可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法
【課題】高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡易な処理回路から構成される可視光通信用受信機を提供する。
【解決手段】 最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号によって符号化され、ＮＲＺＩ変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって生成される駆動電流信号によって駆動された青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部と、受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器と、前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器と、前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器と、前記最尤復号器の復号結果をＲＬＬ復号化する復号器と、を備える。
【解決手段】 最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号によって符号化され、ＮＲＺＩ変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって生成される駆動電流信号によって駆動された青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部と、受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器と、前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器と、前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器と、前記最尤復号器の復号結果をＲＬＬ復号化する復号器と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法に関し、特に、青色光励起型白色ＬＥＤから出射される白色光によってデータを伝送する可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色ＬＥＤから出射される白色光を伝送媒体として、データを伝送する可視光通信システムが知られている。例えば、特許第３４６５０１７号公報（特許文献１）には、送信データに基づいて変調された駆動信号によって白色ＬＥＤを発光させ、この白色ＬＥＤからの白色光を受信機において受光し、受光した光信号をフォトダイオード等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行う可視光通信システムが記載されている。
【０００３】
一般的な光源として利用可能な白色ＬＥＤとして、青色ＬＥＤの周囲にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系等の蛍光体を配置して構成されるＬＥＤ（本明細書において、「青色光励起型白色ＬＥＤ」と称することがある。）が知られている。青色光励起型白色ＬＥＤにおいては、青色ＬＥＤから出射される青色光によって周囲の蛍光体が励起され、この蛍光体から出力される黄色光と前記青色ＬＥＤからの青色光とが混色されることによって擬似的な白色光が得られる。
【０００４】
青色光励起型白色ＬＥＤからの出力光を伝送媒体とするデータ伝送の伝送速度は数Ｍｂｐｓ程度と比較的低速になる（下記非特許文献１参照）。これは、蛍光体の低速な応答によってシステム全体の伝送速度が制約を受けるためである。そこで、伝送速度を改善するための様々な提案がなされている。例えば、特許文献１においては、受信機側に青色光のみを透過するカラーフィルタを備え、このカラーフィルタによって青色光励起型白色ＬＥＤからの白色光のうち蛍光体から出力された黄色光成分を除去することにより、数１０Ｍｂｐｓ程度の伝送速度を実現する方法が提案されている。また、特開２００７−４３５９２公報（特許文献２）では、青色ＬＥＤによる光信号成分をモニターした結果を元にピーキング回路によって駆動波形を調整することにより伝送速度を改善することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４６５０１７号公報
【特許文献２】特開２００７−４３５９２公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】信学技報 ICD2005-44，Vol.105，No.184，25-30p，「可視光通信用ＬＥＤドライバーの試作と可視光ＬＥＤの応答性能の評価」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
可視光通信においては、背景光が雑音となるため伝送品質が劣化しやすく、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を十分に確保することが困難である。本発明の様々な実施態様は、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡易な処理回路から構成される可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法を提供する。
【０００８】
その他の課題は、下記の詳細な説明、添付図面等の記載から理解される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施態様にかかる可視光通信用受信機は、最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号によって符号化され、ＮＲＺＩ変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって生成される駆動電流信号によって駆動された青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部と、 受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器と、前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器と、前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器と、前記最尤復号器の復号結果を（1,ｘ）ＲＬＬ復号化する復号器と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の様々な実施態様によれば、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡易な処理回路から構成される可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムを示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態にかかる青色光励起型白色ＬＥＤの発光スペクトルの一例を示すグラフ
【図３】本発明の一実施形態にかかるカラーフィルタの透過特性の一例を示すグラフ
【図４】本発明の一実施形態における駆動波形を示すタイムチャート
【図５】本発明の一実施形態にかかる駆動波形生成部及び多諧調駆動部の構成を示す回路図
【図６】本発明の一実施形態にかかる送信信号系列とイコライザの出力系列との関係を示す図
【図７】本発明の一実施形態にかかる３値弁別器の構成を示す回路図
【図８】本発明の一実施形態にかかる閾値生成部の構成を示す回路図
【図９】本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器の構成を示す回路図
【図１０】本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器の状態遷移図
【図１１】本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器のトレリス図
【図１２】本発明の一実施形態におけるアイパターンの一例を示すグラフ
【図１３】本発明の一実施形態における通信距離とビットエラーレートとの関係を示すグラフ
【図１４】本発明の一実施形態における受信照度とビットエラーレートとの関係を示すグラフ
【図１５】比較例の可視光通信システムを示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の様々な実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムを示すブロック図である。本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムにおいては、白色ＬＥＤから出力される白色光を媒体として送信機１００から受信機２００へデータが伝送される。
【００１３】
送信機１００は、（１,ｘ）ＲＬＬ（Ｒｕｎ Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｉｍｉｔｅｄ）符号を用いて送信データを符号化しＲＬＬデータを生成する（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５と、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５からのＲＬＬデータに基づいて複数の階調信号を生成する駆動波形生成部１１０と、駆動波形生成部１１０からの複数の階調信号を合成して駆動電流を生成する多諧調駆動部１１５と、多諧調駆動部１１５からの駆動電流によって駆動される青色光励起型白色ＬＥＤ１２０と、を備える。
【００１４】
青色光励起型白色ＬＥＤ１２０から出射された白色光は、受信機２００に到達し、カラーフィルタ２０５を経てレンズで集光され、フォトダイオード２１０に入射する。フォトダイオード２１０の出力側には、トランスインピーダンスアンプ２１５、イコライザ２２０、３値弁別器２２５、閾値生成部２３０、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）２４０、ビタビ復号器２４５、（１,ｘ）ＲＬＬ復号器２５０が配置される。以下、フォトダイオードを省略して「ＰＤ」と称することがある。
【００１５】
（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５において用いられるＲＬＬ符号は、ＮＲＺＩ（NonReturn to Zero Inverted）変調前の符号系列におけるビット「０」の連続数の最小値（最小ラン）と最大値（最大ラン）の一方又は双方が制限された符号である。最小ランがｄで、最大ランがｋのＲＬＬ符号は「（ｄ,ｋ）ＲＬＬ符号」と表記される。（ｄ,ｋ）ＲＬＬ符号によって符号化された符号系列をビット「１」で反転させてＮＲＺＩ変調を行う場合、連続するビット「０」または「１」の最小個数は（ｄ＋１）個、最大個数は（ｋ＋１）個となる。例えば、（１，７）ＲＬＬ符号を用いて符号化されたＲＬＬデータにおいて、連続するビット「０」または「１」の最小個数は２個、最大個数は８個となる。ＮＲＺＩ変調されたＲＬＬデータに含まれるビットの連続数に関する制約を、本明細書において、「ｄｋ則」と称することがある。
【００１６】
一実施形態において、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５は、１７ＰＰ符号を用いて符号化処理を行う。１７ＰＰ符号は（１,ｘ）ＲＬＬ符号であり、その符号化率（符号化前のデータビット長をｍ，符号化後のデータビット長をｎとした際に，ｍ／ｎで表される）は，２／３である。１７ＰＰ符号は、ＤＣフリーの符号であるため、受信側におけるクロック再生が容易で、かつ、キャリアに可視光を用いた際に問題となりうる不要なチラツキを抑制することができる。また、１７ＰＰ符号によって変調された信号の直流成分は受信回路上で除去可能なため、変調されていない外乱光（太陽光）などの影響を抑制することができる。１７ＰＰ符号については、例えば特許第３９８５１７３号公報等に記載されており、その意義は当業者にとって明白である。さらに、マンチェスター符号や８Ｂ１０Ｂ符号と比較した場合、下記表１に示す通り、伝送速度に対して必要とする最小パルスの幅が広くなるため，必要とする変調帯域上限を低くすることができる。表１には、各変調符号と諸数値の関係が示されている。同表中の変調帯域上限周波数の値は、一般的な経験則から、（１／最小パルス幅）×０．７として計算している。
【表１】
【００１７】
駆動波形成生成部１１０は、送信データパルスに同期したクロック及び逓倍クロックを生成するＰＬＬ、エッジパルス検出器、ワンショットマルチバイブレータ（いずれも図示省略）を含むデジタル回路によって構成され、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５から入力されるＲＬＬ符号化された送信データパルスに基づいて複数の階調信号を生成する。図４に、駆動波形成生成部１１０によって生成される階調信号の波形の一例を示す。駆動波形成生成部１１０は、図４（Ａ）のＲＬＬ符号化された送信データに基づいて、図４（Ｃ）ないし（Ｆ）に示す多値（ここでは４値）の階調信号を生成する。図４（Ｃ）は、送信データの立ち上がりタイミングで立ち上がりパルス幅ＷＡに相当する一定時間経過後に立ち下がる階調信号ＳＡを示し、図４（Ｅ）は、送信データの立ち下がりタイミングで立ち下がりパルス幅ＷＣに相当する一定時間経過後に立ち上がる階調信号ＳＣを示す。また、図４（Ｄ）は、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５から入力されるＲＬＬ符号化された送信データに対応する送信データパルスＳＢを示し、図４（Ｆ）は、駆動波形成生成部１１０を構成するデジタル回路に供給されるプリバイアス電流ＳＤを示す。
【００１８】
多階調駆動部１１５は、ＯＲ回路によって構成されており、駆動波形生成部１１０から出力されたＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＢの各信号を合成して駆動電流を生成し、生成した駆動電流を後段の青色光励起型白色ＬＥＤ１２０に出力する。図４（Ｂ）は、多階調駆動部１２０によって生成される駆動電流の波形の一例を示す。
【００１９】
このように、駆動波形生成部１１０と多階調駆動部１１５によって、ＲＬＬ符号化された送信データに対して、その立ち上がり時に立ち上がりパルスが付加されるとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスが付加されて、駆動電流信号が生成される。立ち上がりパルス及び立ち下りパルスをデータパルスに付加して多諧調の駆動信号を生成することにより、ピーキング回路を用いる場合に発生し得るＬＥＤの定格電流を超えた過電流が流れるおそれがなく、さらに伝送速度が速い場合であっても最適な駆動条件を容易に得ることができる。多階調駆動部１１５は、ナノ秒オーダーで電流駆動可能であり，青色励起型白色ＬＥＤの駆動に必要な順方向バイアス電圧（３．６Ｖ程度）より大きなバイアス電圧が出力可能である。
【００２０】
続いて、図５を参照して、前記駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１１５の構成を説明する。同図に示すように、前記駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１１５は、ＯＰアンプ、トランジスタ、スイッチ、抵抗からなる階調信号生成回路１１２Ａないし１１２Ｄを備える。階調信号生成回路１１２Ａないし１１２Ｄはそれぞれ階調信号ＳＡないしＳＤを生成する。階調信号ＳＡ−ＳＤそれぞれのパルス高さＨＡ−ＨＤは、ＯＰアンプのプラス入力Ｖin1〜Ｖin4の電圧ＶHA〜ＶHDによって設定され、立ち上がり及び立ち下がりのタイミングは、スイッチの各端子ＥＮ１−ＥＮ４に印加される制御信号ＫWA−ＫWDによって設定される。例えば、階調信号生成回路１１２Ａにおいて、制御信号ＫWAは、図３（Ａ）の送信データの立ち上がりタイミングで立ち上がりパルス幅ＷＡに相当する一定時間経過後に立ち下がるように制御される。この立ち上がりから立ち下がりまでの間スイッチがＯＮとなり、電圧ＶHAが階調信号ＳＡとして出力される。階調信号生成回路１１２Ｂ−１１２Ｄにおいても同様の制御が行われ、各回路から階調信号ＳＢ−ＳＤがそれぞれ出力される。階調信号生成回路１１２Ａ〜１１２Ｄから出力された階調信号ＳＡ〜ＳＤは、ワイヤードＯＲ回路によって加算され、カレントミラー回路１１４を介して青色光励起型白色ＬＥＤ１２０に供給される。
【００２１】
制御信号ＫWA〜ＫWDは、送信データの論理値から決定される４ビットのデジタル信号と考えることができる。この４ビットのデジタル信号は、例えば、図４（Ａ）の送信データが論理値がＬからＨとなるタイミング（立ち上がりタイミング）で「ＫWA，ＫWB，ＫWC，ＫWD」＝「１，１，１，１」，立ち上がりタイミングから階調信号ＳＡのパルス幅ＷＡに相当する時間の経過後に「０，１，１，１」，送信データが論理値のＨからＬとなるタイミング（立ち下がりタイミング）で「０，０，０，１」，立ち下がりタイミングから階調信号ＳＣのパルス幅ＷＣに相当する時間の経過後に「０，０，１，１」となる。
【００２２】
上述の青色光励起型白色ＬＥＤ１２０は、青色ＬＥＤの周囲にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系等の蛍光体を配置して構成される。この青色ＬＥＤから出射される青色光によって周囲の蛍光体が励起され、蛍光体から出力される黄色光と前記青色ＬＥＤからの青色光とが混色されて、擬似的な白色光が出力される。青色光励起型白色ＬＥＤは、紫外ＬＥＤとＲ，Ｇ，Ｂ（赤，緑，青）の３原色を発光する蛍光体を組み合わせた紫外光励起型白色ＬＥＤや、赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ，青色ＬＥＤの３種類のＬＥＤを一つのパッケージに収めて構成される３色発光型白色ＬＥＤ等の他の白色ＬＥＤと比較して汎用性が高く製造コストが低いという特徴を有する。
【００２３】
図２は、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０の発光スペクトルの一例を表したグラフである。同図において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は相対発光強度（a.u.）を表す。同図に示されるように、この発光スペクトルは、４４０〜４７０ｎｍに青色ＬＥＤからの青色光によるピーク波長を有し、５５０ｎｍ付近に蛍光体からの緑色から黄色に亘る波長成分による低いピークを有する。
【００２４】
カラーフィルタ２０５は、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０からの白色光のうち青色光に相当する波長成分を透過させ、緑色光から黄色光に亘る波長成分を減衰させる。青色光に相当する波長成分を透過するカラーフィルタは、透過される波長成分に着目して青色カラーフィルタと称されることがある。図３は、カラーフィルタ２０５の透過特性の一例を示すグラフである。同図中、横軸は波長（ｎｍ），縦軸は透過率（％）である。同図に示すように、カラーフィルタ２０５は、５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長成分に対して低い透過率を有し、少なくとも４４０〜４７０ｎｍの波長成分に対して高い透過率を有する。したがって、カラーフィルタ２０５によって、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０から出射された白色光のうち、応答速度が遅い蛍光体からの発光成分である５５０ｎｍ付近の波長成分がカットされるので、カラーフィルタを設けない場合と比較して伝送速度を改善することができる。
【００２５】
次に、図６を参照してイコライザ２２０の処理について説明する。イコライザ２２０は、トランスインピーダンスアンプ２１５から入力された電気信号をデュオバイナリ符号に波形等化する。デュオバイナリ符号は、パーシャルレスポンス符号の一種であり、意図的に符号間干渉を許容することで通常のベースバンド伝送と比較して狭低帯域な伝送を実現する。本発明の一実施形態において、イコライザ２２０は、送信機１００におけるＮＲＺＩ変調回路の出力から受信機２００のイコライザ２２０の出力に至る系において送信信号系列に対し１＋ＤのＬＰＦ特性が与えられるように等化処理を行う。つまり、送信信号系列の時刻ｋのビットが時刻ｋ−１のビットと加算され、「０」、「１」、「２」の３値の出力系列に変換される。図６（Ａ）−（Ｄ）には、イコライザ２２０の送信信号系列と出力系列（受信信号系列）との関係が、送信信号系列の符号長が１Ｔから４Ｔの場合についてそれぞれ示されている。図６（Ａ）−（Ｄ）の右側のグラフは、対応する左側のグラフにおいて「０」と「１」とを入れ替えた例を示しているため、ここでは、図６（Ａ）−（Ｄ）の左側のグラフについて説明を行い右側のグラフについては説明を省略する。Ｔは、符号化後のビット間隔（ユニットインターバル）を表す。送信データを（１，ｘ）ＲＬＬ符号化後にＮＲＺＩ変調した場合には、送信信号系列の最小パルス幅は２Ｔとなる。図６（Ａ）は、符号長１Ｔの送信信号系列と対応する出力系列との関係を示す。図６（Ａ）の左側のグラフに示されるように、符号長１Ｔの送信信号系列「０，０，１，０，０，０，０，０，・・・」は、その１ビット遅延した系列と加算されて「０，０，１，１，０，０，０，０，・・・」で表される出力系列に変換される。２Ｔから４Ｔの符号長についても同様の規則に従って出力系列が得られる。つまり、図６（Ｂ）に示される符号長２Ｔの送信信号系列「０，０，１，１，０，０，・・・」から「０，０，１，２，１，０，０，０，・・・」で表される出力系列が得られ、図６（Ｃ）に示される符号長３Ｔの送信信号系列「０，０，１，１，１，０，０，０，・・・」から「０，０，１，２，２，１，０，０，・・・」で表される出力系列が得られ、図６（Ｄ）に示される符号長４Ｔの送信信号系列「０，０，１，１，１，１，０，０，・・・」から「０，０，１，２，２，２，１，０，・・・」で表される出力系列が得られる。
【００２６】
図７は、本発明の一実施形態にかかる３値弁別器２２５の構成を示す回路図である。この３値弁別器２２５は、コンパレータ２２６、２２７を含んで構成される。コンパレータ２２６は、イコライザ２２０においてデュオバイナリ符号化された信号（デュオバイナリ信号）を後述する閾値生成部２３０からのＨｉ閾値を用いて判定する。コンパレータ２２７は、イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号を閾値生成部２３０からのＬｏ閾値を用いて判定する。そして、コンパレータ２２６、２２７のそれぞれの判定結果に基づいて、表２に示す規則に従って３値の判定データ（出力レベル）が決定される。
【表２】
つまり、コンパレータ２２６、２２７からの出力がいずれもＬｏである場合（イコライザ２２０からの等化後の信号がＨｉ閾値及びＬｏ閾値のいずれよりも小さい場合）には出力レベルは「０」と判定され、コンパレータ２２６の出力がＬｏでコンパレータ２２７の出力がＨｉの場合（イコライザ２２０からの等化後の信号がＬｏ閾値よりも大きくＨｉ閾値よりも小さい場合）には「１」と判定され、コンパレータ２２６、２２７の出力がいずれもＨｉの場合（イコライザ２２０からの等化後の信号がＨｉ閾値及びＬｏ閾値のいずれよりも大きい場合）には「２」と判定される。このようにして、イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号が「０，１，２」の３値に弁別される。
【００２７】
図８は、本発明の一実施形態にかかる閾値生成部２３０の構成を示す回路図である。この閾値生成部２３０は、ピーク検出器２３１、ボトム検出器２３２、及び抵抗２３３−２３５を含んで構成される。イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号は、ピーク検出器２３１及びボトム検出器２３２に入力される。ピーク検出器２３１においては入力されたデュオバイナリ信号のピーク電圧が検出され、ボトム検出器２３２においてはボトム電圧が検出される。検出されたピーク電圧及びボトム電圧は、抵抗２３３−２３５の抵抗値に応じてＨｉ閾値、Ｌｏ閾値となって、３値弁別器２２５に出力される。
【００２８】
ＰＬＬ２４０は、イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号に同期したデータクロックを生成する。ＰＬＬ２４０による識別のタイミングは、２値判定の場合よりも半クロックずれる。３値弁別器２２５の出力信号は、ＰＬＬ２４０から与えられるデータクロックによりリタイミングされてビタビ復号器２４５に出力される。
【００２９】
図９は、本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器２４５の構成を示す回路図である。ビタビ復号器２４５は、ブランチメトリック算出部２４６、パスメトリック算出部２４７、及びパスメモリ２４８を備える。ブランチメトリック算出部２４６は、３値弁別器２２５からの３値信号と各基準値（つまり、「０」、「１」、「２」）とのユークリッド距離を計算することによりブランチメトリックを算出し、算出したブランチメトリックをパスメトリック算出部２４７に出力する。パスメトリック算出部２４７は、ブランチメトリック算出部２４６にて算出されたブランチメトリックに基づいて、取りうる全ての状態遷移の中から最も確からしいパスを算出し、算出した生き残りパスをパスメモリ２４８に格納する。図１０は、ビタビ復号器２４５の状態遷移図の一例を示し、図１１は、図１０の状態遷移図に対応したトレリス線図を示す。これらの図に示されるように、３値弁別器２２５からの入力信号系列は、Ｓ０からＳ４の４状態に遷移する。ここで、１／２，０／１，０／０，１／１は入力／出力の関係を示している。パスメモリ２４８に格納された生き残りパスは順次マージされ、マージされた符号系列が復号結果として（１，ｘ）ＲＬＬ復号器２５０に出力される。本発明の一実施形態においては、（１,ｘ）ＲＬＬ符号化された送信データをデュオバイナリ等化することによって、各波形パターン間のユークリッド距離が大きくなるため、ビタビ復号による誤り訂正能力が向上する。また、ビタビ復号器２４５は硬判定を行うため、多ビットのＡ／Ｄコンバータを備える必要がなく受信機２００の回路構成が簡単になる。
【００３０】
以上述べたように、ビタビ復号器２４５は、３値弁別器２２５からの３値信号を最尤復号し、復号結果を（１,ｘ）ＲＬＬ復号器２５０に出力する。最尤復号された出力信号は，（１,ｘ）ＲＬＬ復号器２５０において、ＲＬＬ復号され、受信データが得られる。
【００３１】
続いて、図１２から図１４を用いて、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムを用いて測定された通信距離について説明する。図１２から図１４に示す測定結果は、以下の条件で測定された。まず、伝送速度は、ＲＬＬ符号化前で１００Ｍｂｐｓとした。そして、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０として、定格電流５００ｍＡ（パルス駆動時）の汎用の白色ＬＥＤを使用し、これを次の駆動電流の設定条件で駆動した。
(1)立ち上がりパルスＳＡの電流値ＨＡ：３２．９ｍＡ(2)データパルスＳＢの電流値ＨＢ：４９．４ｍＡ(3)立ち下がりパルスＳＣの電流値ＨＣ：５９．８ｍＡ(4)プリバイアス電流値ＨＤ：５．２ｍＡ(5)立ち上がりパルス幅ＷＡ、立ち下がりパルス幅ＷＣは、ユニットインターバルＴの１／２（Ｔ／２） ＰＤ２１０として、受光径が７ｍｍφのレンズ付きＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードを使用した。イコライザ２２０による等化後の信号が、図１２に示すアイパターンとなるようにイコライザ２２０を調整した。閾値生成部２３０の抵抗２３３、２３４、２３５の抵抗値の比が２７：４３：３０となるように、各抵抗２３３、２３４、２３５の抵抗値を調整した。なお、イコライザ２２０の周波数特性と閾値の初期値を決めた後は、その調整、変更は不要である。ビタビ復号器２４５はパスメモリを１０段とした。また、レジスタエクスチェンジ法を使用した。
【００３２】
上述の図１２に示されるように、本発明の様々な実施形態においては、送信信号が（１，ｘ）ＲＬＬ符号によって符号化処理されており符号長１Ｔに相当する送信信号が存在しないため、イコライザ２２０からは「０，０，１，１，０，０，・・・」又は「２，２，１，１，２，２，・・・」に相当する信号が出力されない。つまり、イコライザ２２０の出力系列においては、ｄｋ則により「１」から「１」への遷移が起こらない。このため、データの弁別及びＰＬＬ２４０によるクロック抽出が容易になる。
【００３３】
図１３は本発明の一実施形態における通信距離に対するビットエラーレートの測定結果を示すグラフであり、図１４は本発明の一実施形態における受信機の受信面における受信照度に対するビットエラーレートの測定結果を示すグラフである。比較例として示されている測定結果は、図１５に示す通信システムを用いて測定された。図１５に示す通信システムは、国際公開第２０１０／０３５８９６号公報に開示されている通信システムと同様に構成されている。すなわち、図１５に示す通信システムの送信機は、図１に示す送信機１００と同様に構成される。つまり、図１５に示す送信機において、送信データは、まず図示しない（１,ｘ）ＲＬＬ符号器によって符号化される。そして、このＲＬＬ符号化されたデータに基づいて多階調の駆動電流が生成され、この駆動電流によって白色ＬＥＤが駆動される。一方、図１５に示す通信システムの受信機は、受信信号をデュオバイナリ符号化しない点、及びビタビ復号を用いずにリミッティングアンプによって受信信号を二値化している点で本発明の一実施形態にかかる受信機２００と異なる。
【００３４】
図１３に示される測定結果から、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムにおいては、図１５に示される比較例のシステムと比較して、同一のビットエラーレートにおいて通信距離が拡大していることがわかる。また、図１４に示される測定結果から、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムにおいては、図１５の比較例のシステムと比較して、同一の受信照度下においてビットエラーレートが改善していることがわかる。
【００３５】
以上述べたように、本発明の様々な実施態様によれば、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡単な処理回路から構成される可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法が提供される。特に、本発明の実施形態にかかる送信機１００及び受信機２００の回路構成は、サブキャリアの多重化によりデータ伝送を行う場合に用いられるビット分解能の高いＡ／ＤコンバータやＦＦＴ等の処理回路が不要なため、比較的単純な回路構成で実現することができる。
【００３６】
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、以下のような変更が可能である。
（１）青色光励起型白色ＬＥＤ１２０として、蛍光体からの発光成分に青色と補色関係にある黄色だけでなく赤色成分等の色成分を含み演色性を改善したものを用いることができる。
（２）図５に示した駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１１５の回路構成は例示に過ぎず適宜変更することができる。
（３）変調符号はＤＣフリーの（１，ｘ）ＲＬＬ符号であればよく、１７ＰＰ以外の様々な符号を用いることが可能である。例えば、特許第３９５７６７９号公報等の文献に記載されているＥｉｇｈｔ−ｔｏ−Ｔｗｅｌｖｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＥＴＭ）やＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．４２，Ｎｏ．２０，１１６９−１１７０ｐ，Ｆｏｕｒ−ｔｏ−ｓｉｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｄｅ ｆｏｒ ｂｌｕｅ ｌａｓｅｒ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ」等の文献に記載されているＦｏｕｒ−ｔｏ−ｓｉｘ
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＦＳＭ）を用いることができる。
（４）受信機２００におけるカラーフィルタ２０５とレンズ等の集光系の前後関係は変わっても差し支えない。
（５）カラーフィルタ２０５は省略可能である。
（６）駆動波形生成部における立ち上がり及び立下りパルスのパルス幅については、本明細書において明示的に説明した例に限定されない。
（７）外符号としてＲｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ符号等のＦＥＣ（前方誤り訂正）を用いることにより，更なる通信距離の拡大を図ることができる。また、これらの外符号に加えてインターリーブやビットスクランブルを組み合わせて用いることにより、更に通信距離の拡大を図ることができる。
（８）ビタビ復号器２４５における復号方法として、レジスタエクスチェンジ法に代えてトレースバック法を用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１００ 送信機
１０５ （１,ｘ）ＲＬＬ符号器
１１０ 駆動波形生成部
１１５ 多諧調駆動部
１２０ 青色光励起型白色ＬＥＤ
２００ 受信機
２０５ カラーフィルタ
２１０ フォトダイオード
２１５ トランスインピーダンスアンプ
２２０ イコライザ
２２５ ３値弁別器
２３０ 閾値生成部２３０
２４０ ＰＬＬ
２４５ ビタビ復号器
２５０ （１,ｘ）ＲＬＬ復号器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法に関し、特に、青色光励起型白色ＬＥＤから出射される白色光によってデータを伝送する可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色ＬＥＤから出射される白色光を伝送媒体として、データを伝送する可視光通信システムが知られている。例えば、特許第３４６５０１７号公報（特許文献１）には、送信データに基づいて変調された駆動信号によって白色ＬＥＤを発光させ、この白色ＬＥＤからの白色光を受信機において受光し、受光した光信号をフォトダイオード等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行う可視光通信システムが記載されている。
【０００３】
一般的な光源として利用可能な白色ＬＥＤとして、青色ＬＥＤの周囲にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系等の蛍光体を配置して構成されるＬＥＤ（本明細書において、「青色光励起型白色ＬＥＤ」と称することがある。）が知られている。青色光励起型白色ＬＥＤにおいては、青色ＬＥＤから出射される青色光によって周囲の蛍光体が励起され、この蛍光体から出力される黄色光と前記青色ＬＥＤからの青色光とが混色されることによって擬似的な白色光が得られる。
【０００４】
青色光励起型白色ＬＥＤからの出力光を伝送媒体とするデータ伝送の伝送速度は数Ｍｂｐｓ程度と比較的低速になる（下記非特許文献１参照）。これは、蛍光体の低速な応答によってシステム全体の伝送速度が制約を受けるためである。そこで、伝送速度を改善するための様々な提案がなされている。例えば、特許文献１においては、受信機側に青色光のみを透過するカラーフィルタを備え、このカラーフィルタによって青色光励起型白色ＬＥＤからの白色光のうち蛍光体から出力された黄色光成分を除去することにより、数１０Ｍｂｐｓ程度の伝送速度を実現する方法が提案されている。また、特開２００７−４３５９２公報（特許文献２）では、青色ＬＥＤによる光信号成分をモニターした結果を元にピーキング回路によって駆動波形を調整することにより伝送速度を改善することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４６５０１７号公報
【特許文献２】特開２００７−４３５９２公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】信学技報 ICD2005-44，Vol.105，No.184，25-30p，「可視光通信用ＬＥＤドライバーの試作と可視光ＬＥＤの応答性能の評価」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
可視光通信においては、背景光が雑音となるため伝送品質が劣化しやすく、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を十分に確保することが困難である。本発明の様々な実施態様は、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡易な処理回路から構成される可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法を提供する。
【０００８】
その他の課題は、下記の詳細な説明、添付図面等の記載から理解される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施態様にかかる可視光通信用受信機は、最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号によって符号化され、ＮＲＺＩ変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって生成される駆動電流信号によって駆動された青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部と、 受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器と、前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器と、前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器と、前記最尤復号器の復号結果を（1,ｘ）ＲＬＬ復号化する復号器と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の様々な実施態様によれば、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡易な処理回路から構成される可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムを示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態にかかる青色光励起型白色ＬＥＤの発光スペクトルの一例を示すグラフ
【図３】本発明の一実施形態にかかるカラーフィルタの透過特性の一例を示すグラフ
【図４】本発明の一実施形態における駆動波形を示すタイムチャート
【図５】本発明の一実施形態にかかる駆動波形生成部及び多諧調駆動部の構成を示す回路図
【図６】本発明の一実施形態にかかる送信信号系列とイコライザの出力系列との関係を示す図
【図７】本発明の一実施形態にかかる３値弁別器の構成を示す回路図
【図８】本発明の一実施形態にかかる閾値生成部の構成を示す回路図
【図９】本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器の構成を示す回路図
【図１０】本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器の状態遷移図
【図１１】本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器のトレリス図
【図１２】本発明の一実施形態におけるアイパターンの一例を示すグラフ
【図１３】本発明の一実施形態における通信距離とビットエラーレートとの関係を示すグラフ
【図１４】本発明の一実施形態における受信照度とビットエラーレートとの関係を示すグラフ
【図１５】比較例の可視光通信システムを示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の様々な実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムを示すブロック図である。本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムにおいては、白色ＬＥＤから出力される白色光を媒体として送信機１００から受信機２００へデータが伝送される。
【００１３】
送信機１００は、（１,ｘ）ＲＬＬ（Ｒｕｎ Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｉｍｉｔｅｄ）符号を用いて送信データを符号化しＲＬＬデータを生成する（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５と、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５からのＲＬＬデータに基づいて複数の階調信号を生成する駆動波形生成部１１０と、駆動波形生成部１１０からの複数の階調信号を合成して駆動電流を生成する多諧調駆動部１１５と、多諧調駆動部１１５からの駆動電流によって駆動される青色光励起型白色ＬＥＤ１２０と、を備える。
【００１４】
青色光励起型白色ＬＥＤ１２０から出射された白色光は、受信機２００に到達し、カラーフィルタ２０５を経てレンズで集光され、フォトダイオード２１０に入射する。フォトダイオード２１０の出力側には、トランスインピーダンスアンプ２１５、イコライザ２２０、３値弁別器２２５、閾値生成部２３０、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）２４０、ビタビ復号器２４５、（１,ｘ）ＲＬＬ復号器２５０が配置される。以下、フォトダイオードを省略して「ＰＤ」と称することがある。
【００１５】
（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５において用いられるＲＬＬ符号は、ＮＲＺＩ（NonReturn to Zero Inverted）変調前の符号系列におけるビット「０」の連続数の最小値（最小ラン）と最大値（最大ラン）の一方又は双方が制限された符号である。最小ランがｄで、最大ランがｋのＲＬＬ符号は「（ｄ,ｋ）ＲＬＬ符号」と表記される。（ｄ,ｋ）ＲＬＬ符号によって符号化された符号系列をビット「１」で反転させてＮＲＺＩ変調を行う場合、連続するビット「０」または「１」の最小個数は（ｄ＋１）個、最大個数は（ｋ＋１）個となる。例えば、（１，７）ＲＬＬ符号を用いて符号化されたＲＬＬデータにおいて、連続するビット「０」または「１」の最小個数は２個、最大個数は８個となる。ＮＲＺＩ変調されたＲＬＬデータに含まれるビットの連続数に関する制約を、本明細書において、「ｄｋ則」と称することがある。
【００１６】
一実施形態において、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５は、１７ＰＰ符号を用いて符号化処理を行う。１７ＰＰ符号は（１,ｘ）ＲＬＬ符号であり、その符号化率（符号化前のデータビット長をｍ，符号化後のデータビット長をｎとした際に，ｍ／ｎで表される）は，２／３である。１７ＰＰ符号は、ＤＣフリーの符号であるため、受信側におけるクロック再生が容易で、かつ、キャリアに可視光を用いた際に問題となりうる不要なチラツキを抑制することができる。また、１７ＰＰ符号によって変調された信号の直流成分は受信回路上で除去可能なため、変調されていない外乱光（太陽光）などの影響を抑制することができる。１７ＰＰ符号については、例えば特許第３９８５１７３号公報等に記載されており、その意義は当業者にとって明白である。さらに、マンチェスター符号や８Ｂ１０Ｂ符号と比較した場合、下記表１に示す通り、伝送速度に対して必要とする最小パルスの幅が広くなるため，必要とする変調帯域上限を低くすることができる。表１には、各変調符号と諸数値の関係が示されている。同表中の変調帯域上限周波数の値は、一般的な経験則から、（１／最小パルス幅）×０．７として計算している。
【表１】
【００１７】
駆動波形成生成部１１０は、送信データパルスに同期したクロック及び逓倍クロックを生成するＰＬＬ、エッジパルス検出器、ワンショットマルチバイブレータ（いずれも図示省略）を含むデジタル回路によって構成され、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５から入力されるＲＬＬ符号化された送信データパルスに基づいて複数の階調信号を生成する。図４に、駆動波形成生成部１１０によって生成される階調信号の波形の一例を示す。駆動波形成生成部１１０は、図４（Ａ）のＲＬＬ符号化された送信データに基づいて、図４（Ｃ）ないし（Ｆ）に示す多値（ここでは４値）の階調信号を生成する。図４（Ｃ）は、送信データの立ち上がりタイミングで立ち上がりパルス幅ＷＡに相当する一定時間経過後に立ち下がる階調信号ＳＡを示し、図４（Ｅ）は、送信データの立ち下がりタイミングで立ち下がりパルス幅ＷＣに相当する一定時間経過後に立ち上がる階調信号ＳＣを示す。また、図４（Ｄ）は、（１,ｘ）ＲＬＬ符号器１０５から入力されるＲＬＬ符号化された送信データに対応する送信データパルスＳＢを示し、図４（Ｆ）は、駆動波形成生成部１１０を構成するデジタル回路に供給されるプリバイアス電流ＳＤを示す。
【００１８】
多階調駆動部１１５は、ＯＲ回路によって構成されており、駆動波形生成部１１０から出力されたＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＢの各信号を合成して駆動電流を生成し、生成した駆動電流を後段の青色光励起型白色ＬＥＤ１２０に出力する。図４（Ｂ）は、多階調駆動部１２０によって生成される駆動電流の波形の一例を示す。
【００１９】
このように、駆動波形生成部１１０と多階調駆動部１１５によって、ＲＬＬ符号化された送信データに対して、その立ち上がり時に立ち上がりパルスが付加されるとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスが付加されて、駆動電流信号が生成される。立ち上がりパルス及び立ち下りパルスをデータパルスに付加して多諧調の駆動信号を生成することにより、ピーキング回路を用いる場合に発生し得るＬＥＤの定格電流を超えた過電流が流れるおそれがなく、さらに伝送速度が速い場合であっても最適な駆動条件を容易に得ることができる。多階調駆動部１１５は、ナノ秒オーダーで電流駆動可能であり，青色励起型白色ＬＥＤの駆動に必要な順方向バイアス電圧（３．６Ｖ程度）より大きなバイアス電圧が出力可能である。
【００２０】
続いて、図５を参照して、前記駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１１５の構成を説明する。同図に示すように、前記駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１１５は、ＯＰアンプ、トランジスタ、スイッチ、抵抗からなる階調信号生成回路１１２Ａないし１１２Ｄを備える。階調信号生成回路１１２Ａないし１１２Ｄはそれぞれ階調信号ＳＡないしＳＤを生成する。階調信号ＳＡ−ＳＤそれぞれのパルス高さＨＡ−ＨＤは、ＯＰアンプのプラス入力Ｖin1〜Ｖin4の電圧ＶHA〜ＶHDによって設定され、立ち上がり及び立ち下がりのタイミングは、スイッチの各端子ＥＮ１−ＥＮ４に印加される制御信号ＫWA−ＫWDによって設定される。例えば、階調信号生成回路１１２Ａにおいて、制御信号ＫWAは、図３（Ａ）の送信データの立ち上がりタイミングで立ち上がりパルス幅ＷＡに相当する一定時間経過後に立ち下がるように制御される。この立ち上がりから立ち下がりまでの間スイッチがＯＮとなり、電圧ＶHAが階調信号ＳＡとして出力される。階調信号生成回路１１２Ｂ−１１２Ｄにおいても同様の制御が行われ、各回路から階調信号ＳＢ−ＳＤがそれぞれ出力される。階調信号生成回路１１２Ａ〜１１２Ｄから出力された階調信号ＳＡ〜ＳＤは、ワイヤードＯＲ回路によって加算され、カレントミラー回路１１４を介して青色光励起型白色ＬＥＤ１２０に供給される。
【００２１】
制御信号ＫWA〜ＫWDは、送信データの論理値から決定される４ビットのデジタル信号と考えることができる。この４ビットのデジタル信号は、例えば、図４（Ａ）の送信データが論理値がＬからＨとなるタイミング（立ち上がりタイミング）で「ＫWA，ＫWB，ＫWC，ＫWD」＝「１，１，１，１」，立ち上がりタイミングから階調信号ＳＡのパルス幅ＷＡに相当する時間の経過後に「０，１，１，１」，送信データが論理値のＨからＬとなるタイミング（立ち下がりタイミング）で「０，０，０，１」，立ち下がりタイミングから階調信号ＳＣのパルス幅ＷＣに相当する時間の経過後に「０，０，１，１」となる。
【００２２】
上述の青色光励起型白色ＬＥＤ１２０は、青色ＬＥＤの周囲にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系等の蛍光体を配置して構成される。この青色ＬＥＤから出射される青色光によって周囲の蛍光体が励起され、蛍光体から出力される黄色光と前記青色ＬＥＤからの青色光とが混色されて、擬似的な白色光が出力される。青色光励起型白色ＬＥＤは、紫外ＬＥＤとＲ，Ｇ，Ｂ（赤，緑，青）の３原色を発光する蛍光体を組み合わせた紫外光励起型白色ＬＥＤや、赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ，青色ＬＥＤの３種類のＬＥＤを一つのパッケージに収めて構成される３色発光型白色ＬＥＤ等の他の白色ＬＥＤと比較して汎用性が高く製造コストが低いという特徴を有する。
【００２３】
図２は、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０の発光スペクトルの一例を表したグラフである。同図において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は相対発光強度（a.u.）を表す。同図に示されるように、この発光スペクトルは、４４０〜４７０ｎｍに青色ＬＥＤからの青色光によるピーク波長を有し、５５０ｎｍ付近に蛍光体からの緑色から黄色に亘る波長成分による低いピークを有する。
【００２４】
カラーフィルタ２０５は、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０からの白色光のうち青色光に相当する波長成分を透過させ、緑色光から黄色光に亘る波長成分を減衰させる。青色光に相当する波長成分を透過するカラーフィルタは、透過される波長成分に着目して青色カラーフィルタと称されることがある。図３は、カラーフィルタ２０５の透過特性の一例を示すグラフである。同図中、横軸は波長（ｎｍ），縦軸は透過率（％）である。同図に示すように、カラーフィルタ２０５は、５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長成分に対して低い透過率を有し、少なくとも４４０〜４７０ｎｍの波長成分に対して高い透過率を有する。したがって、カラーフィルタ２０５によって、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０から出射された白色光のうち、応答速度が遅い蛍光体からの発光成分である５５０ｎｍ付近の波長成分がカットされるので、カラーフィルタを設けない場合と比較して伝送速度を改善することができる。
【００２５】
次に、図６を参照してイコライザ２２０の処理について説明する。イコライザ２２０は、トランスインピーダンスアンプ２１５から入力された電気信号をデュオバイナリ符号に波形等化する。デュオバイナリ符号は、パーシャルレスポンス符号の一種であり、意図的に符号間干渉を許容することで通常のベースバンド伝送と比較して狭低帯域な伝送を実現する。本発明の一実施形態において、イコライザ２２０は、送信機１００におけるＮＲＺＩ変調回路の出力から受信機２００のイコライザ２２０の出力に至る系において送信信号系列に対し１＋ＤのＬＰＦ特性が与えられるように等化処理を行う。つまり、送信信号系列の時刻ｋのビットが時刻ｋ−１のビットと加算され、「０」、「１」、「２」の３値の出力系列に変換される。図６（Ａ）−（Ｄ）には、イコライザ２２０の送信信号系列と出力系列（受信信号系列）との関係が、送信信号系列の符号長が１Ｔから４Ｔの場合についてそれぞれ示されている。図６（Ａ）−（Ｄ）の右側のグラフは、対応する左側のグラフにおいて「０」と「１」とを入れ替えた例を示しているため、ここでは、図６（Ａ）−（Ｄ）の左側のグラフについて説明を行い右側のグラフについては説明を省略する。Ｔは、符号化後のビット間隔（ユニットインターバル）を表す。送信データを（１，ｘ）ＲＬＬ符号化後にＮＲＺＩ変調した場合には、送信信号系列の最小パルス幅は２Ｔとなる。図６（Ａ）は、符号長１Ｔの送信信号系列と対応する出力系列との関係を示す。図６（Ａ）の左側のグラフに示されるように、符号長１Ｔの送信信号系列「０，０，１，０，０，０，０，０，・・・」は、その１ビット遅延した系列と加算されて「０，０，１，１，０，０，０，０，・・・」で表される出力系列に変換される。２Ｔから４Ｔの符号長についても同様の規則に従って出力系列が得られる。つまり、図６（Ｂ）に示される符号長２Ｔの送信信号系列「０，０，１，１，０，０，・・・」から「０，０，１，２，１，０，０，０，・・・」で表される出力系列が得られ、図６（Ｃ）に示される符号長３Ｔの送信信号系列「０，０，１，１，１，０，０，０，・・・」から「０，０，１，２，２，１，０，０，・・・」で表される出力系列が得られ、図６（Ｄ）に示される符号長４Ｔの送信信号系列「０，０，１，１，１，１，０，０，・・・」から「０，０，１，２，２，２，１，０，・・・」で表される出力系列が得られる。
【００２６】
図７は、本発明の一実施形態にかかる３値弁別器２２５の構成を示す回路図である。この３値弁別器２２５は、コンパレータ２２６、２２７を含んで構成される。コンパレータ２２６は、イコライザ２２０においてデュオバイナリ符号化された信号（デュオバイナリ信号）を後述する閾値生成部２３０からのＨｉ閾値を用いて判定する。コンパレータ２２７は、イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号を閾値生成部２３０からのＬｏ閾値を用いて判定する。そして、コンパレータ２２６、２２７のそれぞれの判定結果に基づいて、表２に示す規則に従って３値の判定データ（出力レベル）が決定される。
【表２】
つまり、コンパレータ２２６、２２７からの出力がいずれもＬｏである場合（イコライザ２２０からの等化後の信号がＨｉ閾値及びＬｏ閾値のいずれよりも小さい場合）には出力レベルは「０」と判定され、コンパレータ２２６の出力がＬｏでコンパレータ２２７の出力がＨｉの場合（イコライザ２２０からの等化後の信号がＬｏ閾値よりも大きくＨｉ閾値よりも小さい場合）には「１」と判定され、コンパレータ２２６、２２７の出力がいずれもＨｉの場合（イコライザ２２０からの等化後の信号がＨｉ閾値及びＬｏ閾値のいずれよりも大きい場合）には「２」と判定される。このようにして、イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号が「０，１，２」の３値に弁別される。
【００２７】
図８は、本発明の一実施形態にかかる閾値生成部２３０の構成を示す回路図である。この閾値生成部２３０は、ピーク検出器２３１、ボトム検出器２３２、及び抵抗２３３−２３５を含んで構成される。イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号は、ピーク検出器２３１及びボトム検出器２３２に入力される。ピーク検出器２３１においては入力されたデュオバイナリ信号のピーク電圧が検出され、ボトム検出器２３２においてはボトム電圧が検出される。検出されたピーク電圧及びボトム電圧は、抵抗２３３−２３５の抵抗値に応じてＨｉ閾値、Ｌｏ閾値となって、３値弁別器２２５に出力される。
【００２８】
ＰＬＬ２４０は、イコライザ２２０からのデュオバイナリ信号に同期したデータクロックを生成する。ＰＬＬ２４０による識別のタイミングは、２値判定の場合よりも半クロックずれる。３値弁別器２２５の出力信号は、ＰＬＬ２４０から与えられるデータクロックによりリタイミングされてビタビ復号器２４５に出力される。
【００２９】
図９は、本発明の一実施形態にかかるビタビ復号器２４５の構成を示す回路図である。ビタビ復号器２４５は、ブランチメトリック算出部２４６、パスメトリック算出部２４７、及びパスメモリ２４８を備える。ブランチメトリック算出部２４６は、３値弁別器２２５からの３値信号と各基準値（つまり、「０」、「１」、「２」）とのユークリッド距離を計算することによりブランチメトリックを算出し、算出したブランチメトリックをパスメトリック算出部２４７に出力する。パスメトリック算出部２４７は、ブランチメトリック算出部２４６にて算出されたブランチメトリックに基づいて、取りうる全ての状態遷移の中から最も確からしいパスを算出し、算出した生き残りパスをパスメモリ２４８に格納する。図１０は、ビタビ復号器２４５の状態遷移図の一例を示し、図１１は、図１０の状態遷移図に対応したトレリス線図を示す。これらの図に示されるように、３値弁別器２２５からの入力信号系列は、Ｓ０からＳ４の４状態に遷移する。ここで、１／２，０／１，０／０，１／１は入力／出力の関係を示している。パスメモリ２４８に格納された生き残りパスは順次マージされ、マージされた符号系列が復号結果として（１，ｘ）ＲＬＬ復号器２５０に出力される。本発明の一実施形態においては、（１,ｘ）ＲＬＬ符号化された送信データをデュオバイナリ等化することによって、各波形パターン間のユークリッド距離が大きくなるため、ビタビ復号による誤り訂正能力が向上する。また、ビタビ復号器２４５は硬判定を行うため、多ビットのＡ／Ｄコンバータを備える必要がなく受信機２００の回路構成が簡単になる。
【００３０】
以上述べたように、ビタビ復号器２４５は、３値弁別器２２５からの３値信号を最尤復号し、復号結果を（１,ｘ）ＲＬＬ復号器２５０に出力する。最尤復号された出力信号は，（１,ｘ）ＲＬＬ復号器２５０において、ＲＬＬ復号され、受信データが得られる。
【００３１】
続いて、図１２から図１４を用いて、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムを用いて測定された通信距離について説明する。図１２から図１４に示す測定結果は、以下の条件で測定された。まず、伝送速度は、ＲＬＬ符号化前で１００Ｍｂｐｓとした。そして、青色光励起型白色ＬＥＤ１２０として、定格電流５００ｍＡ（パルス駆動時）の汎用の白色ＬＥＤを使用し、これを次の駆動電流の設定条件で駆動した。
(1)立ち上がりパルスＳＡの電流値ＨＡ：３２．９ｍＡ(2)データパルスＳＢの電流値ＨＢ：４９．４ｍＡ(3)立ち下がりパルスＳＣの電流値ＨＣ：５９．８ｍＡ(4)プリバイアス電流値ＨＤ：５．２ｍＡ(5)立ち上がりパルス幅ＷＡ、立ち下がりパルス幅ＷＣは、ユニットインターバルＴの１／２（Ｔ／２） ＰＤ２１０として、受光径が７ｍｍφのレンズ付きＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードを使用した。イコライザ２２０による等化後の信号が、図１２に示すアイパターンとなるようにイコライザ２２０を調整した。閾値生成部２３０の抵抗２３３、２３４、２３５の抵抗値の比が２７：４３：３０となるように、各抵抗２３３、２３４、２３５の抵抗値を調整した。なお、イコライザ２２０の周波数特性と閾値の初期値を決めた後は、その調整、変更は不要である。ビタビ復号器２４５はパスメモリを１０段とした。また、レジスタエクスチェンジ法を使用した。
【００３２】
上述の図１２に示されるように、本発明の様々な実施形態においては、送信信号が（１，ｘ）ＲＬＬ符号によって符号化処理されており符号長１Ｔに相当する送信信号が存在しないため、イコライザ２２０からは「０，０，１，１，０，０，・・・」又は「２，２，１，１，２，２，・・・」に相当する信号が出力されない。つまり、イコライザ２２０の出力系列においては、ｄｋ則により「１」から「１」への遷移が起こらない。このため、データの弁別及びＰＬＬ２４０によるクロック抽出が容易になる。
【００３３】
図１３は本発明の一実施形態における通信距離に対するビットエラーレートの測定結果を示すグラフであり、図１４は本発明の一実施形態における受信機の受信面における受信照度に対するビットエラーレートの測定結果を示すグラフである。比較例として示されている測定結果は、図１５に示す通信システムを用いて測定された。図１５に示す通信システムは、国際公開第２０１０／０３５８９６号公報に開示されている通信システムと同様に構成されている。すなわち、図１５に示す通信システムの送信機は、図１に示す送信機１００と同様に構成される。つまり、図１５に示す送信機において、送信データは、まず図示しない（１,ｘ）ＲＬＬ符号器によって符号化される。そして、このＲＬＬ符号化されたデータに基づいて多階調の駆動電流が生成され、この駆動電流によって白色ＬＥＤが駆動される。一方、図１５に示す通信システムの受信機は、受信信号をデュオバイナリ符号化しない点、及びビタビ復号を用いずにリミッティングアンプによって受信信号を二値化している点で本発明の一実施形態にかかる受信機２００と異なる。
【００３４】
図１３に示される測定結果から、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムにおいては、図１５に示される比較例のシステムと比較して、同一のビットエラーレートにおいて通信距離が拡大していることがわかる。また、図１４に示される測定結果から、本発明の一実施形態にかかる可視光通信システムにおいては、図１５の比較例のシステムと比較して、同一の受信照度下においてビットエラーレートが改善していることがわかる。
【００３５】
以上述べたように、本発明の様々な実施態様によれば、高速な伝送速度を実現しつつ送信機から受信機までの通信距離を拡大することが可能で、簡単な処理回路から構成される可視光通信用受信機、可視光通信システム、及び可視光通信方法が提供される。特に、本発明の実施形態にかかる送信機１００及び受信機２００の回路構成は、サブキャリアの多重化によりデータ伝送を行う場合に用いられるビット分解能の高いＡ／ＤコンバータやＦＦＴ等の処理回路が不要なため、比較的単純な回路構成で実現することができる。
【００３６】
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、以下のような変更が可能である。
（１）青色光励起型白色ＬＥＤ１２０として、蛍光体からの発光成分に青色と補色関係にある黄色だけでなく赤色成分等の色成分を含み演色性を改善したものを用いることができる。
（２）図５に示した駆動波形生成部１１０及び多階調駆動部１１５の回路構成は例示に過ぎず適宜変更することができる。
（３）変調符号はＤＣフリーの（１，ｘ）ＲＬＬ符号であればよく、１７ＰＰ以外の様々な符号を用いることが可能である。例えば、特許第３９５７６７９号公報等の文献に記載されているＥｉｇｈｔ−ｔｏ−Ｔｗｅｌｖｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＥＴＭ）やＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．４２，Ｎｏ．２０，１１６９−１１７０ｐ，Ｆｏｕｒ−ｔｏ−ｓｉｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｄｅ ｆｏｒ ｂｌｕｅ ｌａｓｅｒ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ」等の文献に記載されているＦｏｕｒ−ｔｏ−ｓｉｘ
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＦＳＭ）を用いることができる。
（４）受信機２００におけるカラーフィルタ２０５とレンズ等の集光系の前後関係は変わっても差し支えない。
（５）カラーフィルタ２０５は省略可能である。
（６）駆動波形生成部における立ち上がり及び立下りパルスのパルス幅については、本明細書において明示的に説明した例に限定されない。
（７）外符号としてＲｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ符号等のＦＥＣ（前方誤り訂正）を用いることにより，更なる通信距離の拡大を図ることができる。また、これらの外符号に加えてインターリーブやビットスクランブルを組み合わせて用いることにより、更に通信距離の拡大を図ることができる。
（８）ビタビ復号器２４５における復号方法として、レジスタエクスチェンジ法に代えてトレースバック法を用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１００ 送信機
１０５ （１,ｘ）ＲＬＬ符号器
１１０ 駆動波形生成部
１１５ 多諧調駆動部
１２０ 青色光励起型白色ＬＥＤ
２００ 受信機
２０５ カラーフィルタ
２１０ フォトダイオード
２１５ トランスインピーダンスアンプ
２２０ イコライザ
２２５ ３値弁別器
２３０ 閾値生成部２３０
２４０ ＰＬＬ
２４５ ビタビ復号器
２５０ （１,ｘ）ＲＬＬ復号器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号に符号化され、ＮＲＺＩ変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって生成される駆動電流信号によって駆動された青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部と、
受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器と、
前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器と、
前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器と、
前記最尤復号器の復号結果をＲＬＬ復号化する復号器と、
を備える可視光通信用受信機。
【請求項２】
前記ＲＬＬ符号が１７ＰＰ符号である請求項１に記載の可視光通信用受信機。
【請求項３】
前記青色光励起型白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤと、当該青色ＬＥＤからの青色光によって励起され当該青色光の補色に相当する波長成分を含む蛍光を出射する蛍光体とを含み、
前記受光部が、前記蛍光体からの蛍光に相当する波長成分を前記可視光信号から除去するフィルタを備える請求項１に記載の可視光通信用受信機。
【請求項４】
前記青色光励起型白色ＬＥＤのピーク波長範囲が４４０〜４７０ｎｍである請求項３に記載の可視光通信用受信機。
【請求項５】
送信データを最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号に符号化し、この符号化後のデータ系列をＮＲＺＩ変調する変調部、
前記変調部において変調された送信データの立ち上がり時に当該変調後の送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに前記送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって駆動電流信号を生成する駆動電流生成部、及び、
前記駆動電流によって駆動される青色光励起型白色ＬＥＤ、
を含む送信機と、
前記青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部、
受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部、
前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器、
前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器、
前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器、及び、
前記最尤復号器の復号結果をＲＬＬ復号化する復号器、
を含む受信機と、
を備える可視光通信システム。
【請求項６】
送信データを最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号によって符号化し、この符号化後のデータ系列をＮＲＺＩ変調するステップと、
変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに前記送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって駆動電流信号を生成し、生成した駆動電流信号を青色光励起型白色ＬＥＤに供給するステップと、
前記青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光するステップと、
受光した可視光信号を電気信号に変換するステップと、
前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化するステップと、
前記デュオバイナリ信号を３値信号に弁別するステップと、
前記３値信号を最尤復号するステップと、
前記最尤復号結果をＲＬＬ復号化するステップと、
を備える可視光通信方法。
【請求項１】
最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号に符号化され、ＮＲＺＩ変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって生成される駆動電流信号によって駆動された青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部と、
受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器と、
前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器と、
前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器と、
前記最尤復号器の復号結果をＲＬＬ復号化する復号器と、
を備える可視光通信用受信機。
【請求項２】
前記ＲＬＬ符号が１７ＰＰ符号である請求項１に記載の可視光通信用受信機。
【請求項３】
前記青色光励起型白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤと、当該青色ＬＥＤからの青色光によって励起され当該青色光の補色に相当する波長成分を含む蛍光を出射する蛍光体とを含み、
前記受光部が、前記蛍光体からの蛍光に相当する波長成分を前記可視光信号から除去するフィルタを備える請求項１に記載の可視光通信用受信機。
【請求項４】
前記青色光励起型白色ＬＥＤのピーク波長範囲が４４０〜４７０ｎｍである請求項３に記載の可視光通信用受信機。
【請求項５】
送信データを最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号に符号化し、この符号化後のデータ系列をＮＲＺＩ変調する変調部、
前記変調部において変調された送信データの立ち上がり時に当該変調後の送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに前記送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって駆動電流信号を生成する駆動電流生成部、及び、
前記駆動電流によって駆動される青色光励起型白色ＬＥＤ、
を含む送信機と、
前記青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光する受光部、
受光した可視光信号を電気信号に変換する光電変換部、
前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化する等化器、
前記等化器からのデュオバイナリ信号を３値信号に弁別する弁別器、
前記弁別器からの３値信号を最尤復号する最尤復号器、及び、
前記最尤復号器の復号結果をＲＬＬ復号化する復号器、
を含む受信機と、
を備える可視光通信システム。
【請求項６】
送信データを最小ランが１でＤＣフリーのＲＬＬ符号によって符号化し、この符号化後のデータ系列をＮＲＺＩ変調するステップと、
変調された送信データの立ち上がり時に当該送信データに立ち上がりパルスを付加するとともに前記送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加することによって駆動電流信号を生成し、生成した駆動電流信号を青色光励起型白色ＬＥＤに供給するステップと、
前記青色光励起型白色ＬＥＤからの可視光信号を受光するステップと、
受光した可視光信号を電気信号に変換するステップと、
前記光電変換部からの電気信号をデュオバイナリ信号に等化するステップと、
前記デュオバイナリ信号を３値信号に弁別するステップと、
前記３値信号を最尤復号するステップと、
前記最尤復号結果をＲＬＬ復号化するステップと、
を備える可視光通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２４４１０３（Ｐ２０１１−２４４１０３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１２５８６（Ｐ２０１０−１１２５８６）
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（０００２０４２８４）太陽誘電株式会社 (964)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（０００２０４２８４）太陽誘電株式会社 (964)
【Ｆターム（参考）】
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