CN101095299A - 用于自由空间光传输的发送设备 - Google Patents

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Abstract

用于自由空间光传输的发送设备。本发明涉及用于经由空间的传输的发送设备，其使用由一个或多个放电灯产生的红外光和/或可见光和/或紫外光波段的电磁波。所述设备通过其输入端子(1)连接至交流电能量分布系统。电源滤波器(2)减少电源电路产生的传导电磁干扰，所述电源电路包括整流器(3)、功率因数校正电路(4)、低压电源(5)和反相器(8)。反相器(8)连接至串联电感器(9)，电感器(9)与热阴极荧光灯(10)和电容器(12)串联，并联电容器(11)实现所述灯的最佳启动。用于经由配电线路(6)的传输的接收装置传递施加于控制电路系统(7)的“解调信号”，电路系统(7)控制反相器(8)的开关状态。所产生的光被调制为“解调信号”的函数。

Description

用于自由空间光传输的发送设备
技术领域
本发明涉及用于通过空间传输的发送设备，其使用由一个或多个放电灯产生的红外光和/或可见光和/或紫外光波段的电磁波。
在此作为参考引入了2004年9月20号提交的法国专利，申请号为0409939，题目为“Dispositifd’emission pour la transmission optiqueen espace libre”。
背景技术
在下文中，词语“光”将代表电磁辐射，其可以包含可见光和/或红外光和/或紫外光。在下文中，词语“放电灯”将代表任一类型的放电灯。例如，此灯可能是低压放电灯，汞汽荧光管，或小型荧光灯，亦或钠汽灯等等。此灯可以是例如高压放电灯，例如金属碘化物灯。
用放电灯进行光学传输的思想已经在几个专利申请中公开了，其中包括：
-Martin R.Dachs的名为Optical communication system的申请，其对应于1975年美国专利号3,900,404；
-Shinichi Nakada的对应于日本专利号JP60032443，公开于1985年的申请；
-Lars Bergkvist的名为A method in the operation of a drive devicefor electric discharge lamps and a drive device(PCT文档编号WO9012479)，公开于1990年的PCT申请；
-Trevor T.Gray的名为Data transmission system(PCT文档编号WO9013067)，公开于1990年的PCT申请；
-Michael Smith于1997年的名为Modulation and coding fortransmission using fluorescent tubes的PCT申请，其对应于美国专利号5,657,145。
调制由20kHz以上频率的放电灯产生的光的可能性也建立在几个技术交流中，其中包括：
-R.C.Perkings和W.M.Honig在IEEE Photonic Technology Letters1991年1月份，第1号，第3卷，91-92页的名为“A High-Intensity PulsedLight Source in Blue and UV from Commercial Fluorescent Tubes”的文章；
-D.K.Jackson等人在IEEE Transactions on Industry Applications1998年5/6月份，第3号，第34卷，625至630页的名为“Fiat Lux：A Fluorescent Lamp Digital Transceiver”的文章。
本领域技术人员知道由放电灯产生的光线可以用很多方式进行调制，并且因此其确实可以用于传输。通常来说，有必要把适当调制过的“灯电流”传递至不同的放电灯，此“灯电流”由“控制设备”产生。依据第一个例子，所述灯电流可能是总是按同一方向流动的电流，其由直流电组成并在此直流电上叠加调制。上面提及的MartinR.Dachs的申请涉及此类型的设备，尽管这种方法难于实现，因为第一，放电灯的电特性使得依据这种方法的控制设备相当复杂(或者有很低的效率)，第二，放电灯通常不会被设计成允许含有直流分量的电流通过。依据第二个例子，所述灯电流可能是适当调制过的在交流电能量分布系统频率(比如50Hz或60Hz)上的电流，此种方法适合于采用电磁镇流器，其包含与放电灯串联的电感器。上面提及的Michael Smith和Trevor T.Gray的申请涉及此类型的设备。依据第三个例子，所述灯电流可以是由反相器产生的高频电流(比如高于20kHz的频率以避免可闻噪声)，这如同电感镇流器中的情况一样，但是是用适当的方法进行调制的。上面提及的Shinichi Nakada和LarsBergkvist的申请涉及此方法类型。
本领域技术人员知道高频电流的使用提供了更长的放电灯寿命，以及更好的光学功效。然而，不应忘记，经验告诉我们对产生出的光通量的调制的可能性和性能取决于放电灯的类型以及其他几个参数，比如用于调制的频带。
特别是，当所述灯电流是高频电流或者当所述调制包含高频分量时，本领域技术人员知道我们希望所述控制设备和所述一个(或多个)放电灯之间的配线要尽可能短。保持此配线较短的优点涉及到，例如，电磁兼容性，电安全，或者总体安装效率。实际上，依据所述领域的状况，所述控制设备和所述一个(或多个)放电灯之间短配线意味着包含一个或几个灯的照明器具具有其自己的控制设备，按照技术规定，这就意味着用到了两条不同的配线，一条用于通过使用例如到交流电能量分布系统的连接把电源传递给每个照明器具，另一条用于将要传送的信号传递给每个照明器具。
依据现有技术，用于传递要发送给所述电灯的所述信号的装置的问题并没有以一种令所有应用都满意的方式所处理，因为两条分离配线的使用明显贵于仅仅用于照明的照明器具的传统配线。为了仅使用一根配线，人们可以设计用无线电通信线路传递要发送给每个照明器具的信号，但是此解决方案消除了自由空间光传输的主要优点，此优点就是它不使用无线电频谱。
发明内容
本发明的目的是一种用于自由空间光传输的发送设备，其不需要分离的配线来传送它的输入信号，并且没有已知方法和设备的限制。
本发明与用于自由空间光传输的发送设备有关，其特征在于：
第一，其包含一个或多个用作传输光源的放电灯，
第二，其包含用于经由配电线路的传输的接收装置，其能够在其输出端传送“解调信号”，所述“解调信号”通过对于在为所述发送设备供电的端子上出现的信号进行解调而获得，
第三，所述“解调信号”施加到控制设备的输入端，所述控制设备将上述一个或多个放电灯产生的光调制为所述“解调信号”的函数。
用于经由配电线路的传输的接收装置利用了本发明的发送设备的供电端子上的信号。这些配电线路可能属于任一种能量分布系统，例如直流能量分布系统、连接至公共低压网络的交流能量分布系统、船用配电系统等等。
用于经由配电线路的传输的接收装置是用于经由配电线路的传输的系统的接收部分，其在英语中也可以称作“power-linecommunication(电力线通信)”或“PLC”。这种系统的特征和可能实现是专家所熟知的，几个方面展现在N.Pavlidou，A.J.Han Vinck，J.Yazdani和B.Honary在IEEE Communications Magazine 2003年4月份，第4号，第41卷，34至40页的名为“Power Line Communication：State of the Art and Future Trends”的文章中。应该注意的是，依据应用于欧盟的规章，分配于一些经由配电线路的传输的频率高于3kHz。因此依据本发明，用于经由配电线路的传输的接收装置可以通过在能够对所述发送设备供电的端子上出现的高于3kHz的信号进行解调获得“解调信号”。
通过用于经由配电线路的传输的系统而发送的信号可以是数字信号或者模拟信号，其通过使用任一种数字或模拟调制方法获得。
E.Biglieri在IEEE Communications Magazine 2003年5月份，第5号，第41卷，92至98页的名为“Coding and Modulation for a HorribleChannel”的文章告诉我们，对于经由配电线路的传输，单一载波的调制通常不是一个好的技术解决方案。所以，本发明的设备的特征在于，用于经由配电线路的传输的接收装置采用使用多个载波的调制方法或者采用扩频技术。例如，使用数个载波的调制方法，比如正交频分复用(也记作OFDM)可能会给出很好的结果。
正如已知的设备和方法那样，很明显，由本发明的设备的放电灯产生的光可以用多种方式调制：所述“灯电流”可以是例如总是按同一方向流动的电流，其由直流电流组成并在此直流电流上叠加调制，或者是适当调制过的在交流电能量分布系统频率上的电流，还可能是用适当方式调制过的高频电流。
我们已经在上面说过，用高频灯电流给放电灯供电通常是有利的。因此本发明的设备的特征在于上述一或多个放电灯用频率高于15kHz的交流电供电。
本发明的设备可能特征在于，所述交流电流依据一种涉及其相位变化或其频率变化的方法来进行调制。本领域技术人员知道这种调制方法在用高频电流对所述放电灯供电时易于实现。特别简单的实现开关模式控制设备的方法，例如在上面提及的D.K.Jackson等人的文章中展示。本发明的设备的特征还在于，所述灯电流是依据涉及其振幅变化的方法而调制的交流电流。对于熟知所述领域的人明显的是，此结果可以例如通过用开关模式控制设备的占空比变化来获得。
通常，我们希望光的调制是人类观察者所不能感知的。此结果可以通过视觉暂留的现象获得，其消除了对于足够快速的光变化的闪烁感知度。因此本发明的设备的特征在于，与光调制相对应的光通量的变化实际上不包含频率低于24Hz的分量。对于一些调制而言，这个24Hz的限制将适合于使得人类观察者感觉不到调制的存在。对于一些调制而言，使用更高的比如200Hz的限制可能会有用。
如果光调制是不可感知的，很明显，由本发明的设备产生的光如果是可见光的话，就可以具有照明所需要的特征。所以，本发明的设备的特征可以在于，产生的光也可用于照明。
我们注意到，在该情况中，本发明的设备可以设计为使得其看起来就像一个正常的照明器具。所以，本发明的设备的特征可以在于，其自由空间光传输功能是隐秘的，其表面上的功能是照明。
为了获得给定应用所需要的特征，本发明的设备可以使用最合适类型的放电灯。特别是，本发明的设备的特征可能在于，上述一个或多个放电灯是低压放电灯，其可能最终包含荧光材料。特别是，本发明的设备的特征可能在于，上述一个或多个放电灯是高压放电灯。
附图说明
通过参考示出本发明的实施例的图1，通过非限制性示例的形式，其他优点和特点将在下面对本发明的特定实施例的描述中更加清楚的呈现。
具体实施方式
作为由非限制性示例给出的本发明的设备的例子，在图1中示出通过其输入端子(1)而连接至交流电能量分布系统的本发明的设备。电源滤波器(2)能够根据有关电磁兼容性的调整，有效减少由电源电路在高于150kHz的频率上产生的传导电磁干扰。所述电源电路包括整流器(3)、功率因数校正电路(4)、低压电源(5)和反相器(8)。专家熟知的所述功率因数校正电路(4)是非隔离的升压转化器。其从电源中提出正弦电流。因此其根据有关电磁兼容性的调整，提供谐波电流低发射。其还提供预调整。所述反相器(8)包括推挽式开关级，该推挽式开关级的输出端连接至串联电感器(9)，电感器(9)与热阴极荧光灯(10)和电容器(12)串联，并联电容器(11)实现了所述灯的最佳启动，符合通用的荧光灯电子镇流器的结构，比如E.Deng和S.Cuk在1994年Proceedings of the 1994 IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition，APEC’94的441至449页的名为“Single Stage，high power factor，lamp ballast”的文章中所展示的。用于经由配电线路(6)的传输的接收装置在其输出端传递“解调信号”，所述“解调信号”是通过对在两个输入端(1)上的频率高于3kHz的信号进行解调而获得的。这些“解调信号”施加于控制电路系统(7)的输入端，控制电路系统(7)产生用于控制所述反相器(8)的开关(比如金属氧化物半导体场效应晶体管)状态的信号。控制电路系统(7)和反相器(8)组成开关模式控制设备，其将流经热阴极荧光灯(10)的灯电流调制为所述“解调信号”的函数，由此将所产生的光调制为所述“解调信号”的函数。低压电源(5)对用于经由配电线路(6)和控制电路系统(7)的传输的接收设备供电。
接地或者连接至保护地线没有在图1的输入端子(1)级别处出现。这种连接显而易见是存在的，比如为了电安全和/或电磁兼容性。
依据图1所示的例子，所述设备是采用使得其看起来就像仅仅用于照明的正常照明器具的方式而建立的。所述“解调信号”还可以用于光调制之外的其他功能，例如用于涉及到照明功能的功能，比如开启/闭合开关或者照明强度的变化(暗化功能)。
依据图1所示例子的设备中，反相器(8)产生频率大约为62kHz的调频灯电流，其产生频率大约为124kHz的调频光。此类型的恒定包络调制有其光调制不为人类观察员所感知的优点。专家知道他应该如何设计控制电路系统(7)以便于获得频率调制的同时没有对振幅进行调制，而不管串联电感器(9)和电容器(12)的阻抗如何变化：控制所述开关状态的信号必须是频率调制和占空比调制的。另一方面，如果用于调频的频带仅包含足够高以至于由于视觉暂留而不可被感知的频率，则由所述频率调制所导致的振幅调制是可以忍受的，正如在上面提及的D.K.Jackson等人的文章中所解释的那样，并且占空比调制将不再需要。
由于本发明的设备，通过用于经由配电线路的传输的系统送出的信号被变换为光信号，光信号可以采用用于光传输的适当接收器来接收。此光传输可以不借助于电线和无线电。按此方式传输的光信号可以对应于声音、数据等等。这些光信号还可以包括源自本发明的设备内部的其他信息，例如涉及到灯的寿命的信息，这些信息可以由控制设备的一些电子量推导出，正如专家所熟知的那样。
本发明的设备可以使得数据集的调制光的发射在一个恰当的时间发生，例如可以使用与经由能量分布系统发送的信号的同步。用这种方式，本发明的数个设备可能分别产生调制光，这些调制是完全相同的并且是同相的。这将会增大由用于光传输的接收器所接收到的信号，该接收器将会接收由这些本发明的设备所产生的光。
还可以将本发明的几个不同设备连接至同一能量分布系统，产生不同的光信号，其使用了专家所熟知的寻址方案。
工业应用中的提示
本发明的用于自由空间光传输的设备尤其适合于在建筑物内广播信息，其使用完全不受无线电频率干扰以及外部源电磁干涉的方式。很多应用都是可能的，比如在用于大规模市场的商业前提的价格上的数据传输的应用，其在上面提及的Trevor T.Gray的申请中有所涉及。
本发明的设备尤其可以适合于在建筑物内部的紧急传输系统中实现，因为在重大事故或者大灾难的状况中，无线电传输的容量通常是饱和的或者十分混乱。对于这种应用，本发明的设备还可以具有安全照明功能。
由于不使用可能在一定距离上被截获的无线电传输，本发明的设备特别适用于隐秘传输，尤其是在所产生的光不是要由用于光传输的某个接收器接收时，该光不能抵达该接收器的情况中。

Claims (10)

1、用于自由空间光传输的发送设备，其特征在于：
第一，其包含一个或多个用作传输光源的放电灯，
第二，其包含用于经由配电线路的传输的接收装置，所述接收装置能够在其输出端传送“解调信号”，所述“解调信号”通过对于在为所述发送设备供电的端子上出现的信号进行解调而获得，
第三，所述“解调信号”施加于控制设备的输入端，所述控制设备将由所述一个或多个放电灯所产生的光调制为所述“解调信号”的函数。
2、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用于经由配电线路的传输的接收装置采用使用多个载波的调制方法或者采用扩频技术。
3、如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述一个或多个放电灯用频率高于15kHz的交流电流供电。
4、如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述交流电流根据包括其相位变化或其频率变换的方法进行调制。
5、如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述交流电流根据包含其振幅变化的方法进行调制。
6、如权利要求1至5中任意一个所述的设备，其特征在于，与所述光调制相对应的光通量的变化实际上不包含频率低于24Hz的分量。
7、如权利要求1至6中任意一个所述的设备，其特征在于，所产生的光也用于照明。
8、如权利要求7所述的设备，其特征在于，其自由空间光传输功能是隐秘的，其表面上的功能是照明。
9、如权利要求1至8中任意一个所述的设备，其特征在于，所述一个或多个放电灯是低压放电灯，其最终可包含荧光材料。
10、如权利要求1至8中任意一个所述的设备，其特征在于，所述一个或多个放电灯是高压放电灯。
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