技术摘要：
本发明公开了一种可见光通信与能量收集系统，涉及可见光通信与能量收集领域，其中，系统包含发射装置和接收装置，发射装置包含依次连接的FPGA调制模块、预均衡模块、LED阵列驱动模块；接收装置包含并行关系的信息接收模块和能量接收模块，其中信息接收模块包含依次连接  全部
背景技术：
目前，无线通信技术受到载波频率和物理带宽限制，人们迫切寻求一种新的无线 通信技术。为了满足未来无线通信的需求，传输速率更快带宽更高的光通信技术便应运而 生。作为未来无线传输额外补充的通信方式，可见光通信（Visible  Light  Communication,  VLC）是一种可同时兼顾“照明和通信”的无线通信技术，具有频谱资源丰富、低功耗等诸多 优点。 VLC采用发光二极管（Light-Emitting  Diode,  LED）作为光源，具有高亮度、低功 耗、寿命长等诸多优点，同时可以将电信号通过调制技术加载在可见光上进行传输，但是 LED自身的窄带特性影响VLC系统调制带宽。为了解决这一问题，可采用硬件均衡技术。硬件 均衡技术作为提升VLC系统带宽的一种有效方法，在设计过程中存在复杂度与成本过高的 问题，如：“T”型均衡器、多谐振均衡器，还存在拓扑结构复杂、灵活度低的问题，这些问题严 重限制了VLC的发展。 在传统无线通信中，常常采用能量收集技术将微弱的射频信号能量转换为电能 量，并为小型基站、中继节点供能，实现无线通信系统的能量复用。VLC发展理念是“绿色、节 能”，在VLC系统中除了拥有丰富的频谱资源外，LED本身就是一种能量源，将LED发出的光能 转换电能为可见光通信设备供能，则可以实现照明、通信与能量复用。如何设计新的可见光 通信系统，兼顾“照明、通信、能量复用”，充分体现绿色通信的方式是十分必要的。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提出一种可见光通信与能量收集系 统，旨在解决因器件不匹配和非线性而导致系统带宽较低的问题，大幅提高系统调制带宽 和传输速率，降低系统设计的成本和制作复杂度，利于可见光通信的推广；同时，设计的能 量接收装置可以将接收到的光能充分转换为电能为系统运行提供能量，整个通信系统兼顾 “照明、通信、能量复用”三重供能，充分体现“绿色、节能、循环”的通信思想。 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 一种可见光通信与能量收集系统，包含系统发射装置和接收装置； 所述可见光通信发射装置用于发射调制信号，包含依次连接的FPGA调制模块、数模转 换模块、预均衡模块、LED驱动模块、LED光源阵列； 所述接收装置，用于接收发射装置传输的信号和光能量，包含并行关系的通信接收模 块和能量接收模块。 其有益效果是信息的接收和能量的接收分两路并行同时接收，互不干扰。 所述通信接收模块，用于接收发射模块发送的加载在可见光上的调制信号，包括 依次连接的PIN光电探测器阵列、光电转换模块、后均衡模块、模数转换模块、FPGA解调模 4 CN 111585652 A 说　明　书 2/5 页 块； 所述能量接收模块，用于接收发射模块发送的信号光与环境光能量，实现系统能量自 给，包含依次连接的硅光电池组件、能量收集模块、能量管理模块、储能电池。 所述FPGA调制模块，用于将信源发出的信号进行调制，并将调制信号发送至D/A数 模转换模块；所述D/A数模转换模块，用于将FPGA调制模块输出的数字信号转换为模拟信号 并输出至均衡电路；所述预均衡模块，用于将输入的模拟信号进行均衡处理并传输至LED驱 动模块；所述LED驱动模块，用于将均衡电路输出电信号进行功率放大的同时驱动LED光源 阵列长亮，输出加载调制信息的光信号。 所述PIN光电探测器阵列，用于接收可见光通信发射模块发出的光信号；所述光电 转换模块，用于将接收的光信号转换为电信号，同时将电信号放大输出至后均衡模块；所述 后均衡模块，用于将接收的模拟电信号进行均衡处理并传输至模数转换模块；所述模数转 换模块，用于将均衡后的模拟信号转换为数字信号并传输至FPGA解调模块；所述FPGA解调 模块，用于将接收到的调制信号进行解调。 所述硅光电池组件，用于接收发射光信号和环境光信号，并将收集光信号转换为 电信号；所述能量收集模块，用于硅光电池组件的最大功率点追踪与升压转换，并将升压后 的电信号传输至能量管理模块；所述能量管理模块，用于管理收集的所有能量，实现储能电 池电量动态显示与系统供能；所述储能电池，用于存储系统的能量。 作为本发明一种可见光通信与能量收集系统的进一步优选方案，所述预均衡电路 包含第一电阻、第一电容、第二电阻、第三电阻、第三电容和运算放大器，第一电阻的一端与 第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别 与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接信号输入Vin端，运算放大 器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第 三电容的一端和信号输出Vout端，第三电容的另一端接地。 其有益效果在于所述预均衡电路提升信号发射功率，有效减少由LED等器件的非 线性对调制带宽的影响，提升发射端调制信号带宽，同时具有拓扑结构简单，制作成本低的 优点。 作为本发明一种可见光通信与能量收集系统的进一步优选方案，所述后均衡电路 电路包含第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九 电容、第十电容和运算放大器，光电转换信号Vi从负极输入，第八电阻与第六电容并联后接 入运算放大器的负极输入端，第九电阻与第七电容并联，一端与运算放大器负极输入端相 连，另一端与运算放大器输出端相连；第十电阻和第十电容并联，一端与运算放大器输出端 相连，另一端为信号输出端Vo；运算放大器的正极输入端与地相连；第十一电阻一端与地相 连，另一端与信号输出端Vo相连。 其有益效果在于所述后均衡电路可以有效提高接收信号幅值，减少信号相位偏 转，滤除接收信号杂波，提升系统带宽，也同样具有拓扑结构简单，制作成本低的优点。 作为本发明一种可见光通信与能量收集系统的进一步优选方案，所述能量收集模 块包含基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路和基于MAX669芯片的DC/DC升压电路；所述 基于BQ25504最大功率点追踪电路用于收集信号光和环境光的微弱能量，同时使硅光电池 输出电压保持稳定；所述基于MAX669的DC/DC升压电路用于放大基于BQ25504最大功率点追 5 CN 111585652 A 说　明　书 3/5 页 踪电路的输出电信号，使输出电压达到系统供电要求。 其有益效果在于该模块在保持硅光电池输出电压稳定，提高能量输出最大功率， 提升能量收集效率，同时不影响信息接收。 作为本发明一种可见光通信与能量收集系统的进一步优选方案，所述能量管理模 块包含基于ZS6366芯片的充电管理电路、外围电路等。 其有益效果在于可以动态监控储能电池电量，使系统获得更高更稳定的输出电 流，根据负载和电池能量自主调节能量分配，保护系统供电安全。 作为本发明一种可见光通信与能量收集系统的进一步优选方案，所述FPGA调制与 所述FPGA解调模块分别包含FPGA芯片以及分别与其连接的电源管理模块、时钟电路、复位 电路和USB转串口；所述电源管理模块用于提供FPGA调制模块所需电能；所述复位电路用于 清除FPGA调制与解调过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；所述时钟电路包含 60M晶振，用于提供满足发射信号的频率；所述USB转串口用于实现电脑与FPGA调制模块的 通信转换。 其有益效果在于所述FPGA调制模块与所述FPGA解调模块可以开放式编译调制和 解调信号，根据系统需求，自适应调整调制和解调信号的方法，运算速度快，提升信号传输 效率。 作为本发明一种可见光通信与能量收集系统的进一步优选方案，所述运算放大器 的芯片型号为OPA690。 本发明具有以下优点： （1）本发明设计预均衡电路和后均衡电路，可以有效减少由器材的非线性造成信号波 形形变的影响，同时将接收到模拟信号波形归整、滤波，有效提高系统调制带宽。 （2）采用运算放大器与三极管结合的预均衡驱动电路、运算放大器和无源器件组 成的后均衡电路，在提升系统调制带宽的同时，也降低电路的复杂度与制作成本。 （3）系统接收端采用能量接收与信息接收并行的方式，有效避免了传输信号与传 输能量间的干扰，同时提升传输速率和能量收集效率。 （4）整个系统实现了“照明、通信、能量复用”；提高了系统调制带宽、降低装置成 本、降低装置复杂度，充分体现了“绿色、节能、循环”的通信方式。 附图说明 图1是本发明系统整体结构示意图； 图2为本发明PGA调制模块和解调模块通用结构示意图； 图3为本发明预均衡电路原理图； 图4为本发明后均衡电路原理图； 图5为本发明后均衡电路幅频特性曲线； 图6为本发明能量收集模块结构示意图； 图7 为本发明基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路； 图8为本发明能量管理模块结构示意图； 图9为本发明均衡电路加入前后带宽变化对比图； 图10为本发明能量接收端输出电压随光照变化曲线图。 6 CN 111585652 A 说　明　书 4/5 页