可见光分集发射和接收装置及可见光通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于LED阵列的可见光分集发射装置，包括：LED阵列，该LED阵列包括多个LED单元，该多个LED单元中的每个LED单元连接至独立的驱动单元和抗扰光学单元，每个LED单元发出的光信号通过相应的抗扰光学单元发射出去；以及编码控制单元，该编码控制单元连接至该多个LED单元中每个LED单元的相应驱动单元，用于向该多个LED单元的各驱动单元指派独立的传输数据。本发明还提供了相应的可见光分集接收装置。
【专利说明】可见光分集发射和接收装置及可见光通信系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及可见光通信，尤其涉及基于LED阵列的可见光分集发射和接收装置。【背景技术】
[0002]可见光(波长范围380?740nm)通信技术是一种在LED技术上发展起来的新型无线光通信技术。通过LED光源的高频率闪烁，有光代表I，无光代表O，可将信号调制在LED光源上，从而利用可见光波段作为通信载体来传输数据。可见光通信的传输速率最高达每秒千兆。可见光通信有着相当丰富的频谱资源，这是包括微波通信在内的一般无线通信无法比拟的。同时，可见光通信可以适用任何通信协议、适用于任何环境，并且可见光通信的设备架设灵活便捷、成本低廉，适合大规模普及应用。随着LED技术的发展，可见光通信成为新一代无线通信技术的研究热点。
[0003]目前，可见光通信中的传送装置所采用的光源为一个LED或者LED同步阵列。所谓LED同步阵列是LED阵列的所有LED采用统一驱动，即发出的信号相同。采用这种LED阵列发射光信号可以提高传输距离，然而，缺陷是传输速率有限。随着多媒体应用对更高数据传输速率的要求以及设备的小型化趋势，如何利用有限的LED器件传送更高速率的数据成变得至关重要。
[0004]因此，本领域亟需一种能够以更高速率进行可见光通信的设备。
【发明内容】
[0005]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0006]根据本发明的一方面，提供了一种基于LED阵列的可见光分集发射装置，包括:LED阵列，该LED阵列包括多个LED单元，该多个LED单元中的每个LED单元连接至独立的驱动单元和抗扰光学单元，每个LED单元发出的光信号通过相应的抗扰光学单元发射出去；以及编码控制单元，该编码控制单元连接至该多个LED单元相应的驱动单元，用于向该多个LED单元的各驱动单元指派独立的传输数据。
[0007]在一实例中，该多个LED单元的抗扰光学单元包括带通滤光片，并且该多个LED单元的带通滤光片具有互不相同的通带。
[0008]在一实例中，该多个LED单元的各带通滤光片的通带对应不同的可见光光谱。
[0009]在一实例中，该多个LED单元的抗扰光学单元包括起偏器，并且每相邻的两个LED单元的起偏器的偏振方向相互垂直。
[0010]在一实例中，该多个LED单元的抗扰光学单元包括光学准直镜头。
[0011]在一实例中，该LED单元包括一个LED或由多个LED并联而成的LED组。
[0012]根据本发明的另一方面，提供了一种基于LED阵列的可见光分集接收装置，包括:光电检测器阵列，该光电检测器阵列包括多个光电检测器单元，该多个光电检测器单元中的每个光电检测器单元连接至独立的抗扰光学单元，每个光电检测器单元检测通过相应的抗扰光学单元接收到的光信号；以及解码控制单元，该解码控制单元连接至该多个光电检测器单元，用于接收分别由所述多个光电检测器单元检出的信号以恢复出传输数据。
[0013]在一实例中，该多个光电检测器单元的抗扰光学单元包括带通滤光片，并且该多个光电检测器单元的带通滤光片具有互不相同的通带。
[0014]在一实例中，该多个光电检测器单兀的抗扰光学单兀包括检偏器，并且每相邻的两个光电检测器单元的检偏器的偏振方向相互垂直。
[0015]在一实例中，该多个光电检测器单元的抗扰光学单元包括汇聚透镜。
[0016]在一实例中，该光电检测器单元包括一个光电检测器或由多个光电检测器并联而成的光电检测器组。
[0017]根据本发明的另一方面，提供了一种可见光通信系统，包括如上所述的可见光分集发射装置和如上所述的可见光分集接收装置，所述可见光分集发射装置的LED单元与所述可见光分集接收装置的光电检测器单元一一对应，所述多个光电检测单元分别用于检测相对应的LED单元发出的光信号。
[0018]在一实例中，该可见光通信系统包括光子客户端和与所述光子客户端相匹配的光子接收端，该光子客户端用于发射包含了预设信息的可见光信号至所述光子接收端，该光子接收端用于接收和解调来自该光子客户端的可见光信号，并根据该可见光信号里包含的预设信息进行相关操作，该光子客户端包括该可见光分集发射装置，该光子接收端包括该可见光分集接收装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
[0020]图1是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置的简化框图；
[0021]图2是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置的LED阵列的示意图；
[0022]图3是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置的驱动单元的示意图；
[0023]图4是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置的抗扰光学单元的一个实施例的示意图；
[0024]图5是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置的抗扰光学单元的另一实施例的不意图；
[0025]图6a、6b分别是示出了在未使用光学准直透镜和使用了光学准直透镜情况下LED光斑的示意图；
[0026]图7是示出了根据本发明的一方面的光学准直透镜的示意图；
[0027]图8是示出了根据本发明的一方面的可见光分集接收装置的简化框图；
[0028]图9是示出了根据本发明的一方面的可见光分集接收装置的抗扰光学单元的一个实施例的示意图；
[0029]图10是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置和可见光分集接收装置中的带通滤光片的工作示意图；
[0030]图11是示出了根据本发明的一方面的可见光分集接收装置的抗扰光学单元的另一实施例的示意图；以及
[0031]图12是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置和可见光分集接收装置中的起偏器和检偏器的工作示意图。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
[0033]传统可见光通信系统采用LED同步阵列发光，提高了通信距离。然而，整个LED阵列传送相同的信号，数据传送效率低下。在本发明中，通过为LED阵列中的各LED单元提供独立的驱动单元，从而为LED阵列提供不同的信号源，实现分集效果。同时，通过为各LED单元提供相应的抗扰光学单元以避免LED阵列中各LED单元之间的相互干扰，保证LED阵列的各LED单元所传送的信号能够被接收装置成功接收。以此分集发射和接收方式，显著改善了 LED阵列的数据通信效率。
[0034]图1是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置100的简化框图。如图1所示，可见光分集发射装置100包括多个LED单元106-k Ck= I~K)，这多个LED单元构成了可见光分集发射装置100的LED阵列。图2是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置100的该LED阵列的示意图。在图2中，LED阵列是3x3的LED阵列，即包括9个LED单元，K = 9。这9个LED单元按照行列顺序依次编为LED I, LED2,…，LED9。然而，本领域技术人员很容易认识到，这仅是说明性而非限制性的LED阵列组成，LED阵列可以具有任何合适数目的LED单元，例如可以设计成PX q，P、q为正整数。另外，所编号的每个LED单元既可以是单个LED，也可以是由多个LED并联而成的LED组以增加发射功率实现更远的传输距离。`
[0035]回到图1,每个LED单元106`-k连接至一独立的驱动单元104_k Ck= I~K)。各驱动单元104-k分别将各自相应的LED单元106-k连接至一公共的编码控制单元102。编码控制单元102接收待发送的原始数据后执行必要的编码和调制，将传输数据分配给各驱动单元104-k，后者将传输数据送至相应的LED单元106-k，并提供驱动电流以驱动LED单元106以可见光形式发射数据。注意，编码控制单元102向每个驱动单元104-k分配的传输数据是不相同的。例如，编码控制单元102可对要传送的原始数据进行拆分，并向各驱动单元104-k提供原始数据的不同部分，其中每个数据部分可包括用以标识该数据部分在原始数据中的位置的位置标识符。
[0036]以图2中的3x3的LED阵列为例。如果要传送的原始数据为9m+n个字节，其中m为非负整数，η为小于9的非负整数。若η=0，可将9m个字节平均分配给9个LED，例如，将第I~m个字节分配给LED单元I,第m+1~2m个字节分配给LED单元2,...,第8m+l~9m个字节分配给LED单元9。若η > 0，可将第I~m+1个字节分配给LED单元1，依次类推，前η个LED都分配m+1个字节,其余LED分配m个字节,字节按顺序分配。提供给每个LED单元的驱动单元的传输数据除了分配给该LED单元的字节之外还包括一位置标识符以标识该字节在原始数据中所处的位置。本领域技术人员容易认识到，上述分配仅仅是用以解释向各LED单元指派不同数据内容的说明性而非限制性示例。可以使用任何合适的分配方案来为各LED单元指派传输数据。
[0037]驱动单元104-k为相关联的LED单元106_k提供驱动电流，以驱动LED单元106_k通过高频闪烁的方式以可见光形式发射相应的传输数据。图3是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置100的驱动单元的示意图。图3中示出了 MOS管驱动电路300，然而这仅是驱动单元104-k的说明性而非限制性实例，本领域技术人员容易了解可以使用任何合适的驱动电路，例如高速轨到轨运放0PA2377等。如图3所示，MOS管驱动电路300的主体是一 N通道增强型MOS管，例如MOS管2N7002K。所分配的传输数据耦接至MOS管的栅极G，M0S管的源极S通过电阻Rl接地，漏极D接LED单元106_k的正极。保持MOS管的栅极G-源极S的门槛电压为1-2.5V，通过控制MOS管的导通和关断，从而间接控制LED单元106-k的关断和导通。通过调节该MOS管驱动电路300，例如电阻Rl、R17和R22，可以调整LED的驱动电流。例如，假设电压BAT2=4.2V，则当R22=lohm，R17=160ohm，Rl=68ohm时，LED驱动电流为20mA ;当R17=82ohm，Rl=68ohm时，LED驱动电流为37mA。
[0038]回到图1，各LED单元106-k分别连接至一独立的用于使这多个LED单元发出的光信号互不干扰的抗扰光学单元108-k，从而LED单元106-k发出的光信号通过相应的抗扰光学单元108-k发射出去。由于各LED单元106-k之间传送不同的传输数据，因此，在LED单元106-k之后应用抗扰光学单元108-k以保证这些传输数据之间互不干扰地被正确接收。
[0039]图4是示出了根据本发明的一方面的可见光分集发射装置的抗扰光学单元400的一个实施例的示意图。该抗扰光学单元400可以是图1中的抗扰光学单元108-k。如图4所示，抗扰光学单元400可包括带通滤光片402和光学准直透镜404。带通滤光片402由电介质和金属膜构成，能够对特定波长实现干涉相消，从而实现带通的效果。带通滤光片402可以是窄带带通滤光片，半峰值带宽一般为IOnm和40nm。例如，在LED阵列包括9个以上的LED单元时，可以采用半峰值带宽为IOnm的带通滤光片402。对于图1中的可见光分集发射装置100的LED阵列中的`每个LED单元106_k，为其相关联的带通滤光片分配互不相同的通带。LED的可用光谱范围在400-700nm，但是在靠近可用光谱边缘部分的功率很低。所以在一实例中，对波长进行分配时，可避开边缘部分。例如对常用的蓝光激发荧光粉的白光LED，可以选择相对功率在0.3以上部分波长490nm~620nm来分配给各带通滤光片。在传输信道较多而要使用可见光谱边缘部分的另一实例中，对于相对功率在0.3以下波长部分，可以增大与使用这些波长的带通滤光片相关联的LED单元的功率为其他波长的I~3倍。例如，某个LED单元的带通滤光片的通带处于相对功率在0.3以下波长部分，可以调节该LED单元的驱动单元以提高驱动电流。以图2所示的LED阵列为例,各LED单元所出射光线的波长范围以及对应的带通滤光片的通带宽度范围分配可如下表1所示。
[0040]表1——带通滤光片通带分配
[0041]
【权利要求】
1.一种基于LED阵列的可见光分集发射装置，包括: LED阵列,所述LED阵列包括多个LED单元,所述多个LED单元中的每个LED单元连接至独立的驱动单元和用于使所述多个LED单元发出的光信号互不干扰的抗扰光学单元，每个LED单元发出的光信号通过相应的抗扰光学单元发射出去；以及 编码控制单元，所述编码控制单元连接至所述多个LED单元相应的驱动单元，用于向所述多个LED单元的各驱动单元分配独立的传输数据。
2.如权利要求1所述的可见光分集发射装置，其特征在于，所述多个LED单元的抗扰光学单元包括带通滤光片，并且该多个LED单元的带通滤光片具有互不相同的通带。
3.如权利要求2所述的可见光分集发射装置，其特征在于，所述多个LED单元的各带通滤光片的通带对应不同的可见光光谱。
4.如权利要求1所述的可见光分集发射装置，其特征在于，所述多个LED单元的抗扰光学单元包括起偏器，并且每相邻的两个LED单元的起偏器的偏振方向相互垂直。
5.如权利要求1所述的可见光分集发射装置，其特征在于，所述多个LED单元的抗扰光学单元包括光学准直透镜。
6.如权利要求1所述的可见光分集发射装置，所述LED单元为一个单独的LED或由多个LED并联而成的LED组。
7.一种基于LED阵列的可见光分集接收装置，包括: 光电检测器阵列，所述光电检测器阵列包括多个光电检测器单元，所述多个光电检测器单元中的每个光电检测器单元连接至独立的用于使所述多个光电检测单元接收的光信号互不干扰的抗扰光学单 元，每个光电检测器单元检测通过相应的抗扰光学单元接收到的光信号；以及 解码控制单元，所述解码控制单元连接至所述多个光电检测器单元，用于接收分别由所述多个光电检测器单元检出的信号以恢复出传输数据。
8.如权利要求7所述的可见光分集接收装置，其特征在于，所述多个光电检测器单元的抗扰光学单元包括带通滤光片，并且该多个光电检测器单元的带通滤光片具有互不相同的通带。
9.如权利要求7所述的可见光分集接收装置，其特征在于，所述多个光电检测器单元的抗扰光学单元包括检偏器，并且每相邻的两个光电检测器单元的检偏器的偏振方向相互垂直。
10.如权利要求7所述的可见光分集接收装置，其特征在于，所述多个光电检测器单元的抗扰光学单元包括汇聚透镜。
11.如权利要求7所述的可见光分集接收装置，其特征在于，所述光电检测器单元为一个光电检测器或由多个光电检测器并联而成的光电检测器组。
12.—种可见光通信系统，包括如权利要求1-6任一项所述的可见光分集发射装置和如权利要求7-11任一项所述的可见光分集接收装置，所述可见光分集发射装置的LED单元与所述可见光分集接收装置的光电检测器单元一一对应，所述多个光电检测单元分别用于检测相对应的LED单元发出的光信号。
13.如权利要求12所述的可见光通信系统，其特征在于，所述可见光通信系统包括光子客户端和与所述光子客户端相匹配的光子接收端，所述光子客户端用于发射包含了预设信息的可见光信号至所述光子接收端，所述光子接收端用于接收和解调来自所述光子客户端的可见光信号，并根据所述可见光信号里包含的预设信息进行相关操作，所述光子客户端包括所述可见光分集发射装置，所述光子接收端包括所述可见光分集接收装置。
【文档编号】H04B10/116GK103812559SQ201310499406
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】不公告发明人 申请人:深圳光启创新技术有限公司