CN104040916A - 用于光传输数字数据的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于光传输数字数据的装置，所述装置包括信号源（1），其用来输出光学信号，所述光学信号的大小是基于要传输的数字数据而调制的。本发明提供荧光光纤（3），将荧光光纤（3）布置为使得通过外围区域接收来自信号源（1）的光学信号，通过荧光光纤（3）输入光学信号，通过发荧光的方法在荧光光纤（3）内将光学信号转换为荧光信号，通过光纤（3）将所述荧光信号路由到光纤末端（5）。

Description

用于光传输数字数据的装置

技术领域

本发明涉及一种用于光传输数字数据的装置以及在其中使用所述装置的设备。

背景技术

在不同的应用中，例如在雷达天线或计算机断层扫描仪的情况下，本领域的技术人员面临的问题是保持旋转部分与静止部分之间的数据链接。举例而言，旋转轴应当总是保持自由，因为那是执行计算机断层扫描时安置患者本身的地方。

现有技术中已知多种解决这一问题的不同方法。例如，在专利文献DE 4421616A中描述了这些方法中的一种。在这种现有技术中，弯曲荧光光纤以形成环形的圈。荧光光纤本身是一种以适当方式掺杂有荧光染料（例如，罗丹明G、尼罗蓝或其它一些荧光染料）的常规光纤。

如果用具有适当波长（例如650纳米）的光来照射这些荧光光纤，则包含在光纤中的染料将吸收辐射且发射出具有更大波长的光（斯托克斯位移，Stokes shift）。所述发射在光纤内且在所有方向上发生，使得发出的一些荧光沿着光纤导向至其末端且能够在末端进行检测。

根据上述的现有技术，将源自例如发光二极管（LED）或激光二极管的信号源的光学信号从荧光光纤的外周表面侧施加到这种荧光光纤上，而且根据归零制（RZ）或不归零制（NRZ）的脉冲调制方案来调制这种光学信号。换言之，数字信号是通过离散脉冲来传送的，其中光的点亮状态可代表“1”且光的关断状态可代表“0”，反之亦然。

但是，这种技术的一个问题在于：荧光光纤在受到适当波长的激励后需要一段衰减时间，直到染料回落到基态，然后再发生新的激励。这意味着两个连续光脉冲之间的间隔必须大于衰减时间，其中衰减时间依赖于所选择的染料在1到2.5纳秒的范围内。

因此，数据传输的最大频率在500MHz的范围内。

如果要传输更大量的数据，那么必须提供多个信号源和多个荧光光纤。然而，这会使系统变得复杂且昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能克服上述这些不足的用于光传输数据的装置。

可由根据权利要求1的装置和根据权利要求7的设备来实现该目的。从属权利要求涉及本发明的其他有利实施例。

附图说明

以下将基于说明书附图和优选实施例对本发明进行详细地解释。

附图中：

图1显示了在光源和荧光光纤之间进行数据传输的功能原理；

图2显示了具有根据本发明的装置的光纤旋转发射器的大概示意设计；

图3显示了根据本发明的装置的方框图；

图4显示了具有根据本发明的装置的计算机断层扫描仪的横截面图。

具体实施方式

结合图1对荧光光纤的基本原理进行描述。从适当的信号源1发出的光照射到荧光光纤3的外周表面上。包含在荧光光纤3中的染料吸收一些这样的光然后发射出具有更长波长的荧光。通过选择适当的染料和激励波长，可以最小化通常存在的吸收光谱和发射光谱之间的部分重叠，从而使得仅有较小的自吸收存在。

发射过程会产生衰减时间（所谓的荧光寿命），其中衰减时间对染料而言是特有的且通常在几纳秒的范围内。因此，这会限制传输带宽，如前所述。

依赖于荧光光纤3的结构，特别是其数值孔径、直径等等，在荧光光纤3内产生的一些光在荧光光纤3中被捕获，且通过全反射在荧光光纤3的两端5处被发射回外周表面，在两端5处可用适当方法检测这些光。因此，可由所谓的传导效率PE（piping efficiency）来描述所引导的辐射量：

PE=1–n_m/n_k

其中n_m和n_k代表荧光光纤3的光纤表皮和光纤芯的折射率。

如图2所示，特别有利的是，把荧光光纤3弯曲成环形以使得它与第二组件的旋转轴同轴。在第二组件上设置激光二极管或LED作为光学信号源1，将激光二极管和LED安装在与旋转轴存在一定距离的位置上，并且对其进行定向以使得其发射的光照射到另一组件的荧光光纤3上。如果两个组件中的一个绕着共有的旋转轴转动，则两个部分之间的安全信号传输是可能的。图2示出了这种数据传输的原理。

如在前言中所提及，在已知系统中每单位时间要传输的数据量（带宽和/或比特率）是由染料的余晖（即荧光寿命）来确定的。对于常规染料，荧光寿命在纳秒的范围内变化，例如，对于苯乙烯基染料6（Styril6）而言是2.5纳秒,这会使得在利用已知RZ或NRZ调制的情况下将比特率限制为500MHz。另一个不足之处在于当选择其它具有更短荧光寿命的染料时，得到更低的荧光产量，这将导致荧光光纤3中恶化的信号振幅且从而导致数据传输中更高的出错率。

这个问题可根据本发明通过传输振幅调制的光学信号而不是传输数字光学信号得以解决。这种振幅调制的光学信号可根据已知的脉冲振幅调制或根据正交频分多路复用/离散多音调制（OFDM/DMT）来调制。也可以使用其它的振幅调制技术。以下将简要地描述上述的这两种调制方法。

此外，根据脉冲振幅调制的原理，可以以RZ或NRZ调制方式传输离散的光脉冲。但是，传输的脉冲的振幅被调整为多级，例如，针对8比特传输调整为8级。换言之，接收器不能从所传输的脉冲的振幅恢复对应于1比特的信息，却能通过对振幅的估计来恢复8比特的信息。

但是，这里存在很多由上述系统中的传输的特定本性引起的问题。在上述系统中，在光纤内将信号源的光学信号转换为荧光。这些问题基本上包括缺乏激励光和荧光之间的线性度，这会导致实质上的信号失真。关于这方面，令人惊讶的是，可在接收器端通过适当的预失真或均衡来抵消这种信号失真。

由于上述的荧光寿命会产生另一问题，这会使激励脉冲中本来尖锐的轮廓变得模糊。而且，应当注意的是，这里会产生“记忆效应”，即：信号源的第二光脉冲的荧光信号的强度不应当以不受控的方式依赖于前面的第一光脉冲的强度。

因此，应当注意的是，根据本发明，激励光的最大强度应当显著地低于荧光光纤3的饱和度。此外，两个连续脉冲之间的间隔应当足够大到能保证荧光的可靠衰减。最终，对于本技术，可有益地使用为传输校正信息而获得的一些额外数据传输带宽来进行错误校正。这里可使用已知的例如DFE（“决策反馈均衡”）或FFE（“前馈均衡”）的技术。

图3显示了在这样的上下文中根据本发明的装置的方框图。

在数据源中（未图示），将数字信号发送到预失真器11。在预失真器11中，数字信号以适当的脉冲持续时间和脉冲高度被转换为模拟信号，且作为模拟信号被施加到例如激光二极管或LED的信号源1。由信号源1发出的光学信号因此具有基于要传输的数字数据而调制的大小。

该光学信号落在荧光光纤3的外周表面上，穿透进入荧光光纤3且激励包含在荧光光纤3中的荧光染料，从而发出具有比激励波长更长的第二波长的光，如前所述。

荧光的信号大小是激励光信号大小的函数，但这种关系通常不是线性的。额外干扰效应（例如前述的光学荧光光纤3中的随着光纤末端和激励位置之间的不同光纤长度而变化的自吸收和衰减，特别是在信号源和光学光纤彼此相对运动的情况下）将导致信号的进一步失真，信号最终到达光纤末端5中的一个，且在该处由适当的检测器转换回电信号。可以便利地为光检测器提供均衡器9，其使所接收到的信号均衡并且将其转换回数字信号。

预失真器11和均衡器9可传输预设的比特序列，然后可设置预失真和/或均衡以使得能在接收器端恢复这个比特序列。此外，特别是在优选地采用本发明的旋转系统中，还可根据旋转的角度来执行预失真和/或均衡，使得可以补偿不同的光纤长度和相关联的信号损坏。

一种允许更高数据传输速率的第二调制技术是上文所述的正交频分多路复用/离散多音调制技术。在已知类型的频分中，将多个信道调制到信号源1的光学信号上。接着，这些信道中的每一个可以独立地传输一个比特。根据已知技术，可调制256或512个信道。利用这些频分复用方法，可同时传输分配在多个载波上的多个信号。正交频分复用方法优选作为多载波调制的例子。在已知的类型中，将要传输的数据划分成相应地具有更低比特数据率的多个数据子流。接着使用已知的调制方法（例如具有低带宽的正交振幅调制方法）来调制这些数据子流。然后，所得的更高频率信号再次相加，且作为经过振幅调制的模拟信号通过信号源1传输出去。

将以此种方式调制的信号源1的光学信号转换为荧光光纤3中相应的荧光信号。虽然这种荧光信号以失真的形式存在，但它能够被恢复且仍然包含输出信息，且还能通过在光纤的末端处的适当的解调和接收器电路7和9将失真的荧光信号转换回原始的输出数据。

在这种不再通过离散光脉冲而进行的调制方法中，为了将荧光光纤3中的记忆效应维持在极限之内（即：为了防止由于可能的荧光饱和度而产生的传输信号中的信息丢失），确保信号源激励光的最大振幅和最高调制频率都足够低是特别重要的。

采用这种技术的传输因为具有更高的数据传输率因而允许以已知的方式将错误校正信息加入到原始数据中，使得可由传输的大量数据来补偿更大的错误敏感性，这将导致当从整体上考虑时会有更高的有用数据传输率。

图4显示了用作系统和/或设备的结合了计算机断层扫描仪17的本发明的应用，对于计算机断层扫描仪17，可以尤其有利地利用根据本发明的装置。采用计算机断层扫描，必须在短时间段内在旋转部分和静止部分之间规律地传输大量数据。因为将对其作检查的患者（即，患者的病床13）被安置在旋转轴的位置，所以通过旋转轴进行传输是不可能的。因此，根据本发明，由图4所示，将环形的荧光光纤3布置在计算机断层扫描仪的静止部分上，其中光纤的末端5连接至适当的检测器电路15。

将荧光光纤的环设计为与旋转轴同轴且位于离此旋转轴一定的距离处，因而给患者提供足够空间。在离旋转轴一定距离的旋转部分上设置例如LED或激光二极管的信号源1。该信号源发出具有例如640纳米波长的光到荧光光纤3的外周表面上。

将由计算机断层扫描仪的旋转部分记录的图像信息转换为数字数据，通过脉冲振幅调制方法或多频复用方法将数字数据转换成信号源1上的经过振幅调制的光学信号，然后将光学信号传输到荧光光纤3。在旋转部分的旋转时，光总是照射在光纤3上。由于已知旋转部分和静止部分之间的相对角度，因此可获得对光纤3的长度的适当补偿。

将信号源1的光学信号转换为荧光光纤3中的荧光，且将该荧光路由到光纤3的末端5。例如光电管等的适当的检测器15将荧光信号转换为电信号，然后对电信号进行均衡、解调以及模拟到数字的转换。由此一来，在接收器端恢复了数字图像数据。由于根据本发明的设备使得可以获得高的数据传输带宽，因此，可以以适当的错误校正数据来传输图像数据，使得可获得旋转部分和静止部分间的安全、可靠且快速的数据传输。

本文参照优选的示例性实施例对本发明进行了描述，但本发明并不受限于这些优选的示例性实施例。除了计算机断层扫描仪之外，还可以有利地在雷达天线中使用本发明。

Claims (9)

1.一种用于光传输数字数据的装置，包括：

信号源（1），其被配置为以基于要传输的数字数据调制的大小来输出光学信号，以及

荧光光纤（3），其被布置为在外周表面上接收来自所述信号源（1）的光学信号，且被设计为当接收到所述信号源（1）的光学信号时发荧光以及在所述光纤（3）中将荧光信号路由到光纤末端（5）。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

均衡器（9），其被布置为补偿由所述荧光光纤（3）引起的所述光学信号的失真。

3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括：

预失真器（11），其被布置为对所述数字数据进行预失真以用来补偿传输路径中的失真。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其被设计为根据决策反馈均衡技术和/或前馈均衡技术来操作。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述信号源（1）被设计用来根据脉冲振幅调制方法或正交频分多路复用/离散多音技术来调制所述光学信号。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述信号源（1）和所述荧光光纤（3）被设计为能够彼此相对运动。

7.一种用于在围绕公共轴彼此相对旋转的两个部分之间进行数字数据传输的设备，所述设备具有根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述信号源（1）以环绕旋转轴的环的形式布置在一个部分上，且所述荧光光纤（3）以相同方式布置在另一个部分上。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述设备是计算机断层扫描仪。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述设备是雷达设备。