一种基于LED的室内可见光通信系统

一种基于led的室内可见光通信系统
技术领域
1.本发明属于可见光通信领域，涉及一种基于led的室内可见光通信系统。


背景技术：

2.基于白光led的可见光通信技术具有绿色环保、不占用频谱资源、无电磁干扰等诸多优点，可以将其作为无线射频技术的有效补充，广泛应用于对电磁环境要求比较高的特殊场所，并且能在一定程度上缓解频谱资源紧张对无线射频技术造成的压力，在室内无线通信与智能家居应用中都有着不可忽视的重要性。在无线射频通信技术中，由于电磁波高频辐射的影响，使得一些对电磁波干扰要求比较苛刻的场合对此明令禁止使用。而可见光通信技术是利用白光led发出的光载波来进行数据的传输，具有安全环保的特点，可以作为无线射频通信的有效补充。在红外无线通信技术中，由于其发射光源红外线对人眼的损伤比较大，使得红外无线通信系统的发射功率受到了一定的限制，严重影响了红外通信系统的通信距离。而且，红外线的指向性也在一定程度上限制了红外无线通信技术的发展。而可见光通信系统使用的发射光源为日常照明白光led，正好弥补了红外通信在这方面的缺憾。
3.目前，可见光通信技术的研究热点主要集中在高效的调制技术、提高系统传输速率等方面，对可见光通信系统光接收方面的研究较少。还存在如下问题：(1)室内可见光通信所采用的发射光源为商用白光led，调制带宽窄，无法满足高速数据传输要求；(2)可见光通信系统中，光信号由光电探测器接收，光电探测器接收面较小，光信号接收功率低，使得系统信噪比低；(3)目前可见光通信系统多以点对点的实验研究为主，通信系统稳定性差，容易因信道被遮挡引起通信中断。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于解决当前可见光通信系统带宽窄、接收功率低、以及由多径效应引起码间干扰、信道衰落和信道遮挡等问题，提高通信质量，提供一种基于led的室内可见光通信系统。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于led的室内可见光通信系统，包括信号源、预均衡模块、发射端、接收端、后均衡模块和信号处理模块；所述信号源发出正弦信号，经由预均衡模块进行预均衡处理后在发射端上进行调制，调制后的光信号在自由空间传输到接收端，再通过后均衡模块进行后均衡处理，最后输出至信号处理模块。
7.进一步，所述预均衡模块包括三路驱动电路并联组成，第一路驱动电路串联一个电阻，用于保留低频成分的通过率，第二路驱动电路串联一个电容和一个电阻，第三路驱动电路串联一个电容，均用于利用电路谐振效应来提高信号的通过率，通过调节各个电阻和电容的值来将整体电路的调制带宽向高频部分扩展。
8.进一步，所述发射端包括信号放大电路、白光led驱动电路和bias-tee耦合电路，所述bias-tee耦合电路将需要传输的交流信号加载在驱动led光源正常工作的直流源上，
从而使电信号调制为光信号进行数据传输，实现照明与通信。
9.更进一步，在所述白光led驱动电路上还设有t型滤波网络，由两个电感和一个滤波电容组成，并在led直流源两端并联一个分流电阻，保证led直流源在其工作电流范围内。
10.进一步，所述接收端包括光电探测器、前置放大电路和主放大电路，所述光电探测器用于接收光信号，所述前置放大电路和主放大电路用于将光信号进行两级放大处理来保证信号的高增益稳定输出。
11.进一步，所述光电探测器前端设置光学天线来收集更多的光信号。
12.进一步，在光电探测器前端设置菲涅尔透镜来降低光线在透镜中的衰减，所述菲涅尔透镜为等棱宽平面点聚焦结构，为聚甲基丙烯酸甲酯材料。
13.进一步，设有四个光电探测器，并采用四路选通电路作为光角度分集接收电路，通过选择式合并方式对接收到的信号进行处理，对检测到的所有支路信号进行比较，将信号强度最大的一路信号作为有用信号进行输出；所述光角度分集接收电路包括四路光电探测器、电压比较器和选通芯片，将接收到的四路信号分两路进行比较，选出四路信号中的较大的两路信号后再次进行比较，最终将四路信号强度最大的一路信号作为有用信号进行输出。
14.进一步，所述后均衡模块为三阶高通滤波电路，用于对系统的线性失真进行补偿，所述三阶高通滤波电路由rc滤波网络、集成运放和反馈电路组成，其中rc滤波网络与集成运放串联，所述反馈电路与集成运放并联。
15.本发明的有益效果在于：与现有的室内可见光通信系统相比，本发明一是通过对可见光通信系统中影响系统调制带宽因素的分析，设计了一套基于可见光通信系统的带宽拓展方案；二是针对可见光通信系统光电探测器接收功率低的问题，设计了一款面向可见光通信系统的菲涅尔透镜作为通信系统的光学接收天线，提高了信噪比和通信距离；三是针对可见光通信系统中由多径效应引起码间干扰和信道衰落，以及接收端被遮挡而引起的通信中断的现象，采用分集接收技术作为解决方案，加入的分集接收模块有效抑制了接收端被遮挡而引起的通信中断现象。
16.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
17.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
18.图1为本室内可见光通信系统工作流程图。
19.图2为预均衡驱动电路示意图。
20.图3为预均衡电路仿真图。
21.图4为发射电路结构框图。
22.图5为信号放大电路原理图。
23.图6为bias-tee耦合电路。
24.图7为led驱动电路原理图。
25.图8为接收端工作流程图。
26.图9为接收端电路仿真图。
27.图10为高通滤波电路框图。
28.图11为线性失真补偿电路原理图。
29.图12为菲涅尔透镜结构图。
30.图13为菲涅尔透镜实物。
31.图14为未加入透镜输出波形。
32.图15为加入普通透镜输出波形。
33.图16为加入菲涅透镜输出波形。
34.图17为可见光通信系统信噪比曲线图。
35.图18为三种装置的通信距离。
36.图19为分集接收原理框图。
37.图20为4路选通电路原理图。
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
40.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
41.下面根据本基于led的室内可见光通信系统说明具体的实施方式。
42.该通信系统如图1所示，包括：信号源、预均衡模块、发射端、接收端、后均衡模块和信号处理模块，在本实施例中，信号处理模块为示波器；信号源发出的正弦信号经由预均衡模块处理后在led光源上调制，调制后的光信号在自由空间传输到接收端，光信号由光电探测器检测并转化成电信号，经由放大电路放大后再通过后均衡电路处理，最后将信号输出至示波器上。
43.图2为预均衡驱动电路示意图，该均衡模块由三路驱动电路组成，第一路驱动电路
保留低频成分的通过率；第二路和第三路驱动电路利用电路谐振效应来提高信号的通过率。均衡后的led调制带宽由高频率范围决定，由串联电路谐振公式可知，谐振频率的值可以通过改变串联电容的值进行调节。通过调节如图3所示仿真电路中r1、r2、c1、c2的值，就可以将整体电路的调制带宽向高频部分扩展。商用白光led调制带宽过窄，无法适用于高速通信系统中，本发明将通过在系统发送端中加入均衡电路处理模块，弥补led光源器件对于高频信号响应太慢而导致信号失真的问题。预均衡电路的基本思想就是利用lc电路产生的谐振效应来提高信号的通过率，该谐振效应正好可以消除led的电感特性对电路产生的影响。
44.可见光通信系统的发射电路主要功能包含信号放大和驱动白光led正常发光两部分，bias-tee(偏置器)耦合电路将需要传输的交流信号加载在驱动led光源正常工作的直流源上，从而使电信号调制为光信号进行数据传输，实现照明与通信，为保证led可以正常工作，在设计led直流驱动电路时应采用恒流源驱动。发射电路结构框图如图4所示，结合可见光实际应用需求，本实施例选择了驱动电路简单、成本低且工作稳定的单芯片结构的白光led光源cree-q5。本发明设计的信号放大电路原理图如图5所示，本实施例中，选用型号为opa842id的放大芯片作为信号放大电路的主要元器件，该芯片采用双电压+5v和-5v供电，拥有200mhz的高增益带宽。由于采用的信号发生器的内阻为50欧姆，为使阻抗匹配，电阻r3取50欧姆，故将放大电路的放大倍数设为2倍。为滤除电源对电路造成的高频干扰，分别在放大器的正负电源处接入并联的去耦电容，如图5中c1、c2和c3、c4所示。本发明设计的bias-tee耦合电路由一个电感和电容构成，分别作为直流信号与交流信号的输入端口，合并端口为叠加信号输出端。bias-tee耦合电路如图6所示。为消除恒流源本身所带来的噪声干扰，可在恒流源的输出端加装t型滤波网络，该t型滤波网络由两个电感l1、l2和滤波电容c2组成。为保证led直流源在其工作电流范围内，在直流源两端并联一个分流电阻r1。本发明所设计的led驱动电路原理图如图7所示。
45.在led可见光通信系统光接收机中，能否尽量多地将有用信号从接收到的光信号中提取出来是设计led可见光通信系统接收电路的关键。本发明通过对系统噪声成分的分析，对接收到的信号进行了两级放大处理来保证信号的高增益稳定输出。本发明设计的可见光通信系统接收部分主要由光电探测器、前置放大电路、主放大电路组成。可见光通信系统接收端的工作流程图如图8所示。接收电路仿真图如图9所示，该放大电路的主要元件为集成运放opa847为确保接收电路中各个电路模块的静态工作点各自独立，将接收端的两级电路用电容进行隔开，方便对电路各个模块进行测试和调试。
46.为保证系统的输出信号满足后续处理要求，需要确保通信系统具有相对平坦的增益特性且要求系统增益的波动小于10db。为了有效抑制系统的线性失真，在系统接收端中加入高通滤波电路作为通信系统的后均衡电路。图10为所设计的高通滤波电路框图，该滤波电路由rc滤波网络、集成运放和反馈电路组成。为了保证高通滤波电路的上升增长特性与所设计的通信系统幅频响应衰减特性有效匹配，实验中分别试验了不同阶数的高通滤波电路对系统的线性失真补偿效果，最终确定三阶高通滤波电路对系统的线性失真补偿效果最佳，本发明设计的三阶线性失真补偿电路原理图如图11所示。
47.本发明通过对可见光通信系统的发射端和接收端中影响系统带宽因素的分析，设计了一套基于均衡电路的带宽拓展方案。该方案首先在发射端中加入预均衡模块，通过对
加入预均衡模块的通信系统测试分析的基础上，然后在接收端加入后均衡模块，用于解决可见光通信系统中由于商用白光led调制带宽过窄以及信道的不平坦造成系统带宽偏低的现状。
48.在室内可见光通信系统中，接收光信号的光敏元件接收面较小，光能接收功率较低。从通信的角度上看，通信系统发射功率越大，接收端接收到的光信号强度也就相应增大，然而可见光通信需要考虑人眼的舒适度，因此对光源的功率要有所限制。在led光源发射功率和光源布局不变的条件下，可在系统接收机前端设计光学天线来收集更多的光信号。菲涅尔透镜通过去除传统平透镜中光路不发生变化的部分材料，以降低光线在透镜中的衰减。本发明所设计的菲涅尔透镜为等棱宽平面点聚焦结构，透镜结构图如图12所示。棱镜宽度为d，棱镜数为p，焦距为f，透镜口径为d，工作侧面角为α(i)，选用折射率n＝1.491的pmma(polymethyl methacrylate)材料。本发明设计的菲涅尔透镜加工实物如图13所示，利用搭建的电路测试平台对所设计的菲涅尔透镜进行实物测试，将菲涅尔透镜垂直放在可见光通信系统的光电探测器前端。利用信号发生器为信号测试源，在同一通信距离下，用示波器观测未加入透镜，加入普通透镜和加入菲涅尔透镜的通信系统输出波形变化，测试波形分别如图14、图15、图16所示。由测试结果可知，未加透镜的信号幅值约为320mv，加入普通透镜的信号幅值为970mv，加入菲涅尔透镜的信号幅值约为1470mv，加入的菲涅尔透镜进一步增大了光电探测器接收到的光信号强度。对加入菲涅尔透镜的通信系统信噪比进行测试，测试结果如图17所示。用示波器观测接收端的信号波形变化，在保证接收到的最小波形峰峰值约为200mv时，三种配置的最远通信距离如图18所示。
49.在数据传输中，光电探测器可能会接收到不同路径的光信号，这些不同路径的光信号传输将导致光电探测器接收到的光信号含有直射光源和反射光源。研究证明，光信号在经过物体表面的反射后，会对信号的强度造成一定的衰减，即多径效应。常用的光电探测器接收面积通常小于1cm2，过小的接收尺寸很容易被室内的移动物体和人员所遮挡，引起通信中断，导致通信系统稳定性较差。针对室内可见光通信系统的信道特征，本发明将采用光角度分集接收的方法进行处理。本发明设计的分集接收方案，电路结构简单，可以有效应用于实际通信系统中。本发明采用选择式合并方式对接收到的信号进行处理。选择式合并指将检测到的所有支路信号进行比较，将信号强度最大的一路信号作为有用信号进行输出，本发明将分集接收的支路数定为4个，其工作框图如图19所示。依照选择式合并的原理，设计了4路选通电路作为分集接收电路，其电路原理图如图20所示。该电路主要由电压比较器lm339和选通芯片adg719组成，将接收到的4路信号分两路进行比较，选出4路信号中的较大的两路信号后再次进行比较，最终将4路信号强度最大的一路信号作为有用信号进行输出。当接收端的被遮住的探测器数目少于4个时，系统的信噪比没有明显变化且系统信噪比在原通信系统基础上均有所增加，只有当4个光电探测器被全部遮住后，通信才会被中断，而实际通信传输过程中，光电探测器被全部遮住的可能性并不大。加入的分集接收模块将接收到的光信号输入到4路选通电路，信号幅度最大的一路信号被作为输出信号，有效避免了单个探测器因光强信号的变化对系统性能造成的影响。
50.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。