Led照明通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的LED照明通信系統(tǒng)，由發(fā)射裝置和接收裝置組成，所述發(fā)射裝置包括依次連接的發(fā)送主控模塊、RGB-PPM調(diào)制模塊、脈沖整形模塊、RGBLED驅(qū)動電路模塊、RGBLED光源；所述接收裝置包括依次連接的光電探測模塊、信號處理電路模塊、RGB-PPM解調(diào)模塊、接收主控模塊。本發(fā)明實現(xiàn)三路并行通信傳輸不同的信息，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，采用RGB-PPM調(diào)制有效解決了傳統(tǒng)的PPM帶寬使用效率和脈沖持續(xù)時間短等問題，在相同的傳輸效率（4bit）條件下，將帶寬減少為16PPM的1/4，采用的光電探測模塊可以選擇波長，最終實現(xiàn)了照明與通信雙重功能。
【專利說明】LED照明通信系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及可見光通信，具體涉及一種RGB LED可見光通信技術(shù)的LED照明通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]LED具有使用壽命長、發(fā)光效率高、低成本、體積小與響應(yīng)速度快等特點而廣泛的應(yīng)用于室內(nèi)照明、景觀照明設(shè)備、交通燈、各種平面顯示器等日常設(shè)備中?？梢姽馔ㄐ耪抢肔ED照明的同時進行通信，增加了照明附加(值)，提高經(jīng)濟效益。
[0003]然而如何提高可見光通信的傳輸速率是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，許多研究希望在有限的調(diào)制帶寬盡可能的提高傳輸速率，如OFDM調(diào)制、ΜΙΜ0、均衡等技術(shù)，這無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。市場上照明LED多是藍光激發(fā)黃色熒光粉，其調(diào)制帶寬十分有限，從而限制可見光通信的傳輸速率。因此，本發(fā)明根據(jù)RGB LED可以分別調(diào)制的特點，從而增加系統(tǒng)傳輸速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。
[0005]為此，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)簡單、成本更低且傳輸速率快的LED照明通信系統(tǒng)，采用三基色(RGB) LED，通過控制紅(R)、綠(G)、藍(B)三色的比例可以合成各種顏色的光，在提供照明的同時，將不同的信息分別調(diào)制至RGB LED上，可以實現(xiàn)3路數(shù)據(jù)并行通信從而提高傳輸速率。
[0006]一種LED照明通訊系統(tǒng)，包括:發(fā)射裝置和接收裝置，其特征在于
所述發(fā)送裝置包括依次連接的發(fā)送主控模塊、RGB-PPM調(diào)制模塊、脈沖整形模塊、RGBLED驅(qū)動電路模塊、RGB LED光源；所述接收裝置包括依次連接的光電探測模塊、信號處理電路模塊、RGB-PPM解調(diào)模塊、接收主控模塊；發(fā)送裝置通過光傳輸通道與接收裝置連接；所述發(fā)射裝置包括:
發(fā)送主控模塊，所述發(fā)送主控模塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)；
RGB-PPM調(diào)制模塊，接收所述發(fā)送主控模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進行基于RGB LED的脈沖位置調(diào)制，將所述數(shù)據(jù)按RGB-PPM調(diào)制成三路并行脈沖數(shù)據(jù)；
脈沖整形模塊，用于接收所述三路并行脈沖數(shù)據(jù)，并通過調(diào)節(jié)外圍電阻可以改變?nèi)访}沖并行數(shù)據(jù)的脈沖寬度；
RGB LED驅(qū)動電路模塊，所述驅(qū)動為恒流驅(qū)動，所述RGB LED驅(qū)動電路接收經(jīng)過脈沖寬度整形后輸出的三路并行脈沖數(shù)據(jù)，并用于控制LED光源的發(fā)光強度；
RGB LED光源，所述RGB LED光源可以發(fā)出紅光(R)、藍光(G)、綠光(B)，所述RGB LED光源分別受所述RGB驅(qū)動電路模塊的控制并根據(jù)所述RGB LED驅(qū)動電路模塊的直流電壓發(fā)出特定強度的可見光；
所述接收裝置包括: 光電探測模塊，所述光電探測模塊為三路，接收所述RGB LED光源所發(fā)出的光信號并根據(jù)所接收到的光信號的強度形成對應(yīng)的三路并行電信號輸出；
信號處理電路模塊，與所述光電探測模塊連接，接收并將所述三路并行電信號放大；RGB-PPM解調(diào)模塊，與所述信號處理電路模塊連接，接收并將所述放大后的三路并行電信號進行RGB-PPM解調(diào)后形成并行信號輸出；
接收主控模塊，接收所述RGB-PPM解調(diào)模塊發(fā)出的并行信號。
[0007]所述發(fā)射裝置利用RGB LED以波分復(fù)用的方式在照明的同時進行三路數(shù)據(jù)并行傳輸，將4bit的數(shù)據(jù)信息分配給RGB LED，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率并改善了 PPM所需帶寬，通過脈沖整型電路可以調(diào)節(jié)RGB-PPM調(diào)制后脈沖的寬度，從而改變RGB LED合成光的顏色。
[0008]進一步的，所述光電探測模塊包括聚光透鏡、濾光片、光電檢測器(PIN)，所述濾光片位于所述光電檢測器和聚光透鏡之間，所述光電檢測器(PIN)位于所述聚光透鏡焦點位置處，所述光電檢測器(PIN)分別接收紅光(R)、藍光(G)和綠光(B)信號并轉(zhuǎn)化成電信號輸出至所述信號處理電路模塊。
[0009]所述濾光片包括光學(xué)帶通濾光片的波長范圍分別為560_650nm的紅光濾光片、波長范圍500至550nm的綠光濾光片和波長范圍440_490nm的藍光濾光片。
[0010]進一步的，所述RGB LED光源所發(fā)可見光的波長范圍分別為620-630nm的紅光(R) >520 至 540nm 的藍光(G)、460_470nm 的綠光(B)。
[0011]進一步的，所述信號處理電路模塊包括三路依次連接前置跨阻放大器、AGC電路、濾波電路單元和限幅放大電路，所述前置跨阻放大器接收所述光電探測模塊輸出的電信號，所述限幅放大電路連接至所述RGB-PPM解調(diào)模塊。
[0012]進一步的，所述RGB-PPM調(diào)制模塊按RGB-PPM調(diào)制的方式為將串形數(shù)據(jù)中的4位數(shù)字構(gòu)成的一組數(shù)據(jù)并以如下方式轉(zhuǎn)換成3路并行數(shù)據(jù):
所述一組數(shù)據(jù)的低2位信息由RGB LED的藍光LED采用4PPM傳輸，第3位信息由RGBLED的綠光LED采用2PPM傳輸，高位信息由RGB LED的紅光LED采用2PPM傳輸。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果:
發(fā)射裝置將待傳遞的信息通過RGB-PPM調(diào)制后調(diào)制到RGB LED光源上，實現(xiàn)三路并行傳輸不同的信息，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。光電探測模塊中的濾光片用于選擇波長，PIN將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，隨后進行信號處理并恢復(fù)出原始信號，從而實現(xiàn)了照明與通信雙重功倉泛。
[0014]采用RGB LED作為照明與通信的光源，其具有顯色性高和發(fā)光效率高的特點，并且通過調(diào)節(jié)三種顏色的比例可以合成各種顏色的光從而實現(xiàn)動態(tài)照明的效果；
采用RGB-PPM調(diào)制可以有效的解決傳統(tǒng)的PPM帶寬使用效率和脈沖持續(xù)時間短等問題，在相同的傳輸效率(4bit)條件下，這種方法將帶寬減少為16PPM的1/4 ；
采用濾光片將各種波長的光信號分離，避免了周圍環(huán)境光的干擾及碼間干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
[0015]本發(fā)明的附加方面效果和優(yōu)點將在下面的描述部分中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]本發(fā)明的上述和/或附加的方面效果和優(yōu)點結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1是本發(fā)明實施例的LED照明通信系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖；
圖2是在本發(fā)明RGB-PPM脈沖位置調(diào)制原理示意圖；
其中，圖1和附圖標(biāo)記與部件名稱之間的對應(yīng)關(guān)系為:
100發(fā)射裝置，110發(fā)送主控模塊，120 RGB-PPM調(diào)制模塊，130脈沖整形模塊，140 RGBLED驅(qū)動電路模塊，150 RGB LED光源，300光傳輸通道，200接收裝置，210接收主控模塊，220 RGB-PPM解調(diào)模塊，230信號處理電路模塊，231前置跨阻放大器，232 AGC電路，233濾波電路，234限幅放大電路，250光電探測模塊，251聚光透鏡，252濾光片，253 PIN。
【具體實施方式】
[0017]為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行進一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0018]在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。
[0019]下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明一些實施例。
[0020]本發(fā)明提供的LED照明通信系統(tǒng)，如圖1、圖2所示，包括:發(fā)射裝置100和接收裝置200，發(fā)送裝置100發(fā)出的光信號通過光傳輸通道300到達接收裝置200，所述發(fā)送裝置包括依次連接的發(fā)送主控模塊110、RGB-PPM調(diào)制模塊120、脈沖整形模塊130、RGB LED驅(qū)動電路模塊140、RGB LED光源150 ;所述接收裝置200包括依次連接的光電探測模塊250、信號處理電路模塊230、RGB-PPM解調(diào)模塊220、接收主控模塊210。所述發(fā)送主控模塊110發(fā)出串行數(shù)據(jù)至RGB-PPM調(diào)制模塊120 ；RGB-PPM調(diào)制模塊120進行基于RGB LED的脈沖位置調(diào)制，并將所述串行數(shù)據(jù)按RGB-PPM調(diào)制成三路并行脈沖數(shù)據(jù)；所述脈沖整形模塊130用于接收所述三路并行脈沖數(shù)據(jù)，并可通過調(diào)節(jié)外圍電阻可以改變?nèi)访}沖并行數(shù)據(jù)的脈沖寬度；所述RGB LED驅(qū)動電路模塊140為恒流驅(qū)動，所述驅(qū)動電路接收經(jīng)過脈沖寬度整形后輸出的三路并行脈沖數(shù)據(jù)，并用于控制RGB LED光源150的發(fā)光強度；所述RGB LED光源150分別為發(fā)出紅光(R)、藍光(G)、綠光(B)的LED光源，所述RGB LED光源150分別受所述驅(qū)動電路模塊140的控制并根據(jù)所述驅(qū)動電路模塊的直流電壓發(fā)出特定強度的可見光；所述光電探測模塊250為三路，其接收所述RGB LED光源150所發(fā)出的光信號并根據(jù)所接收到的光信號的強度形成對應(yīng)的三路并行電信號輸出；信號處理電路模塊230接收并將所述并行三路電信號放大后輸出；RGB-PPM解調(diào)模塊220接收將所述并行三路放大后的電信號進行RGB-PPM解調(diào)后形成并行信號輸出至接收主控模塊210。
[0021]如圖2所示，所述RGB-PPM調(diào)制模塊120按RGB-PPM調(diào)制的方式為將串形數(shù)據(jù)中的4位數(shù)字構(gòu)成的一組數(shù)據(jù)并以如下方式轉(zhuǎn)換成3路并行數(shù)據(jù):這一組的低2位信息由RGBLED的藍光(B) LED采用4PPM傳輸，第3位信息由RGB LED的綠光(G) LED采用2PPM傳輸，高位信息由RGB LED的紅光(R)LED采用2PPM傳輸。RGB-PPM可以有效的解決傳統(tǒng)的PPM帶寬使用效率和脈沖持續(xù)時間短等問題，在相同的傳輸效率(4bit)條件下，這種方法將帶寬減少為16PPM的1/4 ；
本實施例中，脈沖整形模塊130由下降沿觸發(fā)器組成的脈沖整型電路，調(diào)節(jié)電位器可以改變脈沖寬度，所述脈沖整型電路的輸出端連接至RGB LED驅(qū)動電路模塊140，從而將不同的信息分別調(diào)制到RGB LED上，通過調(diào)節(jié)R、G、B的驅(qū)動直流電壓可以改變RGB LED光源150的R、G、B光強從而調(diào)節(jié)混合光的顏色。具體的，發(fā)送主控模塊110使用MCU AT89C52，所述脈沖整型電路由74LS122及外圍電路組成，RGB LED驅(qū)動電路模塊由3片DD311及外圍電路構(gòu)成。
[0022]所述光電探測模塊250包括三個聚光透鏡251、三個濾光片252、三個PIN 253，所述濾光片252位于所述PIN 253和聚光透鏡251之間，所述PIN 253位于所述聚光透鏡251焦點位置部處，所述三個PIN分別接收紅光(R)、藍光(G)和綠光(B)信號并將光信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出至所述信號處理電路模塊230。所述濾光片252只讓特定波長光通過，因而可以有效濾除攜帶其它信息的光信號和減少背景光的干擾，選擇濾光片需要考慮中心波長、半波帶寬、透射率，而中心波長和半波帶寬由RGB LED光源150發(fā)光波長范圍決定，并且濾光片透過率越大越好，為了更好的有效利用PIN，要求濾波片直徑應(yīng)大于PIN有效接收范圍；PIN放置在聚光透鏡251的焦點處，PIN把聚焦和濾波后的紅光(R)、藍光(G)和綠光(B)信號轉(zhuǎn)換為電信號；PIN的輸出端連接至信號處理電路模塊230，信號處理電路模塊230包括3路依次連接的前置跨阻放大器231、AGC電路232、濾波電路單元233和限幅放大器234，所述前置跨阻放大器231接收所述PIN輸出的電信號，所述3路電信號經(jīng)過信號處理模塊230放大后通過限幅放大器234輸出至RGB-PPM解調(diào)模塊220 ；RGB-PPM解調(diào)模塊220對所述放大后的3路電信號進行RGB-PPM解調(diào)后輸送至接收主控210，解調(diào)原理與調(diào)制過程逆向。具體的，本實施例中，接收主控選為單片機，PIN的型號為S6968，由于藍光脈沖持續(xù)時間為其它光源的一半且攜帶信息是其它光源的2 (倍)，并且PIN 253響應(yīng)度在藍光波長范圍小于其它波長的響應(yīng)度，且紅光衰減的最快。因此，系統(tǒng)的性能應(yīng)以最差的一個來衡量?？缱璺糯笃骶哂袆討B(tài)范圍大、低噪聲、低功耗等特點，限幅放大器具有設(shè)計簡單、功耗低、夕卜接元件少等優(yōu)點，具體的可以采用0PA4354及外圍電路構(gòu)成跨阻放大器和限幅放大器；另外采用可見光通信可能受到日光、熒光燈等環(huán)境光的干擾，為了更好的排除其它光的干擾，在AGC電路后設(shè)計由0PA820及外圍電路構(gòu)成的帶通濾波器實現(xiàn)只允許特定頻段的信號通過，抑制不屬于這個頻段的干擾和噪聲。
[0023]一個具體實施例，所述RGB LED光源所發(fā)可見光的波長范圍分別為620_630nm的紅光(R) >520 至 540nm 的藍光(G)、460_470nm 的綠光(B)。
[0024]所述濾光片所采用的光學(xué)帶通濾光片的波長范圍分別為560_650nm的紅光濾波片、波長范圍500至550nm的綠光濾波片和波長范圍440_490nm的藍光濾波片。
[0025]RGB LED作為可見光通信的光源，并采用RGB-PPM調(diào)制，可以將傳輸速率提高2(倍)，在相同的傳輸效率(4bit)條件下，這種方法將帶寬減少為16PPM的1/4。接收端用濾波片將三路不同信息的信號分離可有效的濾除環(huán)境光和噪聲的干擾。采用本發(fā)明RGB LED在可見光通信中可有效的提高系統(tǒng)的傳輸速率及帶寬利用率。
[0026]在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“相連”、“連接”、“固定”等均應(yīng)做廣義理解，例如，“連接”可以是電信號連接，光信號連接或其他信號連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0027]在本說明書的描述中，術(shù)語“ 一個實施例”、“ 一些實施例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或?qū)嵗?。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0028]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種LED照明通訊系統(tǒng)，包括:發(fā)射裝置和接收裝置，其特征在于 所述發(fā)送裝置包括依次連接的發(fā)送主控模塊、RGB-PPM調(diào)制模塊、脈沖整形模塊、RGBLED驅(qū)動電路模塊、RGB LED光源；所述接收裝置包括依次連接的光電探測模塊、信號處理電路模塊、RGB-PPM解調(diào)模塊、接收主控模塊；發(fā)送裝置通過光傳輸通道與接收裝置連接；所述發(fā)射裝置包括: 發(fā)送主控模塊，所述發(fā)送主控模塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)； RGB-PPM調(diào)制模塊，接收所述發(fā)送主控模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進行基于RGB LED的脈沖位置調(diào)制，將所述數(shù)據(jù)按RGB-PPM調(diào)制成三路并行脈沖數(shù)據(jù)； 脈沖整形模塊，用于接收所述三路并行脈沖數(shù)據(jù)，并通過調(diào)節(jié)外圍電阻可以改變?nèi)访}沖并行數(shù)據(jù)的脈沖寬度； RGB LED驅(qū)動電路模塊，所述驅(qū)動為恒流驅(qū)動，所述RGB LED驅(qū)動電路接收經(jīng)過脈沖寬度整形后輸出的三路并行脈沖數(shù)據(jù)，并用于控制LED光源的發(fā)光強度； RGB LED光源，所述RGB LED光源可以發(fā)出紅光(R)、藍光(G)、綠光(B)，所述RGB LED光源分別受所述RGB驅(qū)動電路模塊的控制并根據(jù)所述RGB LED驅(qū)動電路模塊的直流電壓發(fā)出特定強度的可見光； 所述接收裝置包括: 光電探測模塊， 所述光電探測模塊為三路，接收所述RGB LED光源所發(fā)出的光信號并根據(jù)所接收到的光信號的強度形成對應(yīng)的三路并行電信號輸出； 信號處理電路模塊，與所述光電探測模塊連接，接收并將所述三路并行電信號放大；RGB-PPM解調(diào)模塊，與所述信號處理電路模塊連接，接收并將所述放大后的三路并行電信號進行RGB-PPM解調(diào)后形成并行信號輸出； 接收主控模塊，接收所述RGB-PPM解調(diào)模塊發(fā)出的并行信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED照明通訊系統(tǒng)，其特征在于， 所述光電探測模塊包括聚光透鏡、濾光片、光電檢測器，所述濾光片位于所述光電檢測器和聚光透鏡之間，所述光電檢測器位于所述聚光透鏡焦點位置處，所述光電檢測器分別接收紅光(R)、藍光(G)和綠光(B)信號并轉(zhuǎn)化成電信號輸出至所述信號處理電路模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED照明通信系統(tǒng)，其特征在于，所述濾光片包括光學(xué)帶通濾光片的波長范圍分別為560-650nm的紅光濾光片、波長范圍500至550nm的綠光濾光片和波長范圍440-490nm的藍光濾光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED照明通信系統(tǒng)，其特征在于， 所述RGB LED光源所發(fā)可見光的波長范圍分別為620-630nm的紅光(R)、520至540nm的藍光(G)、460-470nm的綠光(B)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED照明通訊系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號處理電路模塊包括三路依次連接前置跨阻放大器、AGC電路、濾波電路和限幅放大電路，所述前置跨阻放大器接收所述光電探測模塊輸出的電信號，所述限幅放大電路連接至所述RGB-PPM解調(diào)模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED照明通訊系統(tǒng)，其特征在于， 所述RGB-PPM調(diào)制模塊按RGB-PPM調(diào)制的方式為將串行數(shù)據(jù)中的4位數(shù)字構(gòu)成的一組數(shù)據(jù)并以如下方式轉(zhuǎn)換成3路并行數(shù)據(jù):所述一組數(shù)據(jù)的低2位信息由RGB LED的藍光LED采用4PPM傳輸，第3位信息由RGBLED的綠光LED采用2 PPM傳輸，高位信息由RGB LED的紅光LED采用2PPM傳輸。
【文檔編號】F21Y101/02GK104038283SQ201410246083
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】陳名松, 湯玲利, 汪永輝, 吳伊雪, 許笑, 毛國維 申請人:桂林電子科技大學(xué)