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TWI539763B - 光通訊裝置及其控制方法 - Google Patents

光通訊裝置及其控制方法 Download PDF

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TWI539763B
TWI539763B TW103133653A TW103133653A TWI539763B TW I539763 B TWI539763 B TW I539763B TW 103133653 A TW103133653 A TW 103133653A TW 103133653 A TW103133653 A TW 103133653A TW I539763 B TWI539763 B TW I539763B
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TW
Taiwan
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current
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communication device
optical communication
data
Prior art date
Application number
TW103133653A
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English (en)
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TW201613293A (en
Inventor
賴俊良
游爵豪
莊凱翔
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
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Publication date
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Priority to US14/606,662 priority patent/US9825703B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Description

光通訊裝置及其控制方法
本揭露係關於一種光通訊裝置及其控制方法，特別關於一種可見光通訊裝置及其控制方法。
光通訊系統係藉由光來傳遞訊號，其中可見光由於已經廣泛用於室內照明，因此可以同時兼顧照明與通訊的功能而達到節約能源與硬體裝置費用。然而，以可見光同時通訊與照明時，須避免讓使用者察覺到照明光線的閃爍。
本揭露提出一種可見光通訊裝置。所揭露的裝置中以一個驅動電流驅動發光模組，並將欲傳送的資料以資料電流的形式直接耦合(疊加)至此驅動電流。並且適度地調整驅動電流及/或資料電流的平均值，使所揭露的裝置可以具有極高的資料傳輸率，且不影響發光強度。
根據本揭露一個或多個實施例的一種光通訊裝置，包含驅動模組、資料傳輸模組、發光模組與回授模組。其中驅動模組用以產生驅動電流。資料傳輸模組用以依據一筆資料產生資料電流。發光模組直接電性連接至驅動模組與資料傳輸模組，用 以依據驅動電流與資料電流疊加得到的發光電流發出可見光。回授模組用以調整驅動電流與資料電流其中之一的直流位準使發光模組所發出的可見光的平均強度等同預設強度。
根據本揭露一個或多個實施例的一種光通訊裝置控 制方法，包含：產生驅動電流、依據一筆資料產生資料電流、直接以資料電流與驅動電流疊加得到的發光電流驅動發光模組發出可見光，以及調整資料電流與驅動電流其中之一的直流位準，使發光模組所發出的可見光的平均強度等同預設強度。
本揭露一個或多個實施例所實現的光通訊裝置。以 直接耦合的方式把所欲傳輸的資料以資料電流的形式疊加於驅動電流，以得到驅動發光模組的發光電流。並且以回授的方式控制驅動電流與資料電流其中之一的直流位準。藉此，使得所發出的可見光的強度的低頻成分變動幅度降低，因此可以用在一般室內照明而不會讓使用者察覺到照明光線的閃爍。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之 說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。
1000、2000、3000‧‧‧光通訊裝置
1100、2100、3100‧‧‧驅動模組
1110‧‧‧驅動電流源
1120‧‧‧補償電流源
1130‧‧‧亮度控制單元
1140‧‧‧放大器
1141‧‧‧脈衝寬度調變器
1143‧‧‧電流偵測器
1150‧‧‧電晶體開關
1160‧‧‧阻抗元件
1170‧‧‧單向元件
1171、1191‧‧‧第一端
1172、1192‧‧‧第二端
1180‧‧‧電感
1190‧‧‧電容
clk‧‧‧時脈訊號
I0、I0’‧‧‧驅動電流
I01、I02‧‧‧電流
Vdim‧‧‧調光訊號
Vil‧‧‧亮度控制電壓
1200、2200、3200‧‧‧資料傳輸模組
1201‧‧‧輸出端
1203‧‧‧輸入端
1210、2210‧‧‧資料電流源
1220、2220‧‧‧開關
1230、2240‧‧‧數位類比轉換器
2230‧‧‧補償電流源
I1、I1’‧‧‧資料電流
I11‧‧‧電流
I12‧‧‧補償電流
1300、2300、3300‧‧‧發光模組
IE‧‧‧發光電流
1400、2400、3400‧‧‧回授模組
3410‧‧‧控制單元
VDATA‧‧‧資料訊號
R‧‧‧電阻
C1、C2‧‧‧曲線
第1圖係根據本揭露一實施例的光通訊裝置的功能方塊圖。
第2A圖係根據本揭露一實施例的驅動模組電路示意圖。
第2B圖係根據本揭露另一實施例的驅動模組電路示意圖。
第2C圖係根據本揭露又一實施例的驅動模組電路示意圖。
第3圖係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。
第4圖係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。
第5圖係根據本揭露一實施例的資料電流時序圖。
第6圖係用以說明發光強度與發光強度平均值關係之時序圖。
第7圖係根據本揭露另一實施例的光通訊裝置功能方塊圖。
第8圖係根據本揭露一實施例的驅動模組電路示意圖。
第9圖係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。
第10圖係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。
第11A圖係根據本揭露另一實施例的光通訊裝置功能方塊圖。
第11B圖係根據本揭露又一實施例的光通訊裝置功能方塊圖。
第12圖係根據本揭露一實施例的光通訊裝置的控制方法流程圖。
以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容 並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖 式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。
根據本揭露一實施例的，請參照第1圖，其係根據本揭露一實施例的光通訊裝置的功能方塊圖。如第1圖所示，根據本揭露一實施例的光通訊裝置1000可以包含驅動模組1100、資料傳輸模組1200、發光模組1300與回授模組1400。其中發光模組1300直接電性連接至驅動模組1100與資料傳輸模組1200。 回授模組1400可以電性連接至驅動模組1100。
驅動模組1100用以產生驅動電流I0。實作上，請參照第2A圖，其係根據本揭露一實施例的驅動模組電路示意圖。 如第2A圖所示，驅動模組1100可以包含驅動電流源1110與補償電流源1120。驅動電流源1110受控於一個調光訊號Vdim來產生第一電流I01，而補償電流源1120受控於回授模組1400而產生第二電流I02。第一電流I01與第二電流I02的總合為驅動電流I0。其中調光訊號Vdim係由使用者決定。並且，第二電流I02的變化的頻率遠小於資料傳輸模組傳送資料的頻率。於某些實施例中，為了避免資料傳輸錯誤，第二電流I02於相鄰兩個時脈週期的變化量小於資料電流的最小位元(least significant bit,LSB)的一半，但不限於此。
於另一實施例中，驅動模組1100的電路可以參照第 2B圖，其係根據本揭露另一實施例的驅動模組電路示意圖。如第2B圖所示，驅動模組1100可以包含亮度控制單元1130、放大器1140、電晶體開關1150與阻抗元件1160。亮度控制單元1130受控於調光訊號Vdim來產生亮度控制電壓Vil，而放大器1140的正輸入端接收亮度控制電壓Vil，放大器1140的輸出端電性連接至電晶體開關1150的控制端，電晶體開關1150的一端用來輸出驅動電流I0，電晶體開關1150的另一端與整個光通訊裝置1000的一個參考電壓端之間是阻抗元件1160，放大器1140的負輸入端電性連接至阻抗元件1160與電晶體開關1150連接處。因此，以第2B圖為例，驅動電流I0由阻抗元件1160的電阻值以及亮度控制電壓Vil所決定。而於此實施例中，關於驅動模組1100依據回授模組1400的控制來調整驅動電流I0的方式，實際上是由亮度控制單元1130依據回授模組1400的控制來調整亮度控制電壓Vil。
於又一實施例中，驅動模組1100的電路可以參照第2C圖，其係根據本揭露又一實施例的驅動模組電路示意圖。相較於第2B圖的實施例，本實施例中的驅動模組1100可以更包含單向元件1170(於本實施例中是一個二極體)、電感1180與電容1190，同時，放大器1140被脈衝寬度調變器1141(pulse width modulator,PWM)與電流偵測器1143所取代。其中電流偵測器1143係利用阻抗元件1160一端的電壓來計算等效的電流值，並據以回授給脈衝寬度調變器1141。脈衝寬度調變器依據亮度控制 電壓Vil與電流偵測器1143所送的訊號以及一個時脈訊號clk來產生脈衝寬度調變訊號VPWM以控制電晶體開關1150的導通與否。電容1190的第一端1191與單向元件1170的第一端1171都電性連接至光通訊裝置1000的接地端，電容1190的第二端1192電性連接至發光模組1300的一端(也就是電容1190與發光模組1300並連)，單向元件1170的第二端1172電性連接至電晶體開關1150，而電感1180電性連接於單向元件1170的第二端1172與電容1190的第二端1192之間。更明確的說，電晶體開關1150不直接與發光模組1300電性連接，電晶體開關1150所送出的電流經過單向元件1170、電感1180與電容1190所構成的低通濾波器(low pass filter,LPF)後成為驅動電流I0用來驅動發光模組1300。如同前一實施例，本實施例中，關於驅動模組1100依據回授模組1400的控制來調整驅動電流I0的方式，實際上是由亮度控制單元1130依據回授模組1400的控制來調整亮度控制電壓Vil。
資料傳輸模組1200用以依據一筆資料產生資料電流I1。於一實施例中，資料傳輸模組1200可以將要傳輸的資料以串列通信(serial communication)的方式一次傳送一位元的資料直到將資料傳輸完畢。於此實施例中，資料傳輸模組1200的電路架構可以參照第3圖，其係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。如第3圖所示，資料傳輸模組1200可以包含一個資料電流源1210與一個開關1220。開關1220電性連接於 資料電流源1210與資料傳輸模組1200的輸出端1201之間。並且開關1220受控於資料傳輸模組1200的輸入端1203所傳來的資料訊號VDATA而選擇性的導通。以N型電晶體來作為開關1220舉例來說，當資料訊號VDATA的電位是高電位時，開關1220導通，因此從輸出端1201送出的資料電流I1的電流值等於資料電流源1210的額定電流值。當資料訊號VDATA的電位是低電位時，開關1220不導通，因此從輸出端1201送出的資料電流I1的電流值等於零。
於另一實施例中，資料傳輸模組1200可以將要傳輸的資料用每一次傳送多位元的資料直到將資料傳輸完畢。於此實施例中，資料傳輸模組1200的電路架構可以參照第4圖，其係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。如第4圖所示，資料傳輸模組1200可以包含一個電流式數位類比轉換器1230。此數位類比轉換器1230可以依據資料訊號VDATA而輸出具有多個不同位準(電流值)的資料電流I1。舉例來說，於此實施例中資料傳輸模組1200所輸出的資料電流可以如第5圖所示，第5圖係根據本揭露一實施例的資料電流時序圖。
發光模組1300用以依據驅動電流I0與資料電流I1疊加得到的發光電流IE發出可見光。由於發光模組1300的反應時間(也就是從發光電流IE變化到發光模組1300所發出的可見光的發光強度變化所需要的時間)會限制光通訊裝置1000的資料傳輸效率，因此具體來說，發光模組1300可以是發光二極體、有 機發光二極體或其他具有反應時間短的發光元件。
回授模組1400用以調整驅動電流I0的直流位準，使發光模組所發出的可見光的平均強度等同預設強度。具體來說，回授模組1400中可以包含一個可見光偵測單元，可見光偵測單元用來偵測發光模組1300所發出的可見光強度，並將可見光強度送給驅動模組1100，使驅動模組1100調整驅動電流I0的電流值的直流位準。實作上，可見光偵側單元可以是一個電荷耦合感光元件(charge coupled device,CCD)或是一個互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(complementary metal-oxide semiconductor field-effect transistor,CMOS)感光元件。
實作上，前述所計算的平均強度是可見光偵測單元在一個時間區間中偵測到發光模組1300所發出的可見光的可見光強度的平均值。並且可以是以移動平均法(moving average)計算得到的平均值。請參照第6圖，其係用以說明發光強度與發光強度平均值關係之時序圖。如第6圖所示，其中第一曲線C1為發光強度，而第二曲線C2係利用移動平均法求得每個時間點上「最後十六次取樣得到的發光強度的平均值」。實作上，由於人的眼睛對於120赫茲以上的亮度變化頻率不敏感，因此在以移動平均法去得平均強度時，可以取「最後一百二十分之一秒」這個時間區間內的發光強度的平均值。於某些實施例中，時間區間可以短於一百二十分之一秒。
於本揭露另一實施例中，回授模組是電性連接至資 料傳輸模組而不是電性連接至驅動模組，請參照第7圖，其係根據本揭露另一實施例的光通訊裝置功能方塊圖。如第7圖所示，根據本揭露另一實施例的光通訊裝置2000可以包含驅動模組2100、資料傳輸模組2200、發光模組2300與回授模組2400。其中發光模組1300直接電性連接至驅動模組1100與資料傳輸模組1200。回授模組1400可以電性連接至資料傳輸模組2200。
於本實施例中，發光模組2300與回授模組2400本身的運作方式大致如前述第1圖的實施例所述，差別僅在於回授模組2400係電性連接至資料傳輸模組2200來控制資料電流的直流位準。因此以下僅敘述驅動模組2100與資料傳輸模組2200相較於前述驅動模組1100與資料傳輸模組1200的實作方式的差異。
驅動模組2100用以產生驅動電流I0’。實作上，請參照第8圖，其係根據本揭露一實施例的驅動模組電路示意圖。如第8圖所示，驅動模組2100可以包含驅動電流源2110。驅動電流源2110受控於調光訊號Vdim來產生驅動電流I0’。其中調光訊號Vdim係由使用者決定。
資料傳輸模組2200用以依據一筆資料產生資料電流I1’。於一實施例中，資料傳輸模組2200可以將要傳輸的資料以串列通信(serial communication)的方式一次傳送一位元的資料直到將資料傳輸完畢。於此實施例中，資料傳輸模組2200的電路架構可以參照第9圖，其係根據本揭露一實施例中的資料傳輸 模組的電路示意圖。如第9圖所示，資料傳輸模組2200可以包含一個資料電流源2210、一個開關2220與一個補償電流源2230。開關2220電性連接於資料電流源2210與資料傳輸模組2200的輸出端2201之間。並且開關2220受控於資料傳輸模組2200的輸入端2203所傳來的資料訊號VDATA而選擇性的導通。 而補償電流源2230電性連接至回授模組2400，補償電流源2230受控於回授模組2400而調整所輸出的補償電流I12。以N型電晶體來作為開關2220舉例來說，當資料訊號VDATA的電位是高電位時，開關2220導通，因此從輸出端2201送出的資料電流I1’的電流值等於資料電流源2210所輸出的電流I11加上補償電流I12。當資料訊號VDATA的電位是低電位時，開關2220不導通，因此從輸出端1201送出的資料電流I1’的電流值等於補償電流I12。
於另一實施例中，資料傳輸模組2200可以將要傳輸的資料用每一次傳送多位元的資料直到將資料傳輸完畢。於此實施例中，資料傳輸模組2200的電路架構可以參照第10圖，其係根據本揭露一實施例中的資料傳輸模組的電路示意圖。如第10圖所示，資料傳輸模組2200可以包含補償電流源2230與一個電流式數位類比轉換器2240。補償電流源2230與電流式數位類比轉換器2240都電性連接至資料傳輸模組2200的輸出端2201。此數位類比轉換器2230可以依據資料而輸出具有多個不同位準(電流值)的電流I11。補償電流源2230電性連接至回授模組2400， 補償電流源2230受控於回授模組2400而調整所輸出的補償電流I12。電流I11與補償電流I12的總和就是資料電流I1’。並且，補償電流I12的變化的頻率遠小於資料傳輸模組傳送資料的頻率。於某些實施例中，為了避免資料傳輸錯誤，補償電流I12於相鄰兩個時脈週期的變化量小於電流I11的最小位元(least significant bit,LSB)的一半。
於本揭露再一實施例中，由於發光模組發出的可見光強度與驅動發光模組發光的發光電流是正相關的，因此回授模組可以藉由量測發光電流來控制驅動電流或資料電流的直流位準。請參照第11A圖與第11B圖，其中第11A圖係根據本揭露另一實施例的光通訊裝置功能方塊圖，第11B圖係根據本揭露又一實施例的光通訊裝置功能方塊圖。如第11A圖與第11B圖所示，光通訊裝置3000可以包含驅動模組3100、資料傳輸模組3200、發光模組3300與回授模組3400。其中發光模組3300直接電性連接至驅動模組3100與資料傳輸模組3200。如第11A圖所示，回授模組3400可以電性連接至驅動模組3100。又如第11B圖所示，回授模組3400可以電性連接至資料傳輸模組3200。其中，驅動模組3100、資料傳輸模組3200與發光模組3300的作動方式大致如前述多個實施例所述，於此不再贅述。
於第11A圖與第11B圖可以看到的是回授模組3400包含了串接於發光模組3300的一個電阻R與一個控制單元3410。更明確來說，本實施例中的回授模組3400係以控制單元 3410偵測電阻R的兩端的電位差，來計算每個時間點流過發光模組3300的發光電流IE的電流值，並且藉由前述多個實施例中所揭示了移動平均法計算發光電流IE於一個時間區間中的平均電流值，用來估算發光模組3300所發出的可見光的平均強度。並且控制單元3410依據所計算得到的可見光平均強度來控制驅動電流與資料電流其中之一的直流位準。實作上，前述所計算的平均強度是由控制單元3410在一個時間區間中計算得到的發光電流的平均值去推估得到的。並且可以是以移動平均法(moving average)計算得到的發光電流的平均值。實作上，由於人的眼睛對於120赫茲以上的亮度變化頻率不敏感，因此在以移動平均法去得發光電流的平均值時，可以取「最後一百二十分之一秒」這個時間區間內的發光強度的平均值。於某些實施例中，時間區間可以短於一百二十分之一秒。
因此，本揭露的光通訊裝置的控制方法可以整理如第12圖，其係根據本揭露一實施例的光通訊裝置的控制方法流程圖。如第12圖所示，此方法可以包括步驟S10，由驅動模組依據一個調光訊號產生驅動電流。步驟S20，由資料傳輸模組依據一筆資料產生資料電流。步驟S30，直接以資料電流與驅動電流疊加得到的發光電流驅動發光模組發出可見光。步驟S40，由回授模組依據可見光的強度來調整資料電流與驅動電流其中之一的直流位準，使發光模組所發出的可見光的平均強度等同預設強度。
綜上所述，依據本揭露一個或多個實施例所實現的光通訊裝置。以直接耦合的方式把所欲傳輸的資料以資料電流的形式疊加於驅動電流，以得到驅動發光模組的發光電流。並且以回授的方式控制驅動電流與資料電流其中之一的直流位準。藉此，使得所發出的可見光的強度的低頻成分變動幅度降低，因此可以用在一般室內照明而不會讓使用者察覺到照明光線的閃爍。
雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1000‧‧‧光通訊裝置
1100‧‧‧驅動模組
1200‧‧‧資料傳輸模組
1300‧‧‧發光模組
1400‧‧‧回授模組
Vdim‧‧‧調光訊號
VDATA‧‧‧資料訊號
I0‧‧‧驅動電流
I1‧‧‧資料電流
IE‧‧‧發光電流

Claims (24)

  1. 一種光通訊裝置，包含：一驅動模組，用以產生一驅動電流；一資料傳輸模組，用以依據一筆資料產生一資料電流；一發光模組，電性連接至該驅動模組與該資料傳輸模組，用以依據該驅動電流與該資料電流疊加的一發光電流發出可見光；以及一回授模組，用以調整該驅動電流與該資料電流其中之一的一直流位準使該發光模組所發出的可見光的一平均強度等同一預設強度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊裝置，其中該回授模組電性連接至該驅動模組與該發光模組，用以依據該發光電流控制該驅動模組調整該驅動電流的該直流位準。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係由該發光電流於一時間區間中的平均值計算得到。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光通訊裝置，其中該時間區間不大於一百二十分之一秒。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係由該回授模組以移動平均法量測得到。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊裝置，其中該回授模組電性連接至該資料傳輸模組與該發光模組，用以依據該發光電流控制該資料傳輸模組調整該資料電流的該直流位準。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係由該發光電流於一時間區間中的平均值計算得到。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光通訊裝置，其中該時間區間不大於一百二十分之一秒。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係由該回授模組以移動平均法量測得到。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊裝置，其中該回授模組電性連接至該驅動模組，包含一可見光偵測單元，用以偵測該發光模組所發出的可見光的一可見光強度，並依據該可見光強度控制該驅動模組調整該驅動電流的該直流位準。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係該可見光強度於一時間區間中的平均值。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的光通訊裝置，其中該時間區間不大於一百二十分之一秒。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係由該可見光偵測單元以移動平均法量測得到。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的光通訊裝置，其中該回授模組電性連接至該資料傳輸模組，包含一可見光偵測單元，用以偵測該發光模組所發出的可見光的一可見光強度，並依據該可見光強度控制該資料傳輸模組調整該資料電流的該直流位準。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係該可見光強度於一時間區間中的平均值。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的光通訊裝置，其中該時間區間不大於一百二十分之一秒。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的光通訊裝置，其中該平均強度係由該可見光偵測單元以移動平均法量測得到。
  18. 一種光通訊裝置控制方法，包含：產生一驅動電流；依據一筆資料產生一資料電流；以該資料電流與該驅動電流疊加的一發光電流驅動一發光模組發出可見光；以及調整該資料電流與該驅動電流其中之一的一直流位準，使該發光模組所發出的可見光的一平均強度等同一預設強度。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中該平均強度係由該發光電流於一時間區間中的平均值計算得到。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中該時間區間不大於一百二十分之一秒。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中該平均強度係以移動平均法量測得到。
  22. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中該平均強度係該可見光強度於一時間區間中的平均值。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中該時間區間不大於一百二十分之一秒。
  24. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其中該平均強度係以移動平均法量測得到。
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