一种基于照明LED的无线光通信装置及其控制方法与流程

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种基于照明LED的无线光通信装置及其控制方法。

背景技术：

作为“绿色光源”的半导体LED(Light Emitting Diode，LED)照明技术近年来发展十分迅速。随着半导体工艺的改进、成本的降低，加之LED照明具有节能、长寿、可控性高等显著优点，符合国家能源、环保政策的半导体照明技术正日益得到广泛的应用。另一方面，半导体LED器件具有的高速点灭的发光响应特性，使其还可在无线光通信等领域具有巨大的应用前景。

当前，世界各国的许多科学家都对可见光通信给予了高度的关注，在数据调制方式、LED调制特性、信道的均衡等等方面开展了大量的工作，取得了许多有益的成果，为可见光通信的产业化应用奠定一定的理论基础。

将照明LED同时应用于通信，可以实现照明和通信的完美结合，照明LED的下行光信道相对简单，但是上行信道既不能有光污染、无射频，用户的通信收发端要能实时对准照明LED端。用户对照明和通信的需求可能不是同时的，既要实现非照明状态下的通信，还要保证可见光通信的优点。

如何基于照明LED设计一个满足以上所有要求的系统，就显得非常有现实意义。本发明设计了一种基于照明LED的无线光通信装置及其控制方法，使用本方法结合对应的装置及其控制方法就可以实现基于照明LED的双向数据通信。

技术实现要素：

任何一种通信方式，需要可靠的信息传递通道。无线通道具有部署灵活的特点，但是相对于有线通信，通常都有信道不稳定，多径效应影响等缺点，无线可见光通信信道是一种视距链路，信道稳定，可靠，但是信道的建立却相对困难，移动性差。如何实现通信端点不同的空间位置条件下实现快速的通信链接是十分必要的。可见光通信本义是一种借助于可见光作为煤质进行通信的技术，照明LED用于通信，如何保留可见光通信的优点，又要实现像无线通信一样的双向通信，信道的建立、维持基本达到一定的可靠性。为了解决以上问题，建立基于照明LED的双向信道，满足非照明状态下的通信，本发明提出了如下的方法：

一种基于照明LED的无线光通信装置及其控制方法，其硬件包括照明端设备和用户端设备，照明端设备和用户端设备无线相连。其中，照明端设备包括照明LED的数据发送和接收装置、照明LED端自动跟踪装置匹配电路、AC-DC开关电源及其开关电路；用户端设备包括、用户端数据发送和接收装置、用户端对照明LED的自动追踪装置、电源及其开关电路。所述含有照明LED的数据发送和接收装置与照明LED端自动跟踪装置匹配电路互连，两者同时被AC-DC开关电源及其开关电路连接；所述用户端数据发送和接收装置与用户端对照明LED的自动追踪装置互连，两者同时被电源及其开关电路连接；所述含有照明LED的数据发送和接收装置和用户端数据发送和接收装置以无线光的方式互连，无线光中包含的信号为DMT信号；所述AC-DC开关电源及其开关电路中的开关电源为高效率、低纹波电源，其中的开关控制电源和与之相连部件的工作状态。

所述含有照明LED的数据发送和接收装置包括第一LED光源、第一LED驱动电路、第二LED光源、第二LED驱动电路、LED光源选择部件、模拟数据选择通道、加法器、第一模拟数据接口、第二模拟数据接口、第一滤波透镜组、第一高速光电二极管以及第一高速光电信号处理电路、第一分路器、第三模拟数据接口、第一低通滤波器、第四模拟数据接口。所述第一模拟数据接口和第二模拟数据接口分别连接于加法器；所述加法器连接于模拟数据选择通道；所述模拟数据选择通道连接于LED光源选择部件；所述LED光源选择部件连接于第一LED驱动电路和第二LED驱动电路；所述第一LED驱动电路和第二LED驱动电路 分别连接于第一LED光源和第二LED光源；所述第一滤波透镜组连接于第一高速光电二极管；所述第一高速光电二极管连接于第一高速光电信号处理电路；所述第一高速光电信号处理电路连接于第一分路器；所述第一分路器连接于第三模拟数据接口和第一低通滤波器；所述第一低通滤波器连接于第四模拟数据接口；所述第一LED光源为应用于照明的大功率直流白光发光二极管，并且是LED个数大于3的阵列光源；所述第一LED驱动电路和第二LED驱动电路均是线性驱动，线性驱动管的压降远小于加载在LED上的压降和，LED驱动的静态工作点处于线性区的中点；所述第二LED光源为宽带宽直流蓝光发光二极管，其带宽为第一LED光源十倍以上，并且是LED个数大于3的阵列光源，蓝光光源整体的发光范围和第一光源的整体发光角度一致，蓝光光源的发射功率需确保第二LED光源和第一LED光源在用户端光接收器的电信号计算得到的信道容量一致；所述第一高速光电信号处理电路包括跨阻放大电路单元等无射频载波宽带宽电路；所述第一分路器的两路输出的频谱信息均和输入完全一致。

所述用户端数据发送和接收装置包括第三LED光源、第一线性单颗LED驱动电路、第一数字数据接口、加法器、第五模拟数据接口、第六模拟数据接口、第二滤波透镜组、第二高速光电二极管以及第二高速光电信号处理电路、第二分路器、第七模拟数据接口、第二低通滤波器、第八模拟数据接口。所述第五模拟数据接口和第六模拟数据接口分别连接于加法器；所述加法器和第一数字数据接口连接于第一线性单颗LED驱动电路；所述第一线性单颗LED驱动电路连接于第三LED光源；所述第二滤波透镜组连接于第二高速光电二极管；所述第二高速光电二极管连接于第二高速光电信号处理电路；所述第二高速光电信号处理电路连接于第二分路器；所述第二分路器分别连接于第七模拟数据接口和第二低通滤波器，其第二分路器与第一分路器特征一致；所述第二低通滤波器连接于第八模拟数据接口；所述第三LED光源是单颗小功率窄发射角红外LED。

所述用户端对照明LED的自动追踪装置包括高速CMOS图像采集器、图像处理电路、高速双轴转动微型平台、第九模拟数据接口、第十模拟数据接口、第二数字数据接口、第一信号处理控制电路、照明开关选择按钮。所述第九模拟数据接口由第一信号处理控制电路相连，同时连接于第五模拟数据接口；所述第十模拟数据接口连接于第一信号处理控制电路，同时被第八模拟数据接口相连；所述第二数字数据接口由第一信号处理控制电路相连，同时连接于第一数字数据接口；所述第一信号处理控制电路还同时被图像处理电路和照明开关选择按钮连接，并且连接于高速双轴转动微型平台；所述高速CMOS图像采集器被高速双轴转动微型平台连接，并且连接于图像处理电路，CMOS图像传感器平面和第三LED光源出射光中心线垂直，和第二高速光电二极管光敏面平行。

所述照明LED端自动跟踪装置匹配电路包括第十一模拟数据接口、第十二模拟数据接口、第二信号处理控制电路。所述第十一模拟数据接口被第四模拟数据接口相连，并且连接于第二信号处理控制电路；所述第十二模拟数据接口连接于第二信号处理控制电路，并且被第一模拟数据接口连接。

基于照明LED的无线光通信装置及其控制方法，实现的基本流程是：(1)需要照明，照明端打开AC-DC开关电源及其开关电路；(2)通过LED光源选择部件确认打开第一LED光源，关闭第二LED光源，模拟数据选择通道将照明LED灯工作信息送入第一LED光源；(3)用户端需要通信，CMOS图像采集器发现LED灯被打开，第二高速光电二极管探测到具有通信功能的照明LED存在；(4)用户端第一信号处理控制电路控制高速双轴转动平台使得第三LED光源直接射向第一高速光电二极管，同时通过第三LED光源的低频段发送含有用户端设备标识的信息，在低频段内频率f处发送固定强度的信号；(5)照明端第二信号处理控制电路检测到用户端设备信息，双向通信的信号建立；(6)照明端第二信号处理控制电路始终通过第三LED光源和第一高速光电二极管接收用户端第一信号处理控制电路发出的用户端信息；照明端第二信号处理控制电路检测到频率f处信号强度变化ΔI 后，第一信号处理控制电路迅速通过高速双轴转动平台调整第三红外LED光源对第一高速光电二极管的对准；(7)用户不需要照明而只需要通信，完成(1)—(5)步骤后，通过LED光源选择部件确认关闭第一LED光源，打开第二LED光源，模拟数据选择器将待发送数据送入第二LED光源，并进行步骤(4)(5)(6)；(8)不需要通信，关闭用户端设备电源即可，不需要照明还需要关闭照明端电源。

这种基于照明LED的无线光通信装置及其控制方法，具有人眼保护功能、若第三LED光源偏离最大光功率发射方向一个小角度Δφ的范围内有移动物体进入，CMOS图像采集器及其处理电路会将这一信息告知第二信号处理控制电路，进而关闭第三LED光源

附图说明

图1信道链接方法的硬件示意图；

图2含有照明LED的数据发送和接收装置；

图3用户端数据发送和接收装置；

图4用户端对照明LED的自动追踪装置；

图5照明端自动跟踪装置匹配电路；

图6信道频带划分示意图；

图7CMOS监视小角度红外LED示意图；

图8本发明应用示例。

具体实施方式

下面结合附图详细描述上述发明的实现过程和简单的应用实例：

DMT调制技术是一种多载波调制技术，它将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。DMT的调制解调大致经过QAM映射、串并转换、预均衡、IDFT、加循环前缀、并串转换、DA转换、AD转换、串并转换、移除循环前缀、DFT、后均衡、并串转换、QAM解映射。本发明着重解决的如何将DA转换的数据发送出去，在接受端如何得到AD转换需要的数据，并且这种发射和接收是双向同时进行的。显然本发明需要处理的是DA送出来的数据和AD输入数据，即是模拟数据。在频域上这些数据经过LED发射出去不能有频谱信息的变动，在时域上，数据的峰值不能过高，通常在DA输入的前级有这方面的限制措施，峰值限值不是本发明需要突出解决的问题。数据需要双向通信，由于DMT本身就是在频谱上时域信号不同的频率值，实现双工通信最简单的办法就是将一段频段划分给上行传播的数据，一部分频段划分给下行传播的数据。如图6所示，DS1和DS2划分给下行通道，US1和US2划分给上行通道，这样上下行数据能够同时传播。基于照明LED的可见光通信系统，如果是一个广播系统，接收端只要接收数据就可以，这样的系统是比较容易搭建的，但是一旦需要双向通信，就会出现问题。假设照明LED往用户设备传输数据的通道称之为下行通道，那么用户端往照明LED传输数据的上行通道怎么来，如果是用可见光LED来实现上行数据的传输，那么上行的可见光观感太差，就可能是一种光污染，使用射频方法互补就是失去可见光通信的意义，笔者给出的办法是使用红外LED做为上行通道的信号发射源，并使用CMOS图像传感器探测照明LED的位置信息，然后通过相关的机械装置，驱动LED对准照明LED。这种驱动装置，下行数据的照明LED端需要告知用户端其已经对准照明LED，这样就有DMT模拟数据以外的数据传输。为了不增加信号发射源和接收器，将这些数据设计成低频的信道控制数据信息，将这些数据安排在信道的低频段，即图6中的LS0。

由于众多研究表明在实际的应用场景中，可见光通信系统中其主要的传播通道是直射视距链路，反射、漫射等引起的光信息的传输是很微弱，而基于DMT调制方式的信息系统其多径的影响是很小的，更何况无线光信息传输系统其光信号接收端的探测器直接把光频给消灭了，因此本发明针对的就是最简单的IM/DD系统。

打开AC-DC开关电源及其开关电路，默认条件下，LED光源选择部件设置为选择第一 LED光源，即照明LED，如果只需要通信不需要照明，在信道确认建立后，通过LED光源选择部件关闭第一LED光源，打开第二LED光源，LED光源选择部件可以通过设计成按键的形式与用户进行交互。第一LED光源一旦打开后，在第一LED光源的低频出就会广播第一LED光源的信息。LED光源要发射的是模拟数据，那么驱动LED的驱动器必须要有一定的线性驱动范围，现行可靠的大功率线性驱动器通常有较大的压降，比如是用一只三极管驱动的，为了确保有足够的线性范围，压降Vce占比就会比较大，但是如果串联在驱动电流Ice里的LED个数比较多，那么所有LED结压降的和Vled就比较大，那么这个驱动电路的效率Vled/(Vled+Vce)随着Vled的增大而显著增加。因此，本发明特别强调第一LED光源和第二LED光源是个数大于3的阵列光源。由于第二LED光源蓝光LED进行通信时所使用的无线光信道是通过第一LED光源照明LED建立的，因此，第二LED光源蓝光直射覆盖范围应和第一LED光源一致，由于蓝光LED的带宽普遍比白光LED要宽，如果是蓝光激发的白光LED，用于通信用的有效光强相对比较小了，即蓝光LED带宽比白光LED带宽宽十倍时，经过第二滤波透镜组后的带宽可能是一致的，但是相同强度的光源，白光经过透镜组后的强度要低的多。因此，在要求第二LED光源和第一LED光源在用户端得到一致的信道容量时，蓝光LED的强度相对很微弱了，基本不算光污染了。这时，如果需要通信，即有一个用户端设备存在，用户端通过对照明端第一LED光源的信息进行辨识，确认第一LED光源是可以进行可见光通信的LED灯，用户端对照明LED的自动追踪装置就开始工作。CMOS将观察到照明LED，图像处理电路将对照明LED进行识别并定位照明LED位置，这些信息被传送到第一信号处理控制电路，第一信号处理控制电路将对高速双轴转动微型平台给出合适的驱动值，进而使得第三LED光源对准第一LED光源，即照明LED。将CMOS图像传感器平面和第三LED光源出射光中心线垂直，和第二高速光电二极管光敏面平行。机械驱动了CMOS图像传感器，等于机械驱动第三LED光源对照明LED的追踪。如果第三LED光源发射的试探信号没有被第一高速光电二极管探测到，则第一信号处理控制器会结合CMOS图像传感器报告来的照明LED位置信息用一套智能算法调整第三LED光源出射光中心线和第一LED光源也即和第二高速光电二极管之间的几何位置关系。第三LED光源的试探信号这样被发射的：第一信号处理控制电路将试探信号经第九模拟数据接口、第五模拟数据接口加载到第三LED光源上。第一高速光电二极管探测到试探信号后，照明端将该信息通过第一LED光源发送出去。一旦当第二高速光电二极管探测到原本由第三LED光源发射出去的试探信号，基本可以确立信道已经建立。进一步地，信号经过第二低通滤波器、第八模拟数据接口、第十模拟数据接口、第一信号处理控制电路，如果第一信号处理控制电路判断出当前信道已经最优，高速双轴转动微型平台停止工作。如果第一信号处理控制电路具有不是最优，或者发现频率f强度离最优值偏离了ΔI，第一信号处理控制电路继续给出合适的值驱动高速双轴转动微型平台，试探信号继续传输于第九模拟数据接口、第五模拟数据接口、加法器、第一线性单颗LED驱动电路、第三LED光源、第一滤波透镜组、第一高速光电二极管、第一高速光电信号处理电路、第一分路器、第一低通滤波器、第四模拟数据接口、第十一模拟数据接口、第二信号处理电路、第十二模拟数据接口、第一模拟数据接口、加法器、模拟数据选择通道、第一LED驱动电路、第一LED光源、第二滤波透镜组、第二高速光电二极管、第二高速光电信号处理电路、第二分路器、第二低通滤波器、第八模拟数据接口、第十模拟数据接口、第一信号处理控制电路。信道控制数据就是这样实时循环工作在这条传输线路上，建立、维持信道的存在。下行发送的DMT数据经第二模拟数据接口、加法器、模拟数据选择通道、LED光源选择部件、第一LED驱动电路、第一LED光源、已经建立的无线光空间直射视距信道、第二滤波透镜组、第二高速光电二极管、第二高速光电信号处理电路、第二分路器、第七模拟数据接口后送给下行通道DMT解调制的AD转换器，上行发送的DMT数据经第六模拟数据接口、加法器、第一线性单颗LED驱动电路、第三LED光源、已经建立的无线光空间直射视距信道、第一滤波透镜 组、第一高速光电二极管、第一高速光电信号处理电路、第一分路器、第三模拟数据接口后送给上行通道DMT解调制的AD转换器。信道建立后，无论是照明LED维持信道，还是第二LED光源即蓝光LED维持信道，第三LED光源的出射光中心线始终对准第一高速光电二极管，第三LED光源即用户端数据发送和接收装置有物理位置移动，第一信号处理控制电路会立即检测到频率f出的强度变化，变化值一旦超过ΔI，第一信号处理控制电路迅速发出追踪调整指令，保证第三LED光源的出射光中心线始终对准第一高速光电二极管。第三LED光源是小功率LED，但是其发光角度较小，单位面积的光功率仍然较大，除了在光源设计上尽可能使用远红外外，本发明提供了一种人眼保护措施。本来用来追踪照明LED的CMOS图像传感器可以有效监视第三LED光源出射光中心线一定偏离角度内的人体入侵情况，如图7所示，一旦有物理移动进入A角度范围内，第一信号处理控制器将得到这一信息，第一信号处理控制器通过第二数字数据接口、第一数字数据接口、第一线性单颗LED驱动电路关闭第三LED光源，等到人体入侵警告解除后再自动打开第三LED光源。

将以上描述的电路和DMT调制解调电路、MAC电路、PHY电路结合起来，含有照明LED的数据发送和接收装置及其相关电路演变为“中心猫”，用户端数据发送和接收装置及其相关电路演变为“局端猫”。作图8所示的应用，可以一边照明一边通过照明LED上网，通过电脑远程控制打印机工作，也可以不照明，用蓝光LED代替照明LED。