CN107690757B - 自由空间光通信系统 - Google Patents

Abstract

照明系统包括驱动至少一个电抗器的激励器。电抗器是欠阻尼谐振电路，其包括电抗串中的照明元件和分布在照明元件之间的电抗部件的网络。这些电抗部件可以调节各个照明元件。照明元件发射包括第一阶段和第二阶段的AC发光波形。选择的照明元件可以由数据流进行调制。调制的光通过自由空间移动至接收设备。

Description

自由空间光通信系统

相关申请

本申请要求保护于2014年11月17日提交的第62/080990号美国临时申请的优先权，该申请出于所有目的通过引用合并入本文。本申请涉及于2012年12月31日提交的、于2013年7月4日公布为WO2013/102183 A1的PCT/US12/72253号PCT申请，该PCT申请出于所有目的通过引用合并入本文。PCT/US12/72253号PCT申请是第9144122B2号美国专利的原申请。

技术领域

本发明的一个或更多个实施例涉及用于使用电抗串的自由空间光通信的系统和方法。

背景技术

自由空间光通信(FSOC)系统已经使用了数千年。可以通过移动任何反射表面来引导反射的太阳光。峰火是自由空间光通信的另一个示例。在现代，FSOC已经使用电供电光源。1880年，Alexander Graham Bell第一次通过一束光线来传输声音。随着激光器和LED变得可用，它们适用于FSOC，并且也已经被用于向光纤中注入调制的光。点对点FSOC可能是有利的，因为它难以拦截，并且窃听传输的数据可能是困难的或不可能。

FSOC系统开发的很多重点是针对跨越延伸距离的这样的点对点通信，并且随着光纤被证明提供更具商业吸引力的实现，对这样的系统的兴趣已经大大减弱。然而，在手持遥控器与各种消费电子设备(例如电视机、视频和音频设备)之间以红外FSOC的形式进行的短距离、低带宽通信变得普遍。

FSOC系统还被提出作为射频无线数据通信系统的替选方案。FSOC具有提供不需要(正在变得饱和的)任何RF频带分配的短距离宽带通信的潜力，并且可以替代或补充当前的WIFI通信系统。例如，Haas等人(WO2011/003393 A1号PCT申请公开)公开了可以提供宽带本地数据通信的基于LED的FSOC系统。

发明内容

自由空间光通信系统(FSOC)建立在包括激励器(电波形发生器)和电抗器(谐振电路)的照明(lighting)平台上。谐振电路(“电抗串”)包括多个电抗部件和多个照明元件如LED。激励器被配置成驱动欠阻尼和通常高Q的谐振电路。电波形发生器产生处于约10kHz与约100MHz之间的频率的AC电压波形。电抗部件(例如电容器)分布在照明元件之间，使得它们无源地确定各个照明元件的功率。照明元件发射以以下两个阶段为特征的AC发光波形：一个阶段通常提供区域光照(illumination)，而一个阶段通常是暗的。可以在谐振电路中的照明元件与用户设备中的发射器/检测器对之间提供双向FSOC。在任一阶段期间都可以进行通信，尽管在暗时期的通信可能对在高带宽下提高信噪比有利。LED可以用作上行链路检测器，或者可以在一个或更多个电抗串中添加独立的光电二极管检测器。数据流可以调制整个串或串中的各个元件。可以使用可变电抗元件例如SAW设备或压电设备来实现对各个元件的调制。

通常，数据流调制与光照电压波形的频率充分分离的载波频率。多个电抗串可以以单独的载波频率和/或单独的颜色操作。单个电抗串还可以包括混合型照明元件。不同载波频率下的电力和/或数据流波形可以通过公共两线总线传输。与控制件和传感器的内部系统通信可以类似地通过同一总线上的不同频带实现。

大型网络可以被配置为有损传输线，由此包括一组并联电抗串的“脉冲”部分通过另外的电抗部件隔开，使得在部分之间存在小的相移。有损传输线拓扑使得数据和/或另外的电力能够沿着线路以一定间隔注入。可以实现任意的线路长度。

还可以使用电抗串来实现各种感测功能，由此串中的LED或电容器实现传感器换能效应。可以实现单独的传感器功能和集体(例如，相控阵列)检测方法。

附图说明

图1示出了包括驱动电抗串的激励器的照明系统。

图2示出了包括由数据流调制的照明元件的示例性电抗串。

图3示出了光照波形内的暗时期。

图4示出了FSOC系统内的频带的示例性分布。

图5示出了被配置为有损传输线的电抗串。

图6示出了有损传输线的周期性电流注入的一个实施例。

图7示出了有损传输线的周期性电流注入的第二实施例。

图8示出了用于通过相控阵方法确定位置的有损传输线中的LED。

具体实施方式

在详细描述本发明之前，要理解，除非另有说明，否则本发明不限于特定电路、照明元件或照明元件的类型。可以使用本文所述的电路有益地驱动包括多个照明元件的任何照明系统，只要照明元件可以表示电路中的“实”阻抗(与电抗或“虚”阻抗相对)即可。还应当理解，本文所用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的范围。使用LED作为示例性实施例描述了典型的示例，但是也可以使用其他照明元件。类似地，示例性实施例被描述成与室内区域照明一起使用，但是其他实施例可以与用于街道、停车场、体育场等的室外照明一起使用。可以经由本文所述的照明系统提供光通信系统。

必须指出，如本文和权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“a(一)”，“an(一)”和“the(所述)”包括复数所指对象。因此，例如，对“LED”的引用包括两个或更多个LED，对“电抗串”的引用包括两个或更多个电抗串等。

在提供值的范围的情况下，应当理解，除非上下文另有明确规定，否则该范围的上限和下限之间的按下限的单位的十分之一的每个中间值以及在该规定范围内的任何其他规定或中间值包含在本发明内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在较小范围内，并且也包括在本发明内，受到该规定范围内的任何具体排除限值的影响。在该规定范围包括限值之一或两者的情况下，排除这些包括的限值之一或两者的范围也包括在本发明中。术语“约”通常指规定值的±10％。术语“基本上全部”通常是指大于全部可能量的95％的量。

定义：

如本文所使用的，术语“发光二极管”或“LED”是指当电流通过正向偏置二极管时发射光的半导体二极管。可以使用任何类型的LED，包括以任何可用的波长、亮度或输入功率发射光的设备。可以使用任何可用的半导体材料，并且可以使用任何可用的封装设计，只要能够对“激励器”进行适当的电连接，并且可以配置适当的“电抗器”。封装的LED还可以包括影响最终发射的光的“颜色”的局部或远端磷光体，尽管荧光体的存在或不存在对于LED的电特性是不重要的。LED可以被提供为完全封装的设备，包括磷光体、可选扩散器或透镜以及可选引线。多个LED结可以一起封装为单个封装中的多个裸片或单个裸片上的多个结或其任何组合。

如本文所使用的，术语“控向(steering)二极管”是指不用于发射光而仅用于引导直流电流在特定路径中流动的二极管。

如本文所使用的，术语“激励器”是指将电能源转换成具有适合于驱动“电抗器”的电压和频率的AC电压源的电路。

如本文所使用的，术语“电抗器”是指照明元件和电抗部件的网络或阵列，其包括谐振电路。

如本文所使用的，术语“照明元件”是指直接(例如白炽灯、弧光灯、可见光LED)或间接(例如荧光灯、具有磷光体的LED)发射可见光的任何部件。照明元件还包括有机LED(OLED)、量子点、微腔等离子体灯、电致发光设备以及可以将电流转换成可见光的任何元件。

如本文所使用的，术语“电抗部件”是指几乎没有或没有实阻抗(即电阻)但具有显著的虚阻抗(即电感和/或电容形式的电抗)的电子部件。电抗部件通常是作为旨在向电路增加电容和/或电感而不是显著的电阻的电容器、电感器、变压器等出售的设备。

如本文所使用的，术语“电抗串”是指包括多个单元的电抗器，每个单元包括照明元件和电抗部件。电抗串可以可选地包括电流控向二极管，但是除了包含照明元件本身之外，电抗串不包含其它半导体设备，也不包含功率消耗设备。包括一个或更多个电抗串的网络可以被称为“RSSL”网络，其中RSSL是“用于固态照明的电抗串”的简称。

如本文所使用的，术语“谐振电路”是指具有自然振荡频率并且旨在被驱动接近谐振或被“欠阻尼”使用的电路，由此电路中的电阻进行的任何能量吸收(例如由LED提供的)不足以抑制振荡；即，当不再被驱动时，电路将继续“振铃”或振荡至少一个周期。

如本文所使用的，术语“质量因子”或“Q”用于表征谐振系统的阻尼。Q还描述了谐振的清晰度。通过Q＝2π(储存的能量)/(每个周期消耗的能量)来定义Q。Q也可以被计算为Q＝ω₀/Δω₀，其中ω₀是谐振频率，Δω₀是功率谱的半宽度，也被称为谐振的“带宽”。呈现电压或电流放大的欠阻尼谐振电路具有Q>1。

如本文所使用的，术语“当前利用率”(CUR)是指通过电抗器中的照明元件的均方根(rms)电流与供应到电抗器的总均方根电流的比率。电抗串中的CUR通常小于1，因为旁路元件例如电容器与照明元件并联放置。

如本文所使用的，术语“冲击电压”和“击穿电压”(V_b)是可互换的并且是指下述电压：高于该电压，设备的特定网络开始接通并且吸取不可忽略的电流。如果设备的网络由单个LED组成，则术语“正向电压”(V_frwd)是同义词。

如本文所使用的，术语“阵列”是指具有任何维度的多个连接的元件的布置，例如二维阵列、一维(线性)配置以及可被理解为具有三维或更多维度的配置。例如，用作荧光管替代物的200-LED阵列通常被配置为具有10个“列”并且每个列具有20个LED的“阵列”，其中每个列由恒定电流电源以公共电压驱动。其他术语例如多串、并行串和多列都被认为是本文中术语“阵列”的同义词。

如本文所使用的，术语“调节”是指在存在变化的环境的情况下对特定电参数(例如电压、电流或功率)的控制。控制并不意味着参数的值没有变化，而是在局部背景下任何变化在功能上无关紧要。该设备继续在制造商指定的“安全工作区”(SOA)内操作。

本发明的实施例总体上使用在第PCT/US12/72253号PCT申请中描述的用于照明元件阵列的驱动器来实现自由空间光通信，该PCT申请通过引用合并入本文。这些系统向散布有电抗部件的阵列配置中布置的各个照明元件提供调节电力。这些阵列被称为“电抗串”。在电抗串的拓扑中，存在提供以下三个有利特性的实施例：(1)电流/电压调节足够稳健，使得可以容忍某种程度的元件故障，并且剩余功能元件继续以有用的输出运行，(2)阵列本身可以是电力转换过程(例如AC至DC)的主要部件以及(3)到阵列中的各个元件的电流和电压以容忍设备可变性和制造公差的方式被调节。

电抗串可以具有各种属性。在一些实施例中，电抗串具有恒定的亮度，由此当一些照明元件故障时，增加至剩余照明元件的电流以提供恒定的亮度。至剩余元件的电流只是最低限度地改变。这种行为是适当地选择散布的电抗部件以及将照明元件和电抗部件置于在谐振附近工作的谐振储能电路的拓扑和驱动系统的结果。如果拓扑结构最初被配置成用于最大亮度，则剩余元件将继续以同一电流工作，以获得最大的残余亮度。光输出可以最大化，并且散热可以最小化。

“电抗器”包括电抗串，并且还包括至少一个电感器和一个电容器以形成谐振电路，在该谐振电路中基本上所有的功耗发生在照明元件中。另外的控制元件可以是具有最小损耗的无源电抗部件。不需要耗能元件例如电阻器来调节各个照明元件电流。此外，谐振行为提供电流的伪调节以调节光输出。电感器和电容器的作用在电抗串中通常可以互换。为了具体起见，本文的实施例通常使用电容器作为各个单元中的电抗元件，其中每个单元包括至少一个发光元件，并且使用较少数量的电感器和/或变压器来完成谐振储能电路，实现电压电平转换以及“有损输送线”的分隔元件(下面将更详细地描述)。然而，每个单元中具有电感器和较少数量的电容器的实施例也是可能的。

LED激励使用AC电流，并且LED群中的功率分布使用电抗部件来管理。总体可靠性得到提高，电源部件数量最小化，整体系统成本可以低于常规DC驱动系统。电力分配的自主或自我调节导致供在人类生活空间中使用的较不复杂且安全的系统，因为高工作频率在神经学上是良性的，而无源电抗部件代替了在典型安装中的有源电源的激增。在一些实施例中，可以使用单个激励器来驱动多个电抗器。例如，配电盘中的单个激励器可以驱动照亮典型家庭所需的所有电抗器。

如图1所示，电抗串系统将“激励器”102与一个或更多个谐振“电抗器”104集成。激励器本身不谐振，但是经由两线总线106向电抗器提供恒定频率和电压的AC激励器电力。本发明的实施例不需要对电压进行完全整流。

到电抗串的电力的分配使用AC电压，并且数据信号可以叠加在配电线上。可以使用本领域已知的任何调制技术来发送数据信号。例如，可以将幅度调制(AM)、频率调制(FM)、频移键控(FSK)或相位调制(PM)应用于载波，其可以与电源电压波形的频率具有相同的或不同的频率。根据载波频率和载波带宽的选择，可用的数据带宽可以如本领域已知的那样变化。可以使用各种技术来增加有用带宽，例如通过将振幅和相位调制(“正交幅度调制”或QAM)组合。FSOC系统还能够进行光频分复用(OFDM)，由此将光谱分成离散通信“信道”(颜色)，信道中的每一个可以提供可以单独地调制的独立的锁频数据信道。在本发明的实施例中，所有这些已知的调制技术可以单独使用或组合使用。

在一些实施例中，叠加在配电线上的数据信号用于照明系统内的内部通信。照明系统可以包括控制件和传感器。一些控制件可以提供手动功能，如局部切换和调光功能。代替手动控制或者除了手动控制以外，一些照明系统具有数字控制系统。在这些系统中，数字控制系统可以与一组传感器和控制件双向通信。可以提供传感器来感测光水平(日光和由系统提供的光照光二者)以及运动和存在。控制件可以设置光水平以及打开和关闭灯。例如，可以使用可编程可变电感器例如磁放大器来实现调光，其中小的控制电流调制影响同一磁芯上的次级线圈的电感的磁芯。

最通常地，数字控制系统可以和与照明系统共位的任何传感器和控制件进行通信。这样的传感器和控制件可以与其他建筑功能例如加热和冷却、安全性、窗户控制、百叶帘或遮光物等相关。数字控制系统还可以被提供有与本地通信网络(内联网)和/或互联网的连接。由于电力总线的高频率，用于光监控或调光的辅助设备仅需要小型变压器来为小型微处理器或嵌入式系统提供有用的电源。因此，RSSL照明系统非常适合仪器和控制件的集成，以将照明系统添加至“物联网”(IoT)。

本发明的实施例还可以提供计算设备(例如台式或膝上型计算机、平板计算机或智能电话)与网络之间的新颖链接。如果还存在另一个链接(例如有线以太网或WIFI)，那么如此连接的设备还可以用于经由数字控制系统控制照明系统功能。例如，本发明的实施例可以提供本地FSOC与网络的连接，并且同时从位于FSOC能力的通信范围之外的设备控制照明网络功能；原则上，任何网络连接的设备都可以提供照明网络控制，尽管在一些实施例中，照明网络控制可能局限于本地设备或选择的授权设备。

便携式计算设备可以被配置成当本地FSOC系统可用时连接至本地FSOC系统，以及当本地FSOC系统在范围外时使用其他通信装置。由于FSOC通常在范围上受到限制(例如，限于建筑物内的单个房间)，所以系统还可以包括对应于给定光学发送器和接收器的有效范围的多个通信“单元”(FSOC单元)。例如，对于通过射频信道工作的蜂窝电话系统，当用户围绕建筑物移动时，通信可以从一个FSOC单元转移到另一个。当用户离开建筑物时，他们的通信可以自动转移至可用的另一种模式(例如至蜂窝电话网络或WIFI网络的RF链路)。

如在第PCT/US12/72253号PCT申请中所描述的，电抗串有利地在高Q谐振附近工作。谐振的Q确定了限制通过针对该频率调制电力波形可以传输的数据的速率的带宽。在一些实施例中，可以通过选择较高频率的电力载波波形来增加数据速率，因为对于同一Q，较高的频率将提供较高的绝对带宽。如果数据带宽要求是适度的(例如，在数据仅用于内部系统通信的系统中)，则调制电力波形频率的数据传输方法可以是有用的。注意，虽然可以在沿着电力总线的任何位置处提取数据，但是数据固有地叠加在电抗串本身上，并且数据信号调制照明元件。数据调制不影响LED的平均发光输出，并且只要载波频率本身大于约50Hz，数据调制就不能被人类视觉系统感知到。(光通量波形为电力波形频率的两倍，因此大于50Hz的载波频率产生具有频率大于100Hz的发光波形。)典型的电抗串系统在最小约10kHz下工作，并且闪烁是无法察觉的。

因此，在一些实施例中，照明元件可以为FSOC单元提供高功率光照和高信噪比下行链路发射器，其中FSOC单元由从特定电力总线驱动并且在特定电力波形频率下工作的电抗串照射的区域来限定。多个FSOC单元可以通过叠加在由大于每个电抗串谐振的带宽的间隔分开的频率下的多个电力波形来操作单个两线电力总线，使得调制边带不重叠。这样的分隔类似于无线电或TV频谱分配中的“信道”之间的分隔：每个电抗串被“调谐”到特定信道，并且仅对在其分配的信道载波频率下传输的电力和数据进行响应。

数据上行链路需要可以从位于特定FSOC单元中的设备接收光信号的传感器系统。上行传感器可以与FSOC单元内的任何方便的固定装置共位。在一些实施例中，上行链路传感器与一个或更多个照明器共位。在一些实施例中，上行链路传感器位于调光器或开关控制盒中。在一些实施例中，上行链路传感器可以使用还用于监测光水平(日光、系统光照或者日光和系统光照两者)的传感器来实现。上行链路数据(和共用时的光水平数据)可以通过用于电力和下行链路数据传输的同一两线电力总线传输回数字控制系统。全双工数据传输可以例如通过使用用于上行链路和下行链路数据传输的单独的载波频率来实现。

在一些FSOC系统中，与针对光照和数据下行链路二者使用相同照明元件可以轻松实现相比，可以提供高得多的数据带宽。为了充分利用FSOC的带宽潜力，有利的是使用高频载波(例如1MHz至10GHz)并且另外利用OFDM方法。电抗串可以被设计成在1MHz以上的频率下操作，但也可以将电力载波频率与数据载波频率分开。此外，在一些实施例中，实现用于可靠数据通信的可用信噪比(SNR)所需的光功率可以远小于用于区域光照所需的光功率。这是通常适用于室内安装的情况。

在一些实施例中，用于数据上行链路的传感器可以是还用于光照和/或数据下行链路的LED。LED可能未被优化用作光传感器，但在某些应用中，它们可能仍然可用。

在一些实施例中，提供了用于区域光照和数据下行链路的单独的光发射器。用于区域光照的光发射器通常被选择和配置成提供“白”光近似光；即，光发射器在可见光谱中的广谱光照或至少对人类视觉系统呈白色的多光谱光照。用于数据下行链路和上行链路的光发射器可以是相同的广谱发射器，但它们也可以是窄带发射器。光发射器可以进一步被选择成以不用于光照的波长发射。例如，数据下行链路/上行链路发射器波长可以是红外(IR)或近UV。根据光照波长的这种波长间隔可以通过确保接收到的光数据信号不叠加在可能引入显著噪声的大的背景水平上来提高数据SNR。此外，电抗串正确偏置混合类型的LED并且容忍串中各个LED的故障的固有能力使得易于将UV和/或IR LED与白光LED(或LED的RGB阵列)集成。可以针对特定系统设计根据需要合并透镜和过滤器。

在一些实施例中，可以通过时分复用进一步减少背景水平问题。在最大发光输出下操作的电抗串具有接近两倍于电力载波频率的半正矢发光波形的波形：电流波形是双向的，其中I＝I₀sinωt；光通量严格为正，其中

半正矢

电抗串中的功率分配由电抗元件实现。存在循环电流，并且该循环电流在串中的LED的过零点处表现为“暗时段”。由串中的LED使用的电流占循环电流的比例被称为电流效用率(CUR)。由于通过对网络(或单个电抗串)进行解谐来实现任何调光，所以这个暗时段被延伸为在解谐的电抗串的频率下的时段的百分比。这在白天期间例如当需要较少的照明但数据通信需求最大时是一个有效的策略。无论如何，暗时段不被人类视觉系统所感知，因为它是非常短的光照波形时段的一小部分。

为了最大化SNR，可以有利的是，通过使用适当的调光系统并且提供足够的过量发光容量来包括小的“断开间隔”或“暗时期”，使得最大电力设定总是具有例如至少5％至20％的设计断开间隔。无论断开间隔仅是瞬时的还是发光波形周期的有限百分比，可以有利的是，仅在存在来自区域光照的最小背景反射率的断开间隔期间或附近传输数据。FSOC系统的常见问题是来自墙壁、家具等的反射光的相对高强度和可变颜色可以表示检测器的重要的噪声源。通过将数据传输(下行链路和上行链路)限制在暗时期，这样的反射完全不存在。可能会有数据速率损失，但鉴于非常宽的潜在带宽可用，为了在用于数据传输的较低光功率下的提高的SNR，可以有利地接受数据速率损失。提高的SNR进一步使得实现增加的波特率和/或增加的“符号”大小(可以在单个时间处编码的离散符号的数量)。下述有损传输线配置可以用于通过在较长的串中的单独的脉冲部分中使用单独的颜色和/或相位来增加符号宽度。

请注意，暗时期通常在RSSL网络的至少选定部分内是同步的。仅包含单一类型的电抗元件(仅电容器或仅电感器)的网络的一部分中的所有LED同步地操作而没有内部相移。

FSOC系统不具有固定的信号路径长度，并且由于沿着包括来自FSOC单元内的有颜色的对象的多个反射的多个信号路径传输的数据信号之间的不可预测的干扰，多径反射可能引入另外的噪声源。在一些实施例中，过量信道容量可以被用于使用通信领域中已知的技术(例如，数字用户线(DSL)系统)来选择展现最小噪声的特定用户的信道。可以使用通信领域中已知的自适应均衡方法来进一步减少多路径噪声。可以有利地在可以通过测试来自每个可用颜色信道处的反射的噪声来累积FSOC单元反射谱的暗时段期间执行均衡。

OFDM方法在光纤通信的背景下是已知的。多模光纤可以承载多个光通信信道。使用激光光源。激光器通常具有非常窄的颜色带宽(1nm级)，并且信道可以紧密间隔开。然而，对于FSOC系统，LED通常因为较便宜且更容易地提供区域的均匀光照而被优选。LED通常具有较宽的颜色带宽，通常在50nm的范围内。在一些实施例中，可以使用光学带通滤波器来使单个光发射器的颜色带宽变窄。功率转换效率会出现一些损失，但是可以获得可使用的颜色信道的数量的增加。

在一些实施例中，用于数据传输的LED颜色信道可以从任何可用的LED波长(从UV到可见到红外)中选择。在一些实施例中，选择在用于区域光照的波长范围之外的LED颜色信道(例如，UV和/或红外，但不可见)。

如上所述，在一些实施例中，通过调制与任何电力传输载波波形不同的一个或更多个载波频率来传输数据。在一些实施例中，电力和数据载波波形可以通过单个两线总线来传输。在一些实施例中，可以使用多个绞合线对或同轴线。可以根据所需的电流容量、电磁干扰(EMI)考虑和操作频率进行不同的选择。

在多个载波频率通过一根两线总线传输的情况下，可以使用标准“调谐器”(带通滤波器)来“拾取”各个载波。电抗串可以直接用作带通滤波器，从而不需要另外的滤波器部件。数据载波可能需要特定的调谐部件来选择数据流。从两线总线上的信号进行的解调与所有调谐器一样使用谐振。电力被有效地传输并且针对功率和通信频率而适当地终止。

用于FSOC数据传输的照明元件由数据流调制。在一些实施例中，数据传输照明元件包括在与用于区域照明的照明元件相同的电抗串中。在一些实施例中，可以使用一个或更多个单独的电抗串来驱动数据传输照明元件。如前所述，照明元件、LED、裸片和单个LED结到串的配置是可以用于最小化部件数量和成本的设计便利以及部件安装便利的问题。通常，当元件共位于单个照明器中时或者当它们要作为组被打开和关闭或调光时，元件被组合成单个串。设计者可以自由地混合和匹配单个串中的照明元件的类型，因为串中的每个单元在功率方面可以由其自身的一个或多个电抗元件(通常至少一个电容器或电感器)控制。电抗串自动适应单个串内具有不同V_frwd的LED；每个单元均是“自偏置”，因为LED上的电压降自动调节以提供由串联电容器设定的电流。

在提供用于每个光数据信道的单独的电抗串的情况下，整个串可以仅受到给定该电抗串的谐振的频率和Q的可用带宽的限制而被调制。然而，也可以单独地调制串中的各个照明元件。如果在串本身的电力频率谐振的频带之外的频率下发生这样的调制，则数据调制载波波形在串内自终止，而不反射回到电力总线上，从而保持在各种载波频率下的高保真度、无反射。

在典型的电抗串中，使用串联电容器(图1中的108)来设置通过一对或更多对LED110的峰值电流和偏置。该串联电容器为数据调制提供便利位置。例如，如果串联电容器控制通过单对LED的电流，则可以通过使用如图2所示的代替(或除了)固定串联电容器(以外)的可变电容设备208来调制来自该对LED的光输出。图2示出了承载电力载波波形和数据载波波形的两线总线202。调谐器204选择电力载波波形，调谐器206选择数据载波波形。可以高速调制以实现高数据速率可变电容器208的电路元件的示例包括压电换能器和表面声波(SAW)换能器。LED对210传输数据，图2中的剩余LED用于光照。可以单独调制另外的LED对以提供另外的数据信道。

在一些实施例中，单独的电抗串用于光照和数据下行链路/上行链路。单独的电抗串可以被配置成以不同的载波频率和/或不同的颜色操作。通常，时钟被同步使得数据传输可以被限制于如图3所示的光照波形304中的暗时期302。整个电抗串可以一起用作利用从有损传输线路配置(见下文)中的谐振节点提取(转换为电信号)的数据的数据上行链路传感器。

注意，通过与光照LED不同并且使用单独频带的LED下行传输数据的拓扑使得数据LED亮度能够独立于光照LED亮度。通常，使用适用于对电力载波频率(例如，32kHz)进行响应的谐振串或其一部分中的LED的谐振解谐方法根据需要对光照LED进行调光。调光功能不与数据LED亮度相互作用，因为数据LED被配置成在与电力载波频率的功率带具有不重叠的功率带的数据载波频率(例如，100MHz)下操作。

图4示出了载波频率的示例性分布。电力载波频率402被示为相邻的调光信号带宽。FSOC的数据信道被示出在60至80MHz范围404内。FSOC单元之间以多Gbps比特率进行的单元间数据传输被示出在频率范围406中。这样的调制中的注入损耗是对生成在非常长的时间常数上建立的时变光密度波形的现存偏置电流的调制。如图4所示，注入阻抗低，因为在谐振偏置内部，调制信号的投影是从通过电容耦合使得其能量在单元LED中消散的相邻的LED携带的“脉冲”。

可替选地，可以说对电力频率偏置电流“串内”的调制是“差分的”。由于较低工作频率的电力信号的高电感，回到总线上的扰动或反射是可忽略的。注意，电力波形载波和适当的上移数据调制载波电流可以共存于同一串中，只要两个载波的频带被充分宽地分开即可。暗时段可以用于空间均衡、交替通信目的、或者增强SNR和增加波特率。在强调数据通信应用的典型实施例中，调制载波频率可以远高于电力波形载波频率。作为整体的电抗串可以具有可与电力波形载波频率兼容的谐振频率和带宽。同时，较高频率的数据调制可以适用于串中的单个串联电容器，以进一步调制通过串中的单对LED的电流。

在一些实施例中，电抗串的单元可以包括组装在一个或更多个电路板上的分立的LED和电容器。在一些实施例中，单个单元可以被制造为封装设备，例如，作为具有可焊接焊盘或引线或者机械连接器的单个封装中的两个LED和两个电容器。机械连接器可以使得用户能够更换单个封装设备。在一些实施例中，将多个单元制造成单个封装。引线或连接的数量可以从针对多个单元的串的两个到针对每个单元或任何合适的组合的两个而变化。更多的引线可能增加成本，但是也增加了允许串行和并行连接的替选布置的灵活性。在一些实施例中，电抗串可以被实现为混合电路，由此所选择的组的部件安装在一起作为子组件，该子组件又被安装在主电路板上。

在一些实施例中，可以直接在晶片上实现电抗串，使得整个单元或多个单元存在于单个裸片上。通常，在两个金属化层之间的晶片上制造电容器，作为LED制造过程的一部分。在制造之后，可以根据需要对晶片进行切块，使得单个切块可以包含整个单元或多个单元。这是制造具有通常在内部用特定连接连线的多个LED结的切块的“板上芯片”(COB)方法的扩展。多结切块(例如，最初针对非RSSL使用设计的产品)也可以与外部电容器一起使用。

在一些实施例中，多个电抗串串联连接，由如图5所示的电抗元件如电容器502和电感器504分开。典型的RSSL网络包括多个单元，每个单元包括LED以及串联电容器C_ser和并联电容器C_par。完整的谐振电路包括另外的串联电容器C_R和串联电感器L_R。另外的串联电容器C_R提供适当设置跨电抗串中的特定潜在群体的单个单元的两端的电压的设计自由度，而适当的C_ser值可以用于单独地偏置每个LED。为了形成有损传输线，代替使用单个C_R和L_R，这些电容和电感分布为“脉冲部分”之间的分隔器。通常，每个值相等并且被选择使得对于单个部件而言等效电容和电感保持相同(即，每个电感器的值为L_R/n，并且每个电容器的值为nC_R，其中n是使用的分隔器的数量)。我们将“谐振节点”506定义为这些电容器与电感器之间的点。这些谐振节点可以是用于向下述整个脉冲部分添加电力以及数据下行链路和上行链路的便利接口点。谐振节点处的电压幅度与L_R/C_R成比例。从一个谐振节点到下一个谐振节点，仅相位发生改变。

以这种方式布置的一组电抗串可以被分析为有损传输线。例如，同轴电缆传输线的模型可以被构建成具有每单位长度的电容、电感和电阻的有损传输线。电抗串具有分立部件，但是仍具有类似于用于大型网络的连续有损传输线的特征。只要电感可忽略不计，不具有电感器的电抗串在其内部同步工作：在网络的这样的“脉冲”部分内不存在相移。然而，随着驱动波形通过将脉冲部分分开的电感器和电容器，存在相移。

大组的电抗串可以连接在一起作为有损传输线。这样的有损传输线的长度没有上限，因为可以根据需要在沿着线的长度的任何谐振节点处注入适当相位的另外的电力(电流)。这可以在图6中从构思上看出。主“线路”被实现为多抽头变压器的初级侧。每个次级602向一个脉冲部分604提供电流。图7示出了这样的电力注入的另一示例。单独的近无损传输线702平行于有损传输线704。电容器Cr2、Cr3和Cr4提供沿着有损传输线的相移的匹配相移。在典型的实施例中，有损传输线的段之间的相位延迟很小。段利用仅实部和寄生效应处于谐振。小的滞后相位用于由利用零电压开关操作的电力开关部件维持电力注入。滞后功率能量的管理可以最佳。变压器Lr2、Lr3和Lr4通过松耦合将电流耦合到有损传输线中，保持在适合于高频驱动的无损耗传输线上的总的低初级电感。这些电力注入可以被看作类似于在长距离数据传输线(例如，海底电缆)中的中继器的使用。使中继器以适当的间隔隔开可以减少支持长线路所需的总的电压电平。可以使用从单个电源馈送电力的单独的电力电缆来提供用于中继器的电力，或者可以使用多个单独的电源来向一个或更多个中继器中的每一个供电。

有损传输线配置对于延伸的物理几何形状例如沿道路或高速公路的路灯可能是有利的。互连为有损传输线的路灯——即使在许多英里的高速公路上，也可以形成自然互连的一组FSOC通信单元。

在相反的尺寸极限，有损传输线可以用于向非常大群体的非常小的照明元件供电。这些元件可能具有显著的规格可变性(V_frwd、颜色、带宽、发光输出等)，并且在继续提供有用的集体功能的同时甚至可能具有相当大百分比的故障。

因此，虽然RSSL网络非常适合于驱动并行串——其中每个并行串包含相对小的串行串，但是任意数量的这种并行负载接着可以方便地串行化为有损传输线。这样的配置可以用于来自单个裸片(COB组件)上的大量微小元件阵列的任何尺寸规模，以完成工业工作区域、体育场灯、路灯等。FSOC可以以最小的附加成本添加到任何这些系统中。

相邻的脉冲部分可以用于实现相邻的FSOC通信单元。为了避免光学干扰，相邻单元可以具有隔离的段，每个隔离的段具有稍微延迟的暗时期(用于数据传输)、不同的颜色、不同的数据载波频率或其任何组合。可以在每个FSOC单元内实现全双工通信。

单元间通信可以经由RSSL网络线、单元间泄漏的FSOC链路或光纤实现为适用于特定安装。通常，线或光纤适用于建筑物内不同房间或楼层中的单元之间的通信，而FSOC链路在建筑物或路灯之间可能是优选的。

在一些实施例中，可以使用有损传输线RSSL网络来提供精确位置和/或力监视。电抗串可以用作例如沿着机器人手臂或可穿戴设备或者更一般地在位置监测有用的任何系统内的“神经纤维”。可以在有损传输线RSSL网络的脉冲部分内实现各种位置换能方法。这些方法可以是光学的、超声波的和/或压电的。电抗串中的一个或更多个电容器可以被实现为压电设备。压电换能器可以用作应变计来测量伸长、压缩或弯曲。压电换能器也可以用作负载传感器来检测触摸、力或重量。压电换能器可以用作声波或超声换能器，声波或超声换能器又可以以本领域已知的各种方式被使用。可以利用沿着有损传输线存在的相移来通过检测来自从不同脉冲部分发出的光或声音的干扰来实现光或超声相控阵技术。在图8中示出了光学实现。用于位置检测的范围内的每个LED确定具有半径(例如，rl、r2和r3)的范围球体，并且交点确定精确位置。

由于几个固有的特征，RSSL系统与现有技术系统相比为FSOC提供了优越的平台。暗时期的可用性通过消除来自光照多路径和表面反射效应的噪声干扰显著地提高了信噪比。LED被自动调节和自主偏置，使得它们总是接近准备接通——如果它们尚未接通的话。人们可以用未供电的串来证明该偏置效应：轻微的干扰例如用连接至地的探头接触电抗串中的节点使该串“闪耀”，由此足够的能量穿过串以使单个LED交替闪烁。每个LED仅需要轻微的电“推动(nudge)”即可开始发射光，并且当一个接通时，相邻的LED得到随后的微调以触发随机级联。

RSSL网络的另一个引人注目的特性是，与现有技术的阵列相比，该网络被动地适应各个元件的故障(开路或者短路)的能力完全改变了阵列的统计故障特性。不需要齐纳二极管来防止过压，并且可以配置能够容忍高达约50％故障的网络。最终的结果是，RSSL网络的可靠性实际上随着规模(网络中的元件的数量)而提高，而现有技术的系统变得更容易出现结束使用寿命故障。低驱动、低成本和低功率部件的大型阵列可以用于建立具有长的故障前平均时间的高发光输出系统。

应当理解，本发明的一个或更多个实施例的描述不限制可以包括在由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的各种替选实施例、修改实施例和等同实施例。此外，在上面的详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施例的理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的一个或更多个实施例。在其他实例中，未详细描述公知的方法、过程和部件，以免不必要地模糊本实施例的各个方面。

Claims (20)

1.一种自由空间光通信FSOC系统，包括：

包括电波形发生器的激励器；以及

包括第一谐振电路的第一电抗器；

其中，所述第一谐振电路包括第一多个电抗部件和第一多个照明元件；

其中，所述激励器被配置成驱动所述第一谐振电路；

其中，所述第一谐振电路在由所述激励器驱动时处于欠阻尼；

其中，所述电波形发生器能够操作以产生处于10kHz与100MHz之间的第一频率的第一交流电压波形；

其中，所述第一多个电抗部件的第一子集确定所述第一多个照明元件中的第一照明元件的功率，并且所述第一多个电抗部件的第二子集确定所述第一多个照明元件中的第二照明元件的功率；

其中，当所述第一谐振电路由所述激励器驱动时，所述照明元件发射交流发光波形；

其中，所述交流发光波形包括第一阶段和第二阶段；

其中，所述交流发光波形在所述第一阶段期间提供一般区域光照，但在所述第二阶段期间不提供一般区域光照；以及

其中，在所述第一阶段和所述第二阶段中的一者或两者期间，

所述交流发光波形由数据流调制，或者

所述第一谐振电路包括光传感器并且所述第一谐振电路中的电压波形由入射在所述光传感器上的光调制。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述交流发光波形由数据流调制包括：所述数据流调制所述第一交流电压波形。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据流还调制具有与所述第一频率不同的第二频率的第二交流波形。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括能够操作以管理所述第一照明元件的功率和所述第二照明元件的功率的传感器或控制件，

其中，双向数据流在所述电波形发生器与所述传感器或控制件之间流动。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括第一光学传感器、第一光学发射器以及用户通信设备，所述用户通信设备包括第二光学传感器和第二光学发射器，

其中，所述第一光学发射器能够操作以向所述第二光学传感器发送下行链路数据流，并且

其中，所述第二光学发射器能够操作以向所述第一光学传感器发送上行链路数据流。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一光学发射器包括所述第一照明元件或所述第二照明元件。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一光学发射器与所述第一照明元件和所述第二照明元件不同。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一光学发射器发射在与所述第一照明元件或所述第二照明元件发射的波长不同的波长下的光。

9.根据权利要求7所述的系统，还包括第二电抗器，所述第二电抗器包括第二谐振电路，

其中，所述第二谐振电路包括第二多个电抗部件和第二多个照明元件；

其中，所述激励器被配置成驱动所述第二谐振电路；

其中，所述第二谐振电路在由所述激励器驱动时处于欠阻尼；

其中，所述第二多个电抗部件的第一子集确定所述第二多个照明元件中的第一照明元件的功率，并且所述第二多个电抗部件的第二子集确定所述第二多个照明元件中的第二照明元件的功率；并且

其中，所述第一光学发射器是所述第二多个照明元件的一部分。

10.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一光学发射器由可变电抗部件调制。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述可变电抗部件包括压电设备。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述可变电抗部件包括表面声波SAW设备。

13.根据权利要求9所述的系统，还包括一个或更多个分隔器电抗元件，其中，所述第一电抗器和所述第二电抗器由所述一个或更多个分隔器电抗元件隔开，使得在所述第一电抗器与所述第二电抗器之间所述第一交流电压波形中存在相位延迟。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，在位于所述一个或更多个分隔器电抗元件之一处的节点处添加或提取数据流，使得通过所述第一电抗器或所述第二电抗器的但非所述第一电抗器和所述第二电抗器两者的照明元件发送或接收数据。

15.根据权利要求13所述的系统，还包括电流注入系统，由此能够在位于所述一个或更多个分隔器电抗元件之一处的节点处注入处于所述第一频率的交流电流。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个照明元件或所述第一多个电抗部件中的一个或更多个被配置成感测位置或力，并且所得到的位置或力数据通过向所述第一多个照明元件提供电力的电力总线进行传输。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一多个电抗部件中的一个或更多个是被配置成感测位置或力的压电设备。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，对位置或力的所述感测使用相控阵列检测方法以及两个或更多个照明元件或电抗部件。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个照明元件中的两个或更多个位于从在其上制造所述照明元件的晶片切割的单个裸片上。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述单个裸片还包括所述第一多个电抗元件中的两个或更多个。

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