TWI485504B - 光通訊系統、發射裝置及接收裝置 - Google Patents

光通訊系統、發射裝置及接收裝置 Download PDF

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TWI485504B TW101131125A TW101131125A TWI485504B TW I485504 B TWI485504 B TW I485504B TW 101131125 A TW101131125 A TW 101131125A TW 101131125 A TW101131125 A TW 101131125A TW I485504 B TWI485504 B TW I485504B
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Description

光通訊系統、發射裝置及接收裝置
本揭露係關於一種光通訊技術，特別是有關於一種光通訊系統、發射裝置及接收裝置。
在光通訊系統及射頻通訊系統中，光之特性與射頻之特性相當不同。在射頻通訊系統中，可利用「天線」之設計、選擇或預編碼之技術來改變等效通道，藉以提升射頻通訊系統之傳輸能力。這樣的設計概念在光通訊系統中並未被開發，但射頻通訊之「天線」則可類比成光通訊之「透鏡」，因透鏡可作為光之傳輸媒介。
在光通訊系統中，發光二極體(LED)佔有相當重要之地位。近年來發光二極體在效能及亮度上有很大的改善，亦逐步地取代傳統的光源，如螢光燈和白熾燈。同時，由於發光二極體的反應速度快，不僅可以應用於照明上，亦可應用於資料傳輸上。
在資料傳輸方面，光通訊系統之發送裝置與接收裝置係分別用以發射及接收訊號。具體而言，該發送裝置可利用發光二極體所發射光以承載訊號，該接收裝置則利用定焦透鏡(fix-focus lens)搭配光二極體(photo-diode)或光偵測器(photo-detector)，以接收該發光二極體所發射之光，再自所接收之光中解碼出該些訊號。
然而，在上述習知技術中，該接收裝置(如行動通訊裝置)可於空間中自由地移動，但該定焦透鏡卻僅能提供固 定的焦距及軸向，而無法隨著該接收裝置之移動而改變，使得該發送裝置所發射之光只能散射或低光密度地聚焦於該發光二極體或該光偵測器上，以致該接收裝置所接收之訊號的品質不佳，造成該光通訊系統的傳輸能力低落。
因此，如何解決上述習知技術的缺失，遂成為本領域技術人員的重要課題。
本揭露提供一種光通訊系統、發射裝置及接收裝置。藉由將可變透鏡(variable lens)設置於接收裝置或發射裝置上，當接收裝置於空間中移動時，可變透鏡可隨之改變焦距或軸向而改變光之行進路徑，並快速、連續、精準或高光密度地聚焦光於感光元件上，以改善接收訊號之訊號品質。同時，可依據接收訊號之訊號品質控制接收裝置之可變透鏡，或依據接收裝置之回饋訊號控制發射裝置之可變透鏡，以改變傳送訊號至接收訊號間之等效通道(equivalent channel)，進而增強光通訊系統之傳輸能力。
本揭露係提出一種光通訊系統，其包括發射裝置以及接收裝置。該發射裝置係具有第一處理單元與發光元件，該第一處理單元係用以產生傳送訊號，該發光元件係用以產生承載該傳送訊號之光。該接收裝置係具有第一可變透鏡、感光元件與第二處理單元，該第一可變透鏡係接收該發光元件產生之光以改變該光之行進路徑，該感光元件係用以感測通過該第一可變透鏡之光而產生接收訊號，該第二處理單元係依據該接收訊號之訊號品質對應控制該第一 可變透鏡，以改變該傳送訊號至該接收訊號間之等效通道。
本揭露另提出一種發射裝置，其包括處理單元、發光元件以及可變透鏡。該處理單元係用以產生傳送訊號。該發光元件係用以產生承載該傳送訊號之光。該可變透鏡係用以改變該光之行進路徑，使外部之接收裝置接收通過該可變透鏡之光而產生接收訊號。該處理單元係依據來自該接收裝置之回饋訊號而產生控制訊號，以利用該控制訊號對應控制該可變透鏡而改變該光之行進路徑，進而改變該傳送訊號至該接收訊號間之等效通道。
本揭露再提出一種接收裝置，其包括可變透鏡、感光元件以及處理單元。該可變透鏡係用以改變外部之發射裝置所發射之光之行進路徑，該光承載有該發射裝置所產生之傳送訊號。該感光元件係用以感測通過該可變透鏡之光而產生接收訊號。該處理單元係依據該接收訊號之訊號品質產生控制訊號，以利用該控制訊號對應控制該可變透鏡而改變該光之行進路徑，進而改變該傳送訊號至該接收訊號間之等效通道。
以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本揭露之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1圖係繪示本揭露之單輸入單輸出(Single Input Single Output；SISO)之光通訊系統之方塊示意圖，其中， 接收裝置具有可變透鏡。
如圖所示，光通訊系統100係為單輸入單輸出(SISO)之系統，亦即該光通訊系統100之發射裝置110僅具有單一發光元件112，而接收裝置120僅具有單一感光元件122，但本揭露不以此為限。在其他實施例中，該光通訊系統100亦可為多輸入多輸出(Multi Input Multi Output；MIMO)、單輸入多輸出(SIMO)或多輸入單輸出(MISO)之系統。
該光通訊系統100可應用於無線通訊系統或照明系統上，並包括一發射裝置110以及一接收裝置120。
該發射裝置110係具有一第一處理單元111與一發光元件112。該第一處理單元111係用以產生一傳送訊號130，該發光元件112可設置於一平台140或平面上，並用以產生承載該傳送訊號130之光131。
上述之發射裝置110可為發射器、發送模組、無線通訊裝置或照明裝置等，該第一處理單元111可為處理器、控制器、編碼器或轉換器等，該發光元件112可為發光二極體、雷射光或紅外線等，該傳送訊號130可為數位訊號或類比訊號，該光131可為不同波長之可見光或非可見光。
該接收裝置120係具有一第一可變透鏡121、一感光元件122與一第二處理單元123。該第一可變透鏡121係搭配該感光元件122，並用以改變該發光元件112所發射之光131之行進路徑。該感光元件122可設置於一平台141或平面上，並用以感測或接收通過該第一可變透鏡121之 光131而產生一接收訊號132。
該第二處理單元123係依據該接收訊號132之訊號品質產生第一控制訊號133，以利用該第一控制訊號133對應地控制該第一可變透鏡121之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、或該第一可變透鏡121與該感光元件122之間距，進而改變該光131之行進路徑，因此改變該傳送訊號130至該接收訊號132間之等效通道。
假設為窄頻(narrow band)通訊下，該傳送訊號130、該接收訊號132與該等效通道間之數學模型可為下列函數：r(n)=h*x(n)+v(n)
其中，r(n)為含有雜訊之接收訊號132，h為該傳送訊號130至該接收訊號132間之等效通道，x(n)為傳送訊號130，v(n)為雜訊，n為時間序列。
然而，上述窄頻通訊僅為本揭露之一實施例，本揭露之光通訊系統亦可適用於寬頻(broad band)通訊。
上述之接收裝置120可為接收器、接收模組、行動通訊裝置、無線通訊裝置或照明裝置等，該第一可變透鏡121可為液態透鏡(liquid lens)、用於透鏡之音圈馬達(voice coil motor for lens)、基於微機電之可變微透鏡(MEMS-based variable micro-lens)、基於鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O3 ；PZT)壓電材料之可變透鏡等，該感光元件122可為光二極體、光偵測器或影像感測器(image sensor)等，該第二處理單元123可為處理器、控制器、或轉換器 等，該接收訊號132可為數位訊號或類比訊號。
上述之訊號品質可包括接收訊號強度指標(Received Signal Strength Indication；RSSI)、訊號對干擾加雜訊比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio；SINR)、位元錯誤率(Bit Error Rate；BER)、或訊框錯誤率(Frame Error Rate；FER)等。
第2圖係繪示本揭露之單輸入單輸出(SISO)之光通訊系統之方塊示意圖，其中，發射裝置及接收裝置均具有可變透鏡。
第2圖與上述第1圖之光通訊系統100大致相同，故相同之處不再重覆贅述，其主要差異在於： 在第2圖之光通訊系統100中，該發射裝置110復具有一第二可變透鏡113。該第二可變透鏡113係搭配該發光元件112，並用以改變該發光元件112所發射之光131之行進路徑。
該第一處理單元111係依據該第二處理單元123之回饋訊號134產生一第二控制訊號135，以利用該第二控制訊號135控制該第二可變透鏡113之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、折射率或該第二可變透鏡113與該發光元件112之間距，進而改變該光131之行進路徑而改變該等效通道。
上述之回饋訊號134可包括訊號品質資訊(signal quality information)、方向資訊(direction information)、通道資訊(channel information)、或預編 碼資訊(precoding information)等。
第3圖係繪示本揭露之多輸入多輸出(MIMO)之光通訊系統之方塊示意圖，其中，接收裝置具有可變透鏡。
如圖所示，光通訊系統200係為多輸入多輸出(MIMO)之系統，亦即該光通訊系統200之發射裝置210具有多個發光元件212，而接收裝置220具有多個感光元件222。
該光通訊系統200可應用於無線通訊系統或照明系統上，並包括一發射裝置210以及一接收裝置220。
該發射裝置210係具有一第一處理單元211與複數個發光元件212。該第一處理單元211係用以產生複數個傳送訊號230，該些發光元件212可設置於一平台240或平面上，並用以產生承載該些傳送訊號230之光231。在本實施例中，該些發光元件212與該些傳送訊號230均為二個。
上述之發射裝置210可為發射器、發送模組、無線通訊裝置或照明裝置等，該第一處理單元211可為處理器、控制器、編碼器或轉換器等，該些發光元件212可為發光二極體、雷射光或紅外線等，該些傳送訊號230可為數位訊號或類比訊號，該光231可為不同波長之可見光或非可見光。
該接收裝置220係具有複數個第一可變透鏡221、複數個感光元件222與一第二處理單元223。在本實施例中，該些第一可變透鏡221與該些感光元件222均為四個。
該些第一可變透鏡221係分別搭配該些感光元件 222，並用以改變該發光元件212所發射之光231之行進路徑。該些感光元件222可設置於一平台241或平面上，並用以感測或接收通過該些第一可變透鏡221之光231而產生複數個接收訊號232。在本實施例中，該些接收訊號232係為四個。
該第二處理單元223係依據該些接收訊號232之訊號品質產生複數個第一控制訊號233，以利用該些第一控制訊號233控制該些第一可變透鏡221之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、折射率或該些第一可變透鏡221與該些感光元件222之間距，進而改變該光231之行進路徑而改變該些傳送訊號230至該些接收訊號232間之等效通道。
以二個傳送訊號230及四個接收訊號232為例，假設為窄頻(narrow band)通訊下，該些傳送訊號230、該些接收訊號232與該等效通道間之數學模型可為下列矩陣：其中，r1 -r4 (n)為該些含有雜訊之接收訊號232，h11 -h42 為該些傳送訊號230至該些接收訊號232間之等效通道，x1 (n)-x2 (n)為該些傳送訊號230，v1 (n)-v4 (n)為雜訊，n為時間序列。
如前述內容，本揭露之光通訊系統亦可適用於寬頻通訊。
上述之接收裝置220可為接收器、接收模組、行動通訊裝置、無線通訊裝置或照明裝置等，該第一可變透鏡221可為液態透鏡、用於透鏡之音圈馬達、基於微機電(MEM)之可變微透鏡、基於鋯鈦酸鉛(PZT)壓電材料之可變透鏡 等，該些感光元件222可為光二極體、光偵測器或影像感測器等，該第二處理單元223可為處理器、控制器、解碼器或轉換器等，該些接收訊號232可為數位訊號或類比訊號。
上述之訊號品質可包括接收訊號強度指標(RSSI)、訊號對干擾加雜訊比(SINR)、位元錯誤率(BER)、訊框錯誤率(FER)或矩陣之秩(rank)等。
第4圖係繪示本揭露多輸入多輸出(MIMO)之光通訊系統之方塊示意圖，其中，發射裝置及接收裝置均具有可變透鏡。
第4圖與上述第3圖之光通訊系統200大致相同，故相同之處不再重覆贅述，其主要差異在於：在第4圖之光通訊系統200中，該發射裝置210復具有複數個第二可變透鏡213，本實施例之第二可變透鏡213係為二個。該些第二可變透鏡213係搭配該些發光元件212，並用以改變該發光元件212所發射之光231之行進路徑。
該第一處理單元211係依據該第二處理單元223之回饋訊號234產生複數個第二控制訊號235，以利用該些第二控制訊號235對應控制該些第二可變透鏡213之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、或該些第二可變透鏡213與該些發光元件212之間距，進而改變該光231之行進路徑而改變該等效通道。
上述之回饋訊號234可包括訊號品質資訊、方向資 訊、通道資訊、預編碼資訊或矩陣之秩(rank)資訊等。
綜上所述，本揭露之光通訊系統、發射裝置及接收裝置至少具有下列的功效：
(1)藉由將可變透鏡設置於接收裝置或發射裝置上，當接收裝置於空間中移動時，可變透鏡可隨之改變焦距或軸向而改變光之行進路徑，並快速、連續、精準或高光密度地聚焦光於感光元件上，以改善接收訊號之訊號品質。
(2)可依據接收訊號之訊號品質對應控制接收裝置之可變透鏡，或依據接收裝置之回饋訊號對應控制發射裝置之可變透鏡，以改變傳送訊號至接收訊號間之等效通道，進而增強光通訊系統之傳輸能力。
上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
100、200‧‧‧光通訊系統
110、210‧‧‧發射裝置
111、211‧‧‧第一處理單元
112、212‧‧‧發光元件
113、213‧‧‧第二可變透鏡
120、220‧‧‧接收裝置
121、221‧‧‧第一可變透鏡
122、222‧‧‧感光元件
123、223‧‧‧第二處理單元
130、230‧‧‧傳送訊號
131、231‧‧‧光
132、232‧‧‧接收訊號
133、233‧‧‧第一控制訊號
134、234‧‧‧回饋訊號
135、235‧‧‧第二控制訊號
140、141、240、241‧‧‧平台
第1圖係繪示本揭露之單輸入單輸出(SISO)之光通訊系統且其接收裝置具有可變透鏡之方塊示意圖。
第2圖係繪示本揭露之單輸入單輸出(SISO)之光通訊系統且其發射裝置及接收裝置均具有可變透鏡之方塊示意圖。
第3圖係繪示本揭露之多輸入多輸出(MIMO)之光通訊系統且其接收裝置具有可變透鏡的方塊示意圖。
第4圖係繪示本揭露之多輸入多輸出(MIMO)之光通訊系統且其發射裝置及接收裝置均具有可變透鏡之方塊示意圖。
100‧‧‧光通訊系統
110‧‧‧發射裝置
111‧‧‧第一處理單元
112‧‧‧發光元件
113‧‧‧第二可變透鏡
120‧‧‧接收裝置
121‧‧‧第一可變透鏡
122‧‧‧感光元件
123‧‧‧第二處理單元
130‧‧‧傳送訊號
131‧‧‧光
132‧‧‧接收訊號
133‧‧‧第一控制訊號
134‧‧‧回饋訊號
135‧‧‧第二控制訊號
140、141‧‧‧平台

Claims (10)

  1. 一種光通訊系統，其包括：發射裝置，係具有第一處理單元與發光元件，該第一處理單元係用以產生傳送訊號，而該發光元件係用以產生承載該傳送訊號之光；以及接收裝置，係具有第一可變透鏡、感光元件與第二處理單元，該第一可變透鏡係接收該發射裝置產生的光並具有可變之曲率、厚度或折射率以改變該光之行進路徑，該感光元件係對應於該第一可變透鏡以感測通過該第一可變透鏡之光而產生接收訊號，且該第二處理單元係依據該接收訊號之訊號品質對應控制該第一可變透鏡之曲率、厚度或折射率，以改變該傳送訊號至該接收訊號間之等效通道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光通訊系統，其中，該第二處理單元係依據該接收訊號之訊號品質產生第一控制訊號，以利用該第一控制訊號對應控制該第一可變透鏡之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、折射率或該第一可變透鏡與該感光元件之間距，進而改變該光之行進路徑而改變該等效通道。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光通訊系統，其中，該發射裝置復具有第二可變透鏡，該第一處理單元係依據該第二處理單元之回饋訊號產生第二控制訊號，以利用該第二控制訊號對應控制該第二可變透鏡之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、折射率或該第二可變 透鏡與該發光元件之間距，進而改變該光之行進路徑而改變該等效通道。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光通訊系統，其中，該第一可變透鏡或該第二可變透鏡係為液態透鏡(liquid lens)、用於透鏡之音圈馬達、基於微機電(MEMS)之可變微透鏡、或基於鋯鈦酸鉛(PZT)壓電材料之可變透鏡。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之光通訊系統，其中，該訊號品質係包括接收訊號強度指標(RSSI)、訊號對干擾加雜訊比(SINR)、位元錯誤率(BER)、訊框錯誤率(FER)或矩陣之秩(rank)，該回饋訊號係包括訊號品質資訊、方向資訊、通道資訊、預編碼資訊或矩陣之秩資訊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光通訊系統，係為單輸入單輸出(SISO)之系統或多輸入多輸出(MIMO)之系統。
  7. 一種發射裝置，其包括：處理單元，係用以產生傳送訊號；發光元件，係用以產生承載該傳送訊號之光；以及可變透鏡，係對應於該發光元件並具有可變之曲率、厚度或折射率以改變該光之行進路徑，俾使外部之接收裝置接收通過該可變透鏡之光而產生接收訊號，其中，該處理單元係依據來自該接收裝置之回饋 訊號而產生控制訊號，以利用該控制訊號對應控制該可變透鏡之曲率、厚度或折射率而改變該光之行進路徑，進而改變該傳送訊號至該接收訊號間之等效通道。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發射裝置，其中，該處理單元係利用該控制訊號控制該可變透鏡之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、折射率或該可變透鏡與該發光元件之間距，以改變該光之行進路徑而改變該等效通道。
  9. 一種接收裝置，其包括：可變透鏡，係具有可變之曲率、厚度或折射率以改變外部之發射裝置所發射之光之行進路徑，該光承載有該發射裝置所產生之傳送訊號；感光元件，係對應於該可變透鏡以感測通過該可變透鏡之光而產生接收訊號；以及處理單元，係依據該接收訊號之訊號品質產生控制訊號，以利用該控制訊號對應控制該可變透鏡之曲率、厚度或折射率而改變該光之行進路徑，進而改變該傳送訊號至該接收訊號間之等效通道。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之接收裝置，其中，該處理單元係利用該控制訊號控制該可變透鏡之曲率、角度、厚度、焦距、軸向、折射率或該可變透鏡與該發光元件之間距，以改變該光之行進路徑而改變該等效通道。
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