CN205596120U - 一种高速led可见光通信***及接收装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高速LED可见光通信***及接收装置，该***包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括依次连接的编码模块、调制模块以及用LED发射模块；所述接收装置包括依次连接的光接收模块、用于将光接收模块输出的可见光信号转换为电压信号的光电转换模块、放大模块、模数转换模块以及解码模块。本***结构简单，实现容易，成本较低，以LED可见光为传输介质实现了发射装置和接收装置之间的高速数据通信，传输速率为2‑10Mbps，传输距离为2‑6m，使对通信速率有更高要求的应用如信息广播、室内通信等成为可能。
Description
技术领域
本实用新型属于可见光通信领域，具体涉及一种高速LED可见光通信***及该***中配置的接收装置。
背景技术
近年来，发光二级管LED（Light-Emitting Diode）照明技术发展迅猛。与传统照明光源相比，白光LED不仅功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，更具有调制性能好，响应灵敏度高等优点。利用LED 的这种特性，它能被用作照明的同时，还可以通过把信号调制到LED可见光束上实现数据传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信( Visible Light
Communication，VLC)技术。与传统射频无线技术相比，可见光通信可利用带宽高，具有更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰，也无需相应频段的许可授权，能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。
LED可见光通信可以提供很多应用，如室内定位、智能家居、智能交通等。但就目前的实际状况来说，该技术多数还是应用在低速场合中，如物联网、室内定位等，虽然在实验室中已经实现了速率可达Gbps数量级的通信，但由于其结构复杂、成本高、实现困难、通信距离短，所以超高速率可见光通信技术目前还很难得到实际应用。
发明内容
为了扩展LED可见光通信技术的应用范围，本实用新型提供了一种通信距离较长的、稳定易实现的、较高通信速率（数Mbps）的LED可见光通信***及该***中配置的接收装置。
本实用新型提供的高速LED可见光通信***包括发射装置和接收装置；数据信号通过光链路从发射装置传输到接收装置，传输速率为2～10Mbps，传输距离2-6米。
所述发射装置包括依次连接的对所要发送的数据编码的编码模块、对编码模块输出的编码数据进行OOK（On-Off Keying）调制的调制模块，以及用于变换调制后的编码数据为可见光信号的LED发射模块；
所述接收装置包括依次连接的光接收模块、用于将光接收模块输出的可见光信号转换为电压信号的光电转换模块、放大模块、模数转换模块以及解码模块，该解码模块用于解调该模数转换模块输出的数字信号获得所传输的数据。
其中，所述LED发射模块由LED和向LED提供电源AC/DC转换器组成。
所述调制模块由一个MOS开关管和反相放大器构成，反相放大器的输出端连接MOS开关管的栅极，MOS开关管的漏极接地，源极作为调制模块的输出端。
所述光接收模块由蓝光滤镜和凸透镜组成, 该蓝光滤镜位于光入射侧与该凸透镜之间。所述蓝光滤镜为蓝光带通滤镜或蓝光短波通滤镜等。蓝光滤镜是为了滤除LED白光中的黄光部分使蓝光通过，常用的白光LED本身发射蓝光而后激发黄色荧光，荧光会拖慢转换速率，因此需将黄色荧光滤掉。凸透镜是为了增加通信距离。
所述光电转换模块包括光电二极管和宽带运算放大器，光电二极管连接在电源VCC与宽带运算放大器的反相输入端之间，宽带运算放大器的反相输入端与输出端之间并联反馈电阻和电容，宽带运算放大器的同相输入端接参考电压。
所述放大模块主要由一个宽带运算放大器构成。所述模数转换模块为一个高速比较器。
所述放大模块中的宽带运算放大器、所述光电转换模块中的宽带运算放大器的带宽为200MHz-2GH。
用于上述高速LED可见光通信***的一种接收装置，包括依次连接的光接收模块、用于将光接收模块输出的可见光信号转换为电压信号的光电转换模块、放大模块、模数转换模块以及用于解调该模数转换模块输出的数字信号获得所传输数据的解码模块；其中
所述光电转换模块包括光电二极管和宽带运算放大器，光电二极管连接在电源VCC与宽带运算放大器的反相输入端之间，宽带运算放大器的反相输入端与输出端之间并联反馈电阻和电容，宽带运算放大器的同相输入端接参考电压；所述光接收模块由蓝光滤镜和凸透镜组成, 该蓝光滤镜位于光入射侧与该凸透镜之间。所述光电转换模块中的宽带运算放大器的带宽为200MHz-2GH。
所述模数转换模块为高速比较器；所述蓝光滤镜为蓝光带通滤镜或蓝光短波通滤镜。
本实用新型高速LED可见光通信***由发射装置和接收装置组成，发射装置通过调制模块把要发送的数据调制到LED以可见光信号发射；接收装置接收可见光信号、转换为电信号并解调获得所传输的数据。本实用新型结构简单，实现容易，以LED可见光为传输介质使传输速率达2~10Mbps，传输距离为2～6米，使对通信速率有更高要求的应用如视频广播等成为可能。
附图说明
图1是本实用新型高速LED可见光通信***结构图；
图2是图1***中的发射装置电路框图；
图3是图1***中的接收装置电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
参照图1，实施例高速LED可见光通信***包括发射装置1和接收装置2两部分。发射装置1通过调制模块把要发送的数据调制到LED以可见光信号发射；接收装置2以光学元器件接收可见光信号、转换为电信号并解调获得所传输的数据。数据通过光链路从发射装置1传输到接收装置2，传输速率为10Mbps，传输距离为5米。
发射装置1包括依次连接的编码模块11、调制模块12和LED发射模块13。编码模块11将所要发送的数据进行编码处理，调制模块12对编码模块11生成的编码数据进行OOK（On-Off Keying）调制，以控制LED发射模块13使LED发射明暗交替的光信号。
接收装置2包括依次连接的光接收模块21、用于将光接收模块21输出的可见光信号转换为电压信号的光电转换模块22、放大模块23、模数转换模块24以及解码模块25，该解码模块用于解调该模数转换模块输出的数字信号获得所传输的数据。
图2为发射装置电路框图。编码模块11为基于MCU的编码器（简称MCU编码器），该MCU编码器为硬件编码电路。该MCU编码器也可以用编码软件来实现，通过编码软件将所要发送的数据进行必要的编码处理，如加曼彻斯特编码或4b6b编码用于防闪烁，加起始位、终止位用于识别和纠错等等。
调制模块12主要由一个MOS开关管和反相放大器构成，反相放大器的输出端连接MOS开关管的栅极，MOS开关管的漏极接地，源极作为输出端，反相放大器输入端连接MCU编码器的输出端。所选MOS开关管需具有高转换速率并且能满足LED的发射功率要求。由于MCU编码器输出的编码数字信号（高电平为3.3V）驱动能力不足，通过反相放大器对该信号放大（增益由Vmod决定），以增强调制深度，使通信距离更长。反相放大器放大后的编码数字信号驱动MOS管开关以实现OOK（On-Off Keying）调制。
LED发射模块13则由AC/DC转换器和LED灯组成，AC/DC转换器作为LED的供电电源，调制模块12的输出端（即MOS管源极）接LED灯一端，受调制模块12控制LED灯可发射明暗交替的光信号以发射信息。
图3为接收装置电路框图。光接收模块21由蓝光滤镜和凸透镜组成, 该蓝光滤镜位于光入射侧与该凸透镜之间。蓝光滤镜为蓝光带通滤镜或蓝光短波通滤镜等。蓝光滤镜是为了滤除LED白光中的黄光部分使蓝光通过，常用的白光LED本身发射蓝光而后激发黄色荧光，黄色荧光会拖慢转换速率，因此需通过蓝光滤镜将黄色荧光滤掉。凸透镜是为了利用其聚光效果增加通信距离。
光电转换模块22含有一个宽带运算放大器，和高转换速率（转换时间在100ns以内）的光电二极管（Photodiode，PD），光电二极管连接在电源VCC与该宽带运算放大器的反相输入端之间，宽带运算放大器的反相输入端与输出端之间并联反馈电阻和电容，宽带运算放大器的同相输入端接参考电压。光电二极管PD可以使明暗交替的光信号转换强弱交替的电流信号，宽带运算放大器则将此电流信号转换为电压高低变化的电压信号。
放大模块23主要由一个宽带运算放大器构成，其反馈电阻上并联一个电容实现低通滤波的功能；该宽带运放的反相输入端连接光电转换模块22的宽带运算放大器的输出端，输出端接后极模数转换模块24输入端。
模数转换模块24采用一个高速比较器（转换时间在100ns以内），可将放大模块23输出的模拟信号转换为数字信号。
解码模块25为基于MCU的解码器（简称MCU解码器），该解码器为硬件解码电路，由硬件解码电路对来自放大模块23的数字信号解码，最终获得所传输的数据。该解码器也可以用解码软件来实现，通过解码软件将来自放大模块23的数字信号进行解码，最终获得所传输的数据。
上述放大模块23中的宽带运算放大器、光电转换模块22中的宽带运算放大器的带宽为200MHz-2GH。
以上通过具体实施例对本实用新型做了详细的说明，这些描述不能认为本实用新型仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本实用新型构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在其权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高速LED可见光通信***，包括发射装置和接收装置，其特征是，
所述发射装置包括依次连接的对所要发送的数据编码的编码模块、对编码模块输出的编码数据进行OOK（On-Off Keying）调制的调制模块，以及用于变换调制后的编码数据为可见光信号的LED发射模块；
所述接收装置包括依次连接的光接收模块、用于将光接收模块输出的可见光信号转换为电压信号的光电转换模块、放大模块、模数转换模块以及解码模块，该解码模块用于解调该模数转换模块输出的数字信号获得所传输的数据。
2.根据权利要求1所述的***，其特征是，所述LED发射模块由LED和向LED提供电源AC/DC转换器组成。
3.根据权利要求1所述的***，其特征是，所述调制模块包括一个MOS开关管和反相放大器，反相放大器的输出端连接MOS开关管的栅极，MOS开关管的漏极接地，源极作为输出端。
4.根据权利要求1所述的***，其特征是，所述光接收模块由蓝光滤镜和凸透镜组成, 该蓝光滤镜位于光入射侧与该凸透镜之间。
5.根据权利要求4所述的***，其特征是，所述蓝光滤镜为蓝光带通滤镜或蓝光短波通滤镜。
6.根据权利要求1所述的***，其特征是，所述光电转换模块包括光电二极管和宽带运算放大器，光电二极管连接在电源VCC与宽带运算放大器的反相输入端之间，宽带运算放大器的反相输入端与输出端之间并联反馈电阻和电容，宽带运算放大器的同相输入端接参考电压。
7.根据权利要求1所述的***，其特征是，所述模数转换模块为一个高速比较器。
8.根据权利要求1所述的***，其特征是，所述发射装置和接收装置之间的传输速率2～10Mbps，传输距离为2～6米。
9.用于权利要求1-8任一项所述高速LED可见光通信***的接收装置，其特征是包括：依次连接的光接收模块、用于将光接收模块输出的可见光信号转换为电压信号的光电转换模块、放大模块、模数转换模块以及用于解调该模数转换模块输出的数字信号获得所传输数据的解码模块；其中
所述光电转换模块包括光电二极管和宽带运算放大器，光电二极管连接在电源VCC与宽带运算放大器的反相输入端之间，宽带运算放大器的反相输入端与输出端之间并联反馈电阻和电容，宽带运算放大器的同相输入端接参考电压；所述光接收模块由蓝光滤镜和凸透镜组成, 该蓝光滤镜位于光入射侧与该凸透镜之间。
10.根据权利要求9所述的接收装置，其特征是，所述宽带运算放大器的带宽为200MHz-2GHz；所述蓝光滤镜为蓝光带通滤镜或蓝光短波通滤镜。
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