시하는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 청색광 여기형 백색 LED의 발광 스펙트럼의 일 예를 도시하는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 컬러 필터의 투과 특성의 일 예를 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 구동 파형을 도시하는 타임 차트.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구동 파형 생성부 및 다계조(多階調) 구동부의 구성을 도시하는 회로도.
도 6A 내지 도 6D는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송신 신호 계열과 이퀄라이저의 출력 계열과의 관계를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3치 변별기의 구성을 도시하는 회로도.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 역치 생성부의 구성을 도시하는 회로도.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비터비 복호기의 구성을 도시하는 회로도.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비터비 복호기의 상태 천이도.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비터비 복호기의 트렐리스도.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 아이 패턴의 일 예를 도시하는 그래프.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 통신 거리와 비트 에러 레이트와의 관계를 도시하는 그래프.
도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 수신 조도(照度)와 비트 에러 레이트와의 관계를 도시하는 그래프.
도 15는 비교예의 가시광 통신 시스템을 도시하는 블록도.

본 발명의 다양한 실시 형태에 대해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신 시스템을 도시하는 블록도이다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신 시스템에 있어서는, 백색 LED로부터 출력되는 백색광을 매체로 하여 송신기(100)로부터 수신기(200)로 데이터가 전송된다.

송신기(100)는, (1, x) RLL(Run Length Limited) 부호를 이용하여 송신 데이터를 부호화하여 RLL 데이터를 생성하는 (1, x) RLL 부호기(105)와, (1, x) RLL 부호기(105)로부터의 RLL 데이터에 기초하여 복수의 계조 신호를 생성하는 구동 파형 생성부(110)와, 구동 파형 생성부(110)로부터의 복수의 계조 신호를 합성하여 구동 전류를 생성하는 다계조 구동부(115)와, 다계조 구동부(115)로부터의 구동 전류에 의해 구동되는 청색광 여기형 백색 LED(120)를 구비한다.

청색광 여기형 백색 LED(120)로부터 출사된 백색광은, 수신기(200)에 도달하고, 컬러 필터(205)를 경유하여 렌즈에서 집광되어, 포토 다이오드(210)에 입사한다. 포토 다이오드(210)의 출력 측에는, 트랜스 임피던스 앰프(215), 이퀄라이저(220), 3치 변별기(225), 역치 생성부(230), PLL(Phase Locked Loop)(240), 비터비 복호기(245), (1, x) RLL 복호기(250)가 배치된다. 이하, 포토 다이오드를 생략해서「PD」라고 칭하는 일이 있다.

(1, x) RLL 부호기(105)에 있어서 이용할 수 있는 RLL 부호는, NRZI(NonReturn to Zero Inverted) 변조 전의 부호 계열에 있어서 비트「0」의 연속 수의 최소 값(최소 런)과 최대 값(최대 런)의 일방(一方) 또는 쌍방이 제한된 부호이다. 최소 런이 d이고, 최대 런이 k인 RLL 부호는「(d, k) RLL 부호」라고 표기된다. (d, k) RLL 부호에 의해 부호화된 부호 계열을 비트「1」에서 반전시켜서 NRZI 변조를 수행할 경우, 연속하는 비트「0」또는「1」의 최소 개수는 (d+1)개, 최대 개수는 (k+1)개가 된다. 예컨대, (1, 7) RLL 부호를 이용하여 부호화된 RLL 데이터에 있어서, 연속하는 비트「0」또는「1」의 최소 개수는 2개, 최대 개수는 8개가 된다. NRZI 변조된 RLL 데이터에 포함되는 비트의 연속 수에 관한 제약을, 본 명세서에 있어서, 「dk 측(則)」이라고 칭하는 일이 있다.

일 실시 형태에 있어서, (1, x) RLL 부호기(105)는, 17PP 부호를 이용하여 부호화 처리를 수행한다. 17PP 부호는 (1, x) RLL 부호이며, 그 부호율(부호화 전의 데이터 비트 길이를 m, 부호화 후의 데이터 비트 길이를 n으로 했을 때에, m/n으로 표시된다)은, 2/3이다. 17PP 부호는, DC프리의 부호이기 때문에, 수신 측에 있어서의 클록 재생이 용이하면서 캐리어에 가시광을 이용했을 때 문제가 될 수 있는 불필요한 분산을 억제할 수 있다. 또한, 17PP 부호에 의해 변조된 신호의 직류 성분은 수신 회로 상에서 제거 가능하기 때문에, 변조되지 않은 외란광(태양광) 등의 영향을 억제할 수 있다. 17PP 부호에 대해서는, 예컨대 일본 특허 제 3985173호 공보 등에 기재되고 있으며, 그 의의는 당업자에 있어서 명백하다. 또한, 맨체스터 부호나 8B10B 부호와 비교했을 경우, 하기 표 1에 도시하는 대로, 전송 속도에 대하여 필요로 하는 최소 펄스의 폭이 넓어지기 때문에, 필요로 하는 변조 대역 상한을 낮게 할 수 있다. 표 1에는, 각 변조 부호와 여러 수치의 관계가 도시되어 있다. 표 1중의 변조 대역 상한 주파수의 값은, 일반적인 경험칙으로부터, (1/최소 펄스 폭)×0.7로 하여서 계산하고 있다.

변조 부호와 여러 수치

변조 부호	DC프리	최소 펄스 폭 (ns)	변조 대역 상한 주파수 (MHz)	부호화 후 비트 레이트 (Mbps)
NRZ	×	10	70	100
맨체스터	○	5	140	200
8B10B	○	8	87.5	125
17PP	○	13.3	52.5	150

전송 속도를 100Mbps로 한다.

구동 파형 생성부(110)는, 송신 데이터 펄스에 동기한 클록 및 체배(遞倍) 클록을 생성하는 PLL, 에지 펄스 검출기, 원샷 멀티 바이브레이터(모두 도시 생략)를 포함하는 디지털 회로에 의해 구성되어, (1, x) RLL 부호기(105)로부터 입력되는 RLL 부호화된 송신 데이터 펄스에 기초하여 복수의 계조 신호를 생성한다. 도 4에, 구동 파형 생성부(110)에 의해 생성되는 계조 신호의 파형의 일 예를 도시한다. 구동 파형 생성부(110)는, 도 4의 (A)의 RLL 부호화된 송신 데이터에 기초하여, 도 4의 (C) 내지 (F)에 도시하는 다치(多値)(여기서는 4치)의 계조 신호를 생성한다. 도 4의 (C)는, 송신 데이터의 상승 타이밍에서 상승 펄스 폭(WA)에 상당하는 일정 시간 경과 후에 하강하는 계조 신호(SA)를 도시하고, 도 4의 (E)는, 송신 데이터의 하강 타이밍으로 하강 펄스 폭(WC)에 상당하는 일정 시간 경과 후에 상승하는 계조 신호(SC)를 도시한다. 또한, 도 4의 (D)는, (1, x) RLL 부호기(105)로부터 입력되는 RLL 부호화된 송신 데이터에 대응하는 송신 데이터 펄스(SB)를 도시하고, 도 4의 (F)는, 구동 파형 생성부(110)를 구성하는 디지털 회로에 공급되는 프리 바이어스 전류(SD)를 도시한다.

다계조 구동부(115)는, OR 회로에 의해 구성되고 있으며, 구동 파형 생성부(110)로부터 출력된 SA, SB, SC, SB의 각 신호를 합성하여 구동 전류를 생성하고, 생성한 구동 전류를 후단의 청색광 여기형 백색 LED(120)에 출력한다. 도 4의 (B)는, 다계조 구동부(120)에 의해 생성되는 구동 전류의 파형의 일 예를 도시한다.

이와 같이, 구동 파형 생성부(110)와 다계조 구동부(115)에 의해, RLL 부호화된 송신 데이터에 대하여, 그 상승 시에 하강 펄스가 부가됨과 함께 하강 시에 하강 펄스가 부가되어, 구동 전류 신호가 생성된다. 상승 펄스 및 하강 펄스를 데이터 펄스에 부가하여 다계조의 구동 신호를 생성하는 것에 의해, 피킹 회로를 이용할 경우에 발생할 수 있는 LED의 정격 전류를 넘은 과전류가 흐를 우려가 없고, 또한 전송 속도가 빠른 경우여도 최적인 구동 조건을 용이하게 얻을 수 있다. 다계조 구동부(115)는, 나노 초 오더에서 전류 구동 가능하며, 청색 여기형 백색 LED의 구동에 필요한 순방향 바이어스 전압(3.6V정도)보다 큰 바이어스 전압이 출력 가능하다.

계속해서, 도 5를 참조하여, 상기 구동 파형 생성부(110) 및 다계조 구동부(115)의 구성을 설명한다. 도 5에서 도시하는 바와 같이, 상기 구동 파형 생성부(110) 및 다계조 구동부(115)는, OP앰프, 트랜지스터, 스위치, 저항으로부터 이루어지는 계조 신호 생성 회로(112A 내지 112D)를 구비한다. 계조 신호 생성 회로 (112A 내지 112D)는 각각 계조 신호(SA 내지 SD)를 생성한다. 계조 신호(SA-SD) 각각의 펄스 높이(HA-HD)는, OP앰프의 플러스 입력(Vin1∼Vin4)의 전압(VHA∼VHD)에 의해 설정되어, 상승 및 하강의 타이밍은, 스위치의 각 단자(EN1-EN4)에 인가되는 제어 신호(KWA-KWD)에 의해 설정된다. 예컨대, 계조 신호 생성 회로(112A)에 있어서, 제어 신호(KWA)는, 도 4의 (A)의 송신 데이터의 상승 타이밍에서 상승 펄스 폭(WA)에 상당하는 일정 시간 경과 후에 하강 제어된다. 이 상승으로부터 하강까지의 사이 스위치가 ON이 되고, 전압(VHA)이 계조 신호(SA)로서 출력된다. 계조 신호 생성 회로(112B-112D)에 있어서도 같은 제어가 수행되고, 각 회로로부터 계조 신호(SB-SD)가 각각 출력된다. 계조 신호 생성 회로(112A∼112D)로부터 출력된 계조 신호(SA∼SD)는, 와이어드 OR 회로에 의해 가산되고, 커런트 미러 회로(114)를 개재하여 청색광 여기형 백색 LED(120)에 공급된다.

제어 신호(KWA∼KWD)는, 송신 데이터의 논리값으로부터 결정되는 4비트의 디지털 신호라고 생각할 수 있다. 이 4비트의 디지털 신호는, 예컨대, 도 4의 (A)의 송신 데이터가 논리값이 L로부터 H가 되는 타이밍(상승 타이밍)에서「KWA, KWB, KWC, KWD」=「1, 1, 1, 1」, 상승 타이밍으로부터 계조 신호(SA)의 펄스 폭(WA)에 상당하는 시간의 경과 후에「0, 1, 1, 1」, 송신 데이터가 논리값의 H로부터 L이 되는 타이밍(하강 타이밍)에서「0, 0, 0, 1」, 하강 타이밍으로부터 계조 신호(SC)의 펄스 폭(WC)에 상당하는 시간의 경과 후에「0, 0, 1, 1」이 된다.

전술한 청색광 여기형 백색 LED(120)는, 청색 LED의 주위에 YAG(이트륨·알루미늄·가넷)계 등의 형광체를 배치하여 구성된다. 이 청색 LED로부터 출사되는 청색광에 의해 주위의 형광체가 여기되고, 형광체로부터 출력되는 황색광과 상기 청색 LED로부터의 청색광이 혼색되어서, 유사적인 백색광이 출력된다. 청색광 여기형 백색 LED는, 자외 LED와 R, G, B(빨강, 초록, 파랑)의 3원색을 발광하는 형광체를 조합시킨 자외광 여기형 백색 LED나, 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED의 3종류의 LED를 하나의 패키지에 모아서 구성되는 3색 발광형 백색 LED 등의 다른 백색 LED와 비교해서 범용성이 높아 제조 비용이 낮다는 특징을 가진다.

도 2는, 청색광 여기형 백색 LED(120)의 발광 스펙트럼의 일 예를 나타낸 그래프이다. 도 2에 있어서, 횡축은 파장(nm), 종축은 상대 발광 강도(a.u.)를 나타낸다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 이 발광 스펙트럼은, 440∼470nm에 청색 LED로부터의 청색광에 의한 피크 파장을 가지고, 550nm부근에 형광체로부터의 녹색으로부터 황색에 걸치는 파장 성분에 의한 낮은 피크를 가진다.

컬러 필터(205)는, 청색광 여기형 백색 LED(120)로부터의 백색광 가운데 청색광에 상당하는 파장 성분을 투과시켜, 녹색광으로부터 황색광에 걸치는 파장 성분을 감쇠시킨다. 청색광에 상당하는 파장 성분을 투과하는 컬러 필터는, 투과되는 파장 성분에 착안하여 청색 컬러 필터라고 칭해지는 일이 있다. 도 3은, 컬러 필터(205)의 투과 특성의 일 예를 제시하는 그래프이다. 도 3중, 횡축은 파장(nm), 종축은 투과율(%)이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 컬러 필터(205)는, 500nm∼750nm의 파장 성분에 대하여 낮은 투과율을 가지고, 적어도 440∼470nm의 파장 성분에 대하여 높은 투과율을 가진다. 따라서, 컬러 필터(205)에 의해, 청색광 여기형 백색 LED(120)로부터 출사된 백색광 가운데, 응답 속도가 늦은 형광체로부터의 발광 성분인 550nm부근의 파장 성분이 잘라지므로, 컬러 필터를 설치하지 않을 경우와 비교해서 전송 속도를 개선할 수 있다.

다음으로, 도 6A 내지 도 6D를 참조하여 이퀄라이저(220)의 처리에 대하여 설명한다. 이퀄라이저(220)는, 트랜스 임피던스 앰프(215)로부터 입력된 전기 신호를 듀오 바이너리 부호에 파형 등화한다. 듀오 바이너리 부호는, 파셜 리스폰스 부호의 일종이며, 의도적으로 부호간 간섭을 허용함으로써 통상의 베이스밴드 전송과 비교하여 협저대역(狹低帶域)인 전송을 실현한다. 본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 이퀄라이저(220)는, 송신기(100)에 있어서의 NRZI 변조 회로의 출력으로부터 수신기(200)의 이퀄라이저(220)의 출력에 이르는 계열에 있어서 송신 신호 계열에 대하여 1+D의 LPF 특성이 주어지도록 등화 처리를 수행한다. 즉, 송신 신호 계열의 시각 k의 비트가 시각 k-1의 비트와 가산되어, 「0」, 「1」, 「2」의 3치의 출력 계열로 변환된다. 도 6A 내지 도 6D에는, 이퀄라이저(220)의 송신 신호 계열과 출력 계열(수신 신호 계열)과의 관계가, 송신 신호 계열의 부호장(符號長)이 1T로부터 4T의 경우에 대하여 각각 도시되어 있다. 도 6A 내지 도 6D의 우측의 그래프는, 대응하는 좌측의 그래프에 있어서「0」과「1」을 바꿔 넣은 예를 도시하고 있기 때문에, 여기에서는, 도 6A 내지 도 6D의 좌측의 그래프에 대하여 설명을 수행하고, 우측의 그래프에 대해서는 설명을 생략한다. T는, 부호화 후의 비트 간격(유닛 인터벌)을 나타낸다. 송신 데이터를 (1, x) RLL 부호화 후에 NRZI 변조했을 경우에는, 송신 신호 계열의 최소 펄스 폭은 2T가 된다. 도 6A는, 부호장 1T의 송신 신호 계열과 대응하는 출력 계열과의 관계를 도시한다. 도 6A의 좌측의 그래프에 도시되는 바와 같이, 부호장 1T의 송신 신호 계열 「0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, …」은, 그 1비트 지연한 계열과 가산되어서「0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, …」로 나타내지는 출력 계열로 변환된다. 2T로부터 4T의 부호장에 대해서도 같은 규칙에 따라서 출력 계열을 얻을 수 있다. 즉, 도 6B에 도시되는 부호장 2T의 송신 신호 계열「0, 0, 1, 1, 0, 0, …」로부터「0, 0, 1, 2, 1, 0, 0, 0, …」로 나타내지는 출력 계열을 얻을 수 있고, 도 6C에 도시되는 부호장 3T의 송신 신호 계열「0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, …」로부터「0, 0, 1, 2, 2, 1, 0, 0, …」로 나타내지는 출력 계열을 얻을 수 있고, 도 6D에 도시되는 부호장 4T의 송신 신호 계열「0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, …」로부터「0, 0, 1, 2, 2, 2, 1, 0, …」로 나타내지는 출력 계열을 얻을 수 있다.

도 7은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3치 변별기(225)의 구성을 도시하는 회로도이다. 이 3치 변별기(225)는, 콤퍼레이터(226, 227)를 포함해서 구성된다.

콤퍼레이터(226)는, 이퀄라이저(220)에 있어서 듀오 바이너리 부호화된 신호(듀오 바이너리 신호)를 후술하는 역치 생성부(230)로부터의 Hi역치를 이용하여 판정한다. 콤퍼레이터(227)는, 이퀄라이저(220)로부터의 듀오 바이너리 신호를 역치 생성부(230)로부터의 Lo역치를 이용해서 판정한다. 그리고, 콤퍼레이터(226, 227)의 각각의 판정 결과에 기초하여, 표 2에 도시하는 규칙에 따라서 3치의 판정 데이터(출력 레벨)가 결정된다.

	출력 레벨
	0	1	2
Lo측 변별 후 출력	Lo	Hi	Hi
Hi측 변별 후 출력	Lo	Lo	Hi

즉, 콤퍼레이터(226, 227)로부터의 출력이 모두 Lo인 경우[이퀄라이저(220)로부터의 등화 후의 신호가 Hi역치 및 Lo역치의 어느 것보다도 작을 경우]에는 출력 레벨은「0」으로 판정되고, 콤퍼레이터(226)의 출력이 Lo이고 콤퍼레이터(227)의 출력이 Hi인 경우[이퀄라이저(220)로부터의 등화 후의 신호가 Lo역치보다도 크고 Hi역치보다도 작을 경우]에는「1」로 판정되며, 콤퍼레이터(226, 227)의 출력이 모두 Hi인 경우[이퀄라이저(220)로부터의 등화 후의 신호가 Hi역치 및 Lo역치의 어느 것보다도 클 경우]에는「2」로 판정된다. 이렇게 하여, 이퀄라이저(220)로부터의 듀오 바이너리 신호가「0, 1, 2」의 3치로 변별된다.

도 8은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 역치 생성부(230)의 구성을 도시하는 회로도이다. 이 역치 생성부(230)는, 피크 검출기(231), 보텀 검출기(232) 및 저항(233-235)을 포함해서 구성된다. 이퀄라이저(220)로부터의 듀오 바이너리 신호는, 피크 검출기(231) 및 보텀 검출기(232)에 입력된다. 피크 검출기(231)에 있어서는 입력된 듀오 바이너리 신호의 피크 전압이 검출되고, 보텀 검출기(232)에 있어서는 보텀 전압이 검출된다. 검출된 피크 전압 및 보텀 전압은, 저항(233-235)의 저항값에 응하여 Hi역치, Lo역치가 되어, 3치 변별기(225)에 출력된다.

PLL(240)은, 이퀄라이저(220)로부터의 듀오 바이너리 신호에 동기한 데이터 클록을 생성한다. PLL(240)에 의한 식별의 타이밍은, 2치 판정인 경우보다도 반 클록 벗어난다. 3치 변별기(225)의 출력 신호는, PLL(240)로부터 주어지는 데이터 클록에 의해 리타이밍되어서 비터비 복호기(245)에 출력된다.

도 9는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비터비 복호기(245)의 구성을 도시하는 회로도이다. 비터비 복호기(245)는, 브랜치 메트릭 산출부(246), 패스 메트릭 산출부(247) 및 패스 메모리(248)를 구비한다. 브랜치 메트릭 산출부(246)는, 3치 변별기(225)로부터의 3치 신호와 각 기준 값(즉,「0」,「1」,「2」)과의 유클리드 거리를 계산하는 것에 의해 브랜치 메트릭을 산출하고, 산출한 브랜치 메트릭을 패스 메트릭 산출부(247)에 출력한다. 패스 메트릭 산출부(247)는, 브랜치 메트릭 산출부(246)에서 산출된 브랜치 메트릭에 기초하여, 취할 수 있는 모든 상태 천이(遷移) 중으로부터 가장 확실한 듯한 패스를 산출하고, 산출한 생존[生殘] 패스를 패스 메모리(248)에 격납한다. 도 10은, 비터비 복호기(245)의 상태 천이도의 일 예를 도시하고, 도 11은, 도 10의 상태 천이도에 대응한 트렐리스 선도를 도시한다. 이들의 도면에 도시되는 바와 같이, 3치 변별기(225)로부터의 입력 신호 계열은, S0으로부터 S4의 4상태에 천이한다. 여기서, 1/2, 0/1, 0/0, 1/1은 입력/출력의 관계를 도시하고 있다. 패스 메모리(248)에 격납된 생존 패스는 순차 머지(merge)되고, 머지된 부호 계열이 복호 결과로서 (1, x) RLL 복호기(250)에 출력된다. 본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, (1, x) RLL 부호화된 송신 데이터를 듀오 바이너리 등화하는 것에 의해, 각 파형 패턴간의 유클리드 거리가 커지기 때문에, 비터비 복호에 의한 오류 정정 능력이 향상한다. 또한, 비터비 복호기(245)는 경판정(硬判定)을 수행하기 때문에, 다(多)비트의 A/D컨버터를 구비할 필요가 없어 수신기(200)의 회로 구성이 간단해진다.

이상 서술한 바와 같이, 비터비 복호기(245)는, 3치 변별기(225)로부터의 3치 신호를 최우 복호하고, 복호 결과를 (1, x) RLL 복호기(250)에 출력한다. 최우 복호된 출력 신호는, (1, x) RLL 복호기(250)에 있어서, RLL 복호되어, 수신 데이터를 얻을 수 있다.

계속해서, 도 12~도 14를 이용하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신 시스템을 이용하여 측정된 통신 거리에 대하여 설명한다. 도 12~도 14에 도시하는 측정 결과는, 이하의 조건에서 측정되었다. 우선, 전송 속도는, RLL 복호화 전에서 100Mbps로 하였다. 그리고, 청색광 여기형 백색 LED(120)로서, 정격 전류 500mA(펄스 구동 시)인 범용의 백색 LED를 사용하고, 이를 다음의 구동 전류의 설정 조건에서 구동하였다. (1) 상승 펄스(SA)의 전류값(HA) : 32.9mA (2) 데이터 펄스(SB)의 전류값(HB) : 49.4mA (3) 하강 펄스(SC)의 전류값(HC) : 59.8mA (4) 프리 바이어스 전류값(HD) : 5.2mA (5) 상승 펄스 폭(WA), 하강 펄스 폭(WC)은, 유닛 인터벌(T)의 1/2(T/2) PD(210)로 하고, 수광 직경이 7mmφ인 렌즈 부착 Si-PIN 포토 다이오드를 사용하였다. 이퀄라이저(220)에 의한 등화 후의 신호가, 도 12에 도시하는 아이 패턴이 되도록 이퀄라이저(220)를 조정하였다. 역치 생성부(230)의 저항(233, 234, 235)의 저항값의 비가 27:43:30이 되도록, 각 저항(233, 234, 235)의 저항값을 조정하였다. 또한, 이퀄라이저(220)의 주파수 특성과 역치의 초기값을 정한 후는, 그 조정, 변경은 불필요하다. 비터비 복호기(245)는 패스 메모리를 10단으로 하였다. 또한, 레지스터 익스체인지법을 사용하였다.

전술한 도 12에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시 형태에 있어서는, 송신 신호가 (1, x) RLL 부호에 의해 부호화 처리되고 있어 부호장 1T에 상당하는 송신 신호가 존재하지 않기 때문에, 이퀄라이저(220)로부터는「0, 0, 1, 1, 0, 0, …」또는「2, 2, 1, 1, 2, 2, …」에 상당하는 신호가 출력되지 않는다. 즉, 이퀄라이저(220)의 출력 계열에 있어서는, dk 측에 의해「1」부터 「1」로의 천이가 일어나지 않는다. 이 때문에, 데이터의 변별 및 PLL(240)에 의한 클록 추출이 용이해진다.

도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 통신 거리에 대한 비트 에러 레이트의 측정 결과를 도시하는 그래프이며, 도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 수신기의 수신면에 있어서의 수신 조도에 대한 비트 에러 레이트의 측정 결과를 도시하는 그래프이다. 비교예로서 도시되고 있는 측정 결과는, 도 15에 도시하는 통신 시스템을 이용하여 측정되었다. 도 15에 도시하는 통신 시스템은, 국제 공개 제 2010/035896호 공보에 공개되어 있는 통신 시스템과 동일하게 구성되어 있다. 즉, 도 15에 도시하는 통신 시스템의 송신기는, 도 1에 도시하는 송신기(100)와 동일하게 구성된다. 즉, 도 15에 도시하는 송신기에 있어서, 송신 데이터는, 우선 도시하지 않은 (1, x) RLL 부호기에 의해 부호화된다. 그리고, 이 RLL 부호화된 데이터에 기초하여 다계조의 구동 전류가 생성되고, 이 구동 전류에 의해 백색 LED가 구동된다. 한편, 도 15에 도시하는 통신 시스템의 수신기는, 수신 신호를 듀오 바이너리 부호화하지 않는 점 및 비터비 복호를 이용하지 않고 리미팅 앰프에 의해 수신 신호를 2치화하고 있는 점에서 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수신기(200)와 다르다.

도 13에 도시되는 측정 결과로부터, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신 시스템에 있어서는, 도 15에 도시되는 비교예의 시스템과 비교하여, 동일한 비트 에러 레이트에 있어서 통신 거리가 확대하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14에 도시되는 측정 결과로부터, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가시광 통신 시스템에 있어서는, 도 15의 비교예의 시스템과 비교하여, 동일한 수신 조도 하에 있어서 비트 에러 레이트가 개선하고 있는 것을 알 수 있다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시 형태에 의하면, 고속인 전송 속도를 실현하면서 송신기로부터 수신기까지의 통신 거리를 확대하는 것이 가능하여, 간단한 처리 회로로부터 구성되는 가시광 통신용 수신기, 가시광 통신 시스템 및 가시광 통신 방법이 제공된다. 특히, 본 발명의 실시 형태에 따른 송신기(100) 및 수신기(200)의 회로 구성은, 서브 캐리어의 다중화에 의해 데이터 전송을 수행할 경우에 이용할 수 있는 비트 분해능이 높은 A/D컨버터나 FFT 등의 처리 회로가 불필요하기 때문에, 비교적 단순한 회로 구성으로 실현할 수 있다.

본 발명은, 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 여러 가지 변경을 더할 수 있다. 예컨대, 이하와 같은 변경이 가능하다. (1) 청색광 여기형 백색 LED(120)로서, 형광체로부터의 발광 성분으로 청색과 보색 관계에 있는 황색뿐만 아니라 적색 성분 등의 색성분을 포함해 연색성(演色性)을 개선한 것을 이용할 수 있다. (2) 도 5에 도시한 구동 파형 생성부(110) 및 다계조 구동부(115)의 회로 구성은 예시에 지나지 않고 적절히 변경할 수 있다. (3) 변조 부호는 DC프리의 (1, x) RLL 부호이면 좋고, 17PP이외의 여러 부호를 이용하는 것이 가능하다. 예컨대, 일본 특허 제3957679호 공보 등의 문헌에 기재되어 있는 Eight-to-Twelve Modulation(ETM)이나 IEEE ELECTRONICS LETTERS, VOL. 42, No. 20, 1169-1170p, 「Four-to-six modulation code for blue laser recording channels」등의 문헌으로 기재되어 있는 Four-to-six Modulation(FSM)을 이용할 수 있다. (4) 수신기(200)에 있어서의 컬러 필터(205)와 렌즈 등의 집광계의 전후 관계는 바뀌어도 지장이 없다. (5) 컬러 필터(205)는 생략 가능하다. (6) 구동 파형 생성부에 있어서 상승 및 하강 펄스의 펄스 폭에 대해서는, 본 명세서에 있어서 명시적으로 설명한 예에 한정되지 않는다. (7) 외부호(外符號)로서 Reed-Solomon 부호 등의 FEC(전방 오류 정정)를 이용하는 것에 의해, 통신 거리의 확대를 한층 더 도모할 수 있다. 또한, 이들의 외부호에 더하여 인터리브나 비트 스크램블을 조합시켜서 이용하는 것에 의해, 통신 거리의 확대를 한층 더 도모할 수 있다. (8) 비터비 복호기(245)에 있어서 복호 방법으로서, 레지스터 익스체인지법을 대신하여 트레이스백법을 이용할 수 있다.

100: 송신기 105: (1, x) RLL 부호기
110: 구동 파형 생성부 115: 다계조 구동부
120: 청색광 여기형 백색 LED 200: 수신기
205: 컬러 필터 210: 포토 다이오드
215: 트랜스 임피던스 앰프 220: 이퀄라이저
225: 3치 변별기 230: 역치 생성부
230, 240: PLL 245: 비터비 복호기
250: (1, x) RLL 복호기

Claims

최소 런이 1로 DC프리의 RLL 부호에 부호화되고 NRZI 변조된 송신 데이터의 상승[立上] 시에 상기 송신 데이터에 상승 펄스를 부가하는 것과 함께 하강[立下] 시에 하강 펄스를 부가함으로써 생성되는 구동 전류 신호에 의해 구동된 청색광 여기(勵起)형 백색 LED로부터의 가시광 신호를 수광하는 수광부;
수광한 상기 가시광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환부;
상기 광전 변환부로부터의 상기 전기 신호를 듀오 바이너리 신호로 등화(等化)하는 등화기;
상기 등화기로부터의 상기 듀오 바이너리 신호를 3치(値) 신호로 변별하는 변별기;
상기 변별기로부터의 상기 3치 신호를 최우(最尤) 복호(復號)하는 최우 복호기; 및
상기 최우 복호기의 복호 결과를 RLL 복호화하는 복호기;
를 구비하는 가시광 통신용 수신기.
제1항에 있어서, 상기 RLL 부호가 17PP 부호인 가시광 통신용 수신기.
제1항에 있어서, 상기 청색광 여기형 백색 LED는, 청색 LED와, 해당 청색 LED로부터의 청색광에 의해 여기되고 해당 청색광의 보색에 상당하는 파장 성분을 포함하는 형광을 출사하는 형광체를 포함하고,
상기 수광부는, 상기 형광체로부터의 형광에 상당하는 파장 성분을 상기 가시광 신호로부터 제거하는 필터를 구비하는 가시광 통신용 수신기.
제3항에 있어서, 상기 청색광 여기형 백색 LED의 피크 파장 범위가 440∼470nm인 가시광 통신용 수신기.
송신 데이터를 최소 런을 1로 DC프리의 RLL부호에 부호화하고, 상기 부호화 후의 데이터 계열을 NRZI 변조하는 변조부와, 상기 변조부에 있어서 변조된 송신 데이터의 상승 시에 변조 후의 상기 송신 데이터에 상승 펄스를 부가하는 것과 함께 상기 송신 데이터의 하강 시에 하강 펄스를 부가하는 것에 의해 구동 전류 신호를 생성하는 구동 전류 생성부와, 상기 구동 전류에 의해 구동되는 청색광 여기형 백색 LED를 포함하는 송신기; 및
상기 청색광 여기형 백색 LED로부터의 가시광 신호를 수광하는 수광부와, 수광한 상기 가시광 신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부로부터의 상기 전기 신호를 듀오 바이너리 신호로 등화하는 등화기와, 상기 등화기로부터의 상기 듀오 바이너리 신호를 3치 신호에 변별하는 변별기와, 상기 변별기로부터의 상기 3치 신호를 최우 복호하는 최우 복호기와, 상기 최우 복호기의 복호 결과를 RLL 복호화하는 복호기를 포함하는 수신기;
를 구비하는 가시광 통신 시스템.
송신 데이터를 최소 런을 1로 DC프리의 RLL 부호에 의해 부호화하고, 상기 부호화 후의 데이터 계열을 NRZI 변조하는 스텝;
변조된 송신 데이터의 상승 시에 상기 송신 데이터에 상승 펄스를 부가하는 것과 함께 상기 송신 데이터의 하강 시에 하강 펄스를 부가함으로써 구동 전류 신호를 생성하고, 생성한 상기 구동 전류 신호를 청색광 여기형 백색 LED에 공급하는 스텝;
상기 청색광 여기형 백색 LED로부터의 가시광 신호를 수광하는 스텝;
수광한 상기 가시광 신호를 전기 신호로 변환하는 스텝;
상기 전기 신호를 듀오 바이너리 신호로 등화하는 스텝;
상기 듀오 바이너리 신호를 3치 신호로 변별하는 스텝;
상기 3치 신호를 최우 복호하는 스텝; 및
상기 최우 복호 결과를 RLL 복호화하는 스텝;
을 구비하는 가시광 통신 방법.