多路驱动与光电自适应光通信装置的制作方法

1.本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种多路驱动与光电自适应光通信装置。


背景技术：

2.可见光通信是光通信的一种重要方式。可见光通信技术是通过控制led(light-emitting diode,发光二极管)的亮灭来实现信息的传输，当前最先进的可见光通信的传输速率可达到gb/s。传统的无线电信号传输设备存在很多局限性，例如价格昂贵、但效率不高，比如手机，在全球通过建立数百万个基站来增强手机传输信号，但是大部分能量却消耗在设备冷却上，能量有效利用效率只有5％。相比之下，可见光通信技术本质上是通过光信号来实现信息的传输，所需的传输设备只需要led，且不占用现有的频带资源，因而也就不会与现有的频段设备之间产生相互干扰，从而使得可见光通信方式具有良好的通信质量和保密性，且更加的绿色环保。可见光通信作为射频通信的备用方案越来越受到高校、研究机构的重视。当前的可见光通信等光通信装置的信号传输距离和通信速率还有待提升，从而限制了可见光通信技术的应用领域。
3.因此，如何改善光通信装置的性能，以提高可见光通信装置的信号传输距离和通信速率，是当前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种多路驱动与光电自适应光通信装置，用于改善光通信装置的性能，提高可见光通信装置的信号传输距离和通信速率。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种多路驱动与光电自适应光通信装置，包括：
6.驱动发射结构，包括多路led阵列和集成芯片驱动结构，所述多路led阵列包括多个相互独立的输出路，每个所述输出路包括串联连接的多个led；所述集成芯片驱动结构连接所述多路led阵列，且包括多路差分输入放大器和信道选择电路，所述多路差分输入放大器用于将来自于外界的输入信号进行放大处理后加载至所述多路led阵列，所述信道选择电路用于向所述多路led阵列输出使能信号，以向外界发射包括所述输入信号的第一光信号；
7.接收判决结构，包括聚焦透镜、光电探测器和自动增益控制结构，所述聚焦透镜用于汇聚来自于外界的第二光信号，所述光电探测器用于接收经所述聚焦透镜汇聚后的所述第二光信号、并将所述第二光信号转换为光生电流信号；所述自动增益控制结构包括光学补偿结构，所述光学补偿结构用于调整所述光电探测器与所述聚焦透镜之间的距离，使得所述光电探测器产生的所述光生电流信号保持在预设范围内。
8.可选的，所述驱动发射结构还包括：
9.输入信号接口，用于接收来自于外界信号源的所述输入信号；
10.第一数字信号处理电路，连接所述输入信号接口，用于对所述输入信号进行调制和信道编码，并将经调制和信道编码处理后的所述输入信号传输至所述多路差分输入放大
器；
11.所述集成芯片驱动结构还包括模式选择端口，所述模式选择端口连接所述输入信号接口，用于将所述输入信号接口接收的所述输入信号转换为ttl信号或者lvds信号。
12.可选的，所述集成芯片驱动结构还包括：
13.信道均衡电路，连接所述多路差分输入放大器，用于对所述多路差分输入放大器输出的所述输入信号进行信道衰减，使得经信道衰减后的所述输入信号维持完整的包络；
14.恒压限流电源，用于向所述多路led阵列传输恒定的电压。
15.可选的，所述集成芯片驱动结构还包括：
16.准直镜组，位于所述多路led阵列的出光面，用于汇聚所述多路led阵列发射的所述第一光信号；
17.缩束镜组，位于所述准直镜组远离所述多路led阵列的一侧，用于缩小经所述准直镜组汇聚后的所述第一光信号的光束尺寸。
18.可选的，所述接收判决结构还包括：
19.信号调理电路，连接所述光电探测器，用于对所述光电探测器输出的所述光生电流信号进行调理，所述调理包括放大、滤波、相位补偿中的任一种或者两种以上的组合。
20.可选的，所述接收判决结构还包括采样电路，用于获取所述光生电流信号的强度；所述光学补偿结构包括：
21.接收板，所述光电探测器固定于所述接收板上；
22.光学导轨，连接所述接收板；
23.丝杆步进电机，连接所述采样电路，用于根据所述第二光信号的强度驱动所述接收板沿所述光学导轨移动，以调整所述接收板与所述聚焦透镜之间的距离。
24.可选的，所述聚焦透镜与所述光电探测器沿第一方向排布，所述光学导轨沿所述第一方向延伸；
25.所述采样电路判断所述光生电流信号是否大于所述预设范围，若是，则减小所述接收板与所述聚焦透镜之间的距离。
26.可选的，所述自动增益控制结构还包括电学补偿结构，所述电学补偿结构包括：
27.电源管理电路，连接所述采样电路和所述光电探测器，用于根据所述光生电流信号的强度调整施加至所述光电探测器上的电压。
28.可选的，还包括：
29.存储器，连接所述电源管理电路，所述存储器中存储有多个光生电流信号强度值、以及与多个所述光生电流信号强度值一一对应的多个电压值，且所述电压值随所述光生电流信号强度值的增大而减小；
30.所述电源管理电路根据所述第二光信号的强度选择与其匹配的光生电流信号强度值作为目标光生电流信号强度值，并将与所述目标光生电流信号强度值对应的所述电压值施加至所述光电探测器。
31.本发明提供的多路驱动与光电自适应光通信装置，通过在驱动发射结构中设置多路led阵列，所述多路led阵列包括多个相互独立的输出路，每个所述输出路包括串联连接的多个led，且通过集成芯片驱动结构驱动所述多路led阵列，通过提高了光通信装置的发光亮度实现了光通信装置传输距离的增大。同时，通过设置所述多路led阵列，可以有效提
高光通信装置的通信速率。另外，通过在接收判决结构中设置包括光学补偿结构的自动增益控制结构，通过所述光学补偿结构自动调整射入光电探测器的光照强度，使得所述光电探测器产生的光生电流信号维持在预设范围内，实现了光通信装置对接收光信号强度的自适应调整，从而提高了光电探测器接收光信号的稳定性，改善了光通信装置接收光信号的性能。
附图说明
32.附图1是本发明具体实施方式中多路驱动与光电自适应光通信装置的结构框图；
33.附图2是本发明具体实施方式中驱动发射结构的结构框图；
34.附图3是本发明具体实施方式中接收判决结构的结构框图；
35.附图4是本发明具体实施方式中光学补偿结构的示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明提供的多路驱动与光电自适应光通信装置的具体实施方式做详细说明。
37.本具体实施方式提供了一种多路驱动与光电自适应光通信装置，附图1是本发明具体实施方式中多路驱动与光电自适应光通信装置的结构框图，附图2是本发明具体实施方式中驱动发射结构的结构框图，附图3是本发明具体实施方式中接收判决结构的结构框图，附图4是本发明具体实施方式中光学补偿结构的示意图。如图1-图4所示，所述多路驱动与光电自适应光通信装置，包括：
38.驱动发射结构11，包括多路led阵列28和集成芯片驱动结构，所述多路led阵列28包括多个相互独立的输出路，每个所述输出路包括串联连接的多个led；所述集成芯片驱动结构连接所述多路led阵列28，且包括多路差分输入放大器25和信道选择电路40，所述多路差分输入放大器25用于将来自于外界的输入信号进行放大处理后加载至所述多路led阵列28，所述信道选择电路40用于向所述多路led阵列28输出使能信号，以向外界发射包括所述输入信号的第一光信号l1；
39.接收判决结构12，包括聚焦透镜32、光电探测器33和自动增益控制结构，所述聚焦透镜32用于汇聚来自于外界的第二光信号l2，所述光电探测器33用于接收经所述聚焦透镜32汇聚后的所述第二光信号l2、并将所述第二光信号l2转换为光生电流信号；所述自动增益控制结构包括光学补偿结构，所述光学补偿结构用于调整所述光电探测器33与所述聚焦透镜32之间的距离，使得所述光电探测器33产生的所述光生电流信号的电流值保持在预设范围内。
40.所述驱动发射结构11用于实现led驱动与信号加载。具体来说，所述驱动发射结构11包括所述多路led(light-emitting diode，发光二极管)阵列28，所述多路led阵列28包括呈二维阵列排布的多个led，且所述多路led阵列28包括多条所述输出路，每条所述输出路中包括相互串联连接的多个所述led，且多条所述输出路互不连接、相互独立。所述集成芯片驱动结构包括集成电路(ic)芯片24、以及与所述集成电路芯片24电连接的所述多路差分输入放大器25和所述信道选择电路40。所述集成芯片驱动结构通过所述集成电路芯片24能够选择所述多路led阵列28中的一条或者多条所述输出路作为目标输出路，并控制所述
多路差分输入放大器25将将来自于外界的输入信号进行放大处理后加载至所述目标输出路，且控制所述信道选择电路40向所述目标输出路输出使能信号，从而使得所述目标输出路向外界发射加载有所述输入信号的所述第一光信号l1，从而在提高光通信装置的通信距离的同时，也提高光通信装置的通信速率。本具体实施方式中的多条是指两条以上，多个是指两个以上。所述第一光信号l1可以在水、空气等单一介质中传播，也可以跨介质传播。
41.所述接收判决结构12用于实现光信号探测与还原。具体来说，来自于外界的所述第二光信号l2经所述聚焦透镜32汇聚之后射入所述接收判决结构12的所述光电探测器33中，所述光电探测器33将接收到的所述第二光信号l2转换为所述光生电流信号。所述光电探测器33可以为雪崩光电二极管。所述接收判决结构12持续接收来自于外界的所述第二光信号l2，当所述第二光信号l2的光强发生改变时，为了提高所述接收判决结构接收所述第二光信号l2的稳定性，避免因所述第二光信号l2的光强变化造成接收信号完整性的影响，所述接收判决结构12中还包括自动增益结构，所述自动增益结构中的光学补偿结构能够根据所述第二光信号l2的光强调整所述聚焦透镜32与所述光电探测器33之间的距离，进而调整射入所述光电探测器33中的所述第二光信号l2产生的所述光生电流信号的电流值，使得所述光生电流信号的电流值保持在所述预设范围内。
42.举例来说，当所述第二光信号l2的光强增强时，缩小所述聚焦透镜32与所述光电探测器33之间的距离，例如在所述聚焦透镜32的位置保持不变时，缩小所述光电探测器33与所述聚焦透镜32的焦点之间的距离，从而减小所述光生电流信号的电流值，使得所述光生电流信号的电流值保持在所述预设范围内；当所述第二光信号l2的光强减弱时，增大所述聚焦透镜32与所述光电探测器33之间的距离，例如在所述聚焦透镜32的位置保持不变时，增大所述光电探测器33与所述聚焦透镜32的焦点之间的距离，从而增大所述光生电流信号的电流值，得所述光生电流信号的电流值保持在所述预设范围内。
43.所述多路驱动与光电自适应光通信装置还包括主控结构10，所述主控结构10连接所述驱动发射结构11和所述接收判决结构12，所述主控结构用于向所述驱动发射结构11和所述接收判决结构12发出控制信号、并接收所述驱动发射结构11和所述接收判决结构12的反馈信号，以确保所述驱动发射结构11和所述接收判决结构12的正常运行。所述主控结构10基于xilinx fpga开发，用于实现所述多路驱动与光电自适应光通信装置的外部接口协议功能、数字电平转换功能、信号调制解调功能、以及信道编码功能等。
44.可选的，所述驱动发射结构11还包括：
45.输入信号接口20，用于接收来自于外界信号源的所述输入信号；
46.第一数字信号处理电路23，连接所述输入信号接口20，用于对所述输入信号进行调制和信道编码，并将经调制和信道编码处理后的所述输入信号传输至所述多路差分输入放大器25；
47.所述集成芯片驱动结构还包括模式选择端口22，所述模式选择端口22连接所述输入信号接口20，用于将所述输入信号接口20接收的所述输入信号转换为ttl信号或者lvds信号。
48.可选的，所述集成芯片驱动结构还包括：
49.信道均衡电路26，连接所述多路差分输入放大器25，用于对所述多路差分输入放大器25输出的所述输入信号进行信道衰减，使得经信道衰减后的所述输入信号维持完整的
包络；
50.恒压限流电源27，用于向所述多路led阵列28传输恒定的电压。
51.可选的，所述集成芯片驱动结构还包括：
52.准直镜组29，位于所述多路led阵列28的出光面，用于汇聚所述多路led阵列28发射的所述第一光信号；
53.缩束镜组30，位于所述准直镜组29远离所述多路led阵列28的一侧，用于缩小经所述准直镜组29汇聚后的所述第一光信号的光束尺寸。
54.具体来说，来自于外界信号源的所述输入信号经所述输入信号接口20进入所述驱动发射结构11。其中，所述输入信号接口20可以是但不限于摄像头等图像传感器。所述模式选择端口22根据所述驱动发射结构11所需要输入的信号的类型对所述输入信号进行转换，以适配不同种类的外部信号源，使得各种类型的所述输入信号都能被所述驱动发射结构11接收并处理。举例来说，当输入所述第一数字信号处理电路23的信号需要为ttl(transistor transistor logic)信号时，即所述驱动发射结构11所需要输入的信号的类型为ttl信号时，所述模式选择端口22(即elvds端口)需要接地，从而通过ttl信号转换电路21将所述输入信号接口20接收的所述输入信号转换为ttl信号；当输入所述第一数字信号处理电路23的信号需要为lvds(low voltage differential signaling，低压差分信号)时，即所述驱动发射结构11所需要输入的信号的类型为lvds信号时，所述模式选择端口22通过所述主控结构10与电源连接，从而将所述输入信号接口20接收的所述输入信号转换为lvds信号。
55.所述第一数字信号处理电路23接收经转换而成的所需类型的所述输入信号后，对所述输入信号进行调制和信道编码处理，并将调制和信道编码后的所述输入信号传输至所述集成电路芯片24。所述集成电路芯片24根据用户选择或者预先设定，将所述输入信号经所述多路差分输入放大器25放大、且经所述信道均衡电路26进行信道衰减后输入选定的所述多路led阵列中的所述输出路，并控制所述信道选择电路40向所选定的所述输出路使能，从而使得选定的所述输出路向外界发射加载有所述输入信号的所述第一光信号l1。所述主控结构10实时监控所述多路led阵列28中施加至所述led上的电压，并反馈至所述恒压限流电源27，所述恒压限流电源27用于向选定的所述输出路中的每个所述led提供最大电流阈值范围内的恒定电压，并根据所述主控接口10反馈的所述led上的电压，实时调整所述led上的电压，确保所述led上的电压维持在最大电流阈值范围内的所述恒定电压，确保使得所述输出路中的所述led能够稳定的发射高亮度的所述第一光信号，确保所述led长时间工作(即点亮)时的光功率的稳定性，从而进一步提高了所述多路驱动与光电自适应光通信装置的通信距离和通信稳定性。所述最大电流阈值范围是指所述led长时间工作(即点亮)允许通过的最大电流范围，由led的材料及结构确定。本具体实施方式中所述的长时间是指大于5分钟的时间。
56.所述准直镜组29用于汇聚所述多路led阵列28发射的所述第一光信号，以将所述多路led阵列28发射出的发散光汇聚成准直光束，提升光通信距离。所述缩束镜组30用于缩小经所述准直镜组29汇聚后的所述第一光信号的光束尺寸，提升单位面积内的光通量，减小收发光学窗口(即接收所述第一光信号的窗口和/或发射所述第一光信号的窗口)面积。
57.可选的，所述接收判决结构12还包括：
58.信号调理电路，连接所述光电探测器33，用于对所述光电探测器33输出的所述光生电流信号进行调理，所述调理包括放大、滤波、相位补偿中的任一种或者两种以上的组合。
59.具体来说，所述接收判决结构12包括光学窗口、所述光电探测器33、所述自动增益控制结构、所述信号调理电路、第二数字信号处理电路42和输出信号接口43。来自于外界的所述第二光信号经所述光学窗口进入所述接收判决结构12，经滤波片31过滤之后传输至所述聚焦透镜32，经所述聚焦透镜32汇聚之后进入所述光电探测器33。所述光电探测器33将接收到的所述第二光信号转换为所述光生电流信号，之后，所述光电探测器33输出的所述光生电流信号传输至所述信号调理电路。所述信号调理电路包括跨阻放大器38、高通滤波器39、多级放大器40和模数转换器41。所述跨阻放大器38对所述光生电流信号进行放大处理；所述高通滤波器39对经放大处理的所述光生电流信号进行滤波处理；所述多级放大器40对经滤波处理的所述光生电流信号进行多级放大处理；所述模数转换器41对经多级放大处理的所述光生电流信号进行模数转换处理。所述第二数字信号处理电路42对经模数转换处理的光生电流信号进行解调与解码处理之后，经信号输出接口43输出至外界。
60.可选的，所述接收判决结构12还包括采样电路35，用于获取所述光生电流信号的强度；所述光学补偿结构包括：
61.接收板，所述光电探测器33固定于所述接收板上；
62.光学导轨37，连接所述接收板；
63.丝杆步进电机36，连接所述采样电路，用于根据所述第二光信号的强度驱动所述接收板沿所述光学导轨37移动，以调整所述接收板与所述聚焦透镜32之间的距离。
64.可选的，所述聚焦透镜32与所述光电探测器33沿第一方向排布，所述光学导轨37沿所述第一方向延伸；
65.所述采样电路35判断所述光生电流信号是否大于所述预设范围，若是，则减小所述接收板与所述聚焦透镜32之间的距离。
66.具体来说，如图4所示，所述第二光信号l2沿图4中的箭头方向射入所述聚焦透镜32汇聚之后再进入所述光电探测器33。所述光电探测器33与所述聚焦透镜32之间的距离大于所述聚焦透镜32的焦距。所述光电探测器33固定于所述接收板上，且所述光电探测器33的入光面朝向所述聚焦透镜32。所述接收板通过夹具等结构连接于所述光学导轨37上，且所述光学导轨37的延伸方向与所述聚焦透镜32和所述光电探测器33的排布方向相同。所述丝杆步进电机36连接所述接收板，且能够根据接收到的所述第二光信号的光强驱动所述接收板沿所述光学导轨37移动，以调整所述光电探测器33与所述聚焦透镜32之间的距离，以通过光学的方法自适应的调整所述光电探测器33接收到的光信号的强度。在所述接收板沿所述光学导轨37移动的过程中，始终保持所述光电探测器33与所述聚焦透镜32之间的距离大于所述聚焦透镜32的焦距。
67.在一些实施例中，所述采样电路35可以直接从所述光电探测器33处获取所述光电探测器33中产生的所述光生电流信号的强度。在另一些实施例中，所述采样电路35也可以从所述跨阻放大器38的输出端获取经所述跨阻放大器38放大后的所述光生电流信号的强度，以避免因所述光生电流信号的强度过低而影响采集的精度和准确度。当所述采样电路35从所述跨阻放大器38的输出端获取经所述跨阻放大器38放大后的所述光生电流信号的
强度时，可以根据所述跨阻放大器38的放大倍数相应调整所述预设范围的具体数值。本具体实施方式中所述光生电流信号的强度是指所述光生电流信号的电流值。
68.举例来说，所述光电探测器33与所述聚焦透镜32位于所述聚焦透镜32的焦点的同一侧。所述采样电路35实时采集所述光电探测器33产生的所述光生电流信号的电流值，当所述光生电流信号的电流值大于所述预设范围时，所述主控结构10发送第一控制信号至所述丝杆步进电机36，所述丝杆步进电机36驱动所述接收板沿所述光学导轨37背离所述聚焦透镜32的焦点移动，以缩小所述光电探测器33与所述聚焦透镜32之间的距离，从而降低所述光生电流信号的电流值至所述预设范围内。再例如，所述采样电路35实时采集所述光电探测器33产生的所述光生电流信号的电流值，当所述光生电流信号的电流值小于所述预设范围时，所述主控结构10发送第二控制信号至所述丝杆步进电机36，所述丝杆步进电机36驱动所述接收板沿所述光学导轨朝向所述聚焦透镜32的焦点移动，以增大所述光电探测器33与所述聚焦透镜32之间的距离，从而增大所述光生电流信号的电流值至所述预设范围内。
69.可选的，所述自动增益控制结构还包括电学补偿结构，所述电学补偿结构包括：
70.电源管理电路34，连接所述采样电路35和所述光电探测器33，用于根据所述光生电流信号的强度调整施加至所述光电探测器33上的电压。
71.举例来说，所述采样电路35实时采集所述光电探测器33产生的所述光生电流信号的电流值，当所述光生电流信号的电流值大于所述预设范围时，所述电源管理电路34降低施加至所述光电探测器33上的电压，从而降低所述光电探测器33的灵敏度，使得所述光电探测器33产生的所述光生电流信号降低至所述预设范围内。再例如，所述采样电路35实时采集所述光电探测器33产生的所述光生电流信号的电流值，当所述光生电流信号的电流值小于所述预设范围时，所述电源管理电路34增大施加至所述光电探测器33上的电压，从而增大所述光电探测器33的灵敏度，使得所述光电探测器33产生的所述光生电流信号增大至所述预设范围内。
72.本具体实施方式通过在所述自动增益控制结构中设置所述光学补偿结构和所述电学补偿结构，通过所述光学补偿结构对所述光电探测器33产生的所述光生电流信号进行粗调，并通过所述电学补偿结构对所述光电探测器33产生的所述光生电流信号进行细调，所述光学补偿结构和所述电学补偿结构的结合，能够更快速、且更准确的调整所述光电探测器33产生的所述光生电流信号，从而进一步提高所述多路驱动与光电自适应光通信装置的自适应调节效果与自适应调节效率。
73.可选的，所述多路驱动与光电自适应光通信装置还包括：
74.存储器，连接所述电源管理电路34，所述存储器中存储有多个光生电流信号强度值、以及与多个所述光生电流信号强度值一一对应的多个电压值，且所述电压值随所述光生电流信号强度值的增大而减小；
75.所述电源管理电路34根据所述第二光信号的强度选择与其匹配的光生电流信号强度值作为目标光生电流信号强度值，并将与所述目标光生电流信号强度值对应的所述电压值施加至所述光电探测器33。
76.本具体实施方式提供的多路驱动与光电自适应光通信装置，通过在驱动发射结构中设置多路led阵列，所述多路led阵列包括多个相互独立的输出路，每个所述输出路包括
串联连接的多个led，且通过集成芯片驱动结构驱动所述多路led阵列，通过提高了光通信装置的发光亮度实现了光通信装置传输距离的增大。同时，通过设置所述多路led阵列，可以有效提高光通信装置的通信速率。另外，通过在接收判决结构中设置包括光学补偿结构的自动增益控制结构，通过所述光学补偿结构自动调整射入光电探测器的光照强度，使得所述光电探测器产生的光生电流信号维持在预设范围内，实现了光通信装置对接收光信号强度的自适应调整，从而提高了光电探测器接收光信号的稳定性，改善了光通信装置接收光信号的性能。
77.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。