JP5185087B2

JP5185087B2 - 可視光通信システム、及び信号伝送方法

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Publication number: JP5185087B2
Application number: JP2008298940A
Authority: JP
Inventors: 敦也横井
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: EP2353225B1; CN102224692A; WO2010062092A3; WO2010062092A2; CN102224692B; KR20110099266A; EP2353225A4; EP2353225A2; US9276676B2; US20110229147A1; KR101610750B1; JP2010130029A

Description

本発明は、可視光通信システム、及び信号伝送方法に関する。

近年、可視光領域の光を利用した光通信技術に大変注目が集まっている。特に、発光ダイオード（ＬＥＤ；ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の発光素子を利用した照明装置の普及が急速に進んでいる状況を背景にし、屋内外に設置された照明装置等のインフラを活用して、利便性に富んだ、より高速なデータ通信を実現させるための技術開発が進められている。

高速な光データ通信に利用される発光手段としては、人体や医療機器等に対する影響を考慮するとＬＥＤが最も有力な候補になる。一方で、より高速な応答性能を有するレーザーダイオード（ＬＤ；ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ；ＳｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｏｄｅ）等の半導体発光素子も候補に挙げられている。光通信におけるデータ伝送速度は、発光素子の応答速度に依存する。そのため、こうした応答速度の高い発光素子にも注目が集まっているのである。

また、データ伝送速度を更に向上させるため、発光素子が発する１シグナルの間に多くのデータを安定して伝送する技術も求められている。こうした光通信技術に関し、例えば、下記の特許文献１には、ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ−ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号の時間軸を空間方向へ割り付けることにより、空間干渉を除去する技術が開示されている。

特開２００８−２５２４４４号公報

ＯＦＤＭ方式を用いると、周波数利用効率及びマルチパス耐性を向上させることができる。そのため、無線通信システム（例えば、無線ＬＡＮ）や有線通信システム（例えば、ＡＤＳＬ）で広く用いられている。可視光通信においても、ＯＦＤＭ方式を適用することで通信品質の向上が期待される。しかし、ＯＦＤＭ方式には、ＰＡＰＲ（ＰｅａｋｔｏＡｖｅｒａｇｅＰｏｗｅｒＲａｔｉｏ）が大きくなる問題がある。つまり、送信機及び受信機に大きなダイナミックレンジが要求される。

そのため、ＯＦＤＭ方式を可視光通信に適用する場合、可視光通信の送信手段であるＬＥＤには、非常に大きな電流が流れることになる。例えば、ＬＥＤには、数１００ｍＡ〜数Ａ程度の電流が流れる。そのため、送信側に非常に広いダイナミックレンジの信号を扱うことが可能なドライブ回路を設けることが必要になる。しかし、通常、ＬＥＤは一定光量の発光を目的としているため、ダイナミックレンジの大きな信号を扱うには特別な素子が必要になり、現実的ではない。そのため、本件発明者は、発光手段に対して大きなダイナミックレンジへの性能要求を課さずにＯＦＤＭ方式により得られる通信品質の向上効果を享受できる新たな方式を開発した。

ＯＦＤＭ方式を可視光通信に適用する場合、送信側では、直並列変換でキャリア数分の送信データが生成され、各送信データがキャリア信号に割り当てられた後で加算され、当該加算後の信号振幅に応じた発光強度で１つのＬＥＤが発光制御される。しかし、上記の新たな方式の場合、各送信データがキャリア信号に割り当てられた後、加算処理が実行されることなしに、キャリア毎の信号振幅に応じた発光強度で各キャリアに対応するＬＥＤが発光制御される。その結果、各ＬＥＤ及びＬＥＤ駆動回路に課されるダイナミックレンジの性能要求が緩和される。また、発光手段として互いに異なる色のＬＥＤを用い、受光手段として互いに異なる色のＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）を用いることで、受光手段に課されるダイナミックレンジの性能要求も緩和することができる。

また、互いに発光色（光周波数）の異なる複数のＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤ及びＰＤ等の周波数特性に起因して発生する色間干渉の影響が懸念されるが、上記のようにキャリア間で直交性があるため、色間干渉による影響が抑制される。そのため、多重化数（色数）をある程度増大させることが可能になり、伝送速度を向上させることができる。しかしながら、多重化数の増加に伴って色間の周波数が近接して色間干渉の影響が増大するため、多重化数の増加による伝送速度の向上効果には限界がある。こうした理由から、伝送速度をより向上させるために、同じ多重化数で、より多くのデータを伝送する技術が求められている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、発光手段に対して大きなダイナミックレンジへの性能要求を課さずにＯＦＤＭ方式により得られる通信品質の向上を図ると共に、同じ多重化数で、より多くのデータを伝送することが可能な、新規かつ改良された可視光通信システム、及び信号伝送方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、次のような送信装置及び受信装置を含む可視光通信システムが提供される。

上記の送信装置は、互いに異なる色の光を発光する複数の発光素子と、送信データを直並列変換してキャリア数分（Ｎ個）の第１データ列、及び第２データ列を出力する直並列変換部と、前記直並列変換部から出力されたＮ個の第１データ列をそれぞれ所定の多値数で変調してＮ個の変調信号を生成する変調部と、前記変調部で生成されたＮ個の変調信号に対し、互いに直交するキャリア周波数を持つＮ個の正弦波信号を各々乗算する正弦波信号乗算部と、前記正弦波信号乗算部の乗算処理で生成されたＮ個のキャリア信号を前記第２データ列に基づいて前記複数の発光素子に割り当て、同じ発光素子に割り当てられたキャリア信号を加算して前記発光素子の数だけ送信信号を生成するキャリア割り当て部と、前記キャリア割り当て部で生成された各送信信号の信号振幅に応じた発光強度で、当該各送信信号に対応する発光素子を発光させる発光制御部と、を有するものである。

このように、上記の送信装置は、異なる色で発光する複数の発光素子を用いて可視光通信を実現するものである。また、上記の送信装置は、送信データを複数のキャリア信号に変調して送信すると共に、各キャリア信号と各色（各発光素子）との対応関係に第２データ列を割り付けて送信する。そのため、第２データ列の分だけ、通常のＷＤＭ方式に比べて多くのデータを伝送することが可能になり、伝送速度の向上効果が得られる。さらに、直交するキャリア周波数に第１データ列を割り当てて送信するため、ＯＦＤＭ方式に特有の優れた通信性能が得られる。特に、キャリア周波数の直交性から、通常のＷＤＭ方式で問題となる色間干渉の影響が除去され、通常のＷＤＭ方式に比べて大きく伝送品質を向上させることができる。

また、上記の受信装置は、互いに色の異なる光を受光して各色の受信信号を出力する複数の受光素子と、前記各受光素子から出力された受信信号に対し、前記Ｎ個の正弦波信号を用いてＦＦＴ処理を施すことにより前記変調信号を色毎に抽出するＦＦＴ部と、前記ＦＦＴ部で抽出された変調信号を復調して前記第１データ列を復元する復調部と、前記ＦＦＴ部で抽出された変調信号に基づいて前記各キャリア信号と前記各発光素子との間の対応関係を検出し、当該検出結果に基づいて前記第２データ列を復元する第２データ列復元部と、前記復調部及び前記第２データ列復元部で復元された第１及び第２データ列を並直列変換して元の送信データを復元する並直列変換部と、を有するものである。

このように、上記の受信装置は、異なる色の光を受光する複数の受光素子を用いて可視光通信を実現するものである。また、上記の受信装置は、各色の受信信号に対してＦＦＴ処理を施し、各色の送信信号に含まれるキャリア信号を抽出する。そのため、色毎に実行されるＦＦＴ処理の出力結果に基づいて、各キャリア信号がどの発光素子（色）に割り当てられたかを検出することができる。そこで、上記の受信装置は、各色の受信信号に対して施されるＦＦＴ処理の出力結果に基づいて第２データ列を復元する。また、上記の受信装置は、各キャリア信号から第１データ列を復元する。さらに、このようにして復元された第１及び第２データ列から元の送信データが復元される。このように、第２データ列の分だけ多くのデータ量が伝送される。その結果、ＷＤＭ方式に比べて伝送速度を向上させることができるのである。

なお、前記キャリア割り当て部は、前記各キャリア信号が入力される入力端子、及び前記複数の発光素子に各々対応する複数の出力端子を持ち、前記入力端子に入力された各キャリア信号の出力先をいずれかの前記出力端子に切り替えるＮ個のスイッチと、前記第２データ列に基づいて前記各スイッチを制御し、前記各スイッチに入力されたキャリア信号の出力先を制御するスイッチ制御部と、前記Ｎ個のスイッチについて、同じ前記発光素子に対応する出力端子から出力されたキャリア信号を加算する前記発光素子と同数の加算部とで構成されていてもよい。さらに、前記キャリア割り当て部は、１つの前記キャリア信号が複数の前記発光素子に割り当てられないように前記各キャリア信号の割り当て処理を実行するように構成されていてもよい。このような構成にすることで、異なる色に同じキャリア周波数のキャリア信号を含む送信信号が割り当てられることがなくなり、色間干渉の影響が発生するのを回避することができる。

また、前記第２データ列復元部は、前記Ｎ個のキャリア信号のそれぞれについて、前記各色の受信信号に含まれるか否かを判定する信号判定部と、前記信号判定部による判定結果に基づいて、前記各色と前記各キャリア信号との組み合わせを検出し、当該組み合わせから前記第２データ列を復元するデータ復元部と、を含むように構成することが可能である。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに異なる色の光を発光する複数の発光素子を有する送信装置が、送信データを直並列変換してキャリア数分（Ｎ個）の第１データ列、及び第２データ列を出力する直並列変換ステップと、前記直並列変換ステップで出力されたＮ個の第１データ列をそれぞれ所定の多値数で変調してＮ個の変調信号を生成する変調ステップと、前記変調ステップで生成されたＮ個の変調信号に対し、互いに直交するキャリア周波数を持つＮ個の正弦波信号を各々乗算する正弦波信号乗算ステップと、前記正弦波信号乗算ステップの乗算処理で生成されたＮ個のキャリア信号を前記第２データ列に基づいて前記複数の発光素子に割り当てるステップと、前記割り当てるステップで同じ発光素子に割り当てられたキャリア信号を加算して前記発光素子の数だけ送信信号を生成するステップと、前記送信信号を生成するステップで生成された各送信信号の信号振幅に応じた発光強度で、当該各送信信号に対応する発光素子を発光させる発光制御ステップと、を含む、信号伝送方法が提供される。

さらに、上記の信号伝送方法には、互いに色の異なる光を受光して各色の受信信号を出力する複数の受光素子を有する受信装置が、前記各受光素子から出力された受信信号に対し、前記Ｎ個の正弦波信号を用いてＦＦＴ処理を施すことにより前記変調信号を色毎に抽出するＦＦＴステップと、前記ＦＦＴステップで抽出された変調信号を復調して前記第１データ列を復元する復調ステップと、前記ＦＦＴステップで抽出された変調信号に基づいて前記各キャリア信号と前記各色の発光素子との間の対応関係を検出し、当該検出結果に基づいて前記第２データ列を復元する第２データ列復元ステップと、前記復調ステップ及び前記第２データ列復元ステップで復元された第１及び第２データ列を並直列変換して元の送信データを復元する並直列変換ステップと、が含まれる。

このように、上記の送信装置は、異なる色で発光する複数の発光素子を用いて可視光通信を実現するものである。また、上記の送信装置は、送信データを複数のキャリア信号に変調して送信すると共に、各キャリア信号と各色（各発光素子）との対応関係に第２データ列を割り付けて送信する。そのため、第２データ列の分だけ、通常のＷＤＭ方式に比べて多くのデータを伝送することが可能になり、伝送速度の向上効果が得られる。さらに、直交するキャリア周波数に第１データ列を割り当てて送信するため、ＯＦＤＭ方式に特有の優れた通信性能が得られる。特に、キャリア周波数の直交性から、通常のＷＤＭ方式で問題となる色間干渉の影響が除去され、通常のＷＤＭ方式に比べて大きく伝送品質を向上させることができる。また、上記の受信装置は、異なる色の光を受光する複数の受光素子を用いて可視光通信を実現するものである。さらに、上記の受信装置は、各色の受信信号に対してＦＦＴ処理を施し、各色の送信信号に含まれるキャリア信号を抽出する。そのため、色毎に実行されるＦＦＴ処理の出力結果に基づいて、各キャリア信号がどの発光素子（色）に割り当てられたかを検出することができる。そこで、上記の受信装置は、各色の受信信号に対して施されるＦＦＴ処理の出力結果に基づいて第２データ列を復元する。また、上記の受信装置は、各キャリア信号から第１データ列を復元する。さらに、このようにして復元された第１及び第２データ列から元の送信データが復元される。このように、第２データ列の分だけ多くのデータ量が伝送される。その結果、ＷＤＭ方式に比べて伝送速度を向上させることができるのである。

以上説明したように本発明によれば、発光手段に対して大きなダイナミックレンジへの性能要求を課さずにＯＦＤＭ方式により得られる通信品質の向上を図ると共に、同じ多重化数で、より多くのデータを伝送することが可能になる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［説明の流れについて］
ここで、以下に記載する本発明の実施形態に関する説明の流れについて簡単に述べる。まず、図１を参照しながら、ＷＤＭ（ＷａｖｅＬｅｎｇｔｈＭａｌｕｔｉｐｌｅｘ）方式を採用した可視光通信システムＬＳ１の構成について説明し、ＷＤＭ方式が抱える問題点について述べる。この中で、同実施形態が解決しようとする課題について簡単に整理する。次いで、図２〜図４を参照しながら、同実施形態に係る可視光通信システムＬＳ２の構成について説明する。次いで、図６を参照しながら、同実施形態の技術を適用することにより得られる効果について説明する。

［課題の整理］
まず、本発明の一実施形態に係る技術について詳細な説明をするに先立ち、同実施形態が解決しようとする課題について簡単に纏める。

従来より、ＬＥＤを光源とする可視光通信システムには、白色ＬＥＤを利用して白色光を発光するシステムと、互いに異なる色を発光する複数のＬＥＤ（例えば、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの三原色）を組み合わせて白色光を発光するシステムがある。ＬＥＤの特性として、ＲＧＢ発光のＬＥＤは、白色ＬＥＤよりも光変調時の応答速度が速い。また、複数のＬＥＤを用いるシステムにおいては、個々のＬＥＤを異なるデータで変調し、ＲＢＧ発光を組み合わせることで、高速にデータを伝送することが可能になる。このように、色の異なる複数のＬＥＤで異なるデータを伝送する方式のことを色多重方式又は波長多重方式（ＷＤＭ）と呼ぶことがある。ＷＤＭ方式の可視光通信技術に関しては、例えば、特開２００７−８１７０３に記載がある。

ここで、図１を参照しながら、ＷＤＭ方式を採用した可視光通信システムＬＳ１の構成について簡単に説明する。図１は、ＷＤＭ方式を採用した可視光通信システムＬＳ１の一構成例を示す説明図である。

図１に示すように、可視光通信システムＬＳ１の送信側には、Ｓ／Ｐ変換部１２、複数のドライバ回路１４、及び複数の発光素子１６が設けられている。但し、複数の発光素子１６は、互いに異なる色Ｃ１〜Ｃｎ（光周波数）の光を発光するものである。そして、可視光通信システムＬＳ１の受信側には、複数の受光素子１８、複数の復調部２０、及びＰ／Ｓ変換部２２が設けられている。但し、複数の受光素子１８は、互いに異なる色Ｃ１〜Ｃｎ（光周波数）の光を受光するものである。例えば、発光素子１６としては、各色を発光するＬＥＤが用いられる。また、受光素子１８としては、各色を透過するカラーフィルタが設けられたＰＤが用いられる。

可視光通信システムＬＳ１においては、まず、送信データがＳ／Ｐ変換部１２により直並列変換され、発光素子１６の数ｎだけ並列データが生成される。つまり、各色Ｃ１〜Ｃｎに割り当てられる並列データが生成される。そして、各並列データは、ドライバ回路１４に入力される。ドライバ回路１４は、入力された並列データに応じた発光強度で発光素子１６を発光させる。各色Ｃ１〜Ｃｎの発光素子１６で発せられた光は、各色Ｃ１〜Ｃｎの受光素子１８で受光される。各受光素子１８で対応する色の光が受光されると、その色の受光強度に応じた信号が受光素子１８から出力される。各受光素子１８から出力される信号は、復調部２０で復調され、Ｐ／Ｓ変換部２２により元の送信データに復元される。

ＷＤＭ方式を採用した上記の可視光通信システムＬＳ１においては、次のような理由で伝送品質の劣化が生じる。伝送品質の劣化原因としては、例えば、（１）光伝送路における光強度の減衰、（２）外乱光によりノイズの発生、（３）色間における信号強度のばらつき、（４）色間の信号干渉が挙げられる。但し、（３）の原因は、発光素子１６の発光強度特性、及び受光素子１８の光感度特性に起因して発生する。また、（４）の原因は、発光素子１６及び受光素子１８の周波数特性に起因して発生する。これらの劣化原因のうち、ＷＤＭ方式においては、（４）の原因による伝送品質の劣化が大きい。特に、色数を増やして多重化数を増加させて伝送速度の向上効果を得ようとすると、（４）の原因による伝送品質の劣化が大きな問題となる。その理由は、多重化数を増加させると、各色の周波数が近接して色間干渉が増大してしまうことにある。従って、伝送速度をさらに向上させるには、色間干渉の影響を除去すること、及び同じ多重化数でより多くのデータを伝送できるようにすることが求められる。

＜実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、上記の可視光通信システムＬＳ１が抱える問題を解決し、色間干渉の影響を除去しつつ、同じ多重化数でより多くのデータを伝送することを可能にするものである。

［可視光通信システムＬＳ２の構成］
まず、図２を参照しながら、本実施形態に係る可視光通信システムＬＳ２の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る可視光通信システムＬＳ２の一構成例を示す説明図である。但し、図２の例においては、説明の都合上、キャリア数、発光素子１１２の数、受光素子２０２の数を３とする。もちろん、本実施形態に係る技術は、キャリア数、発光素子１１２の数、受光素子２０２の数が３以上の場合に対しても適用可能である。

図２に示すように、可視光通信システムＬＳ２は、送信装置１００と、受信装置２００とにより構成される。送信装置１００は、Ｓ／Ｐ変換部１０２と、変調部１０４と、乗算器１０６と、キャリア割り当て部１０８と、ドライバ回路１１０と、複数の発光素子１１２とを有する。一方、受信装置２００は、複数の受光素子２０２と、ＦＦＴ部２０４と、信号検出部２０６と、復調部２０８と、Ｐ／Ｓ変換部２１２とを有する。但し、ＦＦＴ部２０４は、乗算器２３２、及び積分回路２３４により構成される。なお、図２の例では、受光素子２０２（ＰＤ（Ｃｇ）、ＰＤ（Ｃｂ））の出力信号が入力される各ＦＦＴ部２０４の詳細な構成を省略して描画している。但し、いずれのＦＦＴ部２０４も実質的に同じ構成を有するものとする。

まず、送信データｄは、Ｓ／Ｐ変換部１０２により直並列変換される。そして、Ｓ／Ｐ変換部１０２から（キャリア数＋１）個のデータ列が出力される。Ｓ／Ｐ変換部１０２から出力される各キャリアに対応するデータ列は、変調部１０４に入力され、所定の多値数（例えば、２値）で変調される。そして、変調部１０４から変調信号が出力される。一方、残り１個のデータ列は、キャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃとしてキャリア割り当て部１０８に入力される。変調部１０４から出力されるキャリア毎の変調信号は、乗算器１０６に入力される。乗算器１０６では、変調信号に各キャリア周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対応するキャリア正弦波信号が乗算される。但し、キャリア周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対応する３個のキャリア正弦波信号は、互いにＯＦＤＭ方式で言う直交関係を有する。

乗算器１０６でキャリア正弦波信号が乗算された変調信号（以下、キャリア信号；Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は、キャリア割り当て部１０８に入力される。キャリア割り当て部１０８では、どのキャリアをどの色に割り当てるかが決定され、各色の発光制御に用いる信号が生成される。但し、この割り当て方法については、Ｓ／Ｐ変換部１０２から入力されたキャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃにより決定される。キャリア割り当て部１０８の詳細な構成については後述する。キャリア割り当て部１０８で各色に割り当てられた信号（以下、色割り当て信号）は、各色に対応するドライバ回路１１０に入力される。色割り当て信号が入力されると、ドライバ回路１１０は、入力された色割り当て信号に基づいて発光素子１１２に供給される電流量を制御し、色割り当て信号の信号振幅に応じた発光強度で各発光素子１１２を発光させる。

例えば、赤色Ｒ（光周波数Ｃｒ）に割り当てられた色割り当て信号Ｓｒは、赤色Ｒの光を発光する発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ））を駆動するためのドライバ回路１１０（Ｄｒ）に入力される。そして、ドライバ回路１１０（Ｄｒ）は、色割り当て信号Ｓｒの信号振幅に応じた発光強度で発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ））を発光させる。緑色Ｇ（光周波数Ｃｇ）、青色Ｂ（光周波数Ｃｂ）に割り当てられた色割り当て信号Ｓｇ、Ｓｂについても同様である。各発光素子１１２から発せられた光は、受信装置２００が有する各色の受光素子２０２で受光される。受光素子２０２としては、例えば、各色のカラーフィルタが設けられた３つのＰＤが用いられる。各受光素子２０２により光が受光されると、各色の光強度に応じた電気信号（以下、受信信号）が受光素子２０２から出力される。受光素子２０２から出力された各色の受信信号は、色毎に設けられたＦＦＴ部２０４に入力される。各ＦＦＴ部２０４は、各受信信号にＦＦＴ処理を施して各色の色割り当て信号に含まれるキャリア周波数成分を抽出する手段である。

ここでは、説明の都合上、赤色Ｒに対応する受光素子２０２から出力された受信信号に施されるＦＦＴ処理についてのみ説明することにする。まず、受光素子２０２（ＰＤ（Ｃｒ））から出力された受信信号は、乗算器２３２に入力される。乗算器２３２では、受信信号に対して各キャリア周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対応するキャリア正弦波信号が乗算される。乗算器２３２で各キャリア正弦波信号が乗算された受信信号は、積分回路２３４に入力される。積分回路２３４においては、乗算器２３２の出力信号に対し、時間軸上でＯＦＤＭシンボル長（Ｔ）までの積分区間について積分演算が施され、キャリア周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の各々に対応する信号成分が抽出される。そして、積分回路２３４で抽出された各キャリア周波数成分は、信号検出部２０６に入力される。例えば、赤色Ｒにキャリア周波数ｆ１、ｆ２のキャリア信号Ｓ１、Ｓ２が割り当てられている場合、信号検出部２０６には、キャリア信号Ｓ１、Ｓ２に対応する信号成分（変調信号）が入力される。なお、緑色Ｇ、青色Ｂについても、上記の赤色Ｒについて行われたものと実質的に同じ処理が実行される。

上記の通り、各色のＦＦＴ部２０４により、各色の色割り当て信号に含まれる各キャリア成分が分離され、各色のキャリア成分が信号検出部２０６に入力される。そのため、信号検出部２０６では、どの色割り当て信号に、どのキャリア信号が含まれていたかを検出することができる。例えば、図５に示すように信号検出部２０６を構成することで、３つのＦＦＴ部２０４から入力される合計９つの信号（変調信号に相当）に基づいて各色割り当て信号に含まれるキャリア信号の種類を検出することができる。

図５に示すように、信号検出部２０６は、信号選択部２５２、及びレベル判定部２５４により構成される。上記の通り、信号検出部２０６には、各ＦＦＴ部２０４から、それぞれ３つのキャリア成分が入力されるため、合計９つのキャリア成分が入力される。そして、これら９つのキャリア成分は、信号選択部２５２、及びレベル判定部２５４に入力される。また、レベル判定部２５４には、所定の閾値が入力される。そこで、レベル判定部２５４は、各キャリア成分の信号振幅が所定の閾値を越えるか否かを判定する。

例えば、所定の閾値は、ノイズレベルより高く、キャリア信号の情報を含むキャリア成分の信号振幅よりも低い値に設定される。すると、キャリア成分の信号振幅が所定の閾値を下回る場合、そのキャリア成分がキャリア信号を含まないことが示される。同様に、９つのキャリア成分について上記の判定処理が実行され、キャリア信号の有無が９ビットのデータとして後段の組み合わせ検出部２１０に出力される。また、レベル判定部２５４においてキャリア信号が存在すると判定されたキャリア成分の情報は信号選択部２５２に入力される。そして、信号選択部２５２は、レベル判定部２５４から入力された情報に基づき、キャリア信号の情報が含まれるキャリア成分のみを選択して後段の各復調部２０８に出力する。

上記のようにしてレベル判定部２５４で検出された９ビットのデータは、各色割り当て信号と各キャリア信号との間の対応関係を示すものである。また、信号選択部２５２で選択されたキャリア成分は、各キャリア周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の変調信号に相当する。従って、組み合わせ検出部２１０には、色割り当て信号とキャリア信号との間の対応関係を示す情報が入力されることになる。また、各復調部２０８には、各キャリア周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３に対応する変調信号が入力されることになる。このように、信号検出部２０６により、送信装置１００のキャリア割り当て部１０８で決定された割り当て方法が検出される。この割り当て方法は、キャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃに基づいて決定されたものである。逆に言えば、この割り当て方法が検出できると、その検出結果に基づいてキャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃが検出できる。

組み合わせ検出部２１０においては、信号検出部２０６から入力された各色割り当て信号とキャリア信号との対応関係に基づいてキャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃを検出する。そして、組み合わせ検出部２１０で検出されたキャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃは、Ｐ／Ｓ変換部２１２に入力される。一方、各復調部２０８では、入力された変調信号に復調処理を施して元の並列データを復調する。各復調部２０８で復調された並列データは、Ｐ／Ｓ変換部２１２に入力される。その後、Ｐ／Ｓ変換部２１２は、各復調部２０８から入力された並列データ、及び組み合わせ検出部２１０から入力されたキャリア割り当て用の制御データを並直列変換して送信データｄを復元する。このように、各色に各キャリアを割り当てる組み合わせにデータを載せることで、同じ色数（多重度数）であっても、より多くのデータを伝送することが可能になる。

以上、本実施形態に係る可視光通信システムＬＳ２の構成について説明した。上記の通り、本実施形態においては、各キャリア周波数に対応するキャリア信号をドライバ回路１１０の前段で加算せず、各キャリア信号の信号振幅に応じた発光強度で各発光素子１１２を発光させる。そのため、ＯＦＤＭ方式におけるＰＡＰＲ増加の問題が緩和され、各色のドライバ回路１１０及び発光素子１１２に対して要求されるダイナミックレンジの幅が低く抑えられる。その結果、小型で安価なＬＥＤ駆動回路及びＬＥＤを用いて、ＯＦＤＭ方式による通信性能の向上効果を得ることが可能になる。また、互いに直交するキャリア正弦波信号に各並列データが割り当てられるため、色間干渉による影響を除去することができる。さらに、キャリア割り当て方法にデータを載せて伝送するため、色数以上のデータを同時に伝送することが可能になり、多重化数を増加させずに伝送速度を向上させることができる。その結果、可視光通信における伝送速度を飛躍的に向上させることが可能になる。

（キャリア割り当て部１０８の詳細な構成）
ここで、図３を参照しながら、送信装置１００が有するキャリア割り当て部１０８の構成について、より詳細に説明する。図３は、キャリア割り当て部１０８の一構成例、及びキャリア割り当て方法の一例を示す説明図である。

図３に示すように、キャリア割り当て部１０８は、３つのスイッチ１３２、１３４、１３６、スイッチ制御部１３８、及び３つの加算器１４２、１４４、１４６により構成される。スイッチ１３２（ＳＷ１）には、乗算器１０６からキャリア周波数ｆ１に対応するキャリア信号Ｓ１が入力される。スイッチ１３４（ＳＷ２）には、乗算器１０６からキャリア周波数ｆ２に対応するキャリア信号Ｓ２が入力される。スイッチ１３６（ＳＷ３）には、乗算器１０６からキャリア周波数ｆ３に対応するキャリア信号Ｓ３が入力される。また、スイッチ制御部１３８には、キャリア割り当て用の制御データ列Ｓｃが入力される。

各スイッチ１３２、１３４、１３６（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）には、それぞれ３つの出力端子が設けられている。例えば、スイッチ１３２（ＳＷ１）は、スイッチ制御部１３８による切り替え制御に応じて、入力端子に入力されたキャリア信号Ｓ１をいずれかの出力端子に出力する。３つの出力端子は、それぞれ各色の発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ）、ＬＥＤ（Ｃｇ）、ＬＥＤ（Ｃｂ））に対応する。つまり、スイッチ１３２（ＳＷ１）の出力端子が選択されることで、キャリア信号Ｓ１の割り当てられる色が決定される。同様に、スイッチ１３４（ＳＷ２）は、スイッチ制御部１３８による切り替え制御に応じて、入力端子に入力されたキャリア信号Ｓ２をいずれかの出力端子に出力する。また、スイッチ１３６（ＳＷ３）は、スイッチ制御部１３８による切り替え制御に応じて、入力端子に入力されたキャリア信号Ｓ３をいずれかの出力端子に出力する。

上記の通り、スイッチ１３２、１３４、１３６（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）の各出力端子は、それぞれ各色の発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ）、ＬＥＤ（Ｃｇ）、ＬＥＤ（Ｃｂ））に対応している。そのため、同じ色に対応する出力端子から出力された信号は、いずれか同じ加算器１４２、１４４、１４６に入力される。例えば、赤色Ｒに対応する出力端子について考えてみよう。赤色Ｒの発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ））は、ドライバ回路１１０（Ｄｒ）により駆動制御される。さらに、ドライバ回路１１０（Ｄｒ）は、加算器１４２から出力される信号の振幅に応じた発光強度で発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ））を駆動する。このように、加算器１４２は赤色Ｒに対応する。同様に、加算器１４４は緑色Ｇに対応する。さらに、加算器１４６は青色Ｂに対応する。

そのため、加算器１４２には、スイッチ１３２、１３４、１３６（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）の赤色Ｒに対応する出力端子から信号が入力される。同様に、加算器１４４には、スイッチ１３２、１３４、１３６（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）の緑色Ｇに対応する出力端子から信号が入力される。さらに、加算器１４６には、スイッチ１３２、１３４、１３６（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３）の青色Ｂに対応する出力端子から信号が入力される。加算器１４２、１４４、１４６では、それぞれ入力された信号が加算される。そして、加算器１４２、１４４、１４６から出力された信号（色割り当て信号）は、ドライバ回路１１０に入力される。ドライバ回路１１０は、入力された色割り当て信号の信号振幅に応じた発光強度で発光素子１１２を発光制御する。発光素子１１２は、ドライバ回路１１０による発光制御に応じて対応する色の光を発する。

上記の通り、キャリア割り当て部１０８においては、キャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が入力されると、スイッチ制御部１３８の切り替え制御を受けてスイッチ１３２、１３４、１３６がキャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を各色へと割り当てる。そして、各色に割り当てられたキャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は加算され、その加算処理で生成された色割り当て信号に基づいて各色の光が発光される。キャリア割り当て部１０８における信号の流れは上記の通りである。次に、スイッチ制御部１３８による割り当て方法について説明する。

図３の例では、３つのキャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が３つの色（Ｃｒ、Ｃｇ、Ｃｂ）に割り当てられる。そのため、組み合わせ数は、３^３＝２７通りとなる。従って、スイッチ制御部１３８による割り当て処理で伝送可能なデータ量は、下記の式（１）のように計算され、４．７５ビットとなる。つまり、図３に例示したキャリア割り当て部１０８の構成を採用すると、キャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３で伝送されるデータ量に加え、さらに４．７５ビットのデータを伝送することが可能になる。

…（１）

なお、本実施形態に例示した構成においては、説明の都合上、キャリア数が３、発光素子１１２の数（色数）が３に限定されていた。しかしながら、本実施形態の構成は任意のキャリア数及び色数に拡張することが可能である。例えば、キャリア数ｎ_ｆ、色数ｎ_ｃの場合、上記の割り当て方法で追加的に伝送可能になるデータ量Ｉ_ｋは、下記の式（２）により表現することができる。従って、本実施形態に係る送信装置１００が伝送可能なデータ量Ｉは、下記の式（３）により表現される。

…（２）

…（３）

但し、同式において、Ｎ_Ｂは、各キャリアの変調波１シンボル当たりのビット数を表す。また、係数（２／（ｎ_ｆ＋１））は、キャリア数を増やして帯域分割することで得られるデータ圧縮率を表す。この係数を乗じることにより、ＷＤＭ方式の可視光通信システムＬＳ１で伝送可能なデータ量と直接的な対比を行うことができるようになる。なお、キャリア毎に変調部１０４における変調方式を変えることも可能であるが、ここでは全てのキャリアについて同じ変調方式が用いられるものとした。上記の式（３）に基づいてＷＤＭ方式の可視光通信システムＬＳ１で伝送可能なデータ量と、本実施形態に係る可視光通信システムＬＳ２で伝送可能なデータ量とを比較したので、その比較結果を図６に示す。

上記の通り、ＷＤＭ方式の場合は１シンボル当たりのビット数が伝送可能なデータ量となるが、本実施形態の場合はキャリア数に応じてシンボル長が変化する。そのため、ＷＤＭ方式のシンボル長と等価的になるように、本実施形態で伝送可能なデータ量には、上記の係数を掛けたデータ量が用いられている。図６を参照すると、本実施形態に係るデータ量は、ＬＥＤ数ｎ_ｃ、キャリア数ｎ_ｆに依らずＷＤＭ方式のデータ量を上回ることが分かる。また、キャリア数ｎ_ｆが増加しても、伝送可能なデータ量の低下が非常に少ないことが分かる。このことから、伝送可能なデータ量を大きく低下させることなく、ＯＦＤＭのシンボル長を長くしてマルチパス耐性を向上させるように構成することができる。

さて、ここでキャリア割り当て部１０８の構成及びスイッチ制御部１３８による制御方法について説明を補足する。図３に例示したように、キャリア信号Ｓ１、Ｓ２が加算器１４２に入力され、キャリア信号Ｓ３が加算器１４６に入力されると、各発光素子１１２から各色の光が発せられる。これらの各光に含まれる信号分布を模式的に示すと、図４のようになる。図４の（Ａ）は発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｒ）の出力、（Ｂ）は発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｇ）の出力、（Ｃ）は発光素子１１２（ＬＥＤ（Ｃｂ）の出力に対応する。また、実線が存在するスペクトルである。図３の割り当て例においては、赤色Ｒ（Ｃｒ出力）の信号分布にキャリア周波数ｆ１、ｆ２の信号が現れ、緑色Ｇ（Ｃｇ出力）の信号分布には信号が存在せず、青色Ｂ（Ｃｇ出力）の信号分布にキャリア周波数ｆ３の信号が現れている。

この例において、Ｃｒ出力は、単一のキャリア信号の周波数スペクトルに比べると幅が広い。そのため、単一のキャリア信号を発光させる場合に比べ、ドライバ回路１１０、及び発光素子１１２に要求するダイナミックレンジが広くなる。しかし、３つのキャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を全て加算したＯＦＤＭ信号の信号振幅に基づいて発光する場合に比べると、ダイナミックレンジを低く抑制することができる。本実施形態においては、各ドライバ回路１１０、及び各発光素子１１２に課せられるダイナミックレンジへの性能要求を低減させることも目的に含まれる。そのため、スイッチ制御部１３８は、キャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の色割り当て処理を行う際に、同じ色に全てのキャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が割り当てられないようにする方が好ましい。

さらに、キャリア割り当て部１０８は、異なる色に同じキャリア信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が割り当てられないように構成されている。つまり、スイッチ１３２、１３４、１３６は、入力端子から入力されたキャリア信号が複数の出力端子に出力されないように構成されている。異なる色に同じキャリア信号が割り当てられると、その色間でキャリア周波数の直交性が失われてしまう。そのため、色間干渉の影響により伝送品質が劣化してしまう。そこで、本実施形態においては、異なる色に同じキャリア信号が割り当てられないようにキャリア割り当て部１０８が構成されているのである。このような構成にすることで、ＯＦＤＭ方式の特性を生かし、上記のような色間干渉の影響を除去することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態に係る可視光通信システムＬＳ２は、発光色の異なる複数のＬＥＤに対して、送信情報で変調されたＯＦＤＭ信号の各キャリア信号成分を割り当てる。このとき、各キャリア信号は情報変調されていることに加えて、ＬＥＤにキャリア信号を割り当てる際のキャリア周波数とＬＥＤ波長の組み合わせにも情報を付加する。このような構成により、ＷＤＭ方式に比べて伝送速度が向上すると共に、ＷＤＭ方式で問題となる色間干渉の影響を除去することができる。その結果、通信品質が向上し、ＬＥＤやＰＤに関して選定方法や設置数の自由度を向上させることにも繋がる。また、キャリア数を増やしても伝送可能なデータ量が大きく減らないため、キャリア数を増加させてマルチパス耐性を向上できるような構成にすることも可能になる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上記の説明においては、発光手段としてＬＥＤを例に挙げて説明した。しかしながら、発光手段としては、ＬＥＤの他にも、例えば、ＬＤ、ＳＬＤ等の半導体発光素子、蛍光灯、ブラウン管（ＣＲＴ）ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）装置、有機電界発光（ＥＬ）ディスプレイ装置、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置等が用いられる。

ＷＤＭ方式の可視光通信システムのシステム構成の一例が示された説明図である。本発明の一実施形態に係る可視光通信システムのシステム構成の一例を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る送信装置の詳細な機能構成の一例を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るキャリア割り当て方法の一例が示された説明図である。本発明の一実施形態に係る信号検出部の詳細な機能構成の一例を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る技術を適用することで得られる効果の一例を示す説明図である。

符号の説明

ＬＳ２可視光通信システム
１００送信装置
１０２Ｓ／Ｐ変換部
１０４変調部
１０６乗算器
１０８キャリア割り当て部
１１０ドライバ回路
１１２発光素子
１３２スイッチ
１３４スイッチ
１３６スイッチ
１３８スイッチ制御部
１４２加算器
１４４加算器
１４６加算器
２００受信装置
２０２受光素子
２０４ＦＦＴ部
２０６信号検出部
２０８復調部
２１０組み合わせ検出部
２１２Ｐ／Ｓ変換部
２３２乗算器
２３４積分回路
２５２信号選択部
２５４レベル判定部

Claims

互いに異なる色の光を発光する複数の発光素子と、
送信データを直並列変換してキャリア数分（Ｎ個）の第１データ列、及び第２データ列を出力する直並列変換部と、
前記直並列変換部から出力されたＮ個の第１データ列をそれぞれ所定の多値数で変調してＮ個の変調信号を生成する変調部と、
前記変調部で生成されたＮ個の変調信号に対し、互いに直交するキャリア周波数を持つＮ個の正弦波信号を各々乗算してＮ個のキャリア信号を生成する正弦波信号乗算部と、
前記正弦波信号乗算部で生成された前記Ｎ個のキャリア信号を前記第２データ列に基づいて前記複数の発光素子に割り当て、同じ発光素子に割り当てられたキャリア信号を加算して前記発光素子の数だけ送信信号を生成するキャリア割り当て部と、
前記キャリア割り当て部で生成された各送信信号の信号振幅に応じた発光強度で、当該各送信信号に対応する発光素子を発光させる発光制御部と、
を有する、送信装置と；
互いに色の異なる光を受光して各色の受信信号を出力する複数の受光素子と、
前記各受光素子から出力された受信信号に対し、前記Ｎ個の正弦波信号を用いてＦＦＴ処理を施すことにより前記変調信号を色毎に抽出するＦＦＴ部と、
前記ＦＦＴ部で抽出された変調信号を復調して前記第１データ列を復元する復調部と、
前記ＦＦＴ部で抽出された変調信号に基づいて前記各キャリア信号と前記各色の発光素子との間の対応関係を検出し、当該検出結果に基づいて前記第２データ列を復元する第２データ列復元部と、
前記復調部及び前記第２データ列復元部で復元された第１及び第２データ列を並直列変換して元の送信データを復元する並直列変換部と、
を有する、受信装置と；
を含む、可視光通信システム。
前記キャリア割り当て部は、
前記各キャリア信号が入力される入力端子、及び前記複数の発光素子に各々対応する複数の出力端子を持ち、前記入力端子に入力された各キャリア信号の出力先をいずれかの前記出力端子に切り替えるＮ個のスイッチと、
前記第２データ列に基づいて前記各スイッチを制御し、前記各スイッチに入力されたキャリア信号の出力先を制御するスイッチ制御部と、
前記Ｎ個のスイッチについて、同じ前記発光素子に対応する出力端子から出力されたキャリア信号を加算する前記発光素子と同数の加算部と、
を含む、請求項１に記載の可視光通信システム。
前記キャリア割り当て部は、１つの前記キャリア信号が複数の前記発光素子に割り当てられないように前記各キャリア信号の割り当て処理を実行する、請求項１又は２に記載の可視光通信システム。
前記第２データ列復元部は、
前記Ｎ個のキャリア信号のそれぞれについて、前記各色の受信信号に含まれるか否かを判定する信号判定部と、
前記信号判定部による判定結果に基づいて前記各色と前記各キャリア信号との組み合わせを検出し、当該組み合わせから前記第２データ列を復元するデータ復元部と、
を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の可視光通信システム。
互いに異なる色の光を発光する複数の発光素子を有する送信装置が、
送信データを直並列変換してキャリア数分（Ｎ個）の第１データ列、及び第２データ列を出力する直並列変換ステップと、
前記直並列変換ステップで出力されたＮ個の第１データ列をそれぞれ所定の多値数で変調してＮ個の変調信号を生成する変調ステップと、
前記変調ステップで生成されたＮ個の変調信号に対し、互いに直交するキャリア周波数を持つＮ個の正弦波信号を各々乗算する正弦波信号乗算ステップと、
前記正弦波信号乗算ステップの乗算処理で生成されたＮ個のキャリア信号を前記第２データ列に基づいて前記複数の発光素子に割り当てるステップと、
前記割り当てるステップで同じ発光素子に割り当てられたキャリア信号を加算して前記発光素子の数だけ送信信号を生成するステップと、
前記送信信号を生成するステップで生成された各送信信号の信号振幅に応じた発光強度で、当該各送信信号に対応する発光素子を発光させる発光制御ステップと、
互いに色の異なる光を受光して各色の受信信号を出力する複数の受光素子を有する受信装置が、
前記各受光素子から出力された受信信号に対し、前記Ｎ個の正弦波信号を用いてＦＦＴ処理を施すことにより前記変調信号を色毎に抽出するＦＦＴステップと、
前記ＦＦＴステップで抽出された変調信号を復調して前記第１データ列を復元する復調ステップと、
前記ＦＦＴステップで抽出された変調信号に基づいて前記各キャリア信号と前記各色の発光素子との間の対応関係を検出し、当該検出結果に基づいて前記第２データ列を復元する第２データ列復元ステップと、
前記復調ステップ及び前記第２データ列復元ステップで復元された第１及び第２データ列を並直列変換して元の送信データを復元する並直列変換ステップと、
を含む、信号伝送方法。