CN101960808B - 用于在自由空间光学传输系统中无颤振地传输数字数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的方法，其中，用由所述数字数据中生成的二进制代码序列幅度调制的光波通过在发送器和接收器之间的自由空间光学传输区间被传输。按照第一方面，所述二进制代码序列被生成，使得该光波的通过二进制代码序列确定的调制频率至少为70赫兹。按照第二方面，“t”个光波用二进制代码序列调制并且以二进制数据块的方式在第一周期区段期间被传输，并且在第二周期区段期间发送未调制的光波，其中该第二周期区段的光强被选择，使得在两个区段中被传输的光量与预先确定的光量相当。

Description

用于在自由空间光学传输系统中无颤振地传输数字数据的方法
本发明处于信息技术领域并且涉及按照独立权利要求前序部分的用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的方法。
在持续增长的数据吞吐量的背景下，越来越多地使用光学传输系统，因为其能够实现与电缆的带宽相比极高的数据率。在光学传输系统中，生成利用待传输的数据调制的光波，将其耦合输入到通常由玻璃或聚合物制成的光波导体中，并且传输给接收器。实际上，受制于线的光传输系统经常缺乏期望的灵活度。
最近，无线光学传输系统越来越多地被考虑用于实际应用，该无线光学系统通常被称为“自由空间光学传输系统”。在自由空间光学传输系统中，经调制的光波不是被耦合输入到光波导体中，而是被辐射到空间中并且被光检测器所接收。
对于数字数据(二进制数据)的光学传输，这些数据被转化到两个步骤中，其中首先借助编码方法生成顺序的代码序列(编码的二进制数据序列)，接着借助调制方法(幅度调制、频率调制或相位调制)将其调制到光波上。
数字数据的编码(“线编码Leitungskodierung”)实际上以两种方式来进行，其中或者各个二进制值然而或者二进制值的转变被编码为信号水平。在第一情况下，例如使用所谓的NRZ编码(NRZ＝Non-Return-To-Zero-Level不归零电平)，在其中逻辑“0”用低信号水平编码，逻辑“1”用高信号水平编码。在第二情况下，例如使用所谓的曼彻斯特编码，其中将每个位周期划分为两个半周期，其中逻辑“1”用在开头的低信号水平和在末尾的高电平表示，逻辑零“0”相应地以相反方式来表示。
如果NRZ编码的数据被转换为幅度调制的光信号，则逻辑“0”用低信号水平(低的或者缺少强度的光)以及逻辑“1”用高信号水平(高强度的光)来传输。如果在NRZ编码的位序列中出现分别具有相同逻辑值的较长区段(比特块)，例如“1111110000000”，其中包括逻辑值“1”和“0”的两个较长的比特块，则分别在这些比特块期间该光信号的光强度保持不变。在可见光波长范围中的光学传输情况下，这可能导致如下结果：当光波的由该位序列确定的调制频率小于大约70赫兹时，观察者察觉到该光信号的颤振或闪烁。这可能会导致观察者的不适，并且如通过医学研究所表明了的那样，甚至会导致癫痫发作。
与此不同，本发明的任务在于提供一种用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的方法，通过该方法可以避免在可见光波长范围中传输的光信号的颤振或闪烁。
根据本发明的建议，该任务以及其它任务通过具有独立权利要求特征的、用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的方法和装置解决。本发明的有利的扩展方案通过从属权利要求的特征被说明。
按照类型，本发明示出了用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的方法，其中尤其是可见光波利用由数字数据所生成的二进制代码序列来幅度调制或者强度调制，并且接着通过在发送器和接收器之间的自由空间光学链路传输。借助编码方法被编码的二进制值的序列被称为二进制代码序列。
按照本发明的一个第一方面，本发明的方法本质上特征在于，生成二进制代码序列，使得光波的由所述二进制代码序列所确定的调制频率、即光波的信号水平(光强度)的变换率至少为70赫兹优选至少为100赫兹。赫兹数据相应于每秒的信号水平变换。比特周期、即二进制值的光学传输可利用的时间间隔，应当以合适方式来选择，以便实现所希望的调制频率。
通过按照本发明的第一方面的方法，能够以有利的方式在传输可见光信号的情况下通过自由空间光学传输系统避免光信号的颤振或闪烁。
本发明方法的一个有利的扩展方案包括如下的连续的步骤：
首先，在发送器侧的编码器中借助可选择的编码方法从待传输的数字数据中生成第一二进制代码序列。该第一二进制代码序列例如借助不归零编码方法从数字数据中生成。
接着，在发送器侧的代码序列变换器中借助代码变换方法如下地进行第一二进制代码序列至第二二进制代码序列的变换，使得通过第二二进制代码序列所确定的光波调制频率至少为70赫兹，优选至少为100赫兹。在该代码变换方法中，可选的(相同)块长的第一二进制数据块(比特块)由可选的、一一对应地(eineindeutig)分配给该第一二进制数据块的第二二进制数据块代替。
作为代码变换方法，例如执行4B/5B代码变换(4B/5B＝4Binary(二进制)/5Binary)或者8B/10B代码变换(8B/10B＝8Binary/10Binary)。在4B/5B代码变换情况下，将4个二进制值的块转换成5个二进制值的块，使得在每个5比特块中最多出现两个彼此相继的逻辑零。在此，借助分配表将所确定的5比特块按规定分别分配给4比特块。在8B/10B代码变换的情况下，将8个二进制值的块变换成10个二进制值的块，使得在每个10比特块中出现五次逻辑“0”和五次逻辑“1”，其中至少包含3个状态变换。这里，借助分配表将10比特块分别分配给8比特块。
接着，在发送器的可调制光源中用第二代码序列调制光波强度。在发送器侧发射的光波在接收器中被接收并且被解调以便重新获得第二代码序列。
接着在代码序列反向变换器中借助逆向代码变换方法将第二代码序列变换回第一代码序列，其中第二二进制数据块通过第一二进制数据块来代替。
然后，借助逆向编码方法从第一二进制代码序列中生成数字数据。
本发明的该扩展方案特点在于特别简单的技术上的实现。
在本发明方法的另外的有利的扩展方案中，借助本领域技术人员已知的归零编码方法来从数字数据中生成该二进制代码序列。在归零编码方法中，逻辑“0”用低信号水平来编码，逻辑一“1”用高信号水平来编码，在传输逻辑“1”的情况下，在时钟脉冲结束之前变换到低的信号水平。比特周期以合适的方式被调节，以便达到所期望的调制频率。
本发明方法的扩展方案的特点是另外的特别简单的技术上的实现。
在本发明方法的另外的有利的扩展方案中，借助于本领域技术人员已知的脉冲位置调制方法由数字数据来生成二进制代码序列。
本发明方法的该扩展方案特点是另外的特别简单的技术上的实现。
按照本发明的第二方面，按照类型的方法具有下列非连续的步骤：
借助可选的编码方法从待传输的数字数据中生成二进制的代码序列。例如借助非归零编码方法从数字数据中生成该第一二进制代码序列。
这里以及在后面被称为“保护周期”的、具有可选的周期持续时间的时间周期被确定，其中该时间周期被划分为至少两个具有可选周期区段持续时间的周期区段，即第一周期区段和第二周期区段。单个保护周期的持续时间优选为最大14毫秒，更进一步优选地为最大10毫秒。对于该保护周期，规定在同一保护周期期间待传输的额定光量。
所生成的二进制代码序列被划分为具有可选的优选分别相等的块长的、顺序的二进制数据块。
光波的强度或幅度用所生成的二进制代码序列调制并且经调制的光波以二进制数据块的形式在保护周期的第一二进制区段期间经自由空间区间被传输。在此，在同一第一周期区段期间可以传输一个或多个二进制数据块(或者从而传输经调制的光波)。
对于每个二进制数据块确定在第一周期区段期间待传输或传输的光量，并且针对在同一第一周期区段期间传输多个二进制数据块的情况，对于每个保护周期将这些在同一第一周期区段期间待传输或传输的光量相加。针对在同一第一周期区段期间仅仅传输单个二进制数据块(或者用该二进制数据块编码的光波)的情况，可以取消所述相加。接着，针对每个保护周期计算在规定的额定光量和在第一周期区段期间待传输或传输的必要时被相加的光量之间的光量差。可以以计算方式在发送器侧或以测量技术方式借助光检测在接收器侧来确定针对每个二进制数据块在保护周期的第一周期区段期间待传输的或传输的光量。
在每个保护周期的第二周期区段期间，发送出未调制的光波，其中选择光波的光强度，使得这里所传输的光量分别相应于针对该保护周期所计算的光量差。这里，应当注意：第二周期区段的持续时间不是短得使得光波不能到达接收器，也即，第二周期区段的持续时间应当比光源的逆向(inverse)调制带宽长。此外，产生光量差所需要的光学功率被选择为：使得产生该光波的光源的可靠的最大功率不被超过。
通过按照本发明第二方面的本发明方法，可以以有利的方式在通过自由空间光学传输系统传输可见光信号时，避免光信号的能够由观察者察觉的颤振或闪烁。
在按照本发明第二方面的方法的在技术上可简单地实现的扩展方案中，在保护周期的第一周期区段期间相应地总是仅仅传输一个唯一的二进制数据块(或者用该二进制数据块编码的光波)。尽管如此，有利的是，在保护周期的第一周期区段期间相应地传输多个二进制数据块(或者用该二进制数据块编码的光波)。对于所计算的光量差得到零的情况，没有必要在保护周期的第二周期区段期间发送未调制的光波。
本发明还涉及用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的装置、例如自由空间光学传输系统，其中该装置包括如例如带有可幅度调制的光源的发送器和带有光检测器的接收器的装置，这些装置被构造为能够执行按照上述权利要求之一所述方法。
现在借助实施例来详细阐述本发明，其中参考附图。
图1示出了自由空间光学传输系统的示意性图示；
图2示出了按照本发明的第一实施例的示例性二进制数据序列的NRZ编码和4B/5B变换。
按照本发明的第一方面，现在进行第一实施例的描述：
在图1中示意性示出了整体上用参考标号100表示的自由空间光学传输系统。该自由空间光学传输系统100包括带有可幅度调制的光源(例如激光二极管)103的发送器101以及带有光检测器(例如光二极管)108的接收器107。
组合的编码器/变换器102被连接在光源103之前，数字数据(二进制数据)在未详细示出的信号输入端上被输送给该编码器/变换器102。
二进制数据104在编码器/变换器102中经历NRZ编码的第一步骤，这导致生成以编码的二进制数据的连续序列形式存在的第一连续代码序列(A)，接着在第二步骤中对其应用4B/5B变换，这导致生成第二连续代码序列(B)105。
所生成的第二连续代码序列105被调制到在可幅度调制的光源中产生的、具有例如633nm波长的光束106上，该光束通过自由的空间向接收器107方向被发射。在接收器107的光检测器108中，该光束被接收并且被解调，由此重新获得第二连续代码序列B 105。
组合的解码器/反向变换器109被连接在光检测器108之后，重新获得的第二代码序列(B)105在一个未详细示出的信号输入端中被输送给该组合的解码器/反向变换器109。在解码器/反向变换器109中，第二代码序列(B)105被反向变换为第一代码序列(A)，其方式是执行逆向4B/5B变换。接着，通过应用逆向NRZ编码方法从第一代码序列(A)重新获得待传输的二进制数据104，这些二进制数据被提供在解码器/反向变换器109的未详细表示的信号输出上。
在图2中，借助示例性的位串“000110000010”来详细阐述二进制数据104在编码器/变换器102中的进行的编码/变换。上面的图示出了该位串的NRZ编码，其中为了生成二进制代码序列(A)，用低信号水平来编码每个逻辑“0”并且用高信号水平来编码每个逻辑“1”。这导致如下结果：在二进制代码序列(A)中出现具有分别相等的信号水平的较长的区段-这里例如为五个低的信号水平的序列。
NRZ编码的二进制代码序列(A)接着经受4B/5B变换，该4B/5B变换导致生成第二连续代码序列(B)。对于应用4B/5B变换，将二进制代码序列(A)顺序地划分为分别带有4个下面的二进制值的4比特块(二进制字)。所包含的4比特块通过5比特块代替，该5比特块按照下面一一对应的分配表被分配给4比特块。
  4比特块   5比特块
  0000   11110
  0001   01001
  0010   10100
  0011   10101
  0100   01010
  0101   01011
  0110   01110
  0111   01111
  1000   10010
  1001   10011
  1010   10110
  1011   10111
  1100   11010
  1101   11011
  1110   11100
  1111   11101
针对示例性位串，二进制代码序列(A)至二进制代码序列(B)的4B/5B变换在图2的下面的图中被示出。显然，在二进制代码序列(B)中不再包含相应地相同信号水平的较长区段。
在相应地选择比特周期的情况下这导致，用于光束106的强度调制的调制频率大于100赫兹，使得每秒出现多于100个强度变换并且观察者不能察觉到光束106的颤振或闪烁。
现在进行按照本发明第二方面的第二实施例的描述：
假定，位串“000110000010”应当通过如图1所示的自由空间光学传输系统的自由空间光学传输区间来传输。为此目的，该位串首先借助NRZ编码被编码成二进制的代码序列，如其在图2中上方的示图所示。
二进制的代码序列接着被划分为三个4比特的比特块à，以便由此得到比特块“0001”、“1000”、“0010”。
每个比特块应当在单独的时间保护周期期间被传输，其中对于该保护周期规定10毫秒的周期持续时间。此外，规定每个保护周期被划分为两个5毫秒的周期区段à，其中分别在保护周期的第一周期区段期间传输比特块。对于保护周期，规定在该保护周期期间要传输的额定光量(单位：焦耳或流明秒)。这里，对于保护周期例如规定1流明秒为额定光量。
对于每个比特块，在发送器侧以计算方式确定待传输的光量，这可以以简单的方式借助所使用的光强和比特周期来进行。例如，对于三个比特块，所传输的光量分别为0.4流明秒。
对于该二进制代码序列的光学传输，首先将第一比特块调制并且在该第一保护周期的第一周期区段期间用总共0.4流明秒的光量来传输。接着是，在该第一保护周期的第二周期区段期间用总共0.6流明秒来发送未调制的光波。以相应的方式来传输第二比特块，其中在第二保护周期的第一周期区段期间传输用第二比特块幅度调制的光波，接着在第二保护周期的第二周期区段期间用导致0.6流明秒的传输光量的光强来传输未调制的光波。同样地，以相应的方式传输第三比特块，其中在第三保护周期的第一周期区段期间传输用第三比特块幅度调制的光波，接着在第三保护周期的第二周期区段期间用导致0.6流明秒的传输光量的光强来传输未调制的光波。
参考标号列表
100自由空间传输系统
101发送器
102编码器/变换器
103光源
104二进制数据
105代码序列
106光束
107接收器
108光检测器
109解码器/反向变换器

Claims (10)

1.一种用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的方法，其中，用从所述数字数据中生成的二进制代码序列来幅度调制的可见光波通过在发送器和接收器之间的自由空间光学区间被传输，其特征在于，该方法包括下列步骤： 
-从待传输的数字数据中生成二进制代码序列； 
-规定具有可选的周期持续时间的时间上的保护周期，并且将该保护周期划分为至少一个第一周期区段和第二周期区段； 
-规定在同一保护周期期间待传输的额定光量； 
-将所述二进制代码序列划分为具有可选块长的二进制数据块； 
-用所述二进制代码序列调制该光波的强度，并且在保护周期的第一周期区段期间经自由空间区间以二进制数据块的形式传输被调制的光波； 
-针对每个保护周期确定在第一周期区段期间待传输或传输的光量，并且针对每个保护周期计算在额定光量和在第一周期区段期间待传输或传输的光量之间的光量差； 
-在每个保护周期的第二周期区段期间发射出未调制的光波，其中选择该光波的光强度，使得所传输的光量分别相应于所计算的光量差。 
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该保护周期最长持续14毫秒。 
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该保护周期最长持续10毫秒。 
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，在保护周期的第一周期区段期间总是仅仅传输以一个唯一的二进制数据块编码的光波。 
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，以计算方式确定在保护周期的第一周期区段期间传输的光量。 
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，借助光检测器确定在保护周期的第一周期区段期间传输的光量。 
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述待传输或传输的光量是对于多个二进制数据块求和的光量。 
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，借助不归零编码方法从待传输的数字数据(104)中生成第一二进制代码序列。 
9.一种用于在自由空间光学传输系统中传输数字数据的装置，其中，用从所述数字数据中生成的二进制代码序列来幅度调制的可见光波通过在发送器和接收器之间的自由空间光学区间被传输，其特征在于，该装置包括： 
从待传输的数字数据中生成二进制代码序列的装置； 
规定具有可选的周期持续时间的时间上的保护周期、并且将该保护周期划分为至少一个第一周期区段和第二周期区段的装置； 
规定在同一保护周期期间待传输的额定光量的装置； 
将所述二进制代码序列划分为具有可选块长的二进制数据块的装置； 
用所述二进制代码序列调制该光波的强度、并且在保护周期的第一周期区段期间经自由空间区间以二进制数据块的形式传输被调制的光波的装置； 
针对每个保护周期确定在第一周期区段期间待传输或传输的光量、并且针对每个保护周期计算在额定光量和在第一周期区段期间待传输或传输的光量之间的光量差的装置； 
在每个保护周期的第二周期区段期间发射出未调制的光波的装置，其中选择该光波的光强度，使得所传输的光量分别相应于所计算的光量差。 
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述待传输或传输的光量是对于多个二进制数据块求和的光量。 
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