CN108521297A - 一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块 - Google Patents

Abstract

一种基于LI‑Fi的点对点无线通讯模块，本发明涉及光通讯技术领域，解决现有技术由于存在寄生电荷和余留电荷导致用于Li‑Fi编码的时钟信号实施时延迟高、精度低且缺乏有效Li‑Fi接收模块的技术问题。该发明主要包括：电源和通讯负载电路；第一编程逻辑门阵列；第二编程逻辑门阵列，连接有光敏放大电路；第一场效应管，接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟且导通或关闭电源；振荡电路，接收第一场效应管输出的第一调制电源、接收第二编程逻辑门阵列输出的控制时钟且补偿或泄放第一场效应管输出的第一调制电源；第二场效应管，受控于振荡电路且与第一场效应管构成降压开关电路结构；低噪声隔离器。本发明用于Li‑FI通讯电路设计。

Description

一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块

技术领域

本发明涉及光通讯技术领域，具体涉及一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块。

背景技术

随着智能通讯技术的发展，电力线载波和有线互联逐渐演变为无线电互联。现如今无线电互联也向未来迈出了重要一步，出现了Li-Fi光电互联。Li-Fi光电互联，目前主要存在难以实现信号时钟的无损传递。由于电源电路和驱动电路中有开关的寄生电荷以及电容电感器件的余留电荷积累，在下次开启电源时，开通瞬间的冲击电荷幅值很高，与寄生电荷或余留电荷叠加后，容易损坏电路元件（如通讯负载电路的LED无序闪烁）；通常，现有技术没有设置反馈式过冲保护，利用缓冲电路进行中间过滤，缓冲电路可分为开通缓冲电路和关断缓冲电路。开通缓冲电路利用电感与器件串联来抑制器件的电流上升率，利用的是电感电流不能突变的原理。但是开通缓冲电感会在器件有关断动作时时产生关断尖峰电压，造成器件过压，所以开通缓冲电路相对用得较少。关断缓冲电路最基本的思想是利用电容电压不能突变的原理减小器件瞬时电压变化和抑制尖峰电压，同时也可以减小器件的开关损耗。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块，其旨在解决现有技术由于存在寄生电荷和余留电荷导致用于Li-Fi编码的时钟信号实施时延迟高、精度低且缺乏有效Li-Fi接收模块的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块,包括：电源和通讯负载电路；第一编程逻辑门阵列，用于控制电源占空比；第二编程逻辑门阵列，用于控制余留电荷泄放和切断空载电源且用于构建接收通路，连接有光敏放大电路；第一场效应管，接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟且导通或关闭电源；振荡电路，具有泄放电路结构，接收第一场效应管输出的第一调制电源，接收第二编程逻辑门阵列输出的控制时钟且补偿或泄放第一场效应管输出的第一调制电源；第二场效应管，受控于振荡电路且与第一场效应管构成降压开关电路结构；低噪声隔离器，用于隔离振荡电路和通讯负载电路；其中，所述的电源包括用于降低振荡延迟的同步整流器；其中，所述通讯负载电路包括依次连接的复位电路、LED驱动器和LED阵列，所述通讯负载电路作为Li-Fi信号发射模块。

上述方案中，所述的振荡电路，包括电感，接收第一场效应管输出的第一调制电源且输出第二调制电源至低噪声隔离器；第一电容，滤除第二调制电源的高频周期噪声或短促毛刺；第二电容，与电感、第一电容构成π型滤波结构，补偿第一调制电源；第三场效应管，用于关闭电源时泄放电荷，接收第一编程逻辑门阵列输出的参考时钟且泄放或维持第一场效应管输出的第一调制电源；第四场效应管，用于泄放结寄生电容电荷，接收第二编程逻辑门阵列输出的控制时钟；泄放开关三极管，接收第一编程逻辑门阵列输出的参考时钟，受控于第四场效应管且控制第二场效应管导通或截止。

上述方案中，所述的第一场效应管，通过第一二极管接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟。实现了与不同电源的频率匹配，特别是为了符号部分DC-DC电源的频率匹配特性。

上述方案中，还包括齐纳二极管，其低电极连接至电感；光耦器，其发光管高电极连接齐纳二极管的高电极且光敏管反馈由齐纳二极管受反向过冲输出的击穿信号至第一编程逻辑门阵列和第二编程逻辑门阵列。实现了过冲信号反馈，由第一编程逻辑门阵列和第二编程逻辑门阵列及时触发电源主动关断与电路电荷泄放，从而保护电路元件。

上述方案中，还包括第一电阻和第二二极管；所述的第一场效应管，依次通过正向导通的第一二极管、第一电阻接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟；所述的第二二极管，其高电极连接所述第一场效应管的栅极且低电极连接第一二极管的低电极，用于在第一电阻处构成放电回路、当占空比调制时钟截止时快速泄放第一场效应管的寄生电荷。

上述方案中，还包括分压电路；所述的第三场效应管，通过分压电路接收第一编程逻辑门阵列输出的参考时钟且泄放或维持第一场效应管输出的第一调制电源；

上述方案中，所述的分压电路，包括：分压电阻，其包括串联的第二电阻和第三电阻且其接收参考时钟且接地；第三二极管，其低电位端连接分压电阻的参考时钟接收端且其高电位端连接分压电阻的分压电位点，用于在第二电阻处构成放电回路、当参考时钟截止时快速泄放第三场效应管的寄生电荷。

上述方案中，所述的第二二极管，选用肖特基二极管。

上述方案中，所述的第三二极管，选用肖特基二极管。

上述方案中，所述的LED阵列，其工作功率范围为50瓦特至100瓦特。

上述方案中，所述的电源，包括交流电源和同步整流器。

上述方案中，所述的光敏放大电路，包括对称差分电路。

上述方案中，所述的光敏放大电路，包括由对称差分单元阵列构成的对称差分电路，所述的对称差分单元包括交叉对称耦合的两对差分晶体管和光敏二极管。

上述方案中，所述的对称差分单元，包括：

第一阻抗电路，输入端接收扫描时钟；

第一耦合电容，一端连接第一阻抗电路的输出端；

第一差分晶体管，栅极连接第一耦合电容的另一端且源极接地；

第一耦合电阻，一端连接第一阻抗电路的输出端；

第二耦合电容，一端连接第一耦合电阻的另一端；

第二差分晶体管，栅极连接第二耦合电容的另一端且漏极接地；

第二阻抗电路，输入端接收扫描时钟；

第三耦合电容，一端连接第二阻抗电路的输出端；

第三差分晶体管，栅极连接第三耦合电容的另一端且源极接地；

第二耦合电阻，一端连接第二阻抗电路的输出端；

第四耦合电容，一端连接第二耦合电阻的另一端；

第四差分晶体管，栅极连接第四耦合电容的另一端且漏极接地；

第一上拉电阻，一端连接电源VDD且另一端连接第二差分晶体管的源极和第三差分晶体管的漏极；

第二上拉电阻，一端连接电源VDD且另一端连接第四差分晶体管的源极和第一差分晶体管的漏极；

光敏二极管，低电位端连接第一阻抗电路的输出端、高电位端第二阻抗电路的输出端且还由Li-Fi光信号自适应导通；

其中，第四差分晶体管源极和第一差分晶体管漏极所在电位点的电位和第四差分晶体管源极和第一差分晶体管漏极所在电位点的电位的电位差作为反馈时钟；

其中，所述扫描时钟设定对称差分单元的初始状态，Li-Fi光信号通过造成光敏二极管的导通而在第一阻抗电路和第二阻抗电路的输入端造成变化，并进一步造成反馈时钟变化，从而通过反馈时钟变化密度而检测Li-Fi光信号的携带信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

提供了全新的Li-Fi信号接收电路模块；能消除泄放开关本身具有的寄生电荷；在通讯负载电路或电源关闭时，利用了同步反相时钟信号对调制电路进行控制，实现了在关断瞬间对输入电源截止并泄放回路电荷；输出的调制电源噪声低，稳定性好；提供了过冲保护；LED及其驱动模组功率消耗低；具有较高的电源适配特性和通用性；利用关断缓冲电路原理，以接近无源的能量消耗实现对器件瞬时电压变化的控制和尖峰电压的抑制，提高了器件的能量利用率。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明对称差分单元的电路示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

第一编程逻辑门阵列FPGA1，用于控制电源占空比；第二编程逻辑门阵列FPGA2，用于控制余留电荷泄放和切断空载电源；第一场效应管Q3，接收第一编程逻辑门阵列FPGA1输出的占空比调制时钟CLK且导通或关闭电源；振荡电路，具有泄放电路结构，接收第一场效应管输出的第一调制电源，接收第二编程逻辑门阵列FPGA2输出的控制时钟且补偿或泄放第一场效应管Q3输出的第一调制电源；第二场效应管Q2，受控于振荡电路且与第一场效应管Q3构成降压开关电路结构；低噪声隔离器，隔离振荡电路和通讯负载电路。

上述方案中，所述的光敏放大电路，包括对称差分电路。

上述方案中，所述的光敏放大电路，包括由对称差分单元TIA阵列构成的对称差分电路，所述的对称差分单元TIA包括交叉对称耦合的两对差分晶体管和光敏二极管PIN。

上述方案中，所述的对称差分单元TIA，包括：

第一阻抗电路，输入端接收扫描时钟CKE，包括串联的电阻R13和电感L2，用于调整阻抗对称性；

第一耦合电容C6，一端连接第一阻抗电路的输出端；

第一差分晶体管Q8，栅极连接第一耦合电容C6的另一端且源极接地；

第一耦合电阻R11，一端连接第一阻抗电路的输出端；

第二耦合电容C4，一端连接第一耦合电阻R11的另一端；

第二差分晶体管Q7，栅极连接第二耦合电容C4的另一端且漏极接地；

第二阻抗电路，输入端接收扫描时钟CKE，包括串联的电阻R14和电感L3，用于调整阻抗对称性；

第三耦合电容C7，一端连接第二阻抗电路的输出端；

第三差分晶体管Q9，栅极连接第三耦合电容C7的另一端且源极接地；

第二耦合电阻R12，一端连接第二阻抗电路的输出端；

第四耦合电容C5，一端连接第二耦合电阻R12的另一端；

第四差分晶体管10，栅极连接第四耦合电容C5的另一端且漏极接地；

第一上拉电阻R9，一端连接电源VDD且另一端连接第二差分晶体管Q7的源极和第三差分晶体管Q9的漏极；

第二上拉电阻R10，一端连接电源VDD且另一端连接第四差分晶体管10的源极和第一差分晶体管Q8的漏极；

光敏二极管PIN，低电位端连接第一阻抗电路的输出端、高电位端第二阻抗电路的输出端且还由Li-Fi光信号自适应导通；

其中，第四差分晶体管10源极和第一差分晶体管Q8漏极所在电位点α的电位和第四差分晶体管10源极和第一差分晶体管Q8漏极所在电位点γ的电位的电位差ΔV_(α-γ)作为反馈时钟CKS；

其中，所述扫描时钟CKE设定对称差分单元的初始状态，Li-Fi光信号通过造成光敏二极管的导通而在第一阻抗电路和第二阻抗电路的输入端造成变化，并进一步造成反馈时钟CKS变化，从而通过反馈时钟变化密度ΔD_CKS(或占空比变化密度)而通过第二编程逻辑门阵列FPGA2检测Li-Fi光信号的携带信息。

所述的振荡电路，包括电感L1，接收第一场效应管Q3输出的第一调制电源且输出第二调制电源至低噪声隔离器；第一电容C1，滤除第二调制电源的高频周期噪声或短促毛刺；第二电容C3，与电感L1、第一电容C1构成π型滤波结构，补偿第一调制电源；第三场效应管Q5，用于关闭电源时泄放电荷，接收第一编程逻辑门阵列FPGA1输出的参考时钟Vref且泄放或维持第一场效应管Q3输出的第一调制电源；第四场效应管Q4，用于泄放结寄生电容电荷，接收第二编程逻辑门阵列FPGA2输出的控制时钟；泄放开关三极管Q6，接收第一编程逻辑门阵列FPGA1输出的参考时钟Vref，受控于第四场效应管Q4且控制第二场效应管Q2导通或截止。

还包括第一电阻R2和第二二极管D7；所述的第一场效应管Q3，依次通过正向导通的第一二极管D6、第一电阻R2接收第一编程逻辑门阵列FPGA1输出的占空比调制时钟CLK；

所述的第二二极管D7，其高电极连接所述第一场效应管Q3的栅极且低电极连接第一二极管D6的低电极，用于在第一电阻处构成放电回路、当占空比调制时钟CLK截止时快速泄放第一场效应管Q3的寄生电荷。

还包括分压电路；所述的第三场效应管Q5，通过分压电路接收第一编程逻辑门阵列FPGA1输出的参考时钟Vref且泄放或维持第一场效应管Q3输出的第一调制电源；所述的分压电路，包括：分压电阻，其包括串联的第二电阻R4和第三电阻R6且其接收参考时钟Vref且接地；第三二极管D3，其低电位端连接分压电阻的参考时钟Vref接收端且其高电位端连接分压电阻的分压电位点β。同样有，第四二极管D1和第四电阻也构成寄生电荷泄放结构，第二场效应管Q2通过第四电阻R1接收参考时钟Vref，第四二极管D1的高电极连接第二场效应管Q2的栅极且低电极连接第四电阻R1接收参考时钟Vref的端子。所述的第一二极管D6、第二二极D7管、第三二极管D3和第四二极管D1，均选用肖特基二极管，可以让很低的寄生电压得到耗尽，能消除各个泄放开关本身具有的寄生电荷。

在通讯负载电路用电态时，电源选用交流电，第二编程逻辑门阵列FPGA2输出低电控制时钟，三极管Q6不导通且场效应管Q2截止，若第一编程逻辑门阵列FPGA1输出低电参考时钟Vref且输出高电占空比调制时钟CLK，场效应管Q5截止， 场效应管Q3导通，通讯负载电路通过低噪声隔离器获得稳定的直流电源，电容C1、电容C3为满电荷状态；在通讯负载电路断电瞬间，第一编程逻辑门阵列FPGA1立刻同步反相占空比调制时钟CLK、参考时钟Vref，场效应管Q3截止，第二编程逻辑门阵列FPGA2输出高电控制时钟，三极管Q6、场效应管Q2、场效应管Q4和场效应管Q5导通，且场效应管Q4导通需要相比第一编程逻辑门阵列FPGA1输出发生同步反相快，它们对回路电荷、结电容进行快速泄放，泄放周期可根据经验值，但场效应管Q4需要最后关断。具体设计时，可能还包括更多的元件，比如电阻R1、R3、R5和R8。

所述的LED阵列，包括本体，漫射罩，反射板和带有LED的板，所述反射板由多个部分反射板组成，所述部分反射板由空气间隙隔开，倾斜地分布在所述本体和所述漫射罩之间的空间内，与所述本体呈不同的角度。所述部分反射板相对于所述本体倾斜不同的角度γ，所述角度γ满足条件8°＜γ＜50°，从而消除LED灯的耀眼效应，防止由于本发明灯光耀眼而对道路中行人行车造成威胁，同时简化灯的设计。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块,其特征在于，包括：

电源和通讯负载电路；

第一编程逻辑门阵列，用于控制电源占空比；

第二编程逻辑门阵列，用于控制余留电荷泄放和切断空载电源且用于构建接收通路，连接有光敏放大电路；

第一场效应管，接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟且导通或关闭电源；

振荡电路，具有泄放电路结构，接收第一场效应管输出的第一调制电源、接收第二编程逻辑门阵列输出的控制时钟且补偿或泄放第一场效应管输出的第一调制电源；

第二场效应管，受控于振荡电路且与第一场效应管构成降压开关电路结构；

低噪声隔离器，用于隔离振荡电路和通讯负载电路；

其中，所述的电源包括用于降低振荡延迟的同步整流器；

其中，所述通讯负载电路包括依次连接的复位电路、LED驱动器和LED阵列，所述通讯负载电路作为Li-Fi信号发射模块；

其中，所述第二编程逻辑门阵列输出扫描时钟至光敏放大电路且接收光敏放大电路对应扫描时钟所输出的反馈时钟，作为Li-Fi信号接收模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，所述的振荡电路，包括

电感，接收第一场效应管输出的第一调制电源且输出第二调制电源至低噪声隔离器；

第一电容，滤除第二调制电源的高频周期噪声或短促毛刺；

第二电容，与电感、第一电容构成π型滤波结构，补偿第一调制电源；

第三场效应管，用于关闭电源时泄放电荷，接收第一编程逻辑门阵列输出的参考时钟且泄放或维持第一场效应管输出的第一调制电源；

第四场效应管，用于泄放结寄生电容电荷，接收第二编程逻辑门阵列输出的控制时钟；

泄放开关三极管，接收第一编程逻辑门阵列输出的参考时钟，受控于第四场效应管且控制第二场效应管导通或截止。

3.根据权利要求1所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，所述的第一场效应管，通过第一二极管接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟。

4.根据权利要求1所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，还包括

齐纳二极管，其低电极连接至电感；

光耦器，其发光管高电极连接齐纳二极管的高电极且光敏管反馈由齐纳二极管受反向过冲输出的击穿信号至第一编程逻辑门阵列和第二编程逻辑门阵列。

5.根据权利要求3所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，还包括第一电阻和第二二极管；

所述的第一场效应管，依次通过正向导通的第一二极管、第一电阻接收第一编程逻辑门阵列输出的占空比调制时钟；

所述的第二二极管，其高电极连接所述第一场效应管的栅极且低电极连接第一二极管的低电极，用于在第一电阻处构成放电回路、当占空比调制时钟截止时快速泄放第一场效应管的寄生电荷。

6.根据权利要求2所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，还包括分压电路；

所述的第三场效应管，通过分压电路接收第一编程逻辑门阵列输出的参考时钟且泄放或维持第一场效应管输出的第一调制电源。

7.根据权利要求6所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，所述的分压电路，包括：

分压电阻，其包括串联的第二电阻和第三电阻且其接收参考时钟且接地；

第三二极管，其低电位端连接分压电阻的参考时钟接收端且其高电位端连接分压电阻的分压电位点，用于在第二电阻处构成放电回路、当参考时钟截止时快速泄放第三场效应管的寄生电荷。

8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，所述的光敏放大电路，包括对称差分电路。

9.根据权利要求8所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，所述的光敏放大电路，包括由对称差分单元阵列构成的对称差分电路，所述的对称差分单元包括交叉对称耦合的两对差分晶体管和光敏二极管。

10.根据权利要求9所述的一种基于LI-Fi的点对点无线通讯模块, 其特征在于，所述的对称差分单元，包括：

第一阻抗电路，输入端接收扫描时钟；

第一耦合电容，一端连接第一阻抗电路的输出端；

第一差分晶体管，栅极连接第一耦合电容的另一端且源极接地；

第一耦合电阻，一端连接第一阻抗电路的输出端；

第二耦合电容，一端连接第一耦合电阻的另一端；

第二差分晶体管，栅极连接第二耦合电容的另一端且漏极接地；

第二阻抗电路，输入端接收扫描时钟；

第三耦合电容，一端连接第二阻抗电路的输出端；

第三差分晶体管，栅极连接第三耦合电容的另一端且源极接地；

第二耦合电阻，一端连接第二阻抗电路的输出端；

第四耦合电容，一端连接第二耦合电阻的另一端；

第四差分晶体管，栅极连接第四耦合电容的另一端且漏极接地；

第一上拉电阻，一端连接电源VDD且另一端连接第二差分晶体管的源极和第三差分晶体管的漏极；

第二上拉电阻，一端连接电源VDD且另一端连接第四差分晶体管的源极和第一差分晶体管的漏极；

光敏二极管，低电位端连接第一阻抗电路的输出端、高电位端第二阻抗电路的输出端且还由Li-Fi光信号自适应导通；

其中，第四差分晶体管源极和第一差分晶体管漏极所在电位点的电位和第四差分晶体管源极和第一差分晶体管漏极所在电位点的电位的电位差作为反馈时钟；

其中，所述扫描时钟设定对称差分单元的初始状态，Li-Fi光信号通过造成光敏二极管的导通而在第一阻抗电路和第二阻抗电路的输入端造成变化，并进一步造成反馈时钟变化，从而通过反馈时钟变化密度而检测Li-Fi光信号的携带信息。