CN105227245B - 一种基于白光led的可见光通信***的接收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于白光LED的可见光通信***的接收装置，包括至少一组光检测电路、前均衡电路、前置放大电路、后均衡滤波电路、主放大电路、解调电路和输出电路；其中，所述光检测电路接收基于白光LED的可见光通信***发射装置发送的光信号，然后所述光检测电路能够将该光信号转化为微弱电流信号；然后通过所述前均衡电路对微弱电流信号进行均衡补偿，再经所述前置放大电路和所述后均衡滤波电路进行放大和滤波，最后经所述解调电路还原成原始模拟电信号，通过所述输出电路输出。因此，本发明能够克服前均衡跨阻抗前置放大技术噪声影响大和后均衡跨阻抗前置放大技术増益带宽小的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是指一种基于白光LED的可见光通信***的接收装置。
背景技术
目前，如图1所示，所述基于白光LED的可见光通信***，发射装置可以将电信号转化为光信号，然后通过光学信道即自由空间将光信号发送给接收装置，最后接收装置能够将接收的具有一定频率的光信号转化为原始电信号。其中，基于白光LED的可见光通信***的接收装置的核心技术是光电转换技术，且光电转换技术的核心是如何将光生电流进行无噪声放大。
现有的光电转换技术有前均衡跨阻抗前置放大技术和后均衡跨阻抗前置放大技术。其中，后均衡跨阻抗前置放大技术，是指在光电检测器所产生的光输入信号电流进入放大器之后，对传输信号进行频率补偿以提高电路的带宽，而引入后均衡器的位置是在跨阻抗前置放大器的输出端和主放大电路的输入端之间。然而这种技术存在增益小，灵敏度低的缺点。并且，在后均衡电路中，跨阻抗前置放大电路产生的噪声对信号电流已经产生干扰，这样输入电流信号强度低于噪声电流的频率成分均无法通过频率补偿恢复，即高频部分的信号均被损失掉。
前均衡跨阻抗前置放大技术，是指光生输入电流进入放大器之前，采用频率补偿手段对输入信号进行均衡，使信号的高频成分在没有低到噪声以下，或者电路中的噪声还未对输入信号产生干扰就被补偿过来，获得更大的带宽，从而克服前置放大器的低带宽和高频信号由于损失过大而无法恢复的缺点。前均衡跨阻抗前置放大技术虽然有效改善后均衡跨阻抗放大器光接收装置存在的增益小，灵敏度低的问题，但是，光接收机的噪声主要由跨阻抗前置输入级决定，在跨阻抗输入级的前端加入均衡器，前均衡器产生的噪声会和输入信号同时被放大，则前均衡器的电路结构和噪声特性对光接收***的信噪比和灵敏度会造成很大的影响。随着通信距离的增加，所述的灵敏度、增益、带宽和噪声问题越严重。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于白光LED的可见光通信***的接收装置，能够克服前均衡跨阻抗前置放大技术噪声影响大和后均衡跨阻抗前置放大技术増益带宽小的缺点。
基于上述目的本发明提供的基于白光LED的可见光通信***的接收装置，包括至少一组光检测电路、前均衡电路、前置放大电路、后均衡滤波电路、主放大电路、解调电路和输出电路；其中，所述光检测电路接收基于白光LED的可见光通信***发射装置发送的光信号，然后所述光检测电路能够将该光信号转化为微弱电流信号；然后通过所述前均衡电路对微弱电流信号进行均衡补偿，再经所述前置放大电路和所述后均衡滤波电路进行放大和滤波，最后经所述解调电路还原成原始模拟电信号，通过所述输出电路输出。
可选地，所述基于白光LED的可见光通信***的接收装置还包括判决电路，该判决电路一端与所述主放大电路连接，另一端与所述解调电路连接；并且，所述判决电路能够判决经所述主放大电路输出的信号是否为传输的数据信号并整形。
进一步地，所述判决电路采用电压比较器实现方式，电压比较器的输入端正极串联电阻R10并与所述主放大电路传送的信号连接，电压比较器的输入端负极串联电阻R15然后接电压，电压比较器的输入端负极和输出端之间跨接一个R16，形成电压负反馈，电压比较器的电源和输出端之间并接一个R14，作为保护电阻。
可选地，所述的光检测电路选用光电二极管，所述的光检测电路的交流等效电路为一个电流源Is和一个结电阻R1和一个结电容C1并联构成一个光电二极管。
进一步地，所述前均衡电路利用光电检测电路1的寄生电容Cd和前置放大电路的输入电容Ci和输入电阻Ri构成前均衡补偿电路，前均衡电路2的补偿频率为：
进一步地，所述前置放大电路设计为跨阻抗前置放大电路，将经过前均衡电路后的微弱电流信号转化为具有一定幅值的电压脉冲信号。
进一步地，所述前置放大电路包括第一个运算放大器与R1和R3构成前置互阻抗电压负反馈放大电路，经光电检测电路1产生的微弱的光生电流信号在这里得到第一次放大，R6，R7,R8，R9为电路的匹配电阻；L1，L2，C3，C4,C5组成一个∏型的二阶滤波网络，将其他噪声杂波滤除；第二个运算放大器与R4，R5构成电压负反馈的主放大电路，在这里光生电流信号得到二次放大，使其达到后面电路需要的电压幅值；C1，C2,C6,C7滤除稳压直流电源的交流信号；C8，C9和R2构成RC滤波网络，在经光电检测电路产生的微弱的光生电流信号未被放大之前将其他混入的杂波和噪声滤除。
可选地，所述后均衡滤波电路采用三个电容C1C2C3和两个电感L1L2构成一个π型的二阶滤波均衡电路，将滤除经前均衡电路产生的噪声和未能滤掉的其他的干扰噪声，并且后均衡滤波电路同时进行二次拓展信号的带宽，如下：
其中，L＝L1//L2，C＝C1//C2//C3。
可选地，所述主放大电路采用多级联负反馈的方式，将所述前置放大电路输出的电压脉冲信号放大到后端信号处理所需要的电平级别。
进一步地，所述解调电路包括采集处理模块和D/A转换模块，所述采集处理模块将所述判决电路传送的数字信号进行采集，然后发送给所述D/A转换模块，所述D/A转换模块则将采集的数字信号转变为模拟电信号，最后将该模拟电信号通过所述采集处理模块传输给所述输出电路；
所述解调电路还包括显示屏，该显示屏与采集处理模块相连，将所述采集处理模块和所述D/A转换模块的操作结果进行展示；另外，还能够通过所述显示屏对所述采集处理模块和所述D/A转换模块的信号处理进行控制、下达指令；
所述解调电路还包括了与所述采集处理模块连接的所述***时钟模块，所述的***时钟模块对所述采集处理模块和所述D/A转换模块的时间进行控制；另外，所述采集处理模块和所述D/A转换模块将各种时间处理在所述***时钟模块中显示。
从上面所述可以看出，本发明提供的基于白光LED的可见光通信***的接收装置，通过光检测电路接收发射装置发送的光信号并转化为微弱电流信号，然后通过前均衡电路对微弱电流信号进行均衡补偿，再经前置放大电路和后均衡滤波电路进行放大和滤波，最后经解调电路还原成原始模拟电信号，通过输出电路输出。从而，所述基于白光的LED的可见光通信***的接收装置能够在不牺牲増益、灵敏度和带宽的前提下，减少噪声对接收信号的影响。
附图说明
图1为现有技术中基于白光LED的可见光通信***的结构示意图；
图2为本发明实施例基于白光LED的可见光通信***的接收装置的结构示意图；
图3为本发明实施例光检测电路的交流等效电路的结构示意图；
图4为本发明实施例前均衡电路的结构示意图；
图5为本发明实施例前置放大电路的结构示意图；
图6为本发明实施例主放大电路的结构示意图；
图7为本发明实施例判决电路的结构示意图；
图8为本发明实施例解调电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，为本发明实施例基于白光LED的可见光通信***的接收装置的结构示意图。所述基于白光LED的可见光通信***的接收装置包括：光检测电路1、前均衡电路2、前置放大电路3、后均衡滤波电路4、主放大电路5、解调电路7和输出电路8。较佳地，该接收装置还包括判决电路6。其中，光检测电路1可以接收基于白光LED的可见光通信***发射装置发送的光信号，然后光检测电路1能够将该光信号转化为微弱电流信号。然后通过前均衡电路2对微弱电流信号进行均衡补偿，再经前置放大电路3和后均衡滤波电路4进行放大和滤波，最后经判决电路6和解调电路7还原成原始模拟电信号，通过输出电路8输出。
值得说明的是，本发明所述的基于白光LED的可见光通信***的接收装置可以是至少包括一个光检测电路1、一个前均衡电路2、一个前置放大电路3、一个后均衡滤波电路4、一个主放大电路5、一个判决电路6、一个解调电路7和一个输出电路8。在上面的实施例中只举例说明了所述接收装置包括一组上述电路，当然所述接收装置还可以包括二组、三组或者更多的上述电路。
较佳地，光检测电路1将接收到的具有一定频率的光信号转化为电流信号，这电流信号一般为μA量级。优选地，光检测电路1选用光电二极管，根据本发明选用的LED的发光原理，选用光电二极管的敏感波长范围为400-1100nm左右。光电二极管实际上是一个电流源，它的输出阻抗有限但是很大，它的交流等效电路图，如图3所示；一个电流源Is和一个结电阻R1和一个结电容C1并联构成一个光电二极管。
IS是响应入射光信号的电流，他们的关系为：
IS＝sPi
Pi是入射到光电二极管有效面积上的光功率(W)，s是光电二极管对入射光波长的灵敏度(A/W)。在一定范围内。信号电流IS相对于入射光是呈线性关系的。
在本发明的另一个实施例中，所述接收装置的前均衡电路2位置是在前置放大电路3的前端，也即光生输入电流进入前置放大电路3之前，利用光电检测电路1的寄生电容Cd和前置放大电路3的输入电容Ci和输入电阻Ri构成前均衡补偿电路。所述前均衡电路2的具体实施例为，参阅图4所示：一个运算放大器和两个电阻R2,R3组成一个前置互阻抗电压负反馈电路，在这里将光电检测器1产生的光生电流信号进行放大，R3和C3组成一个选频滤波网络。R1是保护电阻，R4是电路输出端的匹配电阻，C1和C2的作用是滤除直流稳压电源的交流信号。
所述的前均衡电路2用于对频率进行补偿，即采用频率补偿手段对光生电流信号进行均衡，使信号的高频成分在没有低到噪声以下，或者电路中的噪声还未对光生电流信号产生干扰就被补偿过来，获得更大的带宽，从而克服前置放大电路3的低带宽和高频信号由于损失过大而无法恢复的缺点。优选地，前均衡电路2的补偿频率为：
作为本发明的一个实施例，所述前置放大电路3设计为跨阻抗前置放大电路。较佳地，所述前置放大电路3采用电压负反馈的方式，将经过前均衡电路2后的微弱电流信号转化为具有一定幅值的电压脉冲信号，这里相当于一个全通滤波器，以牺牲电路的带宽来换取电路增益的提高，但有效的提高了电路的灵敏度。如下：
其中，Af为负反馈増益，A为开环増益，F为反馈深度，S为灵敏度，Rf为反馈电阻，Ri为前置放大电路3的输入电阻。因此，反馈电阻越大，反馈深度越深，电路的反馈増益越大，代价是电路的灵敏度下降。从而，提高反馈增益的同时，必须兼顾电路的灵敏度，前置放大电路3的反馈电阻不能太大。
值得说明的是，所述前置放大电路3具体的实施如下(如图5所示)：第一个运算放大器与R1和R3构成前置互阻抗电压负反馈放大电路，经光电检测电路1产生的微弱的光生电流信号在这里得到第一次放大，发大倍数根据需要可以通过调节R3的阻值得到。R6，R7,R8，R9为电路的匹配电阻；L1，L2，C3，C4,C5组成一个∏型的二阶滤波网络，将其他噪声杂波滤除。
第二个运算放大器与R4，R5构成电压负反馈的主放大电路，在这里光生电流信号得到二次放大，使其达到后面电路需要的电压幅值，可以调节R5阻值得到需要的放大倍数；C1，C2,C6,C7可以滤除稳压直流电源的交流信号；C8，C9和R2构成简单的RC滤波网络，在经光电检测电路产生的微弱的光生电流信号未被放大之前将其他混入的杂波和噪声滤除。
作为本发明的另一个实施例，所述接收装置的后均衡滤波电路4位置是在前置放大电路3的输出端和主放大电路5的输入端之间。较佳地，后均衡滤波电路4采用三个电容C1C2C3和两个电感L1L2构成一个π型的二阶滤波均衡电路。因此，后均衡滤波电路4将滤除经前均衡电路2产生的噪声和未能滤掉的其他的干扰噪声。另外，后均衡滤波电路4同时可以进行二次拓展信号的带宽，如下：
另外，在本发明的实施例中，为了得到更宽的带宽和更高的灵敏度，前置放大电路3的反馈电阻不能过大，所述接收装置的主放大电路5将前置放大电路3输出的电压脉冲信号放大到后端信号处理所需要的电平级别。较佳地，主放大电路5在将前置放大电路3输出的电压脉冲信号放大到后端信号处理所需要的电平级别的同时，保证信号无失真的传输。优选地，所述的主放大电路5采用多级联负反馈的方式，如图6所示，电压増益可以达到几百万倍。
在本发明的一个实施例中，所述接收装置的判决电路6能够判决经主放大电路5输出的信号是否为传输的数据信号。较佳地，判决电路6采用电压比较器实现方式。需要说明的是，判决电路6并不限于所述的电压比较器。优选地，判决电路6判决所述接收装置接收到的信号是否为所述发射端传送来的编码信号的同时可以起到整形作用。参阅图7所示，电压比较器的输入端正极串联电阻R10并与主放大电路5传送的信号连接，电压比较器的输入端负极串联电阻R15然后接电压，电压比较器的输入端负极和输出端之间跨接一个R16，形成电压负反馈，电压比较器的电源和输出端之间并接一个R14，作为保护电阻。
较佳地，所述接收装置的解调电路7可以采集所述判决电路6输出的数字信号并解调还原成模拟电信号，再根据定义的通信协议输出还原后的模拟信号。其中，通信协议是指发射装置和接收装置之间的通信协议，就是发射端发射按照这种协议标准发射数据信号，接收端就按照这种协议接收解调。
优选地，如图8所示，解调电路7包括采集处理模块701和D/A转换模块702。采集处理模块701可以将判决电路6传送的数字信号进行采集，然后发送给D/A转换模块702，D/A转换模块702则将采集的数字信号转变为模拟电信号，最后将该模拟电信号通过采集处理模块701传输给输出电路8。值得说明的是，采集处理模块701和D/A转换模块702可以采用具有数据采集和转换功能的微处理器芯片，其微处理器芯片的晶振频率不低于16MHZ，可以实现数据采集处理和D/A转换。
较佳地，解调电路7还可以包括显示屏703。该显示屏703与采集处理模块701相连，可以将采集处理模块701和D/A转换模块702的操作结果进行展示。另外，可以通过显示屏703对采集处理模块701和D/A转换模块702的信号处理进行控制、下达指令。
作为一个实施例，解调电路7还包括了与采集处理模块701连接的***时钟模块704。所述的***时钟模块704可以对采集处理模块701和D/A转换模块702的时间进行控制，例如：分时控、计时、时间戳等等。另外，采集处理模块701和D/A转换模块702可以将各种时间处理在***时钟模块704中显示。
作为实施例，输出电路8可以将解调电路7还原后的模拟电信号输出到外界终端。其中，还原后的模拟电信号可以是文字、音乐、视频等等。较佳地，输出电路8采用数据传输线接到转接板上构成。
综上所述，本发明提供的基于白光LED的可见光通信***的接收装置，创造性地提出了一种涉及采用前后均衡互阻抗前置放大的接收装置，有效克服了前均衡技术和后均衡技术的不足，具有噪声小，高灵敏度，高带宽，高増益的优点；而且，既克服了前均衡跨阻抗放大电路噪声干扰大的问题，又有效的解决了后均衡跨阻抗放大电路带宽、增益和灵敏度不够高的问题；与此同时，接收装置有很宽的带宽和很高的灵敏度，电路可操作性强，结构简单，成本低；在不增加电路设计以及制备工艺的难度的情况下，通过前后均衡跨阻抗前置放大的接收装置，实现基于白光LED的可见光通信***，有极大的实际应用价值；最后，整个所述的基于白光LED的可见光通信***的接收装置简便、紧凑，易于实现。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于白光LED的可见光通信***的接收装置，其特征在于，包括至少一组光检测电路、前均衡电路、前置放大电路、后均衡滤波电路、主放大电路、解调电路和输出电路；其中，所述光检测电路接收基于白光LED的可见光通信***发射装置发送的光信号，然后所述光检测电路能够将该光信号转化为微弱电流信号；然后通过所述前均衡电路对微弱电流信号进行均衡补偿，再经所述前置放大电路和所述后均衡滤波电路进行放大和滤波，最后经所述解调电路还原成原始模拟电信号，通过所述输出电路输出；
其中，所述后均衡滤波电路采用三个电容C1C2C3和两个电感L1L2构成一个π型的二阶滤波均衡电路，将滤除经前均衡电路产生的噪声和未能滤掉的其他的干扰噪声，并且后均衡滤波电路同时进行二次拓展信号的带宽，如下：
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<mi>C</mi>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，L＝L1//L2，C＝C1//C2//C3。
2.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述基于白光LED的可见光通信***的接收装置还包括判决电路，该判决电路一端与所述主放大电路连接，另一端与所述解调电路连接；并且，所述判决电路能够判决经所述主放大电路输出的信号是否为传输的数据信号并整形。
3.根据权利要求2所述的接收装置，其特征在于，所述判决电路采用电压比较器实现方式，电压比较器的输入端正极串联电阻R10并与所述主放大电路传送的信号连接，电压比较器的输入端负极串联电阻R15然后接电压，电压比较器的输入端负极和输出端之间跨接一个R16，形成电压负反馈，电压比较器的电源和输出端之间并接一个R14，作为保护电阻。
4.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述的光检测电路选用敏感波长为400nm-1100nm的光电二极管，所述的光检测电路的交流等效电路为一个电流源Is和一个结电阻R1和一个结电容C1并联构成一个光电二极管。
5.根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于，所述前均衡电路利用光检测电路的寄生电容Cd和前置放大电路的输入电容Ci和输入电阻Ri构成前均衡补偿电路，前均衡电路的补偿频率为：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>c</mi>
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<mo>=</mo>
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<mo>/</mo>
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<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
6.根据权利要求5所述的接收装置，其特征在于，所述前置放大电路设计为跨阻抗前置放大电路，将经过前均衡电路后的微弱电流信号转化为具有一定幅值的电压脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的接收装置，其特征在于，所述前置放大电路包括第一个运算放大器与R1和R3构成前置互阻抗电压负反馈放大电路，经光检测电路产生的微弱的光生电流信号在这里得到第一次放大，R6，R7,R8，R9为电路的匹配电阻；L1，L2，C3，C4,C5组成一个Π型的二阶滤波网络，将其他噪声杂波滤除；第二个运算放大器与R4，R5构成电压负反馈的主放大电路，在这里光生电流信号得到二次放大，使其达到后面电路需要的电压幅值；C1，C2,C6,C7滤除稳压直流电源的交流信号；C8，C9和R2构成RC滤波网络，在经光检测电路产生的微弱的光生电流信号未被放大之前将其他混入的杂波和噪声滤除。
8.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述主放大电路采用多级联负反馈的方式，将所述前置放大电路输出的电压脉冲信号放大到后端信号处理所需要的电平级别。
9.根据权利要求2或3所述的接收装置，其特征在于，所述解调电路包括采集处理模块和D/A转换模块，所述采集处理模块将所述判决电路传送的数字信号进行采集，然后发送给所述D/A转换模块，所述D/A转换模块则将采集的数字信号转变为模拟电信号，最后将该模拟电信号通过所述采集处理模块传输给所述输出电路；
所述解调电路还包括显示屏，该显示屏与采集处理模块相连，将所述采集处理模块和所述D/A转换模块的操作结果进行展示；另外，还能够通过所述显示屏对所述采集处理模块和所述D/A转换模块的信号处理进行控制、下达指令；
所述解调电路还包括了与所述采集处理模块连接的***时钟模块，所述的***时钟模块对所述采集处理模块和所述D/A转换模块的时间进行控制；另外，所述采集处理模块和所述D/A转换模块将各种时间处理在所述***时钟模块中显示。
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