CN102415020A

CN102415020A - 数据的光传输方法和装置

Info

Publication number: CN102415020A
Application number: CN2010800189475A
Authority: CN
Inventors: J.瓦莱夫斯基
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: CN102415020B; KR101410327B1; EP2425558B1; EP2425558A1; US9319134B2; KR20120030395A; WO2010125093A1; US20120045221A1

Abstract

本发明涉及一种借助于脉宽调制光源（LED）进行数据的光传输的方法，其中为所述光源（LED）的亮度调节预给定一种脉宽调制的占空比（N）。这里，亮时间（T）利用至少一个暗占空被划分为至少一个第一和第二子亮时间，使得通过所述至少一个暗占空的开始和时间长度对要传输的数据（DATA）进行编码。在所述脉宽调制周期内的子亮时间的总和基本对应于根据所述预给定的占空比的亮时间。

Description

数据的光传输方法和装置

技术领域

本发明涉及借助于脉宽调制光源进行数据的光传输的方法和装置。

背景技术

移动终端、例如移动电话的广泛流行要求通过无线接口和无线本地数据网进行快速的数据传输。在建筑物中可以采用发光二极管（LED）来照明房间。发光二极管（也称Leuchtdioden）的特征在于低能耗和长寿命。为了照明建筑物内的房间，设在那里的发光二极管利用脉宽调制进行调制，以便能根据相应的要求来调节房间内的照明强度。在本领域内，用于亮度调节目的的脉宽调制也被称为调光（dimming）。

为了通过光源同时调节亮度和传输数据，已有公知方法。在2009年4月28日以案号102009019203.4交存给德国专利商标局的专利申请中，已经建议如此改变各个脉宽调制周期中的脉宽调制的占空比，使得借助于这种依赖于周期的占空比来编码要传输的数据，而被调定的亮度不是总共才经历一次改变。为了遵循所调定的亮度，这时通过多个依赖于周期的占空比求出的算术平均的值应该基本上对应于所调定的占空比。

发明内容

本发明的任务是创造一种通过可调光的光源进行数据的光传输的方法和装置，其保证了高于现有技术的数据传输速率。

该任务根据本发明通过具有权利要求1所给出的特征的方法来解决。

本发明创造了一种借助于脉宽调制光源进行数据的光传输的方法，其中为所述脉宽调制光源的亮度调节所调定的占空比被预给定为所述光源的暗时间和脉宽调制周期的周期长度之比。

根据本发明，脉宽调制周期内的亮时间利用至少一个暗占空被划分为至少一个第一和第二子亮时间，使得通过至少一个相应的暗占空的开始和/或时间长度对要传输的数据进行编码。这里，在所述脉宽调制周期内的子亮时间的总和基本对应于根据所述预给定的占空比的亮时间。

本发明的构思是，与脉宽调制光源的通过调光因子调定的亮度相对应的调定占空比如此保持不变，使得在相同的脉宽调制周期内看，得到一个对应于该调定占空比的平均占空比。

换句话说，根据本发明，在各个时段内另外如此地调制（多级调制）通过亮度控制器调定的亮时间（该亮时间利用一种按照要调定的亮度进行的脉宽调制而在脉宽调制周期的相应区域上本来是恒定的），使得数据传输借助于编码通过在脉宽调制周期内被脉宽调制的亮时间来实现，而借助于本身被预给定的脉宽调制而调定的亮度在脉宽调制周期上也不是总共才经历一次改变。

这里，根据本发明利用了人眼的迟钝性，脉宽调制中的短暂变化不会被感觉为可察觉的亮度差。该原理另外已经被第一脉宽调制用于亮度调节本身。

本发明方法的特殊优点有，相对于现有技术公开的方法能实现多倍地提高数据传输速率。

根据本发明的优选构造方式，所述光源被实施为发光二极管，其尤其提供了短而精确的接通时间的优点。

本发明被优选地用于光源和移动终端之间的无线交换。

根据本发明的一种实施方式，数据传输以符号的形式进行，其中符号通过一个或多个二进制比特组成。

根据本发明的另一种实施方式，符号的值进一步通过所述信号曲线内的暗占空在所述脉宽调制周期内的布置而被编码。本发明的这种改进相当于一种脉冲位置调制，其中，在无损于本发明的预给定的情况下改变子亮时间的布置。

在该实施方式的最简单构造中，这里可以将亮时间的位置（也即光源接通）与暗时间的位置（也即光源关断）互换，以便用该方法编码另一个二进制比特。另外，前述的脉冲位置调制也不会导致调定的亮度有可察觉的变化。

本发明另外还创造一种借助于脉宽调制光源进行数据的光传输的装置。

附图说明

另外，参考用于阐明本发明本质特征的附图来讲述借助于脉宽调制光源进行数据的光传输的本发明装置和本发明方法的优选实施方式。

图1A示出现有技术的脉宽调制光源的原理图；

图1B示出借助于脉宽调制光源进行数据的光传输的本发明装置的实施方式的原理图；

图2A示出用于阐明现有技术的脉宽调制光源的作用方式的信号图；

图2B示出用于阐明借助于脉宽调制光源进行数据的光传输的本发明方法的作用方式的信号图；以及

图3示出确定量对可能的符号长度的数量的影响的关系图形。

具体实施方式

图1A示出现有技术公开的装置，其由光源LED、脉宽调制器PWM组成，通过所述脉宽调制器PWM产生脉宽调制的载波信号。所述脉宽调制器PWM被馈入电源电流ICC。电源电流ICC例如是具有可选择大小的直流电流。光源LED的亮度调节借助调节调光因子N来进行，其中例如由相应的-未示出的-调节装置的调节量来影响所述的调光因子，所述调节量被输入到脉宽调制器PWM。这里调光因子N对应于由脉宽调制器PWM根据所调定的调光因子而产生的电流ILED的占空比，该电流ILED具有一种脉宽调制，该脉宽调制在其时间曲线上对应于所述光源LED的光功率的在下文所示出的曲线。

通过进一步参考前面各个附图的功能单元来进行进一步的附图说明。不同附图中的相同附图标记在这里表示相同的功能单元。

图2A示出光源LED的光功率的时间曲线，其中所述光功率的时间曲线依据在其曲线中基本相等的脉宽调制电流ILED而被调定。

在图2A中描绘了四个脉宽调制周期C，其中每个周期C由相应的亮时间T和暗时间D组成。在该图中，出于一目了然的原因，仅仅为在最左边绘出的第一个脉宽调制周期C示出了相应的亮时间T和暗时间D的标记。图2A所示的相应周期分别在垂直于横轴的所示虚线处开始，并相应地在随后的所示虚线处结束。

在亮时间T内，光源被控制并发出光功率工作值为P0的光功率。在暗时间D内，光源被关断，并发射基本为0的功率。

光源LED的脉宽调制用于调节光功率，其中人眼的迟钝性被如此地利用，使得亮时间T和暗时间D由于周期C的时间长度而被感觉是连续的光功率。

根据调光因子N可以改变光源LED的亮度，所述调光因子N在下面的数学表示法中被表征为η，并且作为周期C内的暗时间D（在下面的数学表示法中被表征为T_d）与周期时延C（在下面的数学表示法中被表征为T_c）之商而被得出：η=T_d/T_c （1）。调光因子η等于同样被定义为暗时间D与周期时延C之商的占空比。

在调光因子η=1的情况下，发光功率变成0，也即全暗，在调光因子η=0的情况下，感觉的光功率等于光功率工作值P0,也即最大设定亮度。

在图2A中所图示的调光因子η得出为约0.46。

现在，本发明基于的任务是创造措施，以便除了设定数据的光传输外，还设定图2A所示的脉宽调制光源LED。

本发明通过以下方式来解决所提出的任务：亮时间T用至少一个暗占空（Dunkeltastung）被划分成第一和第二子亮时间，使得通过所述至少一个暗占空的开始和/或时间长度对要传输的数据进行编码。

图2B示出在运用本发明手段时脉宽调制的时间过程图。如在图2A中一样，也在图2B中相对于时间横坐标而在纵坐标上绘出了光源LED的光功率。类似于图2A的图示，图2B所示的相应周期分别在垂直于横轴的所示虚线处开始，并相应地在随后的所示虚线处结束。

在图2B的图示中，首先参考时间过程图的左边部分的第一周期C，其中图2A所示的第一周期的总亮时间T被划分为三个子亮时间，使得在脉宽调制周期C内的子亮时间的总和对应于图2A所示的亮时间T。在第一或第i个脉宽调制周期C（下文也称第一周期C）中的第一或第i个亮时间t_b1,i在图2B所示的时间过程图的最左端处开始。第一子亮时间的尾部在时刻t_e1,i处结束。该第一子亮时间通过紧随其后的暗占空与第二子亮时间隔开，该第二子亮时间在时刻t_b2,i处开始，并在t_e2,i处变化。第二子亮时间后跟着第二暗占空，该第二暗占空随着第三子亮时间t_b3,i的开始而结束。所说的第三子亮时间在时刻t_e3,i处结束。

在跟着第一周期C的第二周期C中，图2A所示的第二周期的总亮时间T再次被划分为三个子亮时间。

根据本发明，在第二周期C内，图2B所示的子亮时间的总和对应于图2A所示的亮时间T。

基于此时在为了数据传输而要传输的符号序列中要传输的不同符号，在第二周期C中改变信号序列（亦即各个暗占空的时间序列）在第二周期C内的编码。在第二周期C中，借助于图2B可以看出，第二周期中的（未标出的）第一暗占空在其时间开始及其时间长度方面对应于第一周期中的第一暗占空。但是，接下来的第二子亮时间之后的第二暗占空比第一周期中的第二暗占空开始得更早，但另外还具有与第一周期中的第二暗占空相同的时间长度。

在跟着第二周期C的第三周期C中，图2A所示的第三周期的总亮时间T再次被划分为三个子亮时间。

根据本发明，在第三周期C内，图2B所示的子亮时间的总和对应于图2A所示的亮时间T。

基于此时在为了数据传输而要传输的符号序列中要传输的不同符号，在第三周期C中重新改变信号序列（亦即各个暗占空的时间序列）的编码。在第三周期C中，借助于图2B可以看出，第三周期中的（未标出的）第一暗占空在其时间开始方面既不同于第一周期中的第一暗占空，也不同于第二周期中的第一暗占空。

在跟着第三周期C的第四周期C中，基于此时要传输的不同符号重新改变信号序列的编码。

在图2B中绘出了本发明的一种实施方式，根据该实施方式，亮时间T用两个暗占空被划分成三个子亮时间。

出于简化描绘的原因，图2B只示出了时间长度分别具有相同值的暗占空。但为了实现更高的编码深度，根据本发明的一种替代实施方式也推荐：各个暗占空的时间长度根据所选择的编码深度并应用本发明的方法进行改变。

总之可以确定，通过相应暗占空的开始和时间长度来得到许多可能的编码值。

对于根据图2B所选择的具有两个暗占空的实施方式，根据下式得到多个可能的要编码的符号#s:

#s=(N-a-g-1)(

-1-

-

)-

(1+g+a)(2+g+a)

其中：

#s为可能的符号数量，

N为被暗占空剖开的块的时间总长度，也即如图2B所示的时延t_e3,i-t_b1,i的无维值，

a为第一子亮时间的最小允许长度，

g为第二子亮时间的最小允许长度。

针对符号长度的大小，图3所示的在下面阐述的量B和B’之间的关系可以被推导出。对于a和g的值，这里可以用简化的方式采取值1。另外，对于亮时间内的暗占空，存在2^B个原则上可能的位置。

这里，对于多个可能的符号#s，按照#s=(2^B’-1)采取二进制编码。

这里，在图3所示的关系的纵坐标上描绘的B’值对应于可通过相应符号表示的最大二进制数。在横坐标上绘出的量B是属于B’的最接近整数。对于N的非常大的值，这里得到线性近似：B’=2.0074B-2.1576。

可以针对三个和更多暗占空推导出类似的关系。

在图1B中示出通过脉宽调制光源进行数据传输的本发明装置。除了图1A公开的功能组件外，还设有本发明的数据调制模块VLC，借助它与图1A所示的装置不同地将信号信息NI输入到脉宽调制器PWM。

根据本发明，信号信息NI根据被输入给数据调制模块VLC的数据DATA和根据用于亮度调节的调光因子N来计算。信号信息NI例如作为数字数据出现，其特征在于例如图2B公开的时间值t_b1,i-t_e1,i等。

图1B所示的脉宽调制器PWM从信号信息NI合成一个流ILED，该流具有如图2B所示的时间曲线。

不言自明，图1B所示的实施例应被理解为仅仅是示例性的，在实际的实现当中可以设立多个光源。在本发明的一种替代实施方式中，按照本发明进行脉宽调制的曲线的计算和合成例如可以直接在通信模块中实现。

在本发明的实际实现中，例如选择具有最小可实现脉冲长度4ns的商用发光二极管。对于典型的脉宽调制得到高达500kHz的重复速率。

利用所述商用发光二极管可产生的最短脉冲约为4ns长，使得在一个周期中嵌入625个脉冲，这对应于B为9。因此，利用仅一个暗占空可以在非常小的调光因子的情况下根据9bit×500kHz=4.5Mbit/s实现4.5Mbit/s的数据传输速率。根据本发明，该速率可以用简单的方式（也即通过提高暗占空的数量到值2）提高到17bit×500kHz=8.5Mbit/s的数据传输速率。

为了在利用最大亮度进行非调光照明的情况下（也即η=0）传输数据，根据本发明另一种构造如下地来进行。这里规定，保持规定数量的暗占空，并相应地提高发出的光功率，使得降低照明强度的暗占空的作用份额被补偿。

如果周期C譬如具有与625个暗占空时间的长度相对应的时间长度，则将光功率工作值P0增加一个对应于两个暗占空时间的值。在当前实施例中，光功率工作值P0被增加值625/623，因此被增加约0.5%。

由此，因为平均发射光功率保持不变，也可以利用非调光的光来传输信息。

随着调光因子的提高，被提供用于编码的亮时间T随之缩短。对于较短的亮时间，从传输数据速率来看可能优选的是，减少暗占空的数量。

为了考虑照明强度调节并由此改变亮时间T，另外建议：以规则的间隔并至少一次地在数据传输的开始发送包含训练符号的训练序列。

这种训练序列可以例如包括具有最小暗占空间隔的训练符号。另外，该训练序列可以包括训练符号，在该训练符号中最外的两个暗占空具有最大的间隔。

由此可以在对方用简单的方式确定规定数量的暗占空及其所采用的最大间隔。

另外，训练序列为对方简化了借助从光信号中获取时钟与光源的同步。

本发明进行数据的光传输的方法不会引起电磁波，也不可能被电磁波影响。本发明的方法尤其可以在已经设置LED照明时被应用。这里，发光二极管例如可以借助于电力线传输方法被寻址。

数据传输借助可简单屏蔽的通信介质来进行。因为数据是光传输的，因此可以例如简单地利用墙或帘将数据与周围环境屏蔽开。因此可以达到防止截听。

本发明的方法允许通过可调光的发光二极管LED将数据可靠地用光传输给被照明的房间内的便携式终端，并且相对于无线电信号是不敏感的。可以采用任何发光二极管LED，譬如发白光的发光二极管。替代地，也可以采用具有较小调制带宽的发光二极管作为白色发光二极管。

Claims

1.一种借助于脉宽调制光源（LED）进行数据的光传输的方法，

-其中为所述光源（LED）的亮度调节预给定一种脉宽调制的占空比（N）作为所述光源（LED）的暗时间（D）和脉宽调制周期的周期长度（C）之比，其中周期长度（C）与暗时间（D）之差对应于所述光源（LED）在脉宽调制周期内的亮时间（T），

-其中所述亮时间（T）利用至少一个暗占空被划分为至少一个第一和第二子亮时间，使得通过至少一个相应的暗占空的开始和/或时间长度对要传输的数据（DATA）进行编码，以及

-其中在所述脉宽调制周期内的子亮时间的总和基本对应于根据所述预给定的占空比的亮时间。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述光源（LED）是发光二极管。

3.如上述权利要求之一所述的方法，其中所述数据无线地与移动终端进行交换。

4.如上述权利要求之一所述的方法，其中所述数据在至少一个符号中被传输，而且符号可通过至少一个二进制比特定义。

5.如上述权利要求之一所述的方法，其中符号的值至少部分地通过所述暗占空在所述脉宽调制周期（C）内的布置而被编码。

6.如上述权利要求之一所述的方法，其中在数据传输的开始设置包含有训练符号的训练序列。

7.如权利要求6所述的方法，其中训练符号通过至少两个暗占空之间的最小间隔来构成。

8.如权利要求6和7之一所述的方法，其中训练符号通过第一个和最后一个暗占空之间的最大间隔来构成。

9.如权利要求8所述的方法，其中在调定的占空比为0时将所述光源的光功率提高一个因子，该因子对应于由所述脉宽调制周期（C）的时延与所述脉宽调制周期（C）的时延在被减去所述暗占空的时延后得到的值所形成的商。

10.一种借助于脉宽调制光源（LED）进行数据的光传输的装置，具有：

-数据调制模块（VLC），用于接收要传输的数据（DATA）和脉宽调制的要调节的占空比（N），该占空比是作为所述光源（LED）的暗时间（D）和脉宽调制周期的周期长度（C）之比，其中周期长度（C）与暗时间（D）之差对应于所述光源（LED）在脉宽调制周期内的亮时间（T），

-所述数据调制模块（VLC）还被用于定义至少一个暗占空，所述亮时间（T）利用该暗占空被划分为至少一个第一和第二子亮时间，使得通过至少一个相应的暗占空的开始和/或时间长度对要传输的数据（DATA）进行编码，以及使得在所述脉宽调制周期内的子亮时间的总和基本对应于根据预给定的占空比的亮时间。

11.如权利要求11所述的装置，具有用于执行如权利要求2-9之一所述的方法的装置。