JP2009219074A - 可視光通信方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光通信における伝送距離の長短にかかわらず、周囲光の影響を良好に低減して耐光ノイズ性能の向上を図り、エラー発生を抑制するとともに、高ダイナミックレンジ化を図る。
【解決手段】通信開始前は、可変電源２０による電源電圧の制御によって、受光素子１２の電流信号の直流成分のみを小さくする制御が行われる。通信開始後は、可変バイアス抵抗２２による抵抗値の制御によって、受光素子１２の電流信号の直流成分及び変調成分を小さくする制御が行なわれる。これらの２つの制御機能を、通信開始の前後によって使い分けることにより、周囲光を受光しても誤動作が低減されるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視光を用いて通信を行なう可視光通信方法及びその装置に関し、特に、周囲光ノイズの影響を低減するための工夫に関する。

近年、電波や赤外線を利用した無線通信に加えて、室内の照明器具，屋外広告照明，信号機，自動車のヘッドライトなどの可視光を利用した通信が注目されている。特に最近は、白色ＬＥＤの開発が盛んに行われ、照明，車載用ランプ，液晶バックライト等多岐に亘る。この白色ＬＥＤは、例えば蛍光灯などの白色光源と比較して、オン／オフの切り替え応答速度が非常に速いといった特徴を持っている。そこで、データ伝送媒体としてＬＥＤによる白色光を用い、白色ＬＥＤの照明光にデータ伝送機能を持たせる可視光通信システムが提案されている。例えば、下記特許文献１には、白色ＬＥＤの発光強度を送信データに応じて変調し、受信側ではその光の強弱をフォトダイオード（Photo Diode：以下、ＰＤという）などの光電変換器により電気信号に変換することでデータ伝送を実現した照明光通信システムが開示されている。

ところで、可視光通信においては、多くの場合、太陽光や、照明用の白熱灯や蛍光灯などの周囲光が存在し、これらが本来の信号光に対して外乱ないしノイズとして作用する。太陽光は、信号光に対して直流成分のノイズとなることが多い。白熱灯や蛍光灯は、通常商用電源を使用して点灯しており、信号光に対して商用周波数〜数１０ＭＨｚの交流成分のノイズとなることが多い。

図３には、可視光通信システムにおける光受信装置１００の一般的な構成が示されており、光電変換部１０２，増幅器１０４，２値化部１０６が基本的な構成要素である。これらのうち、光電変換部１０２は、送信側から受信した光信号をアナログの電流信号に変換する。増幅部１０４は、変換後のアナログ電流信号を、後段の２値化部１０６が認識できる信号レベルにまで増幅する。２値化部１０６は、増幅部１０４によって増幅されたアナログ電圧信号を、後段のデジタル回路１０８が認識できるデジタル信号に変換する。なお、デジタル回路１０８としては、例えばパソコンなどが該当する。

図３(B)には、上述した光電変換部１０２の一般的な構成が示されており、受信した光信号をＰＤなどの受光素子Ｄ１で電流信号に変換するため、電源ＶCCによって受光素子Ｄ１に一定以上の逆バイアス電圧が印加されている。受光素子Ｄ１に印加されている逆バイアス電圧ＶPDは、直列の抵抗Ｒdcに流れる直流電流をＩdcとすると、次の式で表される。
ＶPD＝ＶCC−Ｉdc×Ｒdc
すなわち、電源電圧ＶCCから抵抗Ｒdcによる電圧降下分を差し引いた電圧となる。光信号を受信して受光素子Ｄ１に電流が流れると、電流信号がコンデンサＣacを介して増幅部１０４に入力される。

ところで、受光素子Ｄ１には、通信相手からの信号光の他に、周囲からの光も入射する。この周囲光には、変調されているものと、変調されていないものがある。これらのうち、変調されていない周囲光には更に２種類あり、太陽光と通信相手の送信光に重畳する直流成分が該当する。

これらのうち、太陽光等を受光素子で受光すると直流電流に変換されるが、直流電流の値が大きくなると、受光素子Ｄ１を動作させるための逆バイアス電圧を維持できなくなる。その結果、光電変換部１０２が所望の動作をせず、通信エラーが発生する。

一方、後者の送信光に重畳する直流成分は、送信の高速化のために、プリエンファシスやプリバイアスの信号処理を行う場合があるためで、これらの信号処理を行うと、送信光には、変調成分と同等もしくはそれ以上の直流成分が重畳する。プリエンファシスの信号波形の一例を示すと、図２(A)のようになる。

次に、送受信間の伝送距離によっても、周囲光の影響の程度は変化する。太陽光を受光する可能性がある状況で通信しようとする場合、受信装置と太陽の間には通信相手がいると考えられる。伝送距離が短い場合、通信相手からの送信光の直流成分及び変調成分は、いずれも距離が近いために大きくなる。このため、太陽光成分に比べて信号光成分は大きくなる。図２(B)には、そのような場合の信号波形の一例が示されており、直流成分ＳＡ，信号成分ＳＢのいずれも大きく、直流成分ＳＡに含まれている太陽光成分は少ない。

一方、伝送距離が長い場合は、光電変換部１０２と太陽光の光軸上に障害物がない場合、太陽光を受光する可能性が高くなる。一方、通信相手からの送信光の直流成分及び変調成分は、いずれも距離が遠いために大きく減衰する。このため、太陽光成分に比べて信号光成分が非常に小さくなってしまう。図２(C)には、そのような場合の信号波形の一例が示されており、信号成分Ｓｂは小さいが、太陽光成分が大きいために直流成分Ｓａは大きくなる。

以上のような受光した光信号における直流成分の影響を低減する背景技術として、下記特許文献２に開示されたＤＣ（直流）フィードバック法がある。図４には、このＤＣフィードバック法の基本的な回路構成が示されている。受光素子Ｄ１の出力のうち、ＤＣカットコンデンサによって直流成分が除去された信号電流が交流増幅器１０４に供給されており、この交流増幅器１０４の出力に応じたフィードバック制御が行なわれる。すなわち、受光素子Ｄ１から出力される信号電流及び直流電流を電圧制御電流源１１０にバイアスすることによって、受光素子Ｄ１の逆バイアス電圧が一定に保たれるようになっている。
特許第３４６５０１７号公報 特開２００６−５５９９号公報

しかしなら、以上のような特許文献２記載の背景技術の場合、電圧制御電流源１１０に流入する電流量を増やすと、増幅部１０４に流入する信号電流量が減少し、直流成分のみならず、変調成分も減少してしまう。特に、伝送距離が長く、太陽光の影響が大きい場合は、図２(C)に示したように、直流成分Ｓａが信号成分Ｓｂよりも大きく、直流成分Ｓａを減少させると、信号成分Ｓｂの減少も激しくなり、後段の２値化部１０６において良好に２値化処理を行なうことができず、通信エラーが発生する恐れが高い。

本発明は、以上のような点に着目したもので、その目的は、伝送距離の長短にかかわらず、周囲光の影響を良好に低減して耐光ノイズ性能の向上を図り、エラー発生を抑制することである。他の目的は、高ダイナミックレンジとの両立を可能とすることである。

前記目的を達成するため、本発明の可視光通信方法は、可変電源及び可変バイアス抵抗により逆バイアス電圧が制御される受光素子によって、送信側から送信された可視光信号を受信する可視光通信方法であって、通信開始前に受光素子の出力を検出し、その検出結果に基づいて前記可変電源の電圧を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分による受光素子の逆バイアス電圧減少を低減するステップ，通信開始後に受光素子の出力を検出し、その検出結果に基づいて前記可変バイアス抵抗の値を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分及び変調成分を増減するステップ，を含むことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記送信側から送信された可視光信号が、変調成分の他に直流成分を含むことを特徴とする。

本発明の可視光受信装置は、逆バイアス電圧を印加して動作し、可視光信号を受信する受光素子，前記逆バイアス電圧を制御する可変電源，前記逆バイアス電圧を制御する可変バイアス抵抗，通信の開始前後を検知する通信制御部，前記受光素子の出力の大きさを検出する出力検出部，前記通信制御部から通信開始前の信号が入力されたときに、前記出力検出部の検出結果に基づいて前記可変電源の電圧を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分を低減するとともに、記通信制御部から通信開始の信号が入力された後は、前記出力検出部の検出結果に基づいて前記可変バイアス抵抗の値を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分及び変調成分を増減する制御を行う逆バイアス制御部，を備えたことを特徴とする。

本発明の可視光通信装置は、前記可視光受信装置，該可視光受信装置に対して、送信すべき情報を含む可視光信号を送信する可視光送信装置，を含むことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記可視光信号が、変調成分の他に直流成分を含むことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、通信開始前は、受光素子の出力検出結果に基づいて可変電源の電圧を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分による受光素子の逆バイアス電圧減少を低減し、通信開始後は、受光素子の出力検出結果に基づいて可変バイアス抵抗の値を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分及び変調成分を増減する。これにより、伝送距離の長短にかかわらず、周囲光の影響を良好に低減して耐光ノイズ性能の向上を図り、エラー発生を抑制することができる。また、ダイナミックレンジも広くなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施例の装置構成が示されている。同図は、光通信装置の受信側の構成を主として示すもので、受信部１０の受光素子１２には、可変電源２０によって逆バイアス電圧が印加されている。受光素子１２には、可変バイアス抵抗２２が直列に接続されており、可変電源２０の電圧は、可変バイアス抵抗２２による電圧降下分を差し引いて受光素子１２に印加されるようになっている。

受光素子１２の電流信号出力側は、電流／電圧変換部１４を介して２値化部１６の入力側に接続されており、この２値化部１６の出力側は、通信制御部１８の入力側に接続されている。なお、２値化部１６の出力側は、図示しないが、パソコンなどのデジタル回路にも接続されている（図３参照）。通信制御部１８の通信開始信号出力側は、逆バイアス制御部２６の入力側に接続されている。一方、上述した受光素子１２の出力側は直流電圧検出部２４の入力側にも接続されており、この直流電圧検出部２４の出力側は逆バイアス制御部２６の入力側に接続されている。逆バイアス制御部２６の出力側は、上述した可変電源２０及び可変バイアス抵抗２２の制御入力側にそれぞれ接続されている。

以上の各部のうち、受光素子１２は、ＰＤなどで構成されており、上述したように受信した光を電流信号に変換する。可変電源２０は、受光素子１２に逆バイアス電圧を印加するためのもので、その電圧値が逆バイアス制御部２６からの指令に応じて変化するように構成されている。可変バイアス抵抗２２は、受光素子１２に印加されるバイアス電圧を増減するためのもので、その抵抗値が逆バイアス制御部２６からの指令に応じて変化するように構成されている。電流／電圧変換部１４は、受光素子１２から入力されるアナログの電流信号をアナログの電圧信号に変換するための回路で、上述した増幅部（図３参照）に対応する。２値化部１６は、アナログ電圧信号をデジタル信号に変換する回路である。通信制御部１８は、通信をコントロールする機能を備えており、逆バイアス制御部２６に対して通信開始／終了を知らせる。直流電圧検出部２４は、受光素子１２から入力されたアナログ電流信号の直流電圧を検出するためのものである。逆バイアス制御部２６は、通信制御部１８から入力される通信開始信号と、直流電圧検出部２４から入力される直流電圧の値とに基づいて、可変電源２０の電圧と可変バイアス抵抗２２の抵抗値を制御する機能を備えている。

次に、図２も参照しながら、本実施例の動作を説明する。受光素子１２から出力されたアナログの電流信号は、電流／電圧変換部１４で電圧信号に変換され、更に２値化部１６でデジタル信号に変換されてデジタル回路に供給される。この場合において、本実施例では、
ａ，通信開始前の電源電圧制御：可変電源２０による電源電圧の制御によって、受光素子１２の電流信号の直流成分のみを小さくする制御，
ｂ，通信開始後のバイアス抵抗制御：可変バイアス抵抗２２による抵抗値の制御によって、受光素子１２の電流信号の直流成分及び変調成分を小さくする制御，
が行なわれる。これらの２つの制御機能を、通信開始の前後によって使い分けることにより、周囲光を受光しても誤動作が低減される受信部が実現される。

光通信装置の電源（図示せず）がオンとなって、各部に駆動電力が供給されると、送信側と通信を開始する前に直流電圧レベルを検出する。通信開始前に検出される直流成分は、多くが太陽光によるものであり、これが受光素子１２に入射すると、直流電圧検出部２４によって直流成分が検出されて検出結果が逆バイアス制御部２６に出力される。逆バイアス制御部２６には、通信制御部１８からの通信開始信号は入力されておらず、通信が開始されていない状態であることを知ることができる。この状態で逆バイアス制御部２６は、直流成分が小さくなるように、可変電源２０の電圧値を制御する。

次に、通信を開始し、受信側からデータを受信すると、通信制御部１８から通信開始信号が逆バイアス制御部２６に対して出力される。今度は、逆バイアス制御部２６は、直流電圧検出部２４の出力に基づいて、バイアス抵抗値を制御する。通信開始後に検出される直流成分は、太陽光と送信光の直流成分の両者である。ただし、太陽光による影響は、上述した通信開始前の可変電源２０による電圧制御によって補正されている。このため、送信光の影響のみを考慮すればよい。通信開始後に直流電圧が大きいときは、通信相手が近接している可能性がある。その場合、直流成分も大きいが、信号成分も大きいと考えることができる。従って、逆バイアス制御部２６は、可変バイアス抵抗２２によって、直流成分及び変調成分を、ともに小さくするバイアス抵抗制御を行う。

この様子を、図２を参照して説明すると、まず、送信側から出力されたプリエンファシスの信号波形は、図２(A)に示した通りである。上述した背景技術によれば、送受信間の距離が短いときは、受光素子１２の出力波形は、図２(B)のようになる。これに対し、本実施例によれば、上述したように太陽光による直流成分の影響が補正されるので、図２(D)に示すように、直流成分がＳＡからＳＣになる。この図２(D)に対して、可変バイアス抵抗２２によるバイアス抵抗制御が行われ、図２(E)に示すようになる。すなわち、直流成分ＳＣはＳｃに減少し、信号成分ＳＤはＳｄに減少する。これを背景技術の図２(C)と比較すると、直流成分が良好に低減される一方で、信号成分は大きくなっている。

このように、本実施例によれば、伝送距離の長短にかかわらず、周囲光の影響を良好に低減して耐光ノイズ性能が向上し、エラー発生が抑制されて、ダイナミックレンジも向上する。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した回路構成は一例であり、同様の作用を奏するように設計変更可能である。
(2)送信側はどのような構成でもよいが、可視光通信の光源としては、白色ダイオードが好適である。

本発明によれば、伝送距離の長短にかかわらず、周囲光の影響を良好に低減して耐光ノイズ性能の向上，高ダイナミックレンジ化を図ることができ、可視光通信に好適である。

本発明の実施例の主要構成を示す回路ブロック図である。 背景技術及び前記実施例における主要部の信号波形を示す図である。(A)は送信側のプリエンファシス波形，(B)及び(C)は背景技術による制御波形，(D)及び(E)は本実施例による制御波形である。 従来の光受信装置の一例を示す回路図である。(A)は基本構成を示すブロック図，(B)は光電変換部の詳細を示す回路図である。 従来のＤＣフィードバック法の基本的な回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０：受信部
１２：受光素子
１４：電流／電圧変換部
１６：値化部
１８：通信制御部
２０：可変電源
２２：可変バイアス抵抗
２４：直流電圧検出部
２６：逆バイアス制御部
１００：光受信装置
１０２：光電変換部
１０２，：光電変換部
１０４：増幅部
１０６：２値化部
１０８：デジタル回路
１１０：電圧制御電流源
Ｃac：コンデンサ
Ｄ１：受光素子
Ｒdc：抵抗
ＶCC：電源ないし電源電圧
ＶPD：逆バイアス電圧

Claims (5)

1. 可変電源及び可変バイアス抵抗により逆バイアス電圧が制御される受光素子によって、送信側から送信された可視光信号を受信する可視光通信方法であって、
   通信開始前に受光素子の出力を検出し、その検出結果に基づいて前記可変電源の電圧を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分による受光素子の逆バイアス電圧減少を低減するステップ，
   通信開始後に受光素子の出力を検出し、その検出結果に基づいて前記可変バイアス抵抗の値を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分及び変調成分を増減するステップ，
   を含むことを特徴とする可視光通信方法。
2. 前記送信側から送信された可視光信号が、変調成分の他に直流成分を含むことを特徴とする請求項１記載の可視光通信方法。
3. 逆バイアス電圧を印加して動作し、可視光信号を受信する受光素子，
   前記逆バイアス電圧を制御する可変電源，
   前記逆バイアス電圧を制御する可変バイアス抵抗，
   通信の開始前後を検知する通信制御部，
   前記受光素子の出力の大きさを検出する出力検出部，
   前記通信制御部から通信開始前の信号が入力されたときに、前記出力検出部の検出結果に基づいて前記可変電源の電圧を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分を低減するとともに、記通信制御部から通信開始の信号が入力された後は、前記出力検出部の検出結果に基づいて前記可変バイアス抵抗の値を制御することで、前記受光素子の出力の直流成分及び変調成分を増減する制御を行う逆バイアス制御部，
   を備えたことを特徴とする可視光受信装置。
4. 請求項３記載の可視光受信装置，
   該可視光受信装置に対して、送信すべき情報を含む可視光信号を送信する可視光送信装置，
   を含むことを特徴とする可視光通信装置。
5. 前記可視光信号が、変調成分の他に直流成分を含むことを特徴とする請求項４記載の可視光通信装置。

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