本發(fā)明屬于LED可見光無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于波分復(fù)用RGB-LED光源的近距離高速雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管（LED）具有高亮度、高可靠性、能量損耗低及使用壽命長等特性，一方面，作為公認(rèn)的下一代綠色光源器件，LED能夠廣泛運用于全色顯示、信號指示與照明光源等諸多場合。另一方面，LED具有調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高等特點，所以能夠?qū)?shù)字信號調(diào)制到LED所發(fā)出的可見光上，通過可見光強度的微弱變化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息通信。所以，LED能夠?qū)@示、照明與數(shù)據(jù)通信的功能結(jié)合在一起，形成了一種新型的近距離無線通信技術(shù)，即可見光通信（VLC）技術(shù)。與傳統(tǒng)采用微波及射頻無線電的近距離通信系統(tǒng)相比，VLC作為一種新型的近距離可見光無線通信技術(shù)，主要具備如下特點：（1）綠色通信，安全環(huán)保，無電磁輻射，并且低發(fā)射功率LED發(fā)出的可見光對于人眼安全。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)顯示、照明與信息通信功能。（3）可見光無法穿透墻壁，系統(tǒng)具有保密性。（4）可見光不受射頻信號的電磁干擾，能夠應(yīng)用對電磁敏感的環(huán)境中。（5）VLC系統(tǒng)使用的可見光波段，不受無線頻譜的管制，能夠作為傳統(tǒng)近距離通信系統(tǒng)的有效替代方法。

一方面，近十幾年來，VLC通信系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注與研究。VLC技術(shù)目前已經(jīng)取得迅猛發(fā)展，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的信息傳輸速率已經(jīng)從最開始的M比特率到目前被證明的G比特率。隨著VLC系統(tǒng)相關(guān)信號收發(fā)器件的開發(fā)，目前在實際運用中的通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率也得到了一定的提升。但是，VLC系統(tǒng)通信速率的提高，仍然存在著很多限制因素，其中最主要的是LED發(fā)光二極管有限的信號調(diào)制帶寬。這是因為，普通商用白光LED的3dB調(diào)制帶寬都低于20MHz，很大程度上限制了VLC 系統(tǒng)被調(diào)制信號的傳輸波特率。而且目前絕大部分商用的LED器件都是利用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，雖然具有LED器件結(jié)構(gòu)簡單與成本較低的優(yōu)點，但是，熒光粉屬于二次驅(qū)動，響應(yīng)速度慢，作為信號發(fā)送器件會進(jìn)一步導(dǎo)致調(diào)制帶寬變窄，能直接通過LED光強度變化來承載的數(shù)字信號的信號波特率受到了很大的限制。

另一方面，在移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求日益增加的應(yīng)用背景下，如何既保證信息通信的安全便捷，又能實現(xiàn)好友間的大文件大數(shù)據(jù)的點對點快速互傳，并進(jìn)一步實現(xiàn)真正的便攜式存儲，是非常值得關(guān)注的課題。比如，在智能手機(jī)（及其他智能系統(tǒng)）的運用中：智能手機(jī)具備一定的大文件存儲功能，而如何實現(xiàn)大文件點對點快速安全的通信傳輸與信息共享，目前在底層通信方面，能使用的方法只有兩大類。第一類為有線傳輸，在有線傳輸實現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享的情況下，無論是通過USB方式傳輸，還是通過有線網(wǎng)口傳輸，都存在著：線纜攜帶不方便、通過局域網(wǎng)傳輸容易造成信息泄漏、點對點傳輸需要經(jīng)過兩次甚至多次的拷貝與轉(zhuǎn)發(fā)、USB等接口對于G比特大文件大數(shù)據(jù)傳輸速率低且耗時長等諸多問題與限制。第二類為無線傳輸，近距離無線信息傳輸技術(shù)主要有藍(lán)牙、Wi-Fi局域網(wǎng)、RFID射頻、UWB超寬帶、ZIGBEE無線傳感器等，這些技術(shù)無一例外，都?xì)w屬于微波或射頻通信，具有：商家與用戶成本較高、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備不易安裝、需要使用無線電波造成電磁輻射、信息安全性能較差、數(shù)據(jù)傳輸速率低、Wi-Fi無線局域網(wǎng)需要流量費用等諸多缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，采用LED/PIN等VLC通信系統(tǒng)收發(fā)器件，實現(xiàn)近距離點對點高速數(shù)據(jù)傳輸，并能克服LED器件調(diào)制帶寬對數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，提供一種基于波分復(fù)用RGB-LED光源的近距離高速雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于波分復(fù)用RGB-LED光源的近距離高速雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少兩個數(shù)據(jù)傳輸終端，其中至少一個所述數(shù)據(jù)傳輸終端為移動終端；所述數(shù)據(jù)傳輸終端包括：

雙向數(shù)據(jù)通信模塊，用于發(fā)送和接收LED光信號；

主控模塊，啟動和控制數(shù)據(jù)通過LED光信號接收和發(fā)送的通信過程；

數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)；

所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊包括物理層裝置、MAC層裝置和數(shù)據(jù)總線；所述MAC層與PHY物理層間通過MII接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

所述物理層裝置包括LED光信號發(fā)射端、接收端和電源；

所述LED光信號發(fā)射端包括串并轉(zhuǎn)換模塊、QAM-正交子載波調(diào)制芯片、低通濾波器、乘法器、并串轉(zhuǎn)換模塊、放大器、直流偏置模塊和LED光源；其中，所述LED光源選用LED三基色光源；MAC層封裝的數(shù)據(jù)信號承載于數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)并行傳輸，單行數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換模塊分為并行數(shù)據(jù)塊，經(jīng)QAM-正交子載波調(diào)制芯片對子載波調(diào)制后，經(jīng)低通濾波器濾波，濾波后的數(shù)據(jù)通過乘法器加載到中心頻率子載波上，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后用放大器放大處理，最后通過直流偏置調(diào)制到不同顏色的波段上，使LED光源發(fā)出光信號；

所述LED光信號接收端包括透鏡、濾波片、光敏探測器、放大器、串并轉(zhuǎn)換模塊、乘法器、QAM-正交子載波調(diào)制芯片、并串轉(zhuǎn)換模塊；接收端通過透鏡聚光后，經(jīng)過濾波片將三個波段的光分離，分離后各波長范圍的光分別經(jīng)由對應(yīng)的光敏探測器接收，接收的信號承載于數(shù)據(jù)總線，通過光敏探測器電路轉(zhuǎn)化為電信號，信號通過放大器放大后，通過串并轉(zhuǎn)換模塊輸出，輸出的并行數(shù)據(jù)通過乘法器加載到中心頻率子載波上，經(jīng)由低通濾波器進(jìn)行濾波處理后通過QAM-正交子載波調(diào)制芯片進(jìn)行解碼輸出，最后通過并串轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)塊合并，完成數(shù)據(jù)接收。

其中，所述可見光通信信道的通信距離為光通信信道通信距離為1cm--10cm之間，所述裝置LED光信號發(fā)射端信號發(fā)射視角不超過30度。

所述LED光源為LED三基色光源，包括RGB三色LED光源，單色LED光源信號發(fā)送功率為20mw。

所述LED三基色光源波長中心點分別為623 nm、530 nm及465nm，其光譜寬度均為20nm。

所述QAM信號調(diào)制采用動態(tài)調(diào)制，低頻的子載波上調(diào)制高階QAM信號；在衰落較大的高頻子載波上，調(diào)制低階QAM信號。

所述接收端的濾波片選用便宜的有色玻璃，可減少成本，并且不會影響數(shù)據(jù)傳輸。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊可以以外接或內(nèi)置的形式安裝在終端中，所述終端包括電腦、手機(jī)、平板等。

所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊以內(nèi)置的形式安裝在移動終端中，以移動終端的數(shù)據(jù)總線的物理層、MAC層為通信接口，在移動終端主板的數(shù)據(jù)總線上嵌入總線調(diào)制信號的驅(qū)動電路；光源選用LED三基色光源。

子載波正交頻分調(diào)制S-OFDM（Subcarrier-Orthogonal Frequency Division Modulation,）是多路并行信號經(jīng)不同的正交子載波調(diào)制后，經(jīng)由同一可見光波長在自由空間傳輸?shù)囊环N復(fù)用方式。對于不同的子載波信道而言，其調(diào)制階數(shù)，帶寬和中心頻率都可以根據(jù)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求來進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明在RGB三基色波分復(fù)用前，采用QAM-子載波正交調(diào)制方式。三種不同波長的光作為獨立信道攜帶各自不同的信號同時發(fā)送，這三路OFDM信號又是由多個正交子載波信道調(diào)制后產(chǎn)生的，這樣顯然能夠降低獨立信道的通信速率，使信道特性接近理想特性，以克服碼間串?dāng)_對通信系統(tǒng)的性能影響。同時，對于每個傳遞信號的LED發(fā)光芯片來說，形成的每個可見光信道，同時采用上述的子載波正交頻分調(diào)制技術(shù)，可以大幅度提升信號傳輸?shù)牟ㄌ芈?，進(jìn)而提升VLC點對點低功率高速近距離通信系統(tǒng)的通信容量與信息速率。

本發(fā)明的系統(tǒng)基于三基色LED（RGB-LED）拓展了LED可見光通信的信道利用率，通過S-OFDM-QAM的方法進(jìn)行信號調(diào)制，克服了LED器件調(diào)制帶寬對數(shù)據(jù)傳輸速率的限制。每個波長實用調(diào)制帶寬為19.25 MHz，S-OFDM子載波的調(diào)制信號階數(shù)為512QAM，因此每個波長的傳輸速率為500Mb/s，經(jīng)過波分復(fù)用后該系統(tǒng)總的傳輸速率達(dá)到1.5Gb/s。在沒有任何外界網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的條件下，在1-10cm的短通信距離內(nèi)可實現(xiàn)大文件大數(shù)據(jù)高速率直接信息高速點對點對傳，最高傳輸速率可以達(dá)G比特率，平均傳輸速率在百兆比特率以上，具有良好而又廣闊的市場應(yīng)用前景。

本發(fā)明可利用現(xiàn)有終端所帶低功率三基色LED燈進(jìn)行高速數(shù)據(jù)信號的無線可見光短距離傳輸，通過可見光來完成大文件大數(shù)據(jù)的實時點對點的發(fā)送和接收，使用在生活中無處不在的智能手機(jī)與智能移動終端來傳遞信息與存儲大文件大數(shù)據(jù)，達(dá)到顯示照明與通信存儲并用，實現(xiàn)資源的高效復(fù)用。另外，LED三基色光源發(fā)出的是可見光，更加綠色、安全，通信干擾少，且無需無線電頻譜，所以本專利方法支持的VLC可見光通信系統(tǒng)還具有安全環(huán)保、實用經(jīng)濟(jì)、節(jié)能易用等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的一種實施方式；

圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的另一種實施方式；

圖3是本發(fā)明實施例數(shù)據(jù)傳輸終端的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明傳輸裝置物理層原理圖；

圖5是數(shù)據(jù)分組方式示意圖；

圖6是發(fā)送端數(shù)據(jù)流示意圖；

圖7是接收端數(shù)據(jù)流示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖說明和具體實施方式，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。

基于波分復(fù)用RGB-LED光源的近距離高速雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少兩個數(shù)據(jù)傳輸終端，其中至少一個所述數(shù)據(jù)傳輸終端為移動終端。如圖1-圖2所示，所述系統(tǒng)中兩個數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端可為兩個傳輸數(shù)據(jù)的移動終端，也可為移動終端和固定終端。

如圖3所示，所述數(shù)據(jù)傳輸終端包括：雙向數(shù)據(jù)通信模塊，用于發(fā)送和接收LED光信號；主控模塊，啟動和控制數(shù)據(jù)通過LED光信號接收和發(fā)送的通信過程；數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。

如圖4所示，所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊物理層包括LED光信號發(fā)射端和接收端這兩部分，屬于兩個不同的線程，各自獨立運行互不影響，形成全雙工通信傳輸系統(tǒng)。

發(fā)射端：包括串并轉(zhuǎn)換模塊、QAM-正交子載波調(diào)制芯片、低通濾波器、乘法器、并串轉(zhuǎn)換模塊、放大器、直流偏置模塊和LED光源；其中，所述LED光源選用LED三基色光源。

MAC層封裝需要傳輸?shù)拇笪募髷?shù)據(jù)的基帶數(shù)字信號，MAC層封裝的數(shù)據(jù)信號承載于數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)并行傳輸，單行數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換模塊分為并行數(shù)據(jù)塊，經(jīng)QAM-正交子載波調(diào)制芯片對子載波調(diào)制后，經(jīng)低通濾波器濾波，濾波后的數(shù)據(jù)通過乘法器加載到中心頻率子載波上，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后用放大器放大處理，最后通過直流偏置調(diào)制到不同顏色的波段上，使LED光源發(fā)出光信號，發(fā)送端數(shù)據(jù)流如圖6所示。

圖5為發(fā)送端的串行輸入信號碼元，首先通過圖6所示發(fā)送端串并轉(zhuǎn)換模塊，將輸入碼元序列分成N個并行的數(shù)據(jù)塊，每塊有個碼元，可以用個比特替代。經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換分成M組，每組中的比特數(shù)可以不同，設(shè)第個數(shù)據(jù)塊中包含的比特數(shù)為，則有。

其中，第個數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)串并輸出后的任意個比特，經(jīng)過QAM-子載波正交頻分調(diào)制芯片編碼后，再經(jīng)由低通濾波器，低通濾波器的輸出信號利用乘法器加載到（子載波的中心頻率）載波上，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后，再通過放大器將信號進(jìn)行放大處理，最后通過直流偏置，調(diào)制到三基色發(fā)光二極管（RGB-LED）不同顏色的芯片上，對應(yīng)紅綠藍(lán)三基色可見光波長中心點分別為623nm、530nm及465nm，其光譜寬度均為20nm，每個發(fā)光二極管的信號發(fā)送功率為小功率20mw(13dbm)。

接收端：LED光信號接收端包括透鏡、濾波片、光敏探測器、放大器、串并轉(zhuǎn)換模塊、乘法器、QAM-正交子載波調(diào)制芯片、并串轉(zhuǎn)換模塊；接收端通過透鏡聚光后，經(jīng)過濾波片將三個波段的光分離，分離后各波長范圍的光分別經(jīng)由對應(yīng)的光敏探測器接收，接收的信號承載于數(shù)據(jù)總線，通過光敏探測器電路轉(zhuǎn)化為電信號，信號通過放大器放大后，通過串并轉(zhuǎn)換模塊輸出，輸出的并行數(shù)據(jù)通過乘法器加載到中心頻率子載波上，經(jīng)由低通濾波器進(jìn)行濾波處理后通過QAM-正交子載波調(diào)制芯片進(jìn)行解碼輸出，最后通過并串轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)塊合并，完成數(shù)據(jù)接收，并送回給接收端MAC層，接收端數(shù)據(jù)流如圖6所示，接收端的并串轉(zhuǎn)換模塊，將并行輸出數(shù)據(jù)串行輸出到第個數(shù)據(jù)組，最后通過總的并串轉(zhuǎn)換模塊完成組裝，實現(xiàn)了用戶在接收端接收到了發(fā)送端的全部數(shù)據(jù)。

其中，所述可見光通信信道的通信距離為光通信信道通信距離為1cm--10cm之間，所述裝置LED光信號發(fā)射端信號發(fā)射視角不超過30度。

由于LED發(fā)光器件對低頻數(shù)字信號的響應(yīng)更加靈敏，抗衰落性能更好，所以在低頻的子載波上調(diào)制高階的數(shù)字信號（如高階QAM信號：幅度相位調(diào)制）；在衰落較大的高頻子載波上，調(diào)制低階的數(shù)字信號（如低階QAM信號），實現(xiàn)整個傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的動態(tài)優(yōu)化。

用光譜分析儀器可以檢測LED發(fā)光二極管中的RGB三色光譜，其歸一化中值的對應(yīng)帶寬均大于20MHz，每一個波分信道均可以承載20Mbad/s的數(shù)字信號，并符合信號正常接收的信號質(zhì)量要求。

所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊可以以外接或內(nèi)置的形式安裝在終端中，所述終端包括電腦、手機(jī)、平板等。

所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊以內(nèi)置的形式安裝在移動終端中，以移動終端的數(shù)據(jù)總線的物理層、MAC層為通信接口，在移動終端主板的數(shù)據(jù)總線上嵌入總線調(diào)制信號的驅(qū)動電路；光源選用LED三基色光源。

所述雙向數(shù)據(jù)通信模塊以外接的形式連接移動終端，以移動終端的數(shù)據(jù)總線和網(wǎng)卡芯片的物理層、MAC層為通信接口，在移動終端主板的數(shù)據(jù)總線上嵌入總線調(diào)制信號的驅(qū)動電路；光源選用LED三基色光源。

本實施例的系統(tǒng)基于三基色LED（RGB-LED）拓展了LED可見光通信的信道利用率，通過S-OFDM-QAM的方法進(jìn)行信號調(diào)制，克服了LED器件調(diào)制帶寬對數(shù)據(jù)傳輸速率的限制。每個波長實用調(diào)制帶寬為19.25 MHz，S-OFDM子載波的調(diào)制信號階數(shù)為512QAM，因此每個波長的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠超過500Mb/s，經(jīng)過波分服用后系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到1.5Gb/s。