專利名稱：光接收機(jī)面陣傳感器的信號(hào)輸出方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種具有成像光學(xué)系統(tǒng)和面陣光電傳感器的光接 收機(jī)的一種信號(hào)輸出方法。
背景技術(shù)：
光通信系統(tǒng)從信道角度看可以分為有線通信和無線通信兩類。光有線通信目前的主要技 術(shù)是光纖通信，已經(jīng)成為傳輸網(wǎng)中的骨干技術(shù)。光無線通信系統(tǒng)從所用發(fā)射光的特性上講， 目前主要有激光通信和紅外通信兩種。激光通信一般用于較遠(yuǎn)距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中，紅外通 信的主要技術(shù)之一是用于便攜設(shè)備近距數(shù)據(jù)交換的IrDA (國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)。一般的光通信系統(tǒng)接收機(jī)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器和信號(hào)處理電路組成。光學(xué)系統(tǒng) 收集、過濾空間的光信號(hào)，使其聚焦在光電探測(cè)器上；光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸 出到信號(hào)處理電路；信號(hào)處理電路進(jìn)行相應(yīng)的放大、濾波、檢測(cè)、解調(diào)、解碼等最終輸出數(shù) 據(jù)。在這樣的光通信系統(tǒng)中通常是一個(gè)發(fā)射光源對(duì)應(yīng)一個(gè)光電探測(cè)器，即使是復(fù)用了多路信 號(hào)的光纖通信系統(tǒng)最終在接收端解復(fù)用后，空間上也是一個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)一路光信號(hào)。通信所 用的光電接收機(jī)一般采用直接檢測(cè)模式，即不考慮光信號(hào)的相位信息，而只考慮光信號(hào)的能 量信息，探測(cè)器的輸出是連續(xù)的模擬電信號(hào)，信號(hào)的形式取決于發(fā)射光的調(diào)制形式。如果是 脈沖光，則輸出也是脈沖的電信號(hào)?？梢姽馔ㄐ攀抢^激光、紅外之后的一種新興通信技術(shù)。隨著照明LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展， 利用照明LED實(shí)現(xiàn)可見光通信將成為現(xiàn)行通信系統(tǒng)的一種補(bǔ)充或者替代，特別是在室內(nèi)短距 高速無線通信應(yīng)用上?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理和基本構(gòu)成與激光、紅外通信系統(tǒng)類似。 應(yīng)用于室內(nèi)的無線通信設(shè)備通常是便攜設(shè)備，如筆記本電腦、移動(dòng)電話、音視頻播放器、數(shù) 碼照相機(jī)、游戲機(jī)等。而將這些設(shè)備通過光通信接入到通信網(wǎng)絡(luò)的一種簡(jiǎn)便方法是利用其自 身攜帶的光電成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光通信信號(hào)的接收，如筆記本電腦和手機(jī)上的攝像頭。最 可能的應(yīng)用情形之一是利用LED陣列發(fā)送多路光信號(hào)，通過各個(gè)便攜設(shè)備的成像光學(xué)系統(tǒng)在 其圖像傳感器上形成這些LED的像，不同的探測(cè)像元對(duì)應(yīng)著不同的LED。如果這些探測(cè)像元 能夠獨(dú)立檢測(cè)、輸出對(duì)應(yīng)的LED光信號(hào)，那么就可以實(shí)現(xiàn)多路或者多址光通信。單元的光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)連續(xù)的光電轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的輸出是連續(xù)的模擬信號(hào)，其后的處理電 路通常是放大、濾波等。面陣的探測(cè)器，如果不是規(guī)模很大，比如只有32X32像元，那么可
以獨(dú)立對(duì)待每一像元的輸出，每一探測(cè)像元及其后續(xù)電路構(gòu)成獨(dú)立的輸出通道。對(duì)32X32面 陣探測(cè)器應(yīng)該有1024個(gè)獨(dú)立的并行連續(xù)輸出通道。這對(duì)現(xiàn)代集成電路技術(shù)來說實(shí)現(xiàn)起來并非 是十分困難。但是現(xiàn)行圖像傳感器(包括將來的面陣傳感器)，無論是CCD的還是CMOS的，如S0NY的 ICX418AKL (彩色攝像機(jī)用8咖CCD圖像傳感器)和KODAK的KAI-0330 (648X484 CCD圖像 傳感器)、KAC-9628 (648X488 CMOS圖像傳感器)，都是面陣光電探測(cè)器與輸出取樣/處理電 路的集成，其輸出是探測(cè)器某一時(shí)刻的取樣值，而不是連續(xù)輸出。一般CCD圖像傳感器采用的輸出方式是在同一時(shí)刻將所有探測(cè)象元的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)移到與 列象元間隔設(shè)置的縱向CCD線陣上存儲(chǔ)起來，然后再將每個(gè)縱向CCD上的信號(hào)逐一轉(zhuǎn)移到一 個(gè)橫向CCD線陣上，每次相當(dāng)于一行信號(hào)，橫向CCD再在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下逐一串行輸出。CMOS圖 像傳感器的輸出方式與CCD圖像傳感器類似，只是CMOS列信號(hào)的輸出并非是同一時(shí)刻的值， 而是逐行掃描后輸出或者逐元掃描后輸出。CCD和CMOS圖像傳感器的取樣輸出是離散的模擬信號(hào)，而非連續(xù)的模擬信號(hào)。離散的模 擬信號(hào)在隨后進(jìn)行的相關(guān)雙采樣(CDS)模數(shù)變換后，再變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。之所以采用取樣輸出 的方式， 一方面是因?yàn)槊骊囅裨獢?shù)量的規(guī)模太大，在集成電路里很難規(guī)劃數(shù)百萬甚至上千萬 并行的處理與輸出通道；另一個(gè)方面作為圖像或者視頻應(yīng)用，并不需要太高的輸出頻率，存 儲(chǔ)起來再串行輸出或者掃描輸出已經(jīng)能夠滿足使用要求。然而，如果使用類似的圖像傳感器作為多路光接收機(jī)的探測(cè)器件，那么除了常規(guī)光電探 測(cè)涉及的探測(cè)靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)頻帶等參數(shù)外，將存在兩個(gè)問題 一個(gè)是輸出象元的 選擇問題； 一個(gè)是輸出采樣與接收光的同步問題。當(dāng)使用圖像傳感器探測(cè)光通信信號(hào)時(shí)，響應(yīng)的像元并不是所有的像元，而可能僅僅是部 分象元，這與發(fā)送光源和光接收機(jī)的相對(duì)位置有關(guān)。那么如何屏蔽其他無關(guān)象元對(duì)環(huán)境光的 響應(yīng)信號(hào)，而只輸出有效的通信信號(hào)，對(duì)提高數(shù)據(jù)傳輸速率，減少冗余信號(hào)有很大影響。特 別是仍舊采用取樣輸出的方式時(shí)，如果能夠?qū)敵鱿笤M(jìn)行選擇，那么在同樣的輸出時(shí)鐘驅(qū) 動(dòng)下，針對(duì)部分象元的輸出速率將急劇提高。光無線通信系統(tǒng)發(fā)送的光信號(hào)是調(diào)制信號(hào)，通常采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)，脈沖頻率調(diào) 制(PFM)、脈沖寬度調(diào)制(P簡(jiǎn))或者脈沖位置調(diào)制(PPM)等。無論哪種調(diào)制方式，其表現(xiàn) 都是間斷性的光信號(hào)。調(diào)制信號(hào)如果能夠連續(xù)地輸出，則能夠保持信號(hào)所含信息的完整性。 但是如果探測(cè)器采用取樣輸出，理論上講，只有按照奈奎斯特采樣定理，將輸出的取樣頻率 提高到光脈沖信號(hào)帶寬的兩倍以上才有可能保持信息的完整性。如果期望的通信數(shù)據(jù)速率很 高，相應(yīng)的光脈沖頻率就很高，這種采樣速率很難滿足。本發(fā)明針對(duì)面陣光電傳感器的輸出在空間和時(shí)間上都表現(xiàn)為離散性的特點(diǎn)，為提高通信 速率，在使用面陣光電傳感器的光接收機(jī)中引入了一種輸出象元選擇和輸出取樣與照射光脈 沖同步的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要內(nèi)容是一種光無線通信系統(tǒng)中的接收機(jī)，其主要特征是光接收機(jī)采用面陣 光電傳感器，面陣傳感器中可選擇特定的象元信號(hào)輸出，輸出的取樣時(shí)刻與光照脈沖在時(shí)間 上同步。本發(fā)明基于一個(gè)光發(fā)送單元和一個(gè)光接收單元?；窘M成包括一個(gè)光發(fā)送點(diǎn)源或者光發(fā) 送陣列，在接收端有一個(gè)成像光學(xué)系統(tǒng)， 一個(gè)面陣光電探測(cè)器以及其輸出和處理電路。顯然， 這樣的光接收單元可以與圖像/視頻采集系統(tǒng)兼用。光發(fā)送單元按照通信系統(tǒng)的約定發(fā)送調(diào)制的脈沖光信號(hào)，這些信號(hào)代表著發(fā)送的數(shù)據(jù)。 光信號(hào)經(jīng)過空間信道和光學(xué)系統(tǒng)后在面陣光電探測(cè)器上成像，面陣探測(cè)器在輸出電路的控制 下輸出光電轉(zhuǎn)換信號(hào)，然后送處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理后輸出最終接收的數(shù)據(jù)。在實(shí)際通信應(yīng)用中，面陣探測(cè)器除了對(duì)發(fā)送端發(fā)送光源的有用信號(hào)響應(yīng)外，還對(duì)環(huán)境光 響應(yīng)，并且可能占用更多的像元。如果全部象元的響應(yīng)信號(hào)都予輸出，那么將在后續(xù)電路中 產(chǎn)生許多不必要的信號(hào)，使得有用信號(hào)提取變得困難，有效地傳輸速率也無法提高。針對(duì)這 個(gè)問題，本發(fā)明在接收過程中引入有用象元輸出選擇程序釆用兩種方法確認(rèn)有用象元，然 后選擇輸出，減少或消除非通信光信號(hào)的響應(yīng)輸出。一種是圖像處理的方法，根據(jù)的是發(fā)送光源的物理特征。首先在初始成像時(shí)，將光源，比如發(fā)光二極管(LED)，作為整幅圖像中待檢測(cè)的目標(biāo)，使用模式識(shí)別的方法將其在面陣傳 感器中的位置確定。無論LED是亮或是暗，目前的圖像處理能力都容易實(shí)現(xiàn)。這種方法相當(dāng) 于是在空間進(jìn)行處理。二是采用輔助識(shí)別方法。使發(fā)送端的LED配合接收單元的識(shí)別發(fā)送特定脈沖頻率和亮度 的信號(hào)，接收端采集多幅圖像。假定環(huán)境光的在短時(shí)間內(nèi)沒有變化，或者變化的方式不同于 LED的光脈沖頻率，那么通過對(duì)采集的多幅圖像進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可以發(fā)現(xiàn)符合 特定LED光源的響應(yīng)點(diǎn)，由此定位其在面陣傳感器上的位置。這種方法相當(dāng)于是空間和時(shí)間 聯(lián)合處理。上述兩種方法可以單獨(dú)使用，也可以一起使用；可以在發(fā)起通信請(qǐng)求后使用，也可以在 通信過程中為進(jìn)一步修正而動(dòng)態(tài)地再使用。當(dāng)在某一時(shí)間確定了有用象元的位置后，改變輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序、頻率，或者行列地 址選擇信號(hào)，使其只選擇有用象元的輸出，而不考慮其他象元的響應(yīng)，就可以提高傳輸通道 的效率。
在通常的光通信系統(tǒng)中，發(fā)送的光信號(hào)是脈沖，寄載數(shù)據(jù)信息的位置無論是脈沖間隔、 脈沖幅度還是脈沖寬度，均要求光電傳感器的輸出不能丟失這些信息。但是一般的面陣傳感 器并非連續(xù)輸出而是取樣輸出，取樣的頻率和時(shí)刻是為了低速率的圖像/視頻采集，因此與高 速的通信光脈沖沒有任何匹配關(guān)系，直接套用會(huì)丟失很多脈沖信息。本發(fā)明為解決這個(gè)問題， 在光接收機(jī)中引入同步取樣的措施，即保證取樣時(shí)刻的輸出能夠完全記錄照射光脈沖的信息。 無論脈沖調(diào)制的方式如何，取樣電路保證在脈沖周期的起始時(shí)刻啟動(dòng)光電轉(zhuǎn)換單元進(jìn)入電荷 積累過程，將光信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換為電荷量，而在脈沖周期結(jié)束時(shí)刻將電荷量輸出。如此循環(huán)， 每一個(gè)光脈沖的信息可以被完全采集，而且不會(huì)與相鄰的光脈沖信息混淆。在沒有連續(xù)輸出的光電傳感器輔助時(shí)，同步時(shí)刻的捕獲可以采用搜索的方式。方法之一 是光源首先發(fā)送脈沖周期、脈沖寬度固定的前導(dǎo)脈沖串，而輸出取樣電路以同樣的周期對(duì)傳 感器進(jìn)行取樣并輸出。同步時(shí)刻與相位相關(guān)，首先以任意相位發(fā)送取樣觸發(fā)脈沖，然后根據(jù) 連續(xù)兩個(gè)輸出值之間大小的變化，調(diào)整后續(xù)觸發(fā)脈沖的相位向輸出增大方向改變，在持續(xù)多 個(gè)周期后，即可捕獲到最大輸出值，并持續(xù)跟蹤。解決了輸出選擇和同步問題，就可以將圖像傳感器用于高速多路光接收機(jī)，高頻率的光 脈沖信號(hào)就可以實(shí)時(shí)輸出而不受其它像元信號(hào)的干擾。


圖l是本發(fā)明組成圖。發(fā)送端一個(gè)LED光源(也可以是LED陣列)通過攝影光學(xué)系統(tǒng)在 圖像傳感器上成像，所覆蓋的象元對(duì)LED光信號(hào)響應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被選擇輸出。圖2是采用CMOS圖像傳感器的常規(guī)攝像系統(tǒng)構(gòu)成。圖3顯示取樣周期小于脈沖信號(hào)周期時(shí)，總可以采集到信號(hào)的兩種不同狀態(tài)。圖4是本發(fā)明的雙輸出模式移位寄存器，輸出均為離散的模擬信號(hào)，可以如常規(guī)串行輸 出視頻信號(hào)，也可以選擇任一象元的信號(hào)輸出。圖5是本發(fā)明采用的通信光源在圖像傳感器上成像位置的識(shí)別流程。圖6是發(fā)送端的調(diào)制光脈沖序列與接收端圖像傳感器的取樣觸發(fā)時(shí)刻以及輸出信號(hào)在同 步時(shí)的相位關(guān)系。圖7是圖像傳感器輸出的同步捕獲跟蹤電路組成。圖8是圖像傳感器輸出同步電路的幅度比較器的輸入-輸出特性。圖9是接收端圖像傳感器取樣輸出的觸發(fā)信號(hào)的同步捕獲跟蹤過程示意。
具體實(shí)施方式
基于面陣光電傳感器的光接收機(jī)，理論上可以通過成像系統(tǒng)進(jìn)行空分多路通信。但為了 簡(jiǎn)化本發(fā)明的說明，以單個(gè)發(fā)送光源為例。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化的光通信系統(tǒng)。在光發(fā)送端，發(fā) 送的數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制器(1-1)調(diào)制成脈沖信號(hào)通過發(fā)光二極管LED (1-2)發(fā)送出去。在光 接收端，通過成像光學(xué)系統(tǒng)(1-3)，發(fā)送端的光源成像于圖像傳感器(l-4)上形成光斑(l-5)。 圖像傳感器(1-4)由眾多像元組成，圖中每個(gè)小方格代表一個(gè)像元，但是圖1中1-4顯示的 16X16個(gè)小方格并非就表示圖像傳感器的實(shí)際尺寸，往往可能要大得多。通常情況下，這種 光無線通信系統(tǒng)多用于室內(nèi)短距通信，因此LED (1-2)在圖像傳感器(1-4)上的集中光照 區(qū)域(1-5)往往會(huì)覆蓋多個(gè)像元，甚至上百個(gè)像元，而圖1中的情形僅有數(shù)十個(gè)像元表示。 此區(qū)域外的其它像元同樣接收光照，只是不是有用的通信光，而是環(huán)境光。圖1中的行地址譯碼器(1-6)在DSP控制器(1-9)的控制下輸出行編碼地址，選通某 一行的象元輸出到移位寄存器(1-7)。在攝像模式下，移位寄存器(1-7)保存的一行信號(hào)被 串行輸出到DSP信號(hào)處理器(1-9)處理，得到最終的圖像或者視頻信號(hào)。這里DSP綜合表示 了離散輸出的視頻信號(hào)的有關(guān)處理功能，包括視頻放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、行/幀同步、圖像處理等。 在通信模式下，行地址譯碼器(1-6)在DSP (1-9)的控制下將轉(zhuǎn)移到一位寄存器(1-7)的 一行信號(hào)的特定的一位或幾位通過多路開關(guān)(1-8)直接轉(zhuǎn)移到DSP中。這樣利用地址譯碼器 與MUX的配合可以選擇圖像傳感器中的任意一個(gè)或幾個(gè)象元輸出。常規(guī)的圖像傳感器輸出是為了照相或者攝像，因此是一整幅一整幅地輸出。如果是標(biāo)準(zhǔn) 視頻，那么最多每秒幾十幀的輸出速率，總的數(shù)據(jù)速率雖然比較高，可達(dá)數(shù)兆赫茲，但對(duì)每 一個(gè)像元，仍舊只有每秒幾十次的取樣輸出速率。這對(duì)通信來說是太低了。如果圖1的情形處于通信狀態(tài)，而仍舊按照常規(guī)視頻的輸出方式，將全部像元的響應(yīng)信 號(hào)串行輸出，然后再在輸出的信號(hào)中選擇出有用的通信信號(hào)，那么將面臨兩個(gè)問題 一個(gè)是 受輸出通道帶寬的限制根本無法提高單個(gè)像元的響應(yīng)速率，另外一個(gè)是大量的輸出信號(hào)都是 背景光信號(hào)，這些信號(hào)是無用的。這兩個(gè)問題一個(gè)限制了光發(fā)送的數(shù)據(jù)速率， 一個(gè)給有用信 號(hào)的提取造成困難。如果各像元不是并行輸出，即使采取措施提高總的數(shù)據(jù)輸出速率，那么 在實(shí)際中仍是不太可行。常規(guī)的圖像傳感器的輸出方式如圖2所示，這是CM0S圖像傳感器的一種典型輸出方式。 CMOS圖像傳感器(2-1)受行地址譯碼器(2-2)的驅(qū)動(dòng)逐行或隔行將光電傳感器響應(yīng)的信號(hào) 轉(zhuǎn)移到橫向的移位寄存器(2-3)上，與模擬電視行掃描期間輸出的一行連續(xù)的模擬信號(hào)不同， 這里的信號(hào)是離散的模擬信號(hào)。移位寄存器然后在主時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下逐位輸出信號(hào)到視頻放大 器(2-5)進(jìn)行合適的放大以匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2-6)將離散的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 純數(shù)字信號(hào)送到數(shù)字信號(hào)處理單元(2-4)進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理及存儲(chǔ)。橫向移位寄存器的輸
出速率決定了全部象元的輸出速率。在這種驅(qū)動(dòng)方式下，任一個(gè)像元的輸出速率與幀速率相 等，視圖像傳感器和視頻標(biāo)準(zhǔn)的不同，大約在幾十到上百次每秒。如KODAK的KAC-9628的幀 速率是30fps，其象素?cái)?shù)是648 (H) X488 (V)。本發(fā)明使用的方案不再采用常規(guī)的輸出方式，而是有選擇地輸出象元的響應(yīng)信號(hào)。針對(duì) 圖l情形就是只選擇光斑(1-5)覆蓋下的象元信號(hào)輸出，這樣可以在總的輸出信號(hào)中基本保 證不受環(huán)境光信號(hào)的阻塞和擾亂，總的數(shù)據(jù)輸出帶寬可以由有用的信號(hào)獨(dú)享從而大大提高了 數(shù)據(jù)速率。如果要選擇有用像元的輸出，首先必須確定有用象元在圖像傳感器中的位置，能夠以X、 Y坐標(biāo)的方式表示出來才能夠送到行、列地址譯碼器譯碼選擇。對(duì)圖像傳感器而言，圖像輸出是基本功能，采用圖像處理的方法對(duì)特定的發(fā)光源進(jìn)行定 位已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。假定使用可見光LED作為發(fā)送端的光源， 一種比較簡(jiǎn)單的定位辦 法是收發(fā)機(jī)配合，使發(fā)送端的LED全亮，此時(shí)接收端圖像傳感器輸出的圖像將在背景中有一 個(gè)非常明顯的光斑，這個(gè)光斑的形狀即是LED發(fā)光時(shí)的形狀。采用圖像識(shí)別的一般算法即可 以將其識(shí)別出來。為了能夠更有效、更快速識(shí)別光源成像落點(diǎn)，光源的配合將非常有效。配 合的方法之一是發(fā)送如圖3中3-1所示的周期脈沖，脈沖占空比50%，周期大于圖像傳感器 能夠輸出的幀周期，如圖3中3-2所示。這樣的設(shè)置可以使輸出的圖像分別采集到光源亮與 暗時(shí)不同的情形，提供更多識(shí)別的關(guān)聯(lián)信息。識(shí)別的流程如圖5所示。在接收機(jī)端首先獲取有關(guān)光源盡可能多的特征信息，然后連續(xù) 釆集多幅圖像/ ,vj，n=/,2,J，…。如果不考慮光源的波長(zhǎng)，那么將圖像進(jìn)行二值處理變?yōu)楹诎讏D像會(huì)大大降低圖像處理的計(jì)算量。二值處理時(shí)閾值r的選取可以考慮環(huán)境光的亮度與通信光源亮度的對(duì)比，這樣會(huì)進(jìn)一步在圖像上突出通信光源LED,而限制其它背景物體。比如 LED的亮度比較高時(shí)，可以選擇大一點(diǎn)的7;這樣閾值化后的圖像中，過濾掉的環(huán)境光就比較 多。閾值化處理后的幾幅連續(xù)圖像" ,W， w-人2^…，分別與各自相鄰的圖像作絕對(duì)值相減 運(yùn)算，產(chǎn)生新的圖像F ,vj, =7義<。在收發(fā)機(jī)之間沒有相對(duì)快速移動(dòng)和背景強(qiáng)光閃爍的 情況下，相減后的圖像的結(jié)果是，如果相鄰的圖像采集時(shí)LED都是亮的或是暗的，整幅圖像 上將只有很少亮點(diǎn)，而如果相鄰的圖像分別在LED亮和暗時(shí)采集，那么相減后輸出的結(jié)果將 呈現(xiàn)出突出的LED的光斑。在i^M,yj中選擇相鄰亮點(diǎn)最多的一幅F ,v)，對(duì)K ，v)進(jìn)行模式 識(shí)別，就非常容易將其區(qū)分出來得到其在圖像傳感器上的具體位置坐標(biāo)&, fJ其中A厶2， > ，…，#。 i/就是LED覆蓋下的象元數(shù)量。這些象元都對(duì)同樣LED光信號(hào)響應(yīng)，因此其輸出 信號(hào)也基本相同。根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱或象元在光斑中的位置情況，可以選擇輸出最大的一個(gè)或 中間的一個(gè)，也可以選擇輸出多個(gè)，將多個(gè)輸出信號(hào)相加能夠獲得分集增益。無論對(duì)什么類型的圖像傳感器，增加輸出選擇功能不是困難的事情。輸出選擇的簡(jiǎn)單方 法之一是將圖2中的移位寄存器(2-3)用圖4電路代替。圖4將移位寄存器與多路選擇器相 結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)位選擇功能。實(shí)現(xiàn)的方法是使移位寄存器(4-1)的每一位輸出除了連接到下 一位外同時(shí)連接到一個(gè)多路選擇開關(guān)4-2上。多路選擇開關(guān)可以在眾多的輸入通道中選擇一 路或幾路輸出。4-2是一種高速模擬開關(guān)，圖中為表示方便只顯示了一路輸出，實(shí)際上完全 可以構(gòu)造為同時(shí)選擇幾路輸出。4-1和4-2的每一位輸入都分別對(duì)應(yīng)著圖像傳感器的列象元。 這樣當(dāng)確定完LED的位置坐標(biāo)&, kJ后，假定是要在M個(gè)象元中選擇一個(gè)象元j'二l輸出，那 么將行地址譯碼器(2-2)設(shè)置在&，將多路選擇開關(guān)(4-2)設(shè)置在 就可以連續(xù)輸出象 元6fe vj的信號(hào)。無論對(duì)能夠連續(xù)輸出的面陣傳感器還是取樣輸出的圖像傳感器，將輸出通道從全部象元 集中到一個(gè)或僅僅幾個(gè)象元解決了輸出選擇的問題，但要實(shí)現(xiàn)高速通信，對(duì)取樣輸出的圖像 傳感器還必需解決輸出的離散取樣與光照脈沖的同步問題。為了闡述這個(gè)問題的解決方法，假設(shè)光通信采用的調(diào)制方式是比較具有代表性的脈沖幅 度調(diào)制(PAM)，那么通信時(shí)光發(fā)射源會(huì)以固定的周期和脈沖寬度發(fā)送幅度不等的脈沖，幅度 的大小視分級(jí)代表一位或者多位數(shù)字信息。如可分為4級(jí)時(shí)，每個(gè)脈沖可代表2bit信息，而 當(dāng)只需代表lbit信息時(shí)，退化為00K調(diào)制，即以脈沖的有無表示0或1。對(duì)這種調(diào)制方式的 脈沖同步取樣的要求是當(dāng)每一個(gè)脈沖周期的起始時(shí)刻，取樣電路啟動(dòng)光電轉(zhuǎn)換單元的電荷積 累過程，而在脈沖或者周期結(jié)束時(shí)將積累的結(jié)果取樣輸出。圖6示出了一種達(dá)到理想同步狀態(tài)的情形。對(duì)應(yīng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)流6-l， OOK調(diào)制后的光脈 沖如6-2所示。而如果采用PAM調(diào)制，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流6-3，調(diào)制后的光脈沖波形應(yīng)該如6-4所 示。6-5是同步取樣觸發(fā)脈沖，其前沿啟動(dòng)象元的光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換過程，其后沿觸發(fā) 輸出過程，將探測(cè)器積累的電荷，或者電壓(如果己經(jīng)轉(zhuǎn)換過的話)轉(zhuǎn)移到輸出電路上。以PAM調(diào)制信號(hào)6-3為例，在tl時(shí)刻，光脈沖到達(dá)圖像傳感器上，此時(shí)取樣信號(hào)6-5啟 動(dòng)，圖像傳感器上的光電轉(zhuǎn)換器開始將光能量轉(zhuǎn)換為電荷積累起來，等到光脈沖消逝的t2時(shí) 刻，取樣信號(hào)復(fù)位光電轉(zhuǎn)換器的同時(shí)將其信號(hào)轉(zhuǎn)移輸出，得到如6-7所示t2與t3之間的脈 沖信號(hào)。如此周期持續(xù)下去，光脈沖序列6-4被轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)序列6-7輸出。而對(duì)光脈 沖序列6-2，則會(huì)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)6-6輸出。取樣信號(hào)6-5與光脈沖6-4的相位嚴(yán)格同步，除了保證信號(hào)的正確采集外，也能夠減少 因取樣觸發(fā)過遲于脈沖下降沿而引入的環(huán)境噪聲對(duì)輸出信號(hào)的影響。這是因?yàn)楣饷}沖消逝后， 環(huán)境光并沒有消逝，仍舊會(huì)存在光電轉(zhuǎn)換過程。要獲取上述同步狀態(tài)，無疑接收端需要知道何時(shí)到達(dá)了光脈沖，但是在沒有得到這個(gè)光 脈沖之前，它又是無法知道的。因此需要采用搜索捕獲然后跟蹤的辦法。圖7示出了本發(fā)明構(gòu)造的同步脈沖相位捕獲電路組成，是一個(gè)閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)。7-1表示 圖像傳感器及其外圍輸出電路等，當(dāng)圖像傳感器接收到光脈沖信號(hào)后，在控制脈沖信號(hào)Pt的
觸發(fā)下輸出信號(hào)U。 U的大小除了與照射光強(qiáng)度有關(guān)外，還與觸發(fā)信號(hào)Pt的相位有關(guān)。Pt信 號(hào)來自于脈沖信號(hào)發(fā)生器(7-6)。圖像傳感器輸出的信號(hào)U通過峰值保持電路(7-2)整形后經(jīng)過ADC模數(shù)變換器(7-3) 變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。這個(gè)信號(hào)分兩路輸出， 一路直接送到幅度比較器(7-4)， 一路經(jīng)過延遲器(7-5) 延遲T時(shí)間后產(chǎn)生的信號(hào)P2也送到這個(gè)幅度比較器，T是光脈沖的周期時(shí)間。幅度比較器將 這兩個(gè)信號(hào)對(duì)比，產(chǎn)生一個(gè)與P1、 P2幅度有關(guān)的信號(hào)S。幅度比較器的輸入-輸出特性如圖8 所示，其中A二P1-P2。脈沖發(fā)生器(7-5)根據(jù)S改變所產(chǎn)生脈沖的相移當(dāng)SX)時(shí)，輸出 信號(hào)在變大，說明相位調(diào)整方向正確，脈沖Pt的相位繼續(xù)沿原調(diào)整方向改變；當(dāng)S〈0時(shí)， 輸fli信號(hào)在變小，說明相位調(diào)整方向有誤，脈沖Pt的相位應(yīng)逆原調(diào)整方向改變；S = 0時(shí)， 說明信號(hào)處于同步點(diǎn)上，不需要改變。現(xiàn)以圖9來說明同步脈沖相位的捕獲過程。假設(shè)通信光源LED發(fā)送的首先是建立通信關(guān) 系的前導(dǎo)脈沖，周期為T、脈寬為T，如9-l所示。脈沖發(fā)生器7-5首先產(chǎn)生任意相位的一個(gè) 初始脈沖，如9-2序列中第一個(gè)脈沖，去觸發(fā)圖像傳感器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換的電荷積累過程，如 9-3所示，然后在Pt的下降沿輸出信號(hào)，如9-4第一個(gè)脈沖所示，并將光電轉(zhuǎn)換器復(fù)位。9-4 的輸出脈沖幅值正比于Pt脈沖9-2與輸入光脈沖9-1之間的重疊時(shí)間寬度。此時(shí)由于P2尚 沒有輸出，認(rèn)為是0，所以A^P1-P2>0， S>0。但由于初始狀態(tài)還沒有相位調(diào)整的參考點(diǎn)， 因此可以規(guī)定Pt的下一個(gè)脈沖的相位相對(duì)于前一個(gè)脈沖延遲一個(gè)5值，這樣產(chǎn)生出來9-2中 的第二個(gè)脈沖。在脈沖結(jié)束后輸出的信號(hào)U是9-4的第二個(gè)脈沖。此時(shí)幅度比較器的輸出根 據(jù)前后兩個(gè)脈沖幅值之差輸出一個(gè)小于零的信號(hào)S，因此，脈沖發(fā)生器輸出的下一個(gè)Pt脈沖 將向相反的方向調(diào)整相位，產(chǎn)生第三個(gè)脈沖。由于第三個(gè)脈沖較第二個(gè)更接近準(zhǔn)確相位，因 此其輸出變大，如9-4的第三個(gè)脈沖。此時(shí)信號(hào)S為正，因此信號(hào)發(fā)生器繼續(xù)沿原調(diào)整方向 調(diào)整相位，產(chǎn)生9-2的第四個(gè)脈沖。以此遞推，產(chǎn)生第五個(gè)輸出脈沖。這是最大輸出位置， 但是電路并不知道，遂在下一個(gè)觸發(fā)脈沖上產(chǎn)生過度相位調(diào)整，導(dǎo)致輸出脈沖幅度降低。此 時(shí)，由于S〈0，下一個(gè)觸發(fā)脈沖相位向反方向調(diào)整。由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可能的最大點(diǎn)9-5，因此 幅度比較器將調(diào)整量級(jí)變小，使其逐步回到最大點(diǎn)并穩(wěn)定下來進(jìn)入相位跟蹤過程。在前導(dǎo)脈 沖結(jié)束后，發(fā)送端可以發(fā)送數(shù)據(jù)序列(9-6)，此后產(chǎn)生的將是數(shù)據(jù)信號(hào)(9-7)。由于跟蹤的是脈沖相位，且在S的零點(diǎn)存在千擾，Pt脈沖相位的調(diào)整步長(zhǎng)影響同步捕獲 時(shí)間和精度，但在實(shí)際中只要修改參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤。至此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，從系統(tǒng)構(gòu)成、特征功能、電路組成以及算法等已經(jīng)得到 了基本清晰的描述。本發(fā)明所給出的上述實(shí)施方案只是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提出功能的方法之一。眾所周知實(shí)現(xiàn)同 一功能的電路和算法是多樣化的，在不同的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，面陣光電傳感器的類型、所接 收的光信號(hào)形式也可能不同，因此為實(shí)現(xiàn)采用面陣光電傳感器進(jìn)行高速光通信而引入的選擇
性輸出和同步取樣都不脫離本發(fā)明的基本概念及保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種光接收單元，由成像光學(xué)系統(tǒng)、面陣光電傳感器和相應(yīng)的輸出選擇、控制和信號(hào)處理電路構(gòu)成。
2. 權(quán)利要求1中所述的面陣光電傳感器的光敏感波段是可見光或者不可見光。
3. 權(quán)利要求l中所述的面陣光電傳感器的每一個(gè)象元的輸出由輸出選擇電路選擇，輸出 選擇電路可以選擇全部像元信號(hào)輸出，也可以選擇特定的一個(gè)或部分像元信號(hào)輸出。
4. 權(quán)利要求3中所述的輸出選擇電路根據(jù)發(fā)送有用光信號(hào)的光源在面陣傳感器上的成像 位置選擇輸出像元。這些像元在面陣傳感器上的位置根據(jù)反映在輸出圖像上的光源幾 何特征進(jìn)行識(shí)別確定，或者根據(jù)連續(xù)輸出的多幅圖像對(duì)特定頻率光脈沖響應(yīng)的相關(guān)性 進(jìn)行識(shí)別確定。
5. 權(quán)利要求l中所述的面陣光電傳感器的輸出控制電路使像元的輸出取樣與通信光照脈 沖頻率同步。
6. 權(quán)利要求5中所述的同步是指像元的輸出取樣時(shí)刻與光照脈沖之間確定的時(shí)間關(guān)系， 各象元的輸出取樣時(shí)刻可以相同，也可以不同，其目的是保證每一個(gè)選定象元的輸出 最大、噪聲最小。
全文摘要
針對(duì)由成像光學(xué)系統(tǒng)和面陣光電傳感器組成的光接收機(jī)，本發(fā)明引入了一種輸出選擇方案。首先識(shí)別響應(yīng)了有用光信號(hào)的像元位置，然后選擇性地輸出這些象元信號(hào)，排除那些只響應(yīng)環(huán)境光的象元的輸出。如果面陣光電傳感器采用取樣輸出，對(duì)脈沖光信號(hào)將不能夠保證輸出信息的完整性，本發(fā)明引入同步取樣技術(shù)，并給出了一種獲取同步的方法。
文檔編號(hào)H04N5/33GK101159821SQ20071017068
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者樊凌濤 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)