一般社団法人 人工知能学会
Japanese Society for
Artificial Intelligence

人工知能学会研究会資料
JSAI Technical Report
SIG-Challenge-047-4 (3/30)

可視光通信の利得制御方法に関する一考察
About gain controll in in Visible Light Communication.

○端山 稜人，植村 渉
Takato HAYAMA and Wataru UEMURA

龍谷大学
Ryukoku University

hayama@vega.elec.ryukoku.ac.jp, wataru@rins.ryukoku.ac.jp

Abstractに制御しないと，立ち上がりや立ち下がり点が変化する．
そこで本研究では，受光素子感度の自動調整を検討し，受目に見える無線通信として注目されている可視信信号の利得制御方法を提案する．

光通信をロボットのコントローラに使うことが2検討されている．このとき，外乱光等のノイズに対応するためにフィルタを使うことが多いが，可視光通信

パルスを用いた通信の場合，フィルタを通すと可視光通信は無線通信の一種であり，光の点滅パターンを変えることで，情報を送信する（Figure 1）[3]．送信用の波形が変化するため，情報が失われる危険性が発光素子として LED を用いることが多い．LED は，白ある．

熱電球や蛍光灯の照明などと比較して省電力，長寿命，高本研究では，パルスを用いた可視光通信におい

速応答，小型といった特徴を持っている．て，ハイパスフィルタの特性を考慮して，フィル一方，受光用の受光素子に使う可視光センサとして，フォタ通過後の波形から元波形を復元する方法を検トダイオードやフォトトランジスタがある．これらは明討する．受光素子の感度調整抵抗が受信波形にるさに応じて素子を流れる電流が変化し，抵抗の変化や与える影響を考慮し，自動調整する方法を提案

電圧の変化として取得できる．電圧の変化を読み取るたする．

めには，抵抗を介して分圧することが一般的である．この抵抗の抵抗値で受光素子の光に対する感度および応答速1度が決定する．

はじめに抵抗の抵抗値が大きいと電圧変化の範囲が広くなり，感スマートファクトリーに代表されるように工場内でのロ度が良くなる．それゆえ，送受信機間距離が離れても信ボットによる自動化が注目されている．複数のロボットが号を受信できるが，送受信機間距離が短いと HIGH から独立して動いているときに，それらを無線通信でリモー

LOW への電圧変化に時間がかかり，応答速度が遅くなる．

トコントロールする方法として，目に見える無線通信である可視光通信の利用が提案されている[2]．

一方，抵抗値が小さいと応答速度は速いが，送受信機間距離が離れると受信信号が弱くなり信号を正しく復号できなくなる（Figure 2）．

可視光通信の送信機では，発光素子として Light Emit-ting Diode (LED) を使用する．LED は応答速度が速いた

可視光通信では，照明としての利用も考えると送信光め，高速点滅が可能であり，その点滅パターンを変えることして白色を使うことが多い．隣接周波数への影響を考とで情報を重畳できる．また，LED の制御はマイコンの慮しなくて良いため，送信波形の帯域は自由に扱える．そ出力ピンで簡単に扱えるため，可視光通信では矩形波通信

れゆえ，正弦波ではなく矩形波のままで情報を送信するを用いることが多い．矩形波のパルスの位置や長さを変ことが可能であり，パルスを用いた変調が主流である．そえて情報を送るが，この場合，ノイズ除去のためにハイパの際に，ちらつきを考慮する必要がある．単位時間あたりスフィルタを通すと，パルスの形が変化し，情報を失う．の点滅のデューティー比が変化すると明るさに変化が生

一方，元の波形がパルスであることが分かっているため，じるため，人の目から見てちらつきを感じやすい．Pulse

波形の立ち上がりや立ち下がり点さえわかれば，パルスをPosition Modulation (PPM) 変調はパルスの位置の変化復元することができる．このとき，受信信号の利得を適切で情報を送るため，1 シンボルあたりの点灯と消灯時間は14

Figure 1: 可視光通信の一例

Figure 4: ハイパスフィルタによる波形の変化
2: 抵抗値の変化による波形の変化
 Figure㏻ಙ㊥㞳࡜ཷಙಙྕᙉᗘࡢၥ㢟を入力すると，立ち上がりと立ち下がりの部分に対してパルスが生じ，その後電圧が減少する波形となる（FigureFigure
変化せず，人の目から見てちらつきを感じにくい（
4）．可視光通信においてハイパスフィルタを使用すると，3）．本研究では，2 値 PPM 変調に対して説明を行うが，4 値 PPM や 4 値 I-PPM など他の PPM でも同様である．

矩形波の形が変化するため，矩形波の長さや位置の情報が失われるため，復号が困難になる．

3

また，可視光通信には自然光や人工光などのノイズへの対策も必要である．一般にノイズ対策として，フィルタ受光素子感度の自動調整方法の提案の利用があげられる．太陽光などの自然光は，点滅してお電波通信などの無線通信と同様，可視光通信においてもらず直流成分として扱える．蛍光灯などの照明は，50Hz送受信機間距離が離れると，受信電圧が下がり，矩形波通もしくは 60Hz で点滅しているが，低い周波数である．一信の場合は閾値電圧を下回ると復号できなくなる．その方，可視光通信は高速点滅の波形であるため高周波成分場合，受信機側の受信信号の増幅率を上げたり，受光感度として扱える．それゆえ，自然光や照明光を除去するたを上げたりして，閾値電圧よりも高くなるように調整すめには，ハイパスフィルタが有効である．簡単なハイパスる．なお，増幅率を上げることは，相対的に閾値電圧を下フィルタとしてコンデンサと抵抗で構成された CR ハイげることと等価である．

パスフィルタがある．CR ハイパスフィルタは，入力信号

ここでは，受光感度に注目し，自動調整の方法を提案に並列する抵抗と直列するコンデンサから成り立っていする．受光感度を可変するために，ディジタルポテンショる．抵抗値と容量値の積は時定数 τ といい，遮断周波数メータを用いる．ディジタルポテンショメータとはアナロに逆比例する．またこの回路は電圧が変化したときに大グ可変抵抗の抵抗体の上を可動する接点をディジタル信きく反応するため，微分回路でもある．それゆえ，矩形波号で制御できる可変抵抗である．フォトトランジスタに使用するプルダウン用の抵抗にディジタルポテンショメータを使用する．これにより受光素子感度の自動調節を行うことが可能になる．
感度が変わることで応答速度が変化するが，矩形波通信の場合，その波形の立ち上がりと立ち下がりの開始点は変化しない．そのため，立ち上がり開始時と立ち下がり ㏻ಙ㊥㞳࡜ཷಙಙྕᙉᗘࡢၥ㢟
開始時の変化点を適切に扱うことで，元の矩形波を復元することが可能である（Figure 5）．
しかし，感度を強くすると，立ち下がりの開始点が遅れ

Figure 3: 2 値 PPM 変調による情報の送信方法

ることがある．波形のピークが Vcc の電圧値を超える時，

15Figure 5: 立ち上がり立ち下がりポイントからの元波形のFigure 7: ハイパスフィルタを通した時の立ち上がり開始点と立ち下がり開始点の変化復元ྲྀࠋ㛵ࡍࡿ᳨ウ ᐇ㦂࣭⪃ᐹ

Figure 6: 感度を強くしたときの立ち下がり開始点の遅れ
Figure 8: 立ち上がり開始点と立ち下がり開始点の抽出方法

その間の電圧は Vcc となる．このとき，立ち下がりの開始点が遅れ，パルスの位置情報が変化する（Figure 6）．
つまり，波形のピークが Vcc の電圧値を越えないように，少し高くすることで，立ち下がり開始点も正電圧として受信感度を調整する必要がある．

扱う．これにより，立ち下がり開始点からの電圧変化もコンパレータで抽出できるようになる（Figure 8）．

立ち上がりと立ち下がりの開始点は，それぞれ GND とただし，ハイパスフィルタを通った波形は，パルスの時VCC からの電圧変化点である．受信波形の復号にマイコンを使っているとき，通常は HIGH と LOW の信号が判

間幅が短くなるため，立ち上がり開始点や立ち下がり開始別できれば良いため，ディジタル入力ピンで対応できる．

点から基準電圧に戻るまでの時間が短くなる．この時間

しかし，立ち上がりと立ち下がりの開始点を見つけるにがマイコンの処理速度よりも短い場合，パルスを抽出では，アナログ値の変化を確認する必要があるため，マイコきない場合が生じる．このパルス時間幅は，ハイパスフィ

ンでは動作速度の低下が起こる．立ち上がり開始点に対ルタの性能に依存し，フィルタの抵抗値およびコンデンしては，外部のコンパレータを利用し，比較電圧としてサの容量に比例して長くなる．そこで，CR ハイパスフィ

GND より少し高い電圧を与えれば，判別が可能である．
一方，立ち下がり開始点に対しては，その時の矩形波の電ルタのカットオフ周波数（= 1/2πCR）との関係を時定数と比較し Figure 9 に示す．使用するマイコンの処理速度圧値からの変動となり，その電圧値は送受信機間距離に依に応じて，ハイパスフィルタのカットオフ周波数を決定す存するため，設定が難しい．

る必要がある．

ここでハイパスフィルタに注目する．ハイパスフィル

この方法により，立ち上がり開始点と立ち下がり開始タには微分の働きがあり，立ち上がり開始点と立ち下が点を適切に抽出することで，送信波形を復元でき，矩形波り開始点の変化を抽出することができる．また，ハイパ通信の復調が可能となる．

スフィルタを通して波形が変化しても，立ち上がりと立ち下がり開始点は変化しない（Figure 7）．そして，それ4

ら立ち上がり開始点と立ち下がり開始点の電圧を基準電提案する受光感度の自動調整の効果を確認するために，受圧（GND）として扱うことができ，そこからの正の方向

光感度を固定した方法との比較実験を行う．受光素子の感に変化する点が立ち上がり開始点であり，負の方向に変化度調整抵抗値が 0Ω から 27kΩ まで 128 段階で設定できるする点が立ち下がり開始点となる．

ディジタルポテンショメータを用いる．一方，比較対象と実験と考察

立ち上がり開始点は，コンパレータで抽出できるが，立して抵抗値を 10kΩ と 27kΩ に固定した受信機を用いる．

ち下がり開始点は負電圧のため，抽出回路が複雑になる．

比較対象の回路は，コンパレータの閾値を，無信号時のノそこで，抵抗を用いた電圧を印加することで，基準電圧をイズ電圧の少し上に設定し，遠距離の通信に適した状態に

16

ㅰ㎡

Figure 12: 通信速度 12.5kbps での実験結果
Figure 9: ハイパスフィルタのカットオフ周波数とパルスを取りこぼしているためである．今回は，16M Hz で動作の時間幅の関係するマイコンを用いたが，このマイコンの性能の限界であり，これを用いた場合の通信速度の上限であると考えられる．

5おわりに目に見える無線通信として注目されている可視光通信をロボットのコントローラに使うことが検討されている．本
研究では，パルスを用いた可視光通信において，受光素子の感度を調整する方法について検討した．ハイパスフィ

Figure 10: 通信速度 6.25kbs での実験結果

ルタの特性を考慮して，フィルタ通過後の波形から元波形
 ࡲ࡜ࡵを復元する方法を提案した．波形の立ち上がり開始点と立ち下がり開始点を抽出することで，元波形を復元した．

する．送受信機間距離を 0cm から 150cm まで変えながら，近距離と遠距離のいずれにおいても，感度を固定した時100 万ビットの通信によるビット・エラー・レート (BER)より良い結果となった．今後は，この受信機をロボットのを測定する．なお測定点として，送受信機間距離が 0cm可視光通信の受信機として用いる必要がある．

から 10cm の間は 2cm ごとに，10cm 以上は 5cm ごととする．また，通信速度の影響を確認するために 6.25kbps，謝辞

8.30kbps，12.50kbps の３つの速度で情報を送信して，違本研究は JSPS 科研費 15K16313 の助成を受けたものでいを測定する．

ある．

通信速度が 8.30kbps と 6.25kbps の場合，提案法では近参考文献

ㅰ㎡
距離と遠距離のいずれの距離でも抵抗値を適切に調整できており，さらに立ち下がり開始点の抽出の効果も加わ[1] 中川 正雄，可視光通信コンソーシアム，“可視光通信の世界―LED で拓く「あかりコミュニケーション」”，

り，抵抗値を固定した場合よりも良い性能になっている（Figure 10，11）．一方，通信速度が 12.5kbps のときは，工業調査会，2006．

送受信機間距離が 20cm 以上になると，提案法の方が悪くなった（Figure 12）．これは，パルスの時間幅が約 100μs[2] 清水 謙汰，端山 稜人，福森 康洋，植村 渉，“可視光と短く，マイコンが立ち上がり開始点や立ち下がり開始点通信を用いたロボット制御のための信号強度取得に関する一考察”，人工知能学会第 47 回 SIG-Challenge研究会，(印刷中)，2017．

 ࡲ࡜ࡵ[3] 小田翔平，植村渉，“可視光通信における信号定位に関する一考察”，第 19 回創発システムシンポジウム，
p. 34，2013．

Figure 11: 通信速度 8.30kbps での実験結果ㅰ㎡17