使用色移键控的可见光通信的制作方法

本发明涉及根据权利要求1所述的可见光通信发射器，根据权利要求6所述的可见光通信接收器，根据权利要求11所述的可见光通信系统，根据权利要求12所述的可见光通信的方法以及根据权利要求15所述的色移键控的方法。

背景技术：

已知通过使用不同色彩的星座对信息进行编码来使用可见光传送信息。这被称为色移键控(csk)。现有技术系统可以使用三种或四种基色的色彩星座。这样的系统可以使用不同色彩的led来实现，所述led的数量可以为三个，在这种情况下系统被称为三led或t-led系统，或者所述led的数量可以为四个，在这种情况下系统被称为四led或q-led系统。例如，wo2012/097885描述了用于可见光通信系统中的色移键控星座的编码方案和方法。wo2012/123572描述了用于可见光通信的系统中的通知的方法和设备。r.singh、t.o’farrell和j.p.r.david在journaloflightwavetechnology，第32卷，第14号，2582-2592页(2014)的“anenhancedcolourshiftkeyingmodulationschemeforhigh-speedwirelessvisiblelightcommunications”描述了一种四led色移键控星座。根据这些不同的csk方案，通过混合基色获得其他色彩。

然而，仅使用三种或四种基色会导致功率效率低，因为混合色不是仅由单个led直接产生，而是需要使用至少两个led。此外，传统的光电检测器通常能够接收宽范围的波长上的可见光。因此，传统可见光通信系统中的光电检测器各自设置有滤色器，该滤色器限定与由led中相应的led发射的光的峰值发射波长中之一对应的波段。

此外，仅使用三种或四种基色限制了通过混合可获得的不同可能的色彩组合的范围，并且因此相应地减少了可以使用csk由色彩表示的不同符号的数量。

xiaomuwang、hetian、mohammadalimohammad、chengli、canwu、yiyang&tian-lingren在naturecommunications，第6卷，第7767页(2015)，doi：10.1038/ncomms8767的“aspectrallytunableall-graphene-basedflexiblefield-effectlight-emittingdevice”描述了一种可调谐的基于全石墨烯的发光器件。

yuanliu、ruicheng、leiliao、hailongzhou、jingweibai、gangliu、lixinliu、yuhuang&xiangfengduan在naturecommunications，第2卷，第579页(2011)，doi：10.1038/ncomms1589的“plasmonresonanceenhancedmulticolourphotodetectionbygraphene”描述了一种基于石墨烯的光电检测器。

chang-hualiu、you-chiachang、theodoreb.norris&zhaohuizhong在naturenanotechnology，第9卷，273–278页(2014)，doi：10.1038/nnano.2014.31的“graphenephotodetectorswithultra-broadbandandhighresponsivityatroomtemperature”也描述了一种基于石墨烯的光电检测器。

发明目的

因此，本发明的目的是提供可见光通信发射器、可见光通信接收器、可见光通信系统和可见光通信的方法，其中，发射器、接收器、系统和方法适用于色移键控(csk)，以及提供色移键控的方法。

技术实现要素：

本发明的目的通过根据权利要求1所述的可见光通信发射器解决。可见光通信发射器适用于色移键控，并且优选地至少包括具有彼此不同的峰值发射波长的至少六个基于石墨烯的发光器件。

如本文中所用，术语“可见光”是指具有从约350纳米至约750纳米并且特别是从约390纳米至约700纳米的波长的光。

该解决方案是有益的，因为发射器可用于使用至少六种，可能是七种或甚至八种基色的色彩星座的色移键控。与利用使用t-led或q-led发射器分别给出仅三种或四种基色的色彩星座的色移键控的传统可见光通信方法相比，这些可以提供增加的数量的符号，降低的符号错误率和改善的信噪比。由于至少六种基色中的一些基色替换了现有技术色移键控系统中的混合色，所以基于石墨烯的发光器件还具有与传统发光二极管相比的更高的发射功率效率。

可以根据任何权利要求和/或以下描述的一部分来配置本发明的有利实施方式。

基于石墨烯的发光器件中的至少之一可以包括场效应发光二极管。优选地，它们中的每一个包括场效应发光二极管。

基于石墨烯的发光器件中的至少之一的峰值发射波长可以是可调谐的。优选地，所有基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长是可调谐的。这是有益的，因为它使得能够有利地选择csk色彩星座的基色，以通过调谐峰值发射波长来优化符号错误率和信噪比。

优选地，发射器还包括与基于石墨烯的发光器件中的至少之一相关联的至少一个相应的栅极电压调谐器，调谐器可操作以调谐相应的基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长。

优选地，发射器还包括调制器，该调制器可操作以使基于石墨烯的发光器件中的所选择的多个基于石墨烯的发光器件导通和关断，以使用色移键控对信息进行编码。这是有益的，因为它使得能够通过基于石墨烯的发光器件将编码信息的电信号转换成可见光，可见光使用色移键控编码与电信号相同的信息。

本发明还涉及一种根据权利要求6所述的可见光通信接收器。可见光通信接收器适用于色移键控，并且优选地至少包括具有彼此不同的峰值接收波长的至少六个基于石墨烯的光电检测器。

该解决方案是有益的，因为接收器可以用于使用至少六种，可能是七种或甚至八种基色的色彩星座的色移键控。与利用使用包括传统光电检测器的接收器来检测仅三种或四种基色的色彩星座的色移键控的传统可见光通信方法相比，这些可以提供增加的数量的符号，降低的符号错误率和改善的信噪比。基于石墨烯的光电检测器还提供与传统光电检测器相比的更好并且更有效的检测。

基于石墨烯的光电检测器中至少之一可以包括光电晶体管，该光电晶体管至少包括一对堆叠的石墨烯单层。这样的光电晶体管具有石墨烯双层异质结构。优选地，基于石墨烯的光电检测器中的每个光电检测器包括光电晶体管，该光电晶体管至少包括一对堆叠的石墨烯单层。这样的光电晶体管是有益的，因为它们可以提供对可见光非常高水平的响应度。

基于石墨烯的光电检测器中的至少之一的峰值接收波长可以是可调节的。优选地，所有基于石墨烯的光电检测器的峰值接收波长是可调节的。这是有益的，因为它使得能够调节基于石墨烯的光电检测器的峰值接收波长以匹配可见光通信发射器的峰值发射波长。

优选地，接收器还包括与基于石墨烯的光电检测器中的至少之一相关联的至少一个相应调谐器。调谐器优选地包括具有等离子体共振频率的等离子体纳米结构，该等离子体纳米结构被配置成调节基于石墨烯的光电检测器的峰值接收波长。

优选地，接收器还包括解调器，解调器可操作以对编码在由于基于石墨烯的光电检测器接收使用色移键控对信息进行了编码的可见光而由基于石墨烯的光电检测器输出的电信号中的信息进行解码。这是有益的，因为它使得能够对电信号进行解码，以便恢复使用色移键控编码在可见光中的信息。

本发明还涉及一种可见光通信系统。可见光通信系统适用于色移键控，并且优选地至少包括上面描述的可见光通信发射器和上面描述的可见光通信接收器。至少六个基于石墨烯的光电检测器的不同峰值接收波长中的每个相应的峰值接收波长对应于至少六个基于石墨烯的发光器件的不同峰值发射波长中的相应峰值发射波长。

该解决方案是有益的，因为该系统可以用于使用至少六种，可能是七种或甚至八种基色的色彩星座的色移键控。与使用仅三种或四种基色的色彩星座的用于色移键控的传统可见光通信系统相比，这些可以提供发送和接收时的更高的功率效率，增加的符号数量，降低的符号错误率和改善的信噪比。

本发明还涉及一种可见光通信的方法。该方法优选地至少包括：从至少六个基于石墨烯的发光器件中的相应的多个基于石墨烯的发光器件发射具有至少六种不同波长的可见光，所述至少六个基于石墨烯的发光器件中的每一个具有与其他这样的器件的峰值发射波长不同的相应峰值发射波长；以及在至少六个基于石墨烯的光电检测器中的相应多个基于石墨烯的光电检测器处接收具有至少六种不同波长的可见光，所述至少六个基于石墨烯的光电检测器中的每一个具有与至少六个基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长中的相应峰值发射波长对应的峰值接收波长。

优选地，该方法还包括：在具有至少六种不同波长的可见光的发射之前，使用色移键控来调制具有至少六种不同波长的可见光以对信息进行编码，以及解调由基于石墨烯的光电检测器输出的电信号以对使用色移键控而编码在由基于石墨烯的光电检测器接收的可见光中的信息进行解码。

优选地，该方法还包括以下中的至少之一：使用栅极电压调谐来调谐基于石墨烯的发光器件的至少之一的峰值发射波长；以及使用等离子体纳米结构调节基于石墨烯的光电检测器中至少之一的峰值接收波长。

本发明还涉及一种色移键控的方法，该方法至少包括：使用至少六种，优选地为七种，以及更优选地为八种基色的色彩星座。

本发明还涉及一种计算机程序产品或程序代码或系统，其用于执行本文中描述的方法中的一种或多于一种方法。

现在将结合附图来描述本发明的其他特征、目标和优点，附图中示出了本发明的示例性部件。可以用相同的附图标记来标记在其功能方面至少基本上彼此等同的根据本发明的设备和方法中的部件，其中，这样的部件不必在所有附图中被标记或描述。

在以下描述中，关于附图仅通过示例来描述本发明。

附图说明

图1a示意性地示出了用于色移键控的现有技术可见光通信系统的元件；

图1b是三led色彩星座的cie1931x-y色度图；

图1c是四led色彩星座的cie1931x-y色度图；

图1d是示意性地示出通过混合图1c的四led色彩星座产生的色彩的一些示例的cie1931x-y色度图；

图2示意性地示出了用于色移键控的可见光通信系统的实施方式的元件；

图3a示意性地示出了用于色移键控的可见光通信发射器的元件以及示意性地表示其相关功率输出的曲线图；

图3b示意性地示出了用于色移键控的可见光通信接收器的元件以及示意性地表示其相关响应度的曲线图；以及

图3c是示意性地示出用于使用可见光通信系统的色移键控的方法的具有八种基色的色彩星座的示例的cie1931x-y色度图。

具体实施方式

图1a示意性地示出了用于色移键控的现有技术可见光通信系统1的元件。可见光通信系统1包括发射器3和接收器4。发射器3包括多个发光二极管(led)，所述led的数量可以为三个，在这种情况下系统被称为三led或t-led系统，或者所述led的数量可以为四个，在这种情况下系统被称为四led或q-led系统。由发光二极管中的每一个以各自的峰值发射波长发射光，如图1a的曲线图中的平滑曲线所示，其绘制了相对于波长λ的led的输出功率。这些峰值发射波长表示色彩星座的基色，例如，其可以是红绿蓝(rgb)色彩空间。然而，由于led以仅三种或四种峰值波长发射可见光，因此只能通过混合来自三个或四个led的光来获得除由峰值波长所限定的色彩以外的任何其他色彩的光。这对于色彩生成是低效率的，因为必须使用至少两个led的功率来产生这样的混合色彩。此外，由于总共仅存在三个或四个led，这也限制了可以通过混合基色获得的不同色彩的范围，并且因此仅提供可以使用色移键控编码的有限数量的符号。

接收器4包括多个光电检测器6和解调器8。每个光电检测器6设置有滤色器，该滤色器限定与由发射器3的发光二极管发射的光的峰值发射波长之一对应的波段。这些限定的波段由图1a的曲线图中的平方函数表示。因此，光电检测器6中的每一个只能接收由多个led之一发射的光。光电检测器各自响应于接收到相应的一个限定波段中的光而产生电信号。然后，由所有光电检测器6产生的电信号被传递至解调器8，解调器8对这些电信号进行解码，以得到使用色移键控而编码在由发射器3的发光二极管发射的光中的信息。然而，光电检测器6通常能够检测宽波长光谱上的可见光，因此需要滤波以使每个光电检测器的接收波段与发射器中每个led的峰值发射波长匹配。这种有意降低光电检测器6在可见光光谱上的接收度是低效率的，并且导致信噪比增加。

图1b是三led(t-led)色彩星座的示例的国际照明委员会(cie)1931x-y色度图，换句话说，当图1a的可见光通信系统1具有三个led时，其色彩由图1b中标记为led-1、led-2和led-3的实心圆表示。

与图1b相比，图1c是四led(q-led)色彩星座的示例的cie1931x-y色度图，换句话说，当图1a的可见光通信系统1具有四个led时，其色彩由图1c中的标记led-1、led-2，led-3和led-4表示。

图1d是示意性地示出通过混合来自图1c的q-led色彩星座的光而产生的色彩的一些示例的cie1931x-y色度图。在图1c中，实心圆10表示q-led色彩星座的四种基色，并且实心圆12表示通过混合这四种基色获得的色彩。可以为图1b中所示的t-led色彩星座构建与图1d的cie1931x-y色度图类似的cie1931x-y色度图。

图2示意性地示出了用于色移键控的可见光通信系统2的实施方式的元件。可见光通信系统2包括发射器13和接收器14。发射器13包括在图2中标记为led-1，led-2，......，led-8的至少六个基于石墨烯的发光器件。基于石墨烯的发光器件中的每一个具有彼此不同的峰值发射波长。基于石墨烯的发光器件各自包括场效应发光二极管，并且每个这样的器件的峰值发射波长可调谐至不同的波长。每个基于石墨烯的发光器件将其与图2中标记为vg的相应的栅极电压调谐器相关联，栅极电压调谐器可操作以使用栅极电压调谐将其基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长调谐至与其他这样的器件不同的波长。基于石墨烯的发光器件都连接至调制器，该调制器可操作以使基于石墨烯的发光器件中的所选择的多个基于石墨烯的发光器件导通和关断，以使用色移键控对信息进行编码。由于存在至少六个基于石墨烯的发光器件，所有这些基于石墨烯的发光器件具有彼此不同的峰值发射波长，因此产生更宽范围的基色，这使得这些基色中的一些基色能够替换通过点亮图1a中示出的现有技术系统中的led的组合产生的相应混合色彩之一，所述基色中的每个基色仅由基于石墨烯的发光器件中的单个基于石墨烯的发光器件产生。与图1a中所示的现有技术系统相比，更宽范围的基色在产生其他混合色彩方面也更有效并且能够实现更大数量的可能的混合色。

接收器14包括在图2中标记为pd-1、pd-2，......，pd-8的具有彼此不同的峰值接收波长的至少六个基于石墨烯的光电检测器。基于石墨烯的光电检测器各自包括光电晶体管，光电晶体管包括一对堆叠的石墨烯单层。每个这样的光电检测器的峰值接收波长被调节至不同的波长，并且每个基于石墨烯的光电检测器将其与相应调谐器相关联，协调器包括在每个协调器中不同的等离子体纳米结构，其被配置成将其光电检测器的峰值接收波长调节至与其他光电检测器不同的波长。基于石墨烯的光电检测器全部连接至解调器，解调器可操作以对编码在作为基于石墨烯的光电检测器接收其中使用色移键控对信息进行了编码的可见光的结果由基于石墨烯的光电检测器输出的电信号中的信息进行解码。

接收器14中的至少六个基于石墨烯的光电检测器pd-1、pd-2，......，pd-8的不同峰值接收波长中的每个相应的峰值接收波长对应于发射器13中的至少六个基于石墨烯的发光器件led-1，led-2，......，led-8的不同峰值发射波长中的相应峰值发射波长。由于光电检测器的峰值接收波长以这种方式与基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长匹配，这意味着与图1a中示出的现有技术系统相比，来自发射器的更多输出功率被接收器接收，从而产生更好并更有效的检测以及降低的信噪比。

图3a示意性地示出了可见光通信发射器13的基于石墨烯的发光器件以及示意性地表示其相关功率输出的曲线图。从图3a的曲线图可以看出，在可见光光谱内，六种、七种或八种不同的基色可以由六种、七种或八种这样的基于石墨烯的发光器件产生。与传统的可见光通信系统相比，这种更多数量的发光器件提供了更为功率有效的色彩基础，并且与分别仅使用三种或四种基色的色彩星座的传统的t-led或q-led色移键控系统相比，还使得能够通过混合基色产生更多的色彩。

图3b示意性地示出了可见光通信接收器14的基于石墨烯的光电检测器中的一些光电检测器以及示意性地表示叠加在图3a的曲线图中示出的基于石墨烯的发光器件的功率输出上的其相关响应度的曲线图。从图3b的曲线图可以看出，调节基于石墨烯的光电检测器的峰值接收波长以匹配基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长的能力使得能够使用基于石墨烯的光电检测器，以产生对由基于石墨烯的发光器件输出的可见光的更好并更有效的检测。

图3c是示意性地示出用于色移键控方法的具有八种基色的色彩星座的示例的cie1931x-y色度图，色移键控的方法至少包括使用至少六种基色的色彩星座。例如，可以使用诸如图2中所示的可见光通信系统来实践这种方法。在图3c中，实心圆10表示色彩星座的八种基色，实心圆12表示通过混合这八种基色获得的色彩。使用比现有技术的色彩星座例如图1b和1c中所示的色彩星座中更多的基色给出更有效的符号色彩生成，使得能够对更宽范围的符号进行编码，并且给出更低的信噪比。

因此，总的来说，本发明提供了可见光通信发射器、可见光通信接收器、可见光通信系统和可见光通信的方法，其中，发射器、接收器、系统和方法适用于色移键控(csk)，以及提供色移键控的方法。可见光通信发射器包括具有彼此不同的峰值发射波长的至少六个，优选地为七个，更优选地为八个基于石墨烯的发光器件。可见光通信接收器包括具有彼此不同的峰值接收波长的相应数量的基于石墨烯的光电检测器。根据本发明的可见光通信系统包括这样的发射器和这样的接收器，其中，六个基于石墨烯的光电检测器的不同峰值接收波长中的每个相应的峰值接收波长对应于基于石墨烯的发光器件的不同峰值发射波长中的相应峰值发射波长。这样的系统实现了优选地使用利用至少六种，可能是七种或甚至八种基色的色彩星座的色移键控的可见光通信的方法。与使用仅三种或四种基色的色彩星座的用于色移键控的传统可见光通信系统相比，这些可以提供增加数量的符号，降低的符号错误率和改善的信噪比。

附图标记：

1现有技术的可见光通信系统10基色

2可见光通信系统的实施方式12通过混合基色产生的色彩

3发射器13发射器

4接收器14接收器

6光电检测器led-1，led-2，......led-8基于石墨烯的发光器件

8解调器pd-1，pd-2，......pd-8基于石墨烯的光电检测器

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于色移键控的可见光通信发射器(13)，其特征在于，所述发射器至少包括：

具有彼此不同的峰值发射波长的至少六个基于石墨烯的发光器件(led-1，led-2，......led-8)。

2.根据权利要求1所述的可见光通信发射器，其中，所述基于石墨烯的发光器件(led-1，led-2，......led-8)中至少之一包括场效应发光二极管。

3.根据权利要求1或2所述的可见光通信发射器，其中，所述基于石墨烯的发光器件(led-1，led-2，......led-8)中至少之一的峰值发射波长是可调谐的。

4.根据权利要求3所述的可见光通信发射器，还包括：与所述基于石墨烯的发光器件(led-1，led-2，......led-8)中至少之一相关联的至少一个相应的栅极电压调谐器(vg)，所述栅极电压调谐器(vg)可操作以调谐相应的基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长。

5.根据前述权利要求中任一项所述的可见光通信发射器，还包括调制器，所述调制器可操作以使所述基于石墨烯的发光器件(led-1，led-2，......led-8)中的所选择的基于石墨烯的发光器件导通和关断，以使用色移键控对信息进行编码。

6.一种用于色移键控的可见光通信接收器(14)，其特征在于，所述接收器至少包括：

具有彼此不同的峰值接收波长的至少六个基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)。

7.根据权利要求6所述的可见光通信接收器，其中，所述基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)中至少之一包括光电晶体管，所述光电晶体管至少包括一对堆叠的石墨烯单层。

8.根据权利要求6或7所述的可见光通信接收器，其中，所述基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)中至少之一的峰值接收波长是可调节的。

9.根据权利要求8所述的可见光通信接收器，还包括：与所述基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)中至少之一相关联的至少一个相应调谐器，所述调谐器包括具有等离子体共振频率的等离子体纳米结构，所述等离子体纳米结构被配置成调节所述基于石墨烯的光电检测器的峰值接收波长。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的可见光通信接收器，还包括解调器，所述解调器可操作以对编码在由于所述基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)接收使用色移键控对信息进行了编码的可见光而由所述基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)输出的电信号中的信息进行解码。

11.一种用于色移键控的可见光通信系统(2)，所述系统至少包括：

根据权利要求1至5中任一项所述的可见光通信发射器(13)；以及

根据权利要求6至10中任一项所述的可见光通信接收器(14)；

其中，所述至少六个基于石墨烯的光电检测器(pd-1，pd-2，......pd-8)的不同峰值接收波长中的每个相应峰值接收波长对应于所述至少六个基于石墨烯的发光器件(led-1，led-2，......led-8)的不同峰值发射波长中的相应峰值发射波长。

12.一种使用色移键控的可见光通信的方法，其特征在于，利用至少六种基色的色彩星座对信息进行编码，所述方法至少包括：

从至少六个基于石墨烯的发光器件中的相应的基于石墨烯的发光器件发射具有至少六种不同波长的可见光，所述至少六个基于石墨烯的发光器件中的每一个具有与其他这样的器件的峰值发射波长不同的相应峰值发射波长；以及

在至少六个基于石墨烯的光电检测器中的相应的基于石墨烯的光电检测器处接收具有至少六种不同波长的可见光，所述至少六个基于石墨烯的光电检测器中的每一个具有与所述至少六个基于石墨烯的发光器件的峰值发射波长中的相应峰值发射波长对应的相应峰值接收波长。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在具有至少六种不同波长的可见光的发射之前，使用色移键控来调制所述具有至少六种不同波长的可见光以对信息进行编码；以及

解调由所述基于石墨烯的光电检测器输出的电信号，以对使用色移键控编码在由所述基于石墨烯的光电检测器接收的可见光中的信息进行解码。

14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括以下中的至少之一：

使用栅极电压调谐来调谐所述基于石墨烯的发光器件中至少之一的峰值发射波长；以及

使用等离子体纳米结构调节所述基于石墨烯的光电检测器中至少之一的峰值接收波长。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，至少包括使用至少七种基色的色彩星座。