用于高速和大覆盖范围光学无线通信的接收系统的制作方法

本发明涉及光学无线通信网络的领域，例如li-fi网络。更特别地，本文公开了与具有接收器分集(diversity)以支持高速和大覆盖范围光学无线通信的系统相关的各种方法、装置、系统和计算机可读介质。

背景技术：

1、为了使得越来越多的电子设备(如笔记本电脑、平板电脑和智能手机)能够无线连接到互联网，无线通信面临着前所未有的对数据速率以及链路质量的要求，并且考虑到与物联网(iot)相关的新兴数字革命，这些要求保持逐年增长。射频技术(如wi-fi)的频谱容量有限，无法迎接这场革命。与此同时，光保真(li-fi)凭借其内在的安全性增强和在可见光、紫外(uv)和红外(ir)光谱的可用带宽上支持更高数据速率的能力，吸引了越来越多的关注。此外，与wi-fi相比，li-fi具有方向性，并由挡光材料屏蔽，这使其有可能通过在空间上重用相同的带宽在用户密集的区域中部署更大数量的接入点。与无线射频通信相比，这些关键优势使li-fi成为缓解iot应用以及室内无线接入拥挤的无线电频谱压力的有前途的安全解决方案。li-fi的其他可能益处包括保证特定用户的带宽，以及以其他方式在易受电磁干扰的区域安全运行的能力。因此，li-fi是一种非常有前途的技术，用于实现下一代沉浸式连接。

2、在基于照明的通信领域有几个相关的术语。可见光通信(vlc)通过强度调制光源(诸如发光二极管(led)和激光二极管(ld))传输数据，比人眼的暂留更快。vlc通常用于将信号嵌入由照明源发射的光中，所述照明源诸如是日常灯具，例如室内照明或室外照明，从而允许使用来自灯具的照明作为信息的载体。因此，光可以包括用于照亮诸如房间的目标环境(通常是光的主要目的)的可见照明成分，以及用于向环境提供信息(通常被认为是光的次要功能)的嵌入信号。在这种情况下，调制通常可以在足够高的频率下执行，以超出人类的感知，或者至少使得任何可见的临时光伪影(例如闪烁和/或频闪伪影)足够弱，并且在足够高的频率下不被人类注意到或者至少是人类可容忍的。因此，嵌入的信号不影响主要照明功能，即，因此用户仅感知整个照明，并且不是被调制到该照明中的数据的效果。

3、ieee 802.15.7可见光通信个人区域网(vpan)标准将预期应用映射到四种拓扑结构：对等、星形、广播和协调。光学无线pan(owpan)是一个比vpan更通用的术语，它也允许不可见光(诸如uv和ir)进行通信。因此，li-fi通常被认为是光学无线通信(owc)技术的衍生物，其利用宽范围的光谱来支持双向数据通信。

4、在li-fi系统中，根据各种合适的调制技术中的任何一种，通过调制光的性质(通常是强度)来嵌入信号。对于高速通信，通常使用红外(ir)而不是可见光通信。尽管紫外和红外辐射对于人眼是不可见的，但是利用这些光谱区域的技术是相同的，尽管变化可以作为波长依赖性的结果(诸如在折射率的情况下)而发生。在许多实例中，使用紫外和/或红外是有利的，因为这些频率范围对于人眼是不可见的，并且可以在系统中引入更多的灵活性。当然，与红外和/或可见光的能级相比，紫外量子具有更高的能级，这进而可以致使在某些状况下不期望使用紫外光。

5、基于调制，可以使用任何合适的光传感器或光电检测器来检测光中的信息。例如，光传感器可以是光电二极管。光传感器可以是专用光电池(点检测器)，可能带有透镜、反射器、漫射器或磷光体转换器(用于较低速)的光电池阵列，或者光电池(像素)阵列和用于在阵列上形成图像的透镜。例如，光传感器可以是包括在插入到诸如智能手机、平板电脑或笔记本电脑的用户设备中的加密狗中的专用光电池，或者传感器可以是集成的和/或两用的，诸如最初设计用于3d面部识别的红外检测器阵列。无论哪种方式，这都可以使运行在用户设备上的应用程序能够经由光接收数据。

6、尽管li-fi系统具有以其thz范围内的非许可带宽支持非常高的数据速率的潜力，但是由于led(可见光或ir)的低固有带宽(10-20mhz)，使用例如ofdm的频谱高效调制，当前商业上可实现的比特率通常在几百mbp的范围内。此外，使li-fi系统支持大覆盖范围(例如，根据半峰全宽(fwhm)的功能，30-60度)是非常吸引人的。然而，大覆盖范围要求通常导致接收光学功率的显著降低(高路径损耗，其将tx功率保持在眼睛安全极限之下)，并且因此可能进一步限制总吞吐量。另一方面，基于激光器或垂直腔面发射激光器(vcsel)的li-fi系统可以支持大的调制带宽。但是由于眼睛的安全性，由激光器/vcsel发射的总功率量非常有限，并且因此大覆盖范围仍然难以实现。

技术实现思路

1、对于基于led的光学无线通信系统，低到中等的数据速率可以通过相对大的fov和长的通信距离来实现。对于基于激光器/vcsel的光学无线通信系统，可以用相对小的覆盖范围(窄波束)和短的通信距离来实现更高的数据速率。为了利用这两种系统的优点，发明人提出在接收器侧的光电二极管的有源表面区域上采用分集。并且因此，光学接收器具有支持高速和大覆盖范围光学无线通信的灵活性。

2、鉴于以上，本公开针对用于提供接收器分集以使得接收系统能够实现高速和大覆盖范围两者的方法、装置、系统、计算机程序和计算机可读介质。更特别地，本发明的目的是通过如权利要求1所述的光学前端子系统、如权利要求9所述的光学接收器、如权利要求10所述的光学无线通信系统、如权利要求11所述的光学前端子系统的方法、以及如权利要求13所述的计算机程序来实现的。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种光学前端子系统，其中用于接收光学无线通信信号的光学前端子系统包括：第一光电二极管，具有被配置为接收第一光学信号的第一有源表面区域；第二光电二极管，具有被配置为接收第二光学信号的第二有源表面区域；嗅探器电路，被配置为将第一光学信号的接收信号强度与预定义参考值进行比较；以及开关，被配置为当第一光学信号的接收信号强度高于预定义参考值时，选择接收的第一光学信号作为光学前端子系统的输出信号，并且否则，选择接收的第二光学信号作为光学前端子系统的输出信号；其中第二有源表面区域大于第一有源表面区域。

4、光电二极管是一种半导体器件，它基于器件的工作模式将光转换成电流或电压。有时，光电二极管也被称为光电检测器、光检测器或光电传感器。光电二极管可以包含滤光器、内置透镜，并且可以具有大或小的表面区域。随着光电二极管的表面区域增大，其响应时间通常更慢。取决于器件的结构，光电二极管可以分为不同类型，如pn光电二极管、schottky光电二极管、pin光电二极管、和雪崩光电二极管。尽管不同类型的光电二极管的工作方式可能略有不同，但这些二极管的基本操作保持相同。有益的是，光学前端子系统包括至少两个光电二极管，第一光电二极管和第二光电二极管。这里，第一光电二极管和第二光电二极管可以是相同类型或不同类型的光电二极管、光电检测器、光检测器或光电传感器。

5、光电二极管的有源表面区域也可以称为有效有源区域或表面区域。第一光电二极管和第二光电二极管具有不同的有源表面区域，这导致器件的不同特性，从而允许它们适应不同的接收场景。嗅探器电路用于将从第一光电二极管接收的第一光学信号与第一预定义参考值进行比较。当第一光学信号的接收信号强度高于预定义参考值时，选择接收的第一光学信号作为光学前端子系统的输出信号。否则，选择接收的第二光学信号作为光学前端子系统的输出信号。第一预定义参考值可以在工厂预设中配置，并且该值可以专用于第一光电二极管的类型。给定第一有源表面区域的尺寸，第一预定义参考值也可以专用于第一光电二极管的类型。第一预定义参考值也可以在光学前端子系统的实地物理安装期间配置。在另外的示例中，第一预定义参考值可以由用户根据系统设置、用户场景、应用需求或用户偏好来配置。通过调整第一预定义参考值，或者基本上调整选择标准，光学前端子系统可以优先选择由第一光电二极管接收的第一光学信号或者由第二光电二极管接收的第二光学信号。

6、优选地，第二有源表面区域至少是第一有源表面区域的两倍。

7、更大的有源表面区域有助于光电二极管响应于入射光产生更大的电流，但代价是更高的结电容，并且因此速度更低或信号带宽更窄。本发明旨在采用在有源表面区域尺寸上具有足够差异的第一光电二极管和第二光电二极管，以适应不同的应用场景。

8、如前所述，基于led的光学无线通信系统的特征在于相对长的通信距离和大覆盖范围，但是对于中等数据速率而言是低的；而基于vcsel的光学无线通信系统的特征在于高数据速率，但是具有窄fov的相对小的角度覆盖范围。因此，当接收的第一光学信号被用作光学前端子系统的输出信号时，它可以与基于vcsel的发射器结合使用。当接收的第二光学信号被用作光学前端子系统的输出信号时，它可以与基于led的发射器结合使用。当发射器是混合设置(例如具有led和vcsel两者的混合前端)时，光学前端子系统可以根据由光电二极管检测到的光学信号的接收信号强度来自适应地选择最佳光电二极管。这是因为实际用户场景的影响，比如离发射器的实际距离、光的入射角、光的强度、和路径损耗最终都反映在由光电二极管检测到的光学信号的信号强度上。

9、有利地，第一光电二极管还被配置成在第一信号收集区域内接收第一光学信号，并且第二光电二极管还被配置成在第二信号收集区域内接收第二光学信号，并且第二信号收集区域大于第一信号收集区域。

10、光电二极管的信号收集区域应该理解为光电二极管接收光学信号的覆盖范围。有时，覆盖范围也被定义为角度覆盖范围或视场(fov)。通常，没有任何透镜的裸露光电二极管具有相对宽的fov(例如120度)，并且然后其上的透镜将定义最终或实际的fov。该透镜可以是光电二极管的内置透镜。

11、注意，只有投射在有源表面区域上的入射光可以被光电二极管收集，并被转换成电流信号或电压信号形式的电信号。通常，小面积光电二极管收集的光较少，并且需要附加的光学器件(透镜)来增加光学信号收集。透镜会将入射光束聚焦在这个小的有源区域上。但是，如果需要大的入射角(宽fov)，那么由透镜产生的图像尺寸也会增加，并且部分聚焦光束错过有源区域，因此，这就要求在角度入射覆盖范围与光收集量之间进行权衡。因此，为了有效地收集光学信号，与第二光电二极管相比，具有较小有源表面区域的第一光电二极管也具有较窄的fov是有益的。

12、在优选的设置中，第一信号收集区域被第二信号收集区域完全覆盖。

13、已知的是，光电二极管或光电检测器的有源表面区域边缘的不均匀性可能产生不需要的电容和电阻，其使光电二极管的时域响应失真。因此，同样优选的是，光电二极管上的入射光正好位于有源表面区域或有源区域的中心。因此，使第一信号收集区域被第二信号收集区域完全覆盖可能是有益的。此外，使第一信号收集区域和第二信号收集区域以同一点为中心也是有益的。

14、有利的是，第一光电二极管被配置为支持比第二光电二极管更高的数据速率。

15、如上所述，结电容对光电二极管的带宽和响应速度有着深远的影响。结电容与有源表面区域成正比。光电二极管的大有源表面区域涵盖了更大的结体积及增加的结电容。因此，与第二光电二极管相比，第一光电二极管的较小有源表面区域允许较大的信号带宽。因此，第一光电二极管可以支持更高的数据速率。

16、优选地，嗅探器电路还包括被配置为估计接收信号强度的均方根rms检测器。

17、嗅探器电路需要测量所接收的第一光学信号的信号强度，并将该信号强度与预定义参考值进行比较。因此，嗅探器电路包括信号强度检测器。在优选示例中，信号强度检测器是均方根(rms)检测器。在另一个示例中，信号强度检测器可以是峰值检测器，尽管对于基于ofdm的系统，峰值是条件较差的统计变量。在另外的示例中，信号强度检测器可以是ac分量平均检测器。

18、该开关可以是mosfet或晶体管。

19、在一个实施例中，光学前端子系统还包括：第一放大器，其连接到第一光电二极管，被配置为使用针对第一光电二极管的特性定制的第一放大器电路来放大所接收的第一光学信号；以及第二放大器，其连接到第二光电二极管，被配置为使用针对第二光电二极管的特性定制的第二放大器电路来放大所接收的第二光学信号；并且其中嗅探器电路还被配置为在第一光学信号被第一放大器放大之后，将第一光学信号的接收信号强度与第二预定义参考值进行比较。

20、考虑到来自光电二极管的输出电信号通常非常小的事实，通常采用放大器来放大来自光电二极管的小信号，使得其可以足够大，以便在接收器链中进行进一步处理。放大器通常根据其前面的光电二极管的属性来定制和/或配置，使得信号质量不会由于放大器本身引入的热噪声而降低，并且保持足够的信号带宽以保存信号所携带的信息。例如，放大器应提供足够的增益，以避免snr性能下降。但另一方面，太大的增益可能导致不必要的复杂性、成本和功耗。此外，光电二极管电容的二阶效应可能导致较高频率下的噪声增益过度增加，这甚至可能降低较高频率范围下的信号质量。此外，还可以考虑其他参数——例如总输入电容、光电二极管信号范围、所需带宽以及最小信号所需的摆幅——中的一个或多个。可以看出，为了针对单个光电二极管定制和/或优化放大器，存在许多设计折衷。因此，为了从第一放大器的优化设计中受益，在放大级之后让嗅探器电路将第一光学信号的接收信号强度与参考值进行比较可能是有利的。

21、优选地，第一放大器和/或第二放大器是跨阻抗放大器tia。

22、tia是一种电流到电压转换器，其通常通常与传感器一起使用(当该传感器具有比电压响应更线性的电流响应时)。tia通常用作第一级放大器，以调节光电二极管的接收信号。

23、在另一个实施例中，光学前端子系统还包括：第三光电二极管，具有被配置为接收第三光学信号的第三有源表面区域，并且其中第三有源表面区域大于第一有源表面区域但小于第二有源表面区域；并且其中嗅探器电路还被配置为将第三光学信号的接收信号强度与预定义的第三参考值进行比较；并且开关还被配置为当所接收的第一光学信号的信号强度高于预定义参考值时，选择所接收的第一光学信号作为光学前端子系统的输出信号；以及，当第一光学信号的接收信号强度不高于预定义参考值并且第三光学信号的接收信号强度高于第三预定义参考值时，选择接收的第三光学信号作为光学前端子系统的输出信号，并且否则，选择接收的第二光学信号作为光学前端子系统的输出信号。

24、优选地，第二有源表面区域至少是第一有源表面区域的两倍。该比值可能比两倍大很多。例如，第二有源表面区域可以是第一有源表面区域的10倍以上，以满足不同的应用要求。还可能存在部署在光学前端子系统中的第三光电二极管，其具有大于第一有源表面区域但小于第二有源表面区域的有源表面区域。并且因此，嗅探器电路被配置成首先用预定义参考值检查第一光学信号的接收信号强度，并且当满足要求时选择接收的第一光学信号作为光学前端子系统的输出。否则，嗅探器电路被配置成进一步用预定义的第三参考值检查第三光学信号的接收信号强度，并且当满足要求时选择接收的第三光学信号作为光学前端子系统的输出。否则，选择接收的第二光学信号作为输出。以此方式，光学前端子系统被配置成优先激活具有最高可能带宽的接收路径。注意，只要多样化的(diversified)应用需求证明额外的硬件成本是合理的，光学前端子系统就可以使用另外的光电二极管。

25、第三光电二极管被配置成在第三信号收集区域内接收第三光学信号。优选地，第三信号收集区域大于第一信号收集区域，但小于第二信号收集区域。

26、根据本发明的第二方面，提供了一种光学接收器。一种用于接收光学无线通信信号的光学接收器，该光学接收器包括：根据本发明的光学前端子系统；模拟前端组件，被配置为从光学前端子系统接收输入信号以进行模拟处理；以及调制解调器组件，被配置为对来自模拟前端组件的模拟处理过的信号的输出实施基带处理。

27、所公开的光学前端子系统可以与模拟前端和调制解调器耦合，以完成光学接收器链。由于在光学前端子系统中选择之后只有一个接收路径被启用，因此模拟前端和调制解调器可以与常规光学接收器中的相同。

28、根据本发明的第三方面，提供了一种光学无线通信系统。一种光学无线通信系统，该光学无线通信系统包括：根据本发明的光学接收器；包括一个或多个光学前端的光学发射器，并且其中一个或多个光学前端中的每一个包括光源；并且其中光学接收器被配置成接收由光学发射器发射的光学无线通信信号。

29、所公开的光学接收器能够处理不同的发射器设置，并提供适应于实际应用场景的最佳接收能力。在所公开的光学无线通信系统中，发射器可以包括一个或多个光学前端，其中每个光学前端包括光源。光源可以是发光二极管(led)、激光二极管、垂直腔面发射激光器(vcsel)、或具有led和vcsel两者的混合前端中的一种。

30、根据本发明的第四方面，提供了一种光学前端子系统的方法。一种用于接收光学无线通信信号的光学前端子系统的方法，该方法包括光学前端子系统：通过具有第一有源表面区域的第一光电二极管接收第一光学信号；通过具有第二有源表面区域的第二光电二极管接收第二光学信号；将第一光学信号的接收信号强度与预定义参考值进行比较；以及当第一光学信号的接收信号强度高于预定义参考值时，选择接收的第一光学信号作为光学前端子系统的输出信号，并且否则，选择接收的第二光学信号作为光学前端子系统的输出信号；其中第二有源表面区域大于第一有源表面区域。

31、有利地，该方法还包括光学前端子系统：通过具有第三有源表面区域的第三光电二极管接收第三光学信号，并且其中第三有源表面区域大于第一有源表面区域但小于第二有源表面区域；将第三光学信号的接收信号强度与预定义的第三参考值进行比较；以及当第一光学信号的接收信号强度高于预定义参考值时，选择接收的第一光学信号作为光学前端子系统的输出信号；或者当第一光学信号的接收信号强度不高于预定义参考值并且第三光学信号的接收信号强度高于第三预定义参考值时，选择接收的第三光学信号作为光学前端子系统的输出信号；或者当第一光学信号的接收信号强度不高于预定义参考值并且第三光学信号的接收信号强度不高于第三预定义参考值时，选择接收的第二光学信号作为光学前端子系统的输出信号。

32、本发明还可以体现在包括代码装置的计算程序中，当程序由包括处理装置的光学前端子系统执行时，该代码装置使得处理装置执行如本发明中公开的光学前端子系统的方法。