CN101971529B

CN101971529B - 用于光学传输数据的方法和装置

Info

Publication number: CN101971529B
Application number: CN200980108571.4A
Authority: CN
Inventors: J·瓦勒夫斯基; J·里德尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: WO2009112365A1; EP2101424A1; CN101971529A; KR101379812B1; US8744273B2; KR20100139008A; EP2101424B1; US20110052210A1

Abstract

用于借助经脉宽调制的发光二极管(2)来光学传输数据的装置和方法，其中设置接通阶段确定装置(3)用于依据所检测的发光二极管(2)的开关状态序列来确定发光二极管(2)的至少一个接通阶段，以及调制装置(4)用于在所确定的发光二极管(2)的接通阶段将数据调制到由发光二极管(2)发射的光信号上，而且数据分组在被成功发送之后才从数据分组队列中删除。

Description

用于光学传输数据的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的一种方法和一种装置。

背景技术

诸如移动电话的移动终端设备的广泛使用需要通过无线接口和无线局域数据网络快速地传输数据。在大楼内可以采用发光二极管(LED)来照亮房间。发光二极管的特征在于低的能耗、相对长的寿命以及良好的可缩放性。为了照亮大楼内的房间，可对房间内设置的发光二极管进行调光，以相应于各种要求调节房间内的照明强度。

发明内容

本发明的任务在于提供用于通过可调光的发光二极管光学传输数据的方法和装置。

该任务根据本发明通过具有权利要求1中给出的特征的方法解决。

本发明提供了一种借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的方法，具有步骤：

-依据所检测的发光二极管的开关状态序列确定发光二极管的接通阶段；以及

-在所确定的发光二极管的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管发射的光信号上。

在此，所述数据在数据分组中传输。待传输的数据分组被临时存储在至少一个数据分组等候队列中。临时存储的数据分组在其数据被无错误地传输之后才从该数据分组等候队列中删除。

以数据分组来传输数据使得可以借助不同的数据传输协议来进行安全的数据传输。

通过待传输数据分组临时存储在至少一个队列或数据分组等候队列中，实现了对数据传输率的波动的容忍以及对于不同数据传输率的灵活性。

由于临时存储的数据分组在无错误地传输之后才从所属的数据分组等候队列中删除，因此有利地保证不可能丢失数据。

在根据本发明方法的一种实施方式中，发光二极管的开关状态通过光传感器感应地检测。

这提供了以下优点：发光二极管的故障或由发光二极管发射的光信号所受到的干扰也能被识别出来。

在本发明方法的一种实施方式中，所述数据通过调制装置被调制到经脉宽调制的载波信号上。

这提供了以下优点：所发射的光信号可通过经脉宽调制的载波信号精确地在亮和暗之间调光。

在本发明方法的一种实施方式中，所述经脉宽调制的载波信号通过脉宽调制器依据可调节的调光控制信号从电压供应信号中产生。

其优点是，经脉宽调制的载波信号能以简单的方式以小的电路技术花费来产生。

在本发明方法的一种实施方式中，依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发光二极管的至少一个所期待的接下来的接通阶段。

该实施方式所提供的优点是，不需要设置用于确定开关状态的光传感器。

在本发明方法的一种实施方式中，所述数据通过调制装置依据光传感器的传感器信号被调制到电压供应信号上。

在本发明方法的一种实施方式中，被调制到电压供应信号上的数据信号通过脉宽调制器依据可调节的调光控制信号而被脉宽调制。

在本发明方法的一种实施方式中，依据感应地检测的由发光二极管发射的光信号的开关时刻来确定发光二极管的至少一个所期待的接下来的接通阶段。

在本发明方法的一种实施方式中，通过无线的接口光学地传输所述数据。

其提供的优点是高的电磁兼容性和抵抗环境中的干扰信号的鲁棒性。

在本发明方法的一种实施方式中，通过经脉宽调制的发光二极管的接通和断开来将数据调制到所发射的光信号上。

由此可以简单地以小的电路技术花费和高的数据传输率来调制数据。

本发明还提供一种借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置，具有：

-接通阶段确定装置，用于依据所检测的发光二极管的开关状态序列来确定发光二极管的至少一个接通阶段；以及具有

-调制装置，用于在所检测的发光二极管的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管发射的光信号上。

在本发明装置的一种实施方式中，接通阶段确定装置依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发光二极管的接通阶段，该载波信号由脉宽调制器依据可调节的调光控制信号从电压供应信号中产生。

在本发明装置的一种替换实施方式中，接通阶段确定装置依据感应地检测的由发光二极管发射的光信号的开关时刻来确定发光二极管的接通阶段。

附图说明

下面参照用于解释本发明的主要特征的附图来描述用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的本发明装置和本发明方法的优选实施方式。

图1示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置的实施方式的框图；

图2示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置的实施例；

图3示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置的另一实施例；

图4示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的方法的流程图；

图5A，5B示出解释本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的方法的工作原理的信号图。

具体实施方式

如从图1中可看出的，本发明的用于借助经脉宽调制的发光二极管2光学传输数据的装置1具有接通阶段确定装置3和调制装置4。装置1通过至少一个信号线路6获得数据，这些数据将传输给装置5。发光二极管2发射光信号，该光信号将无线地传输给另一装置5。装置5例如是便携式装置，如移动电话、膝上型电脑或PDA。待传输的数据来自一个或多个数据源，这些数据源将数据直接或通过数据网络传输给装置1。所述数据优选在数据分组中传输，其中数据分组的数据格式可以不同。可以为待传输的数据分组采用任意数据格式。数据分组例如是以太网数据分组或ATM数据分组。装置1通过接口获得至少一个数据流，该至少一个数据流可以由数据分组组成。这些数据分组在一种可能的实施方式中在FIFO临时存储器中作为数据分组等候队列临时存储，或临时存储在队列中。用于光学传输数据的装置1被供以电源电压U_s。此外，装置1获得调光控制信号CRTL_Dimm以对发光二极管2调光。利用该调光控制信号来调节用于照亮环境的发光二极管2的光强度。

接通阶段确定装置3依据所检测的发光二极管2的开关状态序列来确定发光二极管2的至少一个所期待的接通阶段。调制装置4用于将数据调制到由发光二极管2发射的光信号上。在此，该数据在通过接通阶段确定装置3确定的发光二极管2的接通阶段期间被调制到所发射的光信号上。

为了确定接通阶段，接通阶段确定装置3获得监视信号U_m。在一种实施方式中，接通阶段确定装置3依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发光二极管2的一个或多个接通阶段，该载波信号由脉宽调制器依据可调节的调光控制信号CRTL_Dimm从电压供应信号U_s中产生。

在替换实施方式中，接通阶段确定装置3依据感应地检测的、由发光二极管2发射的光信号的开关时刻来确定发光二极管2的接通阶段。光信号的开关时刻例如通过光电检测器感应地检测。

图2示出用于借助经脉宽调制的发光二极管2光学传输数据的本发明装置1的第一实施例。在图2的实施方式中，装置1包含脉宽调制器6，其产生经脉宽调制的载波信号。该脉宽调制器6接收电压供应信号U_s并且依据调光控制信号CRTL_Dimm产生经脉宽调制的载波信号。该电压供应信号用于产生经脉宽调制的载波信号。控制信号CRTL_Dimm在此调节经脉宽调制的信号具有逻辑高的信号电平的阶段与该经脉宽调制的信号具有逻辑低的信号电平的阶段之间的比例。

经脉宽调制的信号的周期持续时间T₀作为接通阶段T_ON和断开阶段T_OFF之和给出：T₀＝T_ON+T_OFF。

调光因子η说明断开阶段T_OFF和周期持续时间T₀之间的比例：

η = \frac{T_{OFF}}{T_{0}}

光电二极管2所发射的光功率P_opt与1-η成比例，即P_opt，LED＝(1-η)·P₀，其中P₀表示在调光因子为0％时所传输的光功率。

在图2所示的实施方式中，依据所检测的由脉宽调制器6输出的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定所期待的发光二极管2的接通阶段。经脉宽调制的载波信号在图2所示的实施方式中用作监视信号U_m。

装置1除了脉宽调制器6之外还具有调制装置7，用于在所检测的发光二极管2的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管2发射的光信号上。在图2所示的实施方式中，装置1获得具有例如最大20MHz的大调制带宽的WODT(wireless optical data transmission，无线光数据传输)调制器7。由发光二极管2发射的光射线为了改变用于发光二极管2的驱动电流I_LED而改变。WODT调制器7相应于监视信号U_m在所确定的发光二极管2的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管2发射的光信号上。在此，WODT调制器7通过一个或多个信号线路从相应的数据源获得要调制的数据，优选以分组方式获得该数据。该数据优选通过经脉宽调制的发光二极管2的接通和断开在所确定的发光二极管2的接通阶段内被调制。图3示出用于借助经脉宽调制的发光二极管2光学传输数据的本发明装置1的替换实施方式。在图3所示的实施方式中，装置1同样获得WODT调制器7和脉宽调制器6。但在图3所示的实施方式中，脉宽调制器6连接在WODT调制器7后面。此外在图3所示的实施方式中装置1还具有传感器8，该传感器感应地检测发光二极管2的开关状态。传感器8例如是光电检测器。在所示出的实施变形中，该数据通过WODT调制器7依据光传感器8的传感器信号U_m调制到电压供应信号U_s上。接着，通过电压供应信号U_s调制的数据信号通过脉宽调制器6依据可调节的调光控制信号CRTL_Dimm来被脉宽调制。传感器8可以是任意光传感器，例如是光电二极管。在一种可能的实施变形中，脉宽调制器6和发光二极管2形成集成的器件。类似的，在图2所示的实施变形中，WODT调制器7可以与发光二极管2形成集成的器件。

图4示出用于借助经脉宽调制的发光二极管2光学传输数据的本发明方法的简单流程图。在步骤S0开始之后，在步骤S1依据所检测的发光二极管2的开关状态序列确定发光二极管2未来的接通阶段。这些开关状态是发光二极管2在过去已经采取过的开关状态。在一种可能的实施方式中，依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发光二极管2的至少一个接下来的或将来期待的接通阶段。在替换实施方式中，依据感应地检测的、由发光二极管2发射的光信号的开关时刻来确定所期待的发光二极管2的接下来的接通阶段。在可能的实施方式中，借助计算装置依据这些开关时刻来计算那些接通阶段。计算装置例如是微处理器。

接着在另一步骤S2中，在所确定的发光二极管2的接通阶段期间将待传输的数据调制到由发光二极管2发射的光信号上。在步骤S3中该方法结束。

图5A和5B示出解释用于传输数据的本发明方法中的过程的信号图。

图5A示出发光二极管2的驱动电流I_LED。图5B示出监视信号U_m，该监视信号用于确定发光二极管2的未来接通阶段。在所示示例中，示出发光二极管2的3个接通阶段。一个接通阶段从时刻T_b开始，到时刻T_e结束。该发光二极管的第三接通阶段T_b3的开始可以根据监视信号U_m如下计算：

周期持续时间T₀在调光控制信号恒定时如下计算：

T₀＝t_b2，-t_b1，

接通阶段T_ON的持续时间如下给出：

T_ON＝t_e1，-t_b1，

电流信号I_LED和监视信号U_m之间的时间偏差Δt是恒定的且是已知的。因此对于下个接通阶段-也就是第三接通阶段-的起始时刻：

t_b3＝t_b2，-Δt+T₀

对于发光二极管的第三接通阶段或称为下个接通阶段的结束时刻存在：

t_e3＝t_b3+T_ON

由此在本发明的方法中，根据所检测的发光二极管2的开关状态序列，也就是反映发光二极管2的第一和第二接通阶段的监视信号，确定发光二极管2的下个或第三接通阶段。然后待传输的数据在所确定的发光二极管2的第三接通阶段期间被调制到光信号上。如果时间延迟Δt完全已知或虽然未知但是比一个数据符号的持续时间短，则WODT调制器7识别针对经PWM调制的信号的每个片段的起始时间t_bj和结束时间t_ej，也就是接通阶段的起始时刻和结束时刻。从中可以计算出经脉宽调制的发光二极管2的未来接通阶段的起始时刻和结束时刻。如果只有一个数据分组队列为装置1所用，即仅存在一个传输类别的数据，则在考虑以下条件的情况下发送该数据分组等候队列中的数据块L₁至L_i：

t_{empty, j} + \frac{B_{S}}{M_{S}} Σ_{l = 1}^{r_{j}} L_{l} \leq t_{e, j} - t_{b, j} = T_{on, j}

其中M_s是符号率，

L_i是数据块或数据分组i的比特长度，

M_s是数据符号的信号电平的数量的双对数，

T_on，j是时间片段j的接通阶段的持续时间，

r_j是在PWM时间片段j期间待发送的数据分组的最高分组号码，

t_empty，j是等待队列在t_bj和t_ej之间为空的时间。

在一种可能的实施方式中，不会预先计算接通阶段以便在该接通阶段期间将数据调制到所发射的光信号上，而是如下所述传输数据。

在猜测的接通阶段期间，也就是在起始时刻t_bj和结束时刻t_ej之间，首先检查是否有数据分组位于等候队列或队列中。如果是，则传输该数据分组，即该数据分组的数据在接通阶段期间被调制到由发光二极管2发射的光信号上。最后传输的数据分组将保持在存储器或队列中，直到确定该数据分组的发送已经完全结束为止，也就是在发送该数据分组期间不会出现断开阶段。这尤其是由于光输出信号和监视信号U_m之间的时间延迟Δt而变成必要。数据被成功传输给移动设备5的数据分组接着可以被删除。数据分组等候队列一直都使用，直到达到t_ej为止。在时刻t_ej和t_b，j+1之间，将到来的数据分组排列到数据分组等候队列中，并且在下个接通阶段期间传输。

依据调光控制信号CRTL_Dimm对光信号的调光对数据传输具有以下作用。如果调光因子η下降，则接通阶段T_ON的持续时间增加。由于接通阶段的持续时间增加，因此可提供给传输数据分组的数据的时间增加，也就是说，数据分组传输不会受到调光过程的负面影响。相反，如果调光因子η增加，使得接通阶段T_ON的持续时间下降，则可能导致分组丢失。但是如果可以识别出下个接通阶段并且还可以提供已经丢失的数据分组可用，即数据分组等候队列有备份，则该数据分组可以在一个可能的实施方式中在下个接通阶段期间重新传输。

如果已知具有精确度σ的延迟时间Δt，则同样可以在考虑上述等式的情况下进行传输，只是t_bj被替换为t_bj+n·σ，其中以被动方式选择n≥1，以保证高的可靠性，使得经脉宽调制的信号的接通阶段在该时刻已经开始。类似的，t_ej被t_ej-n·σ代替，T_on，j被T_on，j-2n·σ代替。N被选择得越大，数据分组在发光二极管2实际上断开的时间内传输的概率就越低。反过来，数字n不允许选择得太大，否则数据传输的效率就太小了。

上述过程可以与装置1是否从移动设备5获得反馈信号无关。在一种可能的实施方式中，装置1通过分开的消息传输信道获得反馈信号，该反馈信号指明数据分组是否已被完全传输。在该实施方式中，数据分组例如可以通过单调上升的帧或分组号来设置。此外，接收器或移动设备5可以在一个可能的实施方式中促使重新传输缺少或有错的数据分组。

在一种可能的实施方式中，本发明的用于传输数据的装置1从不同的数据源获得数据分组，这些数据分组位于不同的数据分组等候队列中以用于传输。在该实施方式中，装置1另外还具有所谓的“调度器”，该调度器管理不同的数据分组等候队列或队列。该调度器在t_bj和t_ej之间识别哪个数据分组等候队列被用作下个数据分组等候队列。然后调度器检查在选择的数据分组队列中是否存在数据分组。如果存在数据分组，则装置1开始传输来自相应队列或数据分组等候队列的数据分组。在此，最后传输的数据分组一直保持在存储器中，直到进行了无错的数据分组发送为止。只删除数据被成功发送到移动终端设备5的数据分组。该过程一直重复，直到到达时刻t_ej为止。

在时刻t_ej和t_b，j+1之间，将到来的数据分组在相应的数据分组等候队列中排列并在下个传输周期期间发送。

本发明的方法不仅适于光学传输数据分组内的数据，而且适于传输连续数据流的数据。

在本发明方法的一种可能的实施方式中，所发射的光信号的平均光功率在调制期间是保持恒定的。在本发明的传输方法中，可以在对发光二极管2调光的同时实现高的数据传输率。一般的，在该传输率的范围内的比特率或数据传输率可在参考功率P₀(即0％的调光因子)●因子(1-η)时达到。例如，在调光因子为30％时，数据率接近在100％照明时可达到的数据率的70％。待传输的数据是任意应用的数据，例如用于音频应用的多媒体数据。

本发明用于光学传输数据的方法不会产生电磁波，也不会被电磁波影响。本发明的方法尤其可以用在已经设置了LED照明的情况。在这种情况下，例如用功率线来对发光二极管寻址。

数据的传输借助可轻松调谐的通信介质进行。由于数据被光学传输，因此该数据例如可以容易地被墙壁或帘屏蔽。因此可以防止监听。

在一种可能的实施方式中，由发光二极管2发射的光信号成圆锥形。由此可以形成相对小的单元尺寸()，该单元尺寸使得可以进行单独和高比特率的通信。本发明的方法允许通过可调光的发光二极管2将数据可靠地光学传输到被照明房间内的便携式终端设备5，并且对无线电信号是不灵敏的。可以采用任意的发光二极管2，例如产生白光的发光二极管。还可以采用具有小于白光发光二极管的调制带宽的发光二极管。

Claims

1.一种用于借助经脉宽调制的发光二极管(2)来光学传输数据的方法，具有步骤：

(a)依据所检测的发光二极管(2)的开关状态序列确定发光二极管(2)的接通阶段；以及

(b)在所确定的发光二极管(2)的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管(2)发射的光信号上，

其中所述数据在数据分组中传输，待传输的数据分组被临时存储在至少一个数据分组等候队列中，以及临时存储的数据分组在其数据被无错误地传输之后才从数据分组等候队列中删除。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述发光二极管(2)的开关状态通过光传感器(8)感应地检测。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述数据通过调制装置(7)被调制到经脉宽调制的载波信号上。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述经脉宽调制的载波信号通过脉宽调制器(6)依据能调节的调光控制信号从电压供应信号中产生。

5.根据权利要求4所述的方法，其中依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定所期待的发光二极管(2)的接通阶段。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述数据通过调制装置(7)依据光传感器(8)的传感器信号被调制到电压供应信号上。

7.根据权利要求6所述的方法，其中被调制到电压供应信号上的数据信号通过脉宽调制器(6)依据能调节的调光控制信号而被脉宽调制。

8.根据权利要求7所述的方法，其中依据感应检测的由发光二极管(2)发射的光信号的开关时刻来确定所期待的发光二极管(2)的接通阶段。

9.根据权利要求1至2之一所述的方法，其中以无线方式将数据传输至移动终端设备(5)。

10.根据权利要求1至2之一所述的方法，其中通过经脉宽调制的发光二极管(2)的接通和断开来将数据调制到光信号上。

11.一种借助经脉宽调制的发光二极管(2)来光学传输数据的装置，具有：

(a)接通阶段确定装置(3)，用于依据所检测的发光二极管(2)的开关状态序列来确定发光二极管(2)的至少一个接通阶段；以及具有

(b)调制装置(4)，用于在所确定的发光二极管(2)的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管(2)发射的光信号上，

12.根据权利要求11所述的装置，其中接通阶段确定装置(3)依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发光二极管(2)的接通阶段，该载波信号由脉宽调制器(6)依据能调节的调光控制信号从电压供应信号中产生。

13.根据权利要求11所述的装置，其中接通阶段确定装置(3)依据由发光二极管(2)发射的光信号的开关时刻来确定发光二极管(2)的接通阶段，所述开关时刻通过光传感器(8)感应地检测。