JP4643403B2 - 可視光通信システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には可視光を利用した可視光通信システムに関し、特に、ＲＧＢ可視光を多重化した多重化可視光信号を利用した可視光通信システムに関する。

近年、可視光を利用した可視光通信システムの開発が推進されている。可視光通信システムには、発光源として発光ダイオード（以下ＬＥＤと表記する）や、照明用光源を使用するシステムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、可視光通信として、情報を伝送するためにＬＥＤを目で判断できない高速で点滅させて、光通信で伝送する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

また、可視光通信システムには、通信方式としては、可視光の輝度変化によるＡＭ変調（振幅変調）、ＦＭ変調（周波数変調）や、ＰＭ変調（パルス変調）などの変調方法が使用されている。具体的には、光源から発光される可視光を送信用データ（ディジタル信号列）に応じて変調し、可視光信号として送信する。

ところで、光源としてＬＥＤを使用する通信方式では、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色（以下、ＲＧＢと表記する場合がある）を組み合わせた白色光を発光させて、当該白色光を変調させる方式が一般的である。また、送信する情報の信号波形に応じて、ＬＥＤの発光量を変化させて送信する通信方式もある（例えば、特許文献３を参照）。
特開２００４−２２１７４７号公報 特開２００２−２０２７４１号公報 特開２００４−１４７０６３号公報

ＬＥＤを光源として使用する可視光通信システムは、送受信装置の小型化及び低消費電力が可能であるため、例えば携帯端末などを使用する通信システムとして有用である。しかしながら、変調速度を上げて高速通信を実現する場合に、ＬＥＤの応答特性などの理由からその実現は困難である。

そこで、本発明の目的は、ＲＧＢの可視光を多重化した多重化可視光通信を実現することにより、特に変調速度を上げることなく、高速通信を可能とした可視光通信システムを提供することにある。

本発明の観点に従った可視光通信システムは、可視光信号を送信する送信装置及び当該可視光信号を受信する受信装置を有し、前記送信装置は、赤色、緑色、青色の各可視光を発光する発光手段と、前記各可視光のそれぞれに１ビットの情報を割り当て、送信用データを３ビットの変調データに変調するデータ変調手段と、前記変調データの反転ビット列データを生成する生成手段と、前記変調データ及び前記反転ビット列データに基づいて前記発光手段を駆動制御し、前記発光手段から前記変調データに対応する多重化可視光信号を送信し、次の送信サイクルで前記反転ビット列データに対応する多重化可視光信号を送信する送信手段とを備えた構成である。

本発明によれば、ＲＧＢの可視光を多重化した多重化可視光通信を実現することにより、特に変調速度を上げることなく、高速通信を可能とした可視光通信システムを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の本実施形態に関する可視光通信システムの構成を示すブロック図である。

本実施形態のシステムは、例えばパーソナルコンピュータに内蔵される送信装置１と、例えばＡＶ機器に内蔵される受信装置２とを有し、多重化可視光信号１００によりデータ通信を行なう。もちろん、送信装置１と受信装置２とは内蔵型に限られず、外付けでも構わない。

送信装置１は、データ送信部１０と、データ変調部１１と、ＲＧＢの各ＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部１３とを有する。データ送信部１０は、例えばディジタルの音声データを送信用データとして出力する。データ変調部１１は、後述するように、ＲＧＢの各可視光のそれぞれに１ビットを割り当て、送信用データを変調して３ビットの変調データを出力する。

ＬＥＤ発光部１３は、ＬＥＤ駆動部（ドライバ）１２から供給される電力に応じてＲＧＢの各ＬＥＤ素子を発光し、多重化可視光信号１００を送信する。ＬＥＤ駆動部１２は、データ変調部１１からの変調データに従って、ＲＧＢの各ＬＥＤ素子をオン／オフするようにＬＥＤ発光部１３に供給する電力を制御する。

一方、受信装置２は、多重化可視光信号１００を受光する受光部２０と、データ復調部２１と、データ再生部２２とを有する。受光部２０は、多重化可視光信号１００をＲＧＢ可視光に分離し、各ＲＧＢ可視光のオン／オフ状態に応じた受信データ信号をデータ復調部２１に出力する。データ復調部２１は、送信元の送信用データに復調する。さらに、データ再生部２２は、データ復調部２１により復調された送信用データを、例えば音声データに再生する。

次に、図２、図３、図５、及び図６を参照して、本実施形態のデータ通信動作を説明する。まず、図５のフローチャートを参照して、送信装置１の手順を説明する。

まず、データ送信部１０は、例えば送信対象の音声データ（ディジタルデータ）を、送信用データ（通常では、所定の形式で符号化されている）として出力する（ステップＳ１）。データ変調部１１は、ＲＧＢの各可視光のそれぞれに１ビットを割り当て、送信用データを３ビットの変調データに変調する（ステップＳ２）。具体的には、３ビットの変調データは、図２に示すように、８通りのデータパターンとして表現できる。

次に、ＬＥＤ駆動部１２は、３ビットの変調データに従って、ＬＥＤ発光部１３のＲＧＢの各ＬＥＤ素子をオン／オフ制御するように駆動制御する（ステップＳ３）。これにより、ＬＥＤ発光部１３は、３ビットの変調データに従って変調されたＲＧＢ可視光を、多重化して多重化可視光信号として送信する（ステップＳ４）。即ち、具体的には、図３に示すように、３ビットの変調データに従って変調されたＲＧＢ可視光からなる多重化可視光信号が送信される。

次に、図６のフローチャートを参照して、受信装置２の手順を説明する。

受光部２０は、送信装置１から送信された多重化可視光信号を受光すると、フィルタリングによりＲＧＢ可視光に分離し、各ＲＧＢ可視光のオン／オフ状態に応じた受信データ信号を出力する（ステップＳ１１）。データ復調部２１は、受光部２０から出力される受信データ信号から送信対象の送信用データを復調して出力する（ステップＳ１２，Ｓ１３）。さらに、データ再生部２２は、データ復調部２１により復調された送信用データを、例えば音声データに再生する（ステップＳ１４）。

以上のようにして本実施形態の可視光通信システムであれば、送信装置１は、送信用データを、３ビットのＲＧＢ可視光信号として変調した多重化可視光信号として送信することができる。従って、ＲＧＢ可視光からなる白色可視光をそのまま変調して送信する場合と比較して、３ビットのＲＧＢ可視光信号を同時に送信することができるため、特に変調速度を上げることなく、高速の可視光通信を実現することができる。

具体的には、例えばパーソナルコンピュータから送信装置１を介して、例えば音声データを多重化可視光信号として高速送信する。ＡＶ機器は、受信装置２により、当該多重化可視光信号を受信することにより、音声データを再生することができる。これにより、音声データが音楽データであれば、パーソナルコンピュータに蓄積された音楽データを、ワイヤレスでＡＶ機器に送信して、ＡＶ機器で音楽を再生するようなシステムを実現できる。

［第２の実施形態］
図４及び図７は、第２の実施形態に関する図である。なお、可視光通信システムの構成は図１と同様であり、第１の本実施形態と重複する説明は省略する。

前述の第１の本実施形態で説明したように、送信装置１は、ＲＧＢの各可視光を変調した多重化可視光信号として、データを送信している。この場合、ＲＧＢ多重化可視光は、通常では、白色可視光として発光される。しかしながら、実際のデータ送信では、ＲＧＢの発生頻度に偏りが出るため、ＲＧＢ多重化可視光は、白色可視光ではなく、７色光に変化する可視光になる可能性が高い。

そこで、本実施形態は、ＲＧＢ多重化可視光の白色変動を抑制し、常に送信するＲＧＢ多重化可視光は、白色可視光を維持する機能を備えた送信装置１に関する。以下、図４及び図７のフローチャートを参照して、具体的に説明する。

まず、送信装置１は、データ送信部１０が、例えば送信対象の音声データを、送信用データとして出力する（ステップＳ２１）。データ変調部１１は、ＲＧＢの各可視光のそれぞれに１ビットを割り当て、送信用データを３ビットの変調データ（図２を参照）に変調する（ステップＳ２２）。このとき、データ変調部１１は、当該変調データのＲＧＢの各可視光のそれぞれの反転ビット列データ（白色制御用データ）を生成する（ステップＳ２４）。

次に、最初の送信サイクルで、ＬＥＤ駆動部１２は、３ビットの変調データに従って、ＬＥＤ発光部１３のＲＧＢの各ＬＥＤ素子をオン／オフ制御するように駆動制御する（ステップＳ２３）。これにより、ＬＥＤ発光部１３は、３ビットの変調データに従って変調されたＲＧＢ可視光を、多重化して多重化可視光信号として送信する。次の送信サイクルで、ＬＥＤ駆動部１２は、反転ビット列データに従って、ＬＥＤ発光部１３のＲＧＢの各ＬＥＤ素子をオン／オフ制御するように駆動制御する（ステップＳ２５）。これにより、ＬＥＤ発光部１３は、反転ビット列データに従って変調されたＲＧＢ可視光を、多重化して多重化可視光信号として送信する。

即ち、図４に示すように、送信装置１は、３ビットの有意ビット列ＳＤからなる変調データに従ったＲＧＢ多重化可視光信号を送信し、次の送信サイクルで、その有意ビット列ＳＤの反転ビット列データに従ったＲＧＢ多重化可視光信号を送信する。従って、前述の第１の本実施形態と比較して、データ送信でのデータ伝送レートは半減するが、いわば変調データに反転ビット列を付加させることにより、ＲＧＢの発生頻度に偏りをなくし、均一化させることができる。従って、送信装置１から送信するＲＧＢ多重化可視光を、常に白色可視光として維持することができる。

なお、受信装置２は、当然ながら、送信装置１から送信されるＲＧＢ多重化可視光の中で、有意ビット列ＳＤからなる変調データに従ったＲＧＢ多重化可視光信号をサンプリングし、送信元の送信データを復調する。換言すれば、受信装置２は、反転ビット列データに従ったＲＧＢ多重化可視光信号を復調処理から除去する。

［第３の実施形態］
図８から図１０は、第３の実施形態に関する図である。

本実施形態のシステムは、図８に示すように、例えばパーソナルコンピュータに内蔵される送信装置８と、例えばＡＶ機器に内蔵される受信装置９とを有し、多重化可視光信号２００によりデータ通信を行なう。もちろん、送信装置８と受信装置９とは内蔵型に限られず、外付けでも構わない。

送信装置８は、データ送信部８０と、データ変調部８１と、ＲＧＢの各ＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部８３とを有する。データ送信部８０は、例えば３種類の異なる内容の音声データを送信用データとして出力する。一例としては３か国語（日本語、英語、スペイン語）の音声データを送信用データとして出力する。データ変調部８１は、音声データのそれぞれをＲＧＢの各可視光に割り当てるように、送信用データの変調を行なう。

ＬＥＤ発光部８３は、ＬＥＤ駆動部（ドライバ）８２から供給される電力に応じてＲＧＢの各ＬＥＤ素子を発光し、多重化可視光信号２００を送信する。ＬＥＤ駆動部８２は、データ変調部８１からの変調データに従って、ＲＧＢの各ＬＥＤ素子をオン／オフするようにＬＥＤ発光部８３に供給する電力を制御する。

一方、受信装置２は、光学的フィルタ９３と、受光部９０と、データ復調部９１と、データ再生部９２、及び制御部９４とを有する。光学的フィルタ９３は、多重化可視光信号２００からＲＧＢ可視光の中で任意の色信号を抽出するための光学的バンドパスフィルタ部材である。

受光部９０は、光学的フィルタ９３により分離、抽出されたＲＧＢ可視光のオン／オフ状態に応じた受信データ信号をデータ復調部９１に出力する。データ復調部９１は、送信元の送信用データである音声データに復調する。さらに、データ再生部９２は、データ復調部９１により復調された送信用データから音声を再生する。

制御部９４は、光学的フィルタ９３が電子的にフィルタリング制御可能な部材の場合に、予めＲＧＢ可視光から選択指定された色信号を抽出するように制御する。なお、本実施形態では、光学的フィルタ９３は交換可能な部材であり、ＲＧＢ可視光のいずれかを通過させる３種類の光学的フィルタ部材から選択されて、受信装置９の所定の位置に配置されるように構成されている。光学的フィルタ９３の取り付け方法の一例としては、受光部９０に、Ｒ成分のみを透過する光学的フィルタ、Ｇ成分のみを透過する光学的フィルタ、Ｂ成分のみを透過する光学的フィルタの３種類を、１毎の取り付け部材に並べて回転可能に取り付け、受光部９０に前置される光学的フィルタを、変更できるようにしても良い。

次に、図９のフローチャートを参照して、本システムの送信装置８の手順を説明する。

まず、データ送信部８０は、ここでは、３か国語（日本語、英語、スペイン語）の音声データのそれぞれを送信用データとして出力する（ステップＳ３１）。データ変調部８１は、例えば日本語音声データをＲ可視光信号に割り当て、英語音声データをＧ可視光信号に割り当て、さらにスペイン語音声データをＢ可視光信号に割り当てた変調データを生成する（ステップＳ３２）。

次に、ＬＥＤ駆動部８２は、変調データに従って、ＬＥＤ発光部８２のＲＧＢの各ＬＥＤ素子をオン／オフ制御するように駆動制御する（ステップＳ３３）。これにより、ＬＥＤ発光部８３は、変調データに従って変調されたＲＧＢ可視光を、多重化して多重化可視光信号として送信する（ステップＳ３４）。即ち、具体的には、３か国語（日本語、英語、スペイン語）の音声データを多重化可視光信号として変調して送信する。

次に、図１０のフローチャートを参照して、受信装置９の手順を説明する。

受信装置９では、光学フィルタ９３が、送信装置８から送信された多重化可視光信号２００から、予め設定されたバンドパス特性に従ってＲＧＢ可視光からＲ可視光、Ｇ可視光信号、Ｂ可視光信号のいずれかを選択して抽出する（ステップＳ４１）。

受光部９０は、光学フィルタ９３により抽出された可視光のオン／オフ状態に応じた受信データ信号を出力する（ステップＳ４２）。データ復調部９１は、受光部９０から出力される受信データ信号から送信対象の音声データを復調して出力する（ステップＳ４３，Ｓ４５，Ｓ４７）。

データ再生部９２は、データ復調部９１により復調された音声データを再生する。即ち、例えばＲ可視光信号に応じた音声データが復調された場合には、データ再生部９２は、日本語の音声を再生する（ステップＳ４３，Ｓ４４）。同様に、例えばＧ可視光信号に応じた音声データが復調された場合には、データ再生部９２は、英語の音声を再生する（ステップＳ４５，Ｓ４６）。また、例えばＢ可視光信号に応じた音声データが復調された場合には、データ再生部９２は、スペイン語の音声を再生する（ステップＳ４７，Ｓ４８）。

以上のようにして本実施形態の可視光通信システムであれば、受信装置９において、例えばユーザがＲＧＢ可視光のいずれかに対応する光学的フィルタ９３を設定するか、または受信装置９に設けられた入力装置から制御部９４を介して、光学的フィルタ９３のバンドパス特性を制御する。これにより、例えば３か国語（日本語、英語、スペイン語）の音声データを多重化可視光信号として変調して送信された場合に、受信装置９では、任意の音声データを選択して再生することができる。

換言すれば、受信装置９において、多重通信用の特別な信号分離回路などを設けることなく、光学的フィルタ９３を設定するだけで、多重化可視光信号から任意の音声データなどの送信用データを選別して再生することが可能となる。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について説明する。

本実施形態は、第３の実施形態と同様のシステム構成であるが、送信装置８のＬＥＤ発光部８３の発光方式が異なる構成である。以下、具体的に説明する。

前記第３の実施形態では、ＲＧＢに対応したそれぞれ異なる音声データを一定レベルで多重化し、白色光として発光させていたが、本実施形態では、レベルを変動させることにより、発光する可視光を、任意の色の可視光として発光するものである。

例えば、Ｒ（赤色）を使用する音声データを弱く（レベルを小さく）し、Ｇ（緑色）を使用する音声信号とＢ（青色）を使用する音声信号は通常レベルとすると、Ｒ（赤色）の補色の色で発光する。同様に、Ｇ（緑色）を使用する音声データを弱めると、出力光は緑色の補色となる。また、Ｂ（青色）を使用する音声データを弱めると、出力光は青色の補色となる。さらに、弱める色成分を組み合わせることにより、赤色、緑色、青色以外の任意の色の出力光が得られる。

また、単にある音声信号のレベルだけを変動させると、受信感度が劣化する恐れがあるため、周期的に変動させたり、表示部分を色が各々異なるように可変することにより、受信信号の変動も押さえることができる。

このため、例えば、送信装置８のＬＥＤを、ある文字（例えば、商品名や会社名等、文字数は複数でも可）で構成し、その文字を特定のイメージの色（例えば商品イメージや会社のイメージカラー等）で光らせることができるため、商品性を向上させたり、美観を向上させたりすることができる。

また、変形例としては、送信装置８の発光部８３を、ある画像となるように発光させることもできる。例えば、ＬＥＤの発光でテレビ放送の映像となるようにして発光させて、当該放送の音声情報を可視光通信で行うことにより、テレビ放送を楽しむことも可能である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関する可視光通信システムの構成を示すブロック図。 第１の実施形態に関する送信装置のデータ表現を説明するための図。 第１の実施形態に関する多重化ＲＧＢ可視光信号の状態を示すタイミングチャート。 第２の実施形態に関する多重化ＲＧＢ可視光信号の状態を示すタイミングチャート。 第１の実施形態に関する送信装置の手順を説明するためのフローチャート。 第１の実施形態に関する受信装置の手順を説明するためのフローチャート。 第２の実施形態に関する送信装置の手順を説明するためのフローチャート。 第３の実施形態に関する可視光通信システムの構成を示すブロック図。 第３の実施形態に関する送信装置の手順を説明するためのフローチャート。 第３の実施形態に関する受信装置の手順を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…送信装置１、２…受信装置、１０…データ送信部、１１…データ変調部、
１２…ＬＥＤ駆動部、１３…ＬＥＤ発光部、２０…受光部、２１…データ復調部、
２２…データ再生部、８…送信装置１、９…受信装置、８０…データ送信部、
８１…データ変調部、８２…ＬＥＤ駆動部、８３…ＬＥＤ発光部、９０…受光部、
９１…データ復調部、９２…データ再生部、９３…光学的フィルタ、９４…制御部。

Claims (4)

1. 可視光信号を送信する送信装置、及び当該可視光信号を受信する受信装置を有する可視光通信システムにおいて、
   前記送信装置は、
   赤色、緑色、青色の各可視光を発光する発光手段と、
   前記各可視光のそれぞれに１ビットの情報を割り当て、送信用データを３ビットの変調データに変調するデータ変調手段と、
   前記変調データの反転ビット列データを生成する生成手段と、
   前記変調データ及び前記反転ビット列データに基づいて前記発光手段を駆動制御し、前記発光手段から前記変調データに対応する多重化可視光信号を送信し、次の送信サイクルで前記反転ビット列データに対応する多重化可視光信号を送信する送信手段と
   を具備したことを特徴とする可視光通信システム。
2. 前記受信装置は、
   前記発光手段から送信された多重化可視光信号を受光する手段と、
   前記変調データに対応する多重化可視光信号を抽出して前記送信用データを復調する手段と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の可視光通信システム。
3. 前記発光手段は、
   赤色、緑色、青色の各可視光を発光する発光ダイオード素子と、
   前記発光ダイオード素子を駆動して、前記各可視光を同時または選択的に発光させる駆動手段を有することを特徴とする請求項１に記載の可視光通信システム。
4. 赤色、緑色、青色の各可視光信号を送信する送信装置及び当該可視光信号を受信する受信装置を有する可視光通信システムに適用する送信方法であって、
   前記各可視光のそれぞれに１ビットの情報を割り当て、３ビット列の送信用データを変調するステップと、
   前記変調データの反転ビット列データを生成するステップと、
   前記変調データに対応する多重化可視光信号を送信し、次の送信サイクルで前記反転ビット列データに対応する多重化可視光信号を送信するステップと
   を有する手順を実行することを特徴とする送信方法。

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