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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen
von Informationen an einer Lichtsignalanlage, die mindestens ein
Leuchtmittel und eine Steuerung aufweist, die das mindestens eine
Leuchtmittel ein- und ausschaltet. Solche Lichtsignalanlagen sind
beispielsweise die im Straßenverkehr üblichen
Ampeln für
Kraftfahrzeug und/oder Personen. Lichtsignalanlagen können aber
auch Lichtsignale in Luft- und Schiffahrt sowie sämtliche sonstigen
Signalanlagen sein.
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Aus
DE 20 2004 014 650 ist
eine Ampel mit einer Darstellung der Zeitdauer einer Rotphase bekannt.
Zur Darstellung der Zeitdauer wird die Leuchtfläche der Gelbanzeigelampe zusätzlich zur
Anzeige der Dauer der Rotphase genutzt. Auf diese Weise wird dem
Kraftfahrzeugführer
die Möglichkeit
gegeben, besser zu entscheiden, ob es sich noch lohnt, den Motor
an der roten Ampel auszuschalten.
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Aus
US 5,633,629 ist ein Verkehrszeichen bekannt,
das eine Vielzahl von Leuchtdioden besitzt, um dem Fahrer eines
Fahrzeuges die Farbe der Ampel anzuzeigen. Zusätzlich ist eine Steuerung vorgesehen,
die die Leuchtdioden mit einer für
das menschliche Auge nicht wahrnehmbaren Geschwindigkeit ein- und
ausschaltet. Für
die Lichtsignalanlage ist ein Empfänger vorgesehen, der die Lichtsignale
empfängt
und decodiert. Zur Codierung der Daten wird darauf hingewiesen,
daß eine
Modulation vorgenommen werden soll, die eine im wesentlichen konstante
Ausgangsleistung besitzt.
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Neben
der Information, wann der nächste Farbwechsel
an einer Ampel ansteht, besteht ein großes Interesse daran, mit einfachen
Mitteln Zusatzinformationen zuverlässig mit einer großen Datenrate zu übertragen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtsignalanlage bereitzustellen,
die mit einfachen Mitteln die Übertragung
von Informationen zwischen der Signalanlage und einem Benutzer erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Lichtsignalanlage mit den Merkmalen aus Anspruch
1 gelöst.
Ein entsprechender Empfänger
zu der Lichtsignalanlage ist Gegenstand des Anspruchs 10.
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Die
erfindungsgemäße Anlage
verfügt über mindestens
ein Leuchtmittel und eine Steuerung, die das Leuchtmittel ein- und
ausschaltet, um den Zustand der Lichtsignalanlage anzuzeigen. Für eine Verkehrsampel
ist der Zustand der Lichtsignalanlage beispielsweise das Aufleuchten
des grünen
oder roten Ampellichts. Erfindungsgemäß besitzt die Lichtsignalanlage
mindestens ein Signalleuchtmittel, das von der Steuerung angesteuert
wird. Die Steuerung moduliert die Signale des Signalleuchtmittels
gemäß einer
vorbestimmten Codierung. Dabei werden unabhängig von dem angezeigten Anlagenzustand
codierte Lichtsignale gesendet. Mit der Lichtsignalanlage wird also
auf einer ersten Ebene mit Leuchtmitteln der Anlagenzustand angezeigt.
Erfindungsgemäß erfolgt
gleichzeitig, während
ein bestimmter Zustand angezeigt wird, das Aussenden der codierten
Lichtsignale unabhängig
davon. Um eine hohe Datenübertragungsrate
zu erzielen, werden die Signale gemäß der ersten Codierung jeweils
zur Übertragung zusätzlicher
Informationen moduliert, die gemäß einer
zweiten Codierung moduliert sind. Dabei erfolgt zusätzlich eine
hochfrequente Codierung der Signale, um während der Signalabschnitte
gemäß der ersten
Codierung Daten zu übertragen.
Bei dieser zusätzlichen
hochfrequenten Codierung handelt es sich wieder um eine Codierung,
die unabhängig
vom angezeigten Zustand der Lichtsignalanlage und der bereits beschriebenen
Signale erfolgt. Ein optischer Sensor, der die Signale der Signalleuchtmittel
diskriminieren kann, aber die hochfrequenten Signale nicht auflösen kann,
kann weiterhin zum Empfang der codierten Signale eingesetzt werden.
Es handelt sich hier um eine insgesamt hierarchische Codierung der
Daten, die jeweils auf einer Ebene unabhängig von den Daten der anderen
Ebene empfangen werden.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch die Verwendung von
Signalleuchtmitteln an einer Lichtsignalanlage zusätzlich Informationen
in Form von codierten Signalen übertragen
werden können,
unabhängig
von der Anzeige des Zustands der Lichtsignalanlage. Eine für einen
wirtschaftlichen Einsatz wichtige Datenrate kann erst über die
zweite Codierung erzielt werden.
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Die
so von der Lichtsignalanlage übertragenen
Daten können
für zahlreiche
unterschiedliche Verwendungszwecke dienen. So können beispielsweise Informationen
zum nächsten
Wechsel des Anlagenzustands übertragen
werden, Zeitinformationen für
zukünftige
Wechsel, auch können
Angaben zur geographischen Position der Lichtsignalanlage und ebenso
wie Werbebotschaften übertragen
werden. Grundsätzlich
ist die Art der zu übertragenden
Information lediglich über
die Datenübertragungsrate
und die Verweildauer im oder an die Durchfahrtdauer durch den Lichtkegel
der Lichtsignalanlage begrenzt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lichtsignalanlage
sind Signalleuchtmittel zur Aussendung der codierten Signale und Leuchtmittel
für den
Anlagenzustand identisch. Hierdurch entsteht der Vorteil, daß die Anzahl
der Leuchtmittel in der Lichtsignalanlage nicht unnötig erhöht werden
muß. Vielmehr
kann die Übertragung
von Zusatzinformationen, die über
die Anzeige des bloßen Zustands
der Lichtsignalanlage hinausgeht, mit denselben Leuchtmitteln erfolgen,
die bereits in der Lichtsignalanlage vorhanden sind. Hierdurch reduzieren sich
die Anschaffungskosten und zusätzliche
Wartungskosten entfallen.
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Als
Signalleuchtmittel wird bevorzugt mindestens ein Leuchtdiodenfeld
mit einer Vielzahl von einzelnen Leuchtdioden vorgesehen.
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Zur
Modulation der Signale der Signalleuchtmittel können unterschiedliche Ansätze gewählt werden
oder auch miteinander kombiniert werden. Bei einer möglichen
Modulation erfolgt die Codierung durch Ein- und Ausschalten der
Signalleuchtmittel. Hierbei werden die Signalleuchtmittel einzeln,
in Gruppen oder vollständig
gemeinsam geschaltet. Bei einer bevorzugten Modulation erfolgt ein
Einstellen der Helligkeit der Signalleuchtmittel. Hierbei kann die Helligkeit
der Signalleuchtmittel einzeln, in Gruppen oder vollständig gemeinsam
geschaltet werden. Läßt beispielsweise
die Leuchtdiode keine zuverlässige Ansteuerung
der Helligkeit zu, so ist es möglich,
die Helligkeit durch Ein- und Ausschalten einzelner Gruppen von
Signalleuchtmitteln zu erzielen. So gibt beispielsweise das Ausschalten
der Hälfte
der Leuchtdioden eine insgesamt reduzierte Helligkeit.
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Darüber hinaus
können
zusätzlich
oder ausschließlich
mit dem Signalleuchtmittel Muster in einer Feldanordnung der Signalleuchtmittel
ein- und ausgeschaltet werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Helligkeit des Signalleuchtmittels
innerhalb eines codierten Zeichens variiert, wobei die mittlere
Helligkeit über
das Zeichen konstant ist. Bei einer entsprechend hohen Änderungsfrequenz
der Zeichen bedeutet dies, daß das
für technische
Verhältnisse
träge menschliche
Auge, keine Helligkeitsschwankung oder Flackern wahrnimmt, während bereits
eine sehr einfach aufgebaute Kamera die zeitlichen Unterschiede
in der Helligkeit auflösen
kann und so das codierte Signal empfängt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betrifft diese einen
Signalempfänger
für eine Lichtsignalanlage.
Der Signalempfänger
ist durch einen optischen Sensor gekennzeichnet, der die Signale
der Signalleuchtmittel empfängt
und decodiert. Die decodierten Signale werden an eine Datenverarbeitungseinrichtung
weitergeleitet.
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Für den optischen
Sensor des Signalempfängers
gibt es eine Reihe von unterschiedlichen Ansätzen. Ein wesentlicher Bestandteil
des Signalempfängers
ist ein optischer Sensor, der die Signale der Signalleuchtmittel
empfängt
und an eine Datenverarbeitungseinrichtung weiterleitet. In einer
ersten Variante ist der optische Empfänger mit Mitteln ausgestattet,
die ein Sichtfeld des Sensors auf die aktiven Leuchtmittel auszurichten.
Hierbei kann es sich um einen einkanaliges Sensorelement handeln,
das über die
Ausrichtmittel derart im Raum verstellt wird, daß die Signale empfangen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierzu eine Optik eingesetzt,
die auf den optischen Sensor abbildet und die im Raum zur Erfassung
der Lichtsignale ausgerichtet wird. In einer alternativen Ausgestaltung
ist der optische Sensor in einem Sichtfeld der Optik verschieblich
angeordnet.
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In
einem weiteren Ansatz ist als Sensor ein flächiger Sensor mit mehreren
Sensorelementen vorgesehen. Zur Lokalisierung der Sender wird über die Sensorele mente
eine Korrelationsanalyse im Zeitbereich durchgeführt. Insbesondere bei der Verwendung
der CMOS-Technologie können
bei einem solchen Sensor Felder von Sensorelementen zusammen geschaltet
werden, um wahlweise gemeinsam die Signale auszulesen. Hierdurch
verbessert sich das Ausleseverhalten und die Rauschempfindlichkeit des
Sensors nimmt ab.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung kann als bildgebender Sensor mit
einer Vielzahl von optischen Sensorelementen ein optischer Mischer
eingesetzt werden, der auch gelegentlich als Photomischdetektor
(PMD) bezeichnet wird. Hierbei wird dem optischen Sensor ein elektrisches
Signal eingeprägt, das
mit dem empfangenen optischen Signal zusammenwirkt.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Sicht aus einer Frontschutzscheibe
eines Kraftfahrzeugs auf eine Ampel,
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2 mögliche Modulation
der Signale für acht
Zeichen und
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3 die
Codierung einer Zeichenfolge 03527 an diesem Beispiel zeigt.
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Die
Erfindung mit ihren Vorzügen
wird anhand einer Lichtsignalanlage erläutert, wie sie im Straßenverkehr
als Ampel verwendet wird.
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Die
zusätzlich übertragenen
Informationen können
die noch verbleibende Zeit für
den gerade angezeigten Ampelzustand beinhalten. Ein entsprechender
Signalempfänger
in einem Kraftfahrzeug erkennt dann optisch die Signale und macht
sie so für den
Fahrer eines Fahrzeugs verfügbar.
Wie in 1 schematisch dargestellt steht eine Ampel 10 mit
drei Leuchtsignalen am Straßenrand,
durch die Frontscheibe 14 eine Pkws gut sichtbar. Zeigt
die Ampel 10 beispielsweise gerade ein grünes Licht
an, so leuchtet das untere Feld 12 der Ampel. Neben dem gut
sichtbaren grünen
Signallicht wird durch eine Modulation der Helligkeit des grünen Lichts
Information codiert und als Lichtsignal gesendet. Ein im Pkw vorgesehener
Signalempfänger 16 empfängt diese
Daten und decodiert sie. So kann beispielsweise angezeigt werden,
daß die
angezeigte Grünphase
weitere 5 Sekunden bleibt (vergleiche 18 in 1).
Der Signalempfänger 16 ist
in dem dargestellten Beispiel sichtbar auf dem Armaturenbrett des
Fahrzeugs angeordnet. Selbstverständlich ist jede andere Stelle
im Pkw, die eine gute Sicht auf eine Ampel zuläßt, möglich.
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Die
Codierung der Signale des grünen
Ampellichts erfolgt so, daß sie
für das
Auge des Fahrers nicht wahrnehmbar sind. Dies bedeutet, daß hier eine Modulationsfrequenz
gewählt
wird, die für
das menschliche Auge nicht mehr sichtbar ist und den Betrachter
nicht beeinträchtigt.
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Neben
der in
1 dargestellten Anwendung läßt sich die Erfindung für eine Vielzahl
von weiteren Einsatzbereichen verwenden. So können ausschließlich oder
zusätzlich
zu der Information über den
nächsten
Wechsel des auf der Ampel dargestellten Symbols Zeitinformationen
zu darauffolgenden Wechseln mit übertragen
werden. Ebenfalls möglich ist,
den Status der Ampel, also rot, gelb, grün oder rot/gelb darzustellen.
Damit wird dieser für
ein technisches System in dem Kraftfahrzeug erkennbar, wobei das
technische System keine Farben diskriminieren kann und somit wirtschaftlicher
herstellbar ist als ein farbempfindlicher Sensor. Möglich ist
auch, an einer Ampel zusätzliche
Informationen zur erlaubten Höchstgeschwindigkeit
und zu einer empfohlenen Richtgeschwindigkeit zu übertragen.
Hierdurch kann der Aufwand für
zusätzliche
Schilder und dergleichen im Straßenverkehr reduziert werden.
Ebenfalls ist es möglich,
den Fahrzeugen, die an der Ampel warten, ein sich näherndes
Rettungsfahrzeug anzuzeigen. Eine solche Lösung per Funk wird in
DE 10 2004 012 104
A1 vorgeschlagen. Ferner können die geographische Position
und/oder eine Ortsbezeichnung angezeigt werden. Da an einer Ampel
auch eindeutig festgelegt ist, in welcher Richtung der Verkehr nach der
Ampel fließt,
können
bei der Annäherung
an Orte oder sonstige örtliche
Besonderheiten auch Informationen hierzu angezeigt werden. Darüber hinaus
ist es möglich,
innerhalb von Orten und Regionen lokale Informationen, beispielsweise
zu Geschäften,
Großveranstaltungen
und empfohlene Umgehungsstrecken zu diesen mitzuteilen.
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Ferner
können
Daten zur Beschaffenheit der Lichtsignalanlage übertragen werden, insbesondere zu
ihren Abmaßen
wie Breite und Höhe
des Verkehrszeichens, Durchmesser der einzelnen Kapseln und Höhe des Aufbaus über dem
Erdboden. Aus diesen Daten ist mit Hilfe der Methode der Triangulation auf
höchst
vorteilhafte Weise der Abstand des Empfängers von der Lichtsignalanlage
ermittelt.
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Bei
einer entsprechend hohen Datenübertragungsrate,
wie sie bereits in fasergebundenen optischen Datennetzen gängig sind,
kann auf die Ubertragung umfangreicher Medieninhalte, sei es nun Film
und Musik, vorgesehen sein.
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Darüber hinaus
wird eine bidirektionale Kommunikation vorgeschlagen. Dazu werden
innerhalb der Lichtsignalanlage Sensoren zum Empfang von Daten aus
dem Kraftfahrzeug vorgesehen. Weiterhin wird dazu das Fahrzeug mit
Lichtquellen zum Senden von Daten versehen. Da in modernen Kraftfahrzeugen
bereits im zunehmenden Maße
Leuchtdioden eingesetzt werden, können zur Übertragung von Daten die üblicherweise
vorhandenen Lichtquellen wie Fahrtlicht, Rücklicht, Bremslicht und Kennzeichenbeleuchtung
in Form einer Doppelnutzung als Sender für eine bidirektionale Kommunikation
herangezogen werden.
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Die
bidirektionale Kommunikation ermöglicht unter
anderem auch Zugang zum Internet und zu einem Telefonieren über das
Internet.
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Hinzu
kommt, daß auch
Werbebotschaften für
die Kraftfahrzeugführer
an der Ampel übertragen werden
können.
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Die
einzelnen Anwendungsfälle
werden nachfolgend noch einmal im Detail erläutert. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lichtsignalanlage
und einem zugehörigen
Empfangsgerät
wird in dem Kraftfahrzeug ein Gesamtsystem realisiert, das es dem Fahrer
ermöglicht,
Wartezeiten vor Ampeln gezielt zur Erholung zu nutzen. Damit wird
Unfällen
durch Ermüdung
oder Ablenkung vorgebeugt. Das System kann mit der Bordelektronik
des Kraftfahrzeugs gekoppelt werden, so daß automatisch je nach Situation der
Motor an der Ampel ab- und wieder angeschaltet werden kann. Die
Kopplung mit der Bordelektronik erlaubt es, relevante Informationen
akustisch über Lautsprecher
hörbar
zu machen. Hierzu dient erstens die Erzeugung von akustischen Warnsignalen
und zweitens eine Beeinflussung der Lautstärke der genutzten Unterhaltungsmedien,
insbesondere durch eine gezielte schlagartige oder kontinuierliche
Absenkung der Lautstärke
vor Situationen, die besondere Aufmerksamkeit erfordern, wie das
Wechseln auf grün,
der Wechsel auf rot oder das Annähern
an eine rote Ampel. Ferner erlaubt die Kopplung mit der Bordelektronik
des Kraftfahrzeugs, relevante Informationen in fahrzeugspezifischen
Anzeigen sichtbar zu machen. Diese Anzeige kann sprachlich oder symbolisch
sein, wie beispielsweise der Countdown oder eine rückwärts laufende
Stoppuhr mit analoger Zeigerdarstellung, um die verbleibende Rotphase darzustellen.
Vorkombinationen der vorgenannten optischen und akustischen Verfahren
sind selbstverständlich
möglich.
Die Kopplung mit der Bordelektronik erlaubt zusätzlich eine an die örtlichen
Gegebenheiten angepaßte
Phase automatisch vorzuschlagen. Damit kann der Fahrer auf vorhandene
Risiken hingewiesen werden, um so die Unfallgefahr weiter zu senken.
Die Kopplung mit der Bordelektronik erlaubt es auch, beispielsweise
durch das Wiederanlassen des Motors, den Anfahrvorgang automatisch oder
teilautomatisch durchzuführen.
Die Ampel erlaubt es ebenfalls, mehrere Fahrzeuge synchron an der
Ampel anfahren zu lassen.
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Ferner
kann die erfindungsgemäße Empfangseinrichtung
und Auswerteeinrichtung auch mit einem Fahrerassistenzsystem gekoppelt
sein. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Auswerteeinrichtung
die erfindungsgemäße Lichtsignalanlage
auch an ihrem modulierten Licht erkennen kann. Ebenso wie andere
Lichtsignalanlagen im Straßenverkehr,
wie beispielsweise Andreaskreuze und Warnlichter an Baustellen.
Hierdurch ist es kostengünstig
möglich,
die Fahrer über
die Lichtsignalanlagen und die vorhandenen Fahrerassistenzsysteme
mit entsprechenden Informationen zu versorgen.
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Die
erfindungsgemäße Lichtsignalanlage
erlaubt es auch, ein effizientes Navigationssystem bereitzustellen.
Ein solches System stellt nicht, wie bekannte Navigationssysteme
(GPS oder das im Aufbau befindliche Gallileo), an jedem Ort eine
Ortsinformation zur Verfügung,
sondern punktuell an verschiedenen Orten geographische Informationen.
Diese Möglichkeit
kann auch zur Unterstützung
von satellitengestützten
Navigationsverfahren eingesetzt werden. Um für eine solche Ortsinformation
die Information an möglichst
vielen Orten bereitzustellen, können
zusätzliche
Signalgeber noch an Laternen, Brücken
und sonstigen gut sichtbaren Gegenständen im Straßenverkehr
vorgesehen sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt auch ein effizientes Verkehrsleitsystem, für den Fall, daß eine bidirektionale
Kommunikation zugelassen wird. Auch ermöglicht eine bidirektionale
Kommunikation zwischen Kraftfahrzeug und Ampel, Daten für andere
Zwecke zu übertragen,
wie beispielsweise eine effiziente Überwachung des Straßenverkehrs oder
ein Mautsystem einzusetzen.
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Ein
wichtiger Aspekt bei dem erfindungsgemäßen System ist die hierarchische
Modulation der Signale, die je nach gewünschter Nutzungstiefe unterschiedliche Datenströme für einen
Empfänger
ermöglicht.
Die oberste Hierarchiestufe bilden die bekannten Ampelsymbole. In
der zweiten Ebene liegt ein niederfrequenter Datenstrom vor, der
in zweckmäßiger Weise
durch eine einfache Kamera empfangen werden kann, die zwar unterschiedliche
Helligkeiten gut unterscheiden kann, aber eine sehr begrenzt zeitliche
Auflösung
in der Größenordnung
von ungefähr
50 Bildern pro Sekunde besitzt. In dieser Ebene wird die Helligkeit
des von der Ampel ausgesendeten Lichts gezielt in mehreren Stufen
moduliert, wobei mehrere Helligkeitswechsel ein Symbol ausmachen.
So wird erreicht, daß die
Lichtleistung eines jeden Symbols gleich ist, damit sich für das Auge
des Betrachters kein störendes
Flackern darstellt. Wie in 2 dargestellt,
können
beispielsweise acht unterschiedliche Symbole codiert werden. Symbol „0" besteht aus Teilabschnitten
mit der Helligkeitsstufe 3, 10, 10 und 3. Die mittlere Helligkeit
dieses Signals beträgt
damit insgesamt 26/4 Leistungseinheiten. Das nachfolgende Symbol
1 besitzt in dem dargestellten Beispiel die Helligkeitswerte 4,
9, 9 und 4. Dies führt
zur selben mittleren Helligkeit, besitzt aber intern unterschiedliche
Helligkeitswerte. Ein Detektor muß hier lediglich die ungefähren Werte
für die
Helligkeit im Bereich der Übergänge detektieren,
um so das Signal decodieren zu können.
Die Signalfolge 03527 und deren Codierung ist beispielhaft in 3 dargestellt,
wobei hier für
jedes Teilsegment der Signale 20 eine Zeitdauer von 20 Millisekunden
gewählt wurde.
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Nimmt
man bei dieser Codierung eine Übertragungsrate
von 12,5 Symbolen pro Sekunde ab, ergibt sich in dem Beispiel eine
Datenrate von 3 × 12,5 =
37,5 Bit pro Sekunde, damit lassen sich bei einer Verweildauer von
wenigen Sekunden an einer Ampel die wichtigsten der vorgeschlagenen
Informationen übertragen.
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Unterhaltungsmedien
und nicht reine textliche Werbeinformationen benötigen eine höhere Bandbreite
für die Übertragung.
Hierfür
ist eine dritte Datenebene vorgesehen, die um mehrere Größenordnungen
höhere
Datenraten bietet als die oben genannte zweite Datenebene. In bevorzugter
Ausgestaltung der dritten Datenebene werden Daten digital übertragen,
eine logische „1" wird durch Licht
an dargestellt, eine logische „0" beispielsweise durch
Licht aus dargestellt (oder umgekehrt). Diese Codierweise entspricht
der im Stand der Technik bereits bekannten Codierweise und erlaubt
es, Standardkomponenten aus der optischen Datenübertragung einzusetzen. Das
Besondere an dem breitbandigen Datenstrom der Datenebene 3 ist,
daß dieser
einerseits erlaubt Daten zu übertragen
und andererseits die für die
darüberliegende
Codierung benötigten
Helligkeitsunterschiede bereitzustellen.
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Die
Pulscodemodulation (PCM) im Basisband ist zwar für die optische Datenkommunikation ein
ganz besonders effizientes Verfahren, besitzt aber in der allgemeinen
Form den Nachteil, daß die über ein
gegebenes Intervall gemittelte Helligkeit, und damit letztlich die
Anzahl der in diesem Intervall übertragenen
Einsen, nicht konstant ist, sondern von den zu übertragenen Daten abhängt. Dieser
Effekt läßt sich
leicht nachweisen: So hatte beispielsweise einer der Entwürfe zu dieser
Patentanmeldung von jeweils 8 Bit (also einem Byte) im Mittel 2,68
Bit den Wert „1" und 5,32 Bit den
Wert „0". Aus diesem Grund wurde
die PCM von Hochstein gemäß
US 5,633,629 nicht als geeignetes
Modulationsverfahren angesehen werden. Tatsächlich kann die PCM jedoch
durch eine zweckmäßige Modifikation
für die
gegebene Anwendung tauglich gemacht werden. Diese modifizierte Form
der PCM wird im Folgenden als Pulscodemodulation mit Redundanzmodulation
bezeichnet (PCM/RM). Bei der PCM/RM wird für eine gegebene Intervallänge eine
definierte mittlere Helligkeit, und damit eine definierte Anzahl
von Einsen gefordert. Diese geforderte Randbedingung bewirkt, daß die einzelnen
Binärzeichen
nicht mehr statistisch unabhängig
sein können.
Insbesondere kann das letzte Binärzeichen
aus den vorhergehenden Binärzeichen des
Intervalls errechnet werden. Dieses Phänomen ist bekannt als Redundanz.
Indem die für
die besagte Intervallänge
geforderte mittlere Helligkeit in Abhängigkeit der in Ebene 2 zu
sendenden Daten variiert wird, wird das Phänomen der Redundanz datenabhängig moduliert.
Daher der Name PCM/RM.
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Es
ist nun bekannt, daß die
maximale Datenrate sich für
eine Codierung ergibt, deren Symbole mit gleicher Wahrscheinlichkeit
auftreten. Da die PCM/RM für
jeweils unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten der Binärzeichen
sorgt, wird die theoretisch mögliche
Datenrate durch die PCM/RM reduziert. Dieser Effekt soll durch ein
anschauliches Zahlenbeispiel erläutert
werden, das für
die Einfachheit des Beispiels von einer kurzen Intervallänge von
nur 13 Binärzeichen
ausgeht, was gegebenenfalls einer Zeitdauer von 13 Nanosekunden
entsprechen könnte.
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Beispielsweise
soll die auf Ebene 2 benötigte Helligkeit
zu einem gegebenen Zeitpunkt einem Helligkeitswert von 3 entsprechen.
Dieser Helligkeitswert von 3 entspricht der dreimaligen Verwendung der
logischen „1" und entsprechend
genau 10 mal der Null in einem Intervall von 13 Binärzeichen.
Es existieren nun genau 286 [= "13 über 3" = 13!/(3! × 10!)] verschiedene
Anordnungen von 3 Einsen und 10 Nullen in einer Folge von 13 Binärzeichen.
Mit anderen Worten kann mit einer Folge von 13 Binärzeichen
unter der gegebenen Randbedingung nur ein mögliches Symbol aus einer Menge
von 286 möglichen
Symbolen dargestellt werden. Der Informationsgehalt dieser Folge
von 13 Binärzeichen
liegt damit nur wenig oberhalb von 8 Bit.
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Die
Codierung bei diesem Verfahren erfolgt, indem der eingehende binäre Datenstrom
blockweise auf die Gruppe der für
das Helligkeitssymbol zulässigen
Symbole (=Blöcke)
abgebildet wird. Es werden dabei zusätzliche Binärzeichen eingebracht.
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Die
Randbedingung in der zweiten Ebene sorgt also in diesem Beispiel
dafür,
daß mit
den gewählten
13 Binärzeichen
Informationen von 8 Bit übertragen
werden zuzüglich
zu der Helligkeitsinformation „ 3" für die Ebene
2. Beträgt
für die
Ebene 2 beispielsweise der Helligkeitswert 4, dann ergeben sich
715 (= 13!/4! 9!) unterschiedliche zulässige Blöcke bzw. Folgen von 13 Binärzeichen.
Mit den 13 Binär zeichen
können
also Informationen von 9 Bit übertragen
werden zuzüglich
zu der Helligkeitsinformation „4" für die Ebene
2. Der Anteil der Redundanz im modulierten Datenstrom hängt offensichtlich
von dem für
Ebene 2 gewählten
Helligkeitswert ab. Je dichter dieser Helligkeitswert an der 6,5
liegt – also
an dem Fall der Gleichwahrscheinlichkeit der Binärzeichen „0" und „1", desto geringer ist die Redundanz.
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Es
kann leicht nachgerechnet werden, daß mit steigender Intervallänge der
Anteil der Redundanz stark zurückgeht,
der Informationsgehalt des modulierten Datenstroms also mit steigender
Intervallänge
zunimmt.
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Es
ist bekannt, daß Leuchtdioden
mit einer Datenrate von weit über
100 Millionen Bit pro Sekunde moduliert werden können. Man kann davon ausgehen,
daß die
konkrete Ausführung
der Leuchtdioden in der gegebenen Anwendung auch in Zukunft auf
die Bedürfnisse
der Ebene 1 (maximale Leuchtkraft) optimiert sein wird, und nicht
allein auf die Bedürfnisse
der Ebene 3 (maximale Datenrate). Vor diesem Hintergrund ergibt
sich eine Modulationsfrequenz von 1 Million Bit pro Sekunde und
mehr. Damit ergeben sich Datenraten, die bei einer Verbindungsdauer
von wenigen Sekunden die Übertragung
von Datenmengen im Gigabitbereich als machbar erscheinen lassen.
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Die Übertragung
kann, beispielsweise für Spielfilme
und dergleichen, auch auf mehrere Sender verteilt werden, um über diese
die Daten parallel zu übertragen.
Möglich
ist es auch, Daten auf mehrere Sender verteilt zu übertragen.
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Dem
Prinzip der dritten Datenebene folgend, kann auch noch eine vierte
Datenebene eingesetzt werden. In der vierten Ebene, die einen zusätzlichen optischen
Datenkanal bildet, können
anstelle von Leuchtdioden Laser als Sender eingesetzt werden. In einer
bevorzugten Ausgestaltung für
Ebene 4 ist vorgesehen, für
diesen Datenkanal anstelle von Leuchtdioden Halbleiterlaser als
Sender einzusetzen.
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Halbleiterlaser
ermöglichen
Datenraten von mehreren Milliarden Bit pro Sekunde. Damit läßt sich auch
der zukünftige
Bandbreitebedarf vollständig
abdecken. Ebene 4 arbeitet zweckmäßigerweise mit nicht-sichtbarem
Licht und hat dann keinen Bezug zu den Signalbildern. Der Datenkanal
der vierten Hierarchieebene nutzt die Technologie „optischer
Richtfunk" mit der
bisher nur dauerhafte Datenverbindungen etabliert wurden.
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Wichtiges
Merkmal der Codierung der dritten Datenebene ist, daß diese
zusätzlich
zu der Codierung in der zweiten Ebene erfolgt. Das heißt, die hochfrequente
Ein- und Ausschaltung
der Signale erfolgt derart, daß die
vorgegebenen Helligkeitswerte der zweiten Codierungsebene resultieren.
Damit wird es möglich,
weiterhin ohne sichtbare Helligkeitsunterschiede zu arbeiten und
parallel zueinander Signalempfänger
mit unterschiedlicher Auflösung
einzusetzen.
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Als
mögliche
Sender können
Leuchtdioden oder Felder von Leuchtdioden eingesetzt werden. Es sind
bereits Ampeln im Einsatz, deren Signale von Leuchtdiodenfeldern
erzeugt werden. Es ist auch möglich,
Halbleiterlaser als Sender oder als zusätzlicher Sender einzusetzen.
Halbleitersender erlauben eine Datenrate von mehreren Gigabyte pro
Sekunde.
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Im
Hinblick auf den Empfänger
und seine mögliche
Ausrichtung auf den Sender sind mehrere Ansätze möglich. Der eine Ansatz ist
ein lichtempfindlicher Sensor in einem Gehäuse vorgesehen, wobei das Gehäuse auf
den Sender ausgerichtet wird. Zur Abbildung des einfallenden Lichts
ist an dem Gehäuse
eine Linse vorgesehen, die das einfallende Licht auf den Sensor
fokussiert. Nach Art eines Teleskops wird diese Empfangseinheit
auf den einmal entdeckten Datensender ausgerichtet und ermöglicht so
einen zuverlässigen
Empfang.
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In
einer zweiten Möglichkeit
ist ebenfalls eine Linse vorgesehen, die auf den Sensor abbildet.
Im Unterschied zu der vorbeschriebenen Teleskoplösung ist der Sen sor nicht an
einem definierten Punkt der Bildebene der Linse verankert, sondern
ist innerhalb der Bildebene frei verfahrbar. Die Linse und die Bildebene
ist bevorzugt fest im Fahrzeug, nur der Sensor ist beweglich. Er
wird genau auf das Bild des Senders innerhalb der Bildebene positioniert.
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Ein
dritter Ansatz sieht ein im Fahrzeug ortsfest montiertes Spiegelfeld
vor, das gezielt angesteuert werden kann, um das einfallende Licht
eines (oder mehrerer) Sender gezielt auf einen (oder mehrere) ortsfest
vorgesehene Sensoren zu lenken. Auf diese Art und Weise können Gruppen
von Spiegeln eine Art Hohlspiegel bilden, der das einfallende Licht
auf den/die Sensoren richtet. Dafür geeignete Spiegelfelder sind
bekannt und in anderen Bereichen der optischen Nachrichtentechnik
bereits Stand der Technik.
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In
einem vierten Ansatz ist ebenfalls eine Linse vorgesehen, die das
Sichtfeld auf einen Sensor abbildet. Im Gegensatz zu den vorbeschriebenen
Lösungen
handelt es sich jedoch um einen bildgebenden Sensor, der die gesamte
Bildebene abdeckt. Linse und Sensor sind bevorzugt fest, wodurch
diese Lösung
keine beweglichen Teile enthält,
was in Bezug auf Haltbarkeit und Herstellungskosten besonders vorteilhaft
ist. Bei dieser Anordnung wird das Licht der erfindungsgemäßen Sender
auf unterschiedliche Pixel bzw. Gruppen von Pixeln abgebildet. Dieser
vierte Ansatz ist die bevorzugte Lösung. Sie kann in mehreren
Varianten dargestellt werden.
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Variante
1 besitzt einen bildgebenden Sensor nach dem Stand der Technik (Kamera).
Der Sensor nach Variante 1 ist in der Lage, den Datenstrom der Ebene
2 zu empfangen. Die Lokalisierung der Sender im Bild und die Demodulation
der Signale kann von einer Recheneinheit nach dem Stand der Technik
geleistet werden. Für
die Lokalisierung der Sender ist eine Korrelationsanalyse im Zeitbereich zweckmäßig und
ausreichend. Die Korrelationsanalyse kann zweckmäßig zunächst untersuchen, ob die über größere Bildbereiche
gemittelte Helligkeit mit dem typischen Symbolmuster der Ebene 2
korreliert, und dann die Bildbereiche, in denen Korrelationen gefunden
wurden, schrittweise verkleinern.
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Variante
2 besitzt einen bildgebenden Sensor mit gruppenweise koppelbaren
Pixeln. Alle Pixel, die das Licht des gleichen Senders, bzw. des
gleichen Teilfeldes eines Senders empfangen, zu einer Gruppe zusammengeschaltet
und auf diese Weise gemeinsam und summarisch ausgelesen. Auf diese Weise
sind nicht hunderttausende einzelne Pixel, sondern nur einige wenige
Gruppen von Pixeln gleichzeitig auszulesen. Insbesondere kann jeder Gruppe
in einer bevorzugten Ausgestaltung in CMOS-Technologie eine eigene
Auswerteschaltung zugeordnet werden, die bevorzugt auf dem Sensorchip
selbst realisiert wird. Diese Auswerteschaltung kann auch die Demodulation
des PCM/RM Datenstroms und gegebenenfalls auch die gesamte Protokollabwicklung
beinhalten. Damit kann die Empfängerbandbreite
dramatisch erhöht
werden, und für jede
der genannten Gruppen jeweils für
einkanalige Sensoren bekannte Größenordnungen
erreichen. Damit stellt die Variante 2 einen gegebenenfalls bereits
für die
Hierarchieebene 4 geeigneten Empfänger dar. In einer besonders
vorteilhaften Ausführung dieser
Variante können
die restlichen, nicht gruppenweise verschalteten Pixel, dem Stand
der Technik entsprechend mit relativ niedriger Datenrate wie z.B. 50
Hz ausgelesen werden.
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Variante
3 besitzt ebenfalls einen bildgebenden Sensor mit optischem Mischer
(PMD). Es ist bekannt, daß die
Korrelation zwischen einem optisch eingestrahlten Signal, und einem über geeignete Elektroden
zugeführten
elektrischen Signal mit einem speziellem Halbleiterbauelement, dem
optischen Mischer (PMD) auf direktem Wege ermittelt werden kann,
ohne daß aufwendige
numerische Rechnungen benötigt
würden.
Dieses Prinzip wurde ursprünglich
für die
Laufzeitmessung von Licht entwickelt, aber dann auf verschiedenste
Einsatzfälle
erweitert. An die Elektroden des PMD wird dabei mit wechselnder
Phasenlage eine geeignete Kurvenform angelegt, die an die typische
Symbolform der Ebene 2 angepaßt ist.
Damit läßt sich
in kürzester
Zeit und ohne numerischen Aufwand für jedes Pixel ermitteln, ob
und wenn ja in welcher Phasenlage erfindungsgemäß moduliertes Licht empfangen
wird. Es ist somit auch kein Problem, die Signale der Ebene 2 mehrerer
unabhängiger
und nicht synchronisierter Sender zu dekodieren. In einer bevorzugten
Ausgestaltung der Variante 3 wird dieser bildgebende Sensor zeitweise
die soeben beschriebene Korrelationsanalyse durchführen, und
zeitweise genau die für
PMD typische Lichtlaufzeitmessung durchführen, um damit die Entfernung
von Objekten im Sichtfeld des Sensors zu ermitteln, insbesondere
zu solchen Objekten, die nicht aktiv erfindungsgemäß Licht
aussenden (Fußgänger, Wild,
herabgefallene Äste
etc.).
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Variante
4 betrifft die Kopplung mehrerer der vorgenannten Varianten vorzugsweise
auf einem Halbleiterbauelement. Besonders vorteilhaft ist die Kombination
der Variante 2 und 3 auf einem Halbleiterbauelement. Dabei muß die Auflösung bzw.
Pixelzahl der miteinander kombinierten Subsysteme voneinander abweichen.
Insbesondere kann die Anzahl der PMD-Pixel geringer sein als die
Anzahl der Pixel gemäß Variante
2. Für
die konkrete räumliche
Anordnung der beiden Pixelsorten gibt es viele mögliche und zweckmäßige Anordnungen.
Durch diese Kombination können
4 wichtige, sich gut ergänzende Funktionen
realisiert werden:
- – Erkennung von Ampeln und
anderen Verkehrszeichen und von anderen Verkehrsteilnehmern anhand
ihres modulierten Lichtes.
- – Empfang
aller gesendeten Datenströme.
- – 3-D
Vermessung des Fahrzeugumfeldes über eine
Lichtlaufzeitmessung.
- – „normale" Bilderfassung für weitergehende
Bildverarbeitung.