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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Übertragung
von Daten mittels einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle.
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Die
weite Verbreitung von mobilen Endgeräten, wie beispielsweise mobilen
Telefonen, erfordert die schnelle Datenübertragung über drahtlose Schnittstellen
und drahtlose lokale Datennetzwerke. In Gebäuden können lichtemittierende Dioden
(LED) zur Beleuchtung von Räumen
eingesetzt werden. Lichtemittierende Dioden, auch Leuchtdioden genannt,
zeichnen sich durch einen niedrigen Energieverbrauch und eine lange
Lebensdauer aus. Zur Beleuchtung von Räumen innerhalb von Gebäuden werden
dort vorgesehene Leuchtdioden gedimmt, um die Beleuchtungsstärke innerhalb
eines Raumes entsprechend den jeweiligen Anforderungen einstellen
zu können.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur optischen Übertragung
von Daten über
eine dimmbare Lichtquelle zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren zur optischen Übertragung von Daten mittels
einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle, bei dem ein zur Helligkeitssteuerung
der pulsbreitenmodulierten Lichtquelle eingestelltes Tastverhältnis als
Verhältnis
zwischen einer Dunkelzeit der Lichtquelle und einer Periodenlänge eines
Pulsbreitenmodulationszyklus definiert ist.
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Erfindungsgemäß wird dabei
ein zyklusabhängiges
Tastverhältnis über eine
Mehrzahl von Pulsbreitenmodulationszyklen jeweils so variiert, dass über die
Variation des zyklusabhängigen
Tastverhältnisses
die zu übertragenden
Daten kodiert wer den. Der Wert eines über die Mehrzahl von zyklusabhängigen Tastverhältnissen
gebildeten arithmetischen Mittels entspricht dabei im Wesentlichen
dem eingestellten Tastverhältnis.
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Die
Erfindung ist von der Idee getragen, das eingestellte Tastverhältnis, welches
einer über
einen Dimmfaktor eingestellten Helligkeit der pulsbreitenmodulierten
Lichtquelle entspricht, insofern unverändert zu lassen, dass über eine
Mehrzahl von Pulsbreitenmodulationszyklen gesehen sich ein durchschnittliches
Tastverhältnis
ergibt, welches dem eingestellten Tastverhältnis entspricht.
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Mit
anderen Worten wird erfindungsgemäß das Tastverhältnis in
einzelnen Zeitabschnitten so geändert,
dass eine Übertragung
von Daten mittels einer Kodierung über das kurzzeitig veränderte Tastverhältnis ermöglicht wird,
ohne dass die mittels einer Pulsbreitenmodulation eingestellte Helligkeit
insgesamt eine Veränderung
erfährt.
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Dabei
wird erfindungsgemäß die Trägheit des
menschlichen Auges ausgenutzt, welche eine kurzzeitige Änderung
in der Pulsbreitenmodulation nicht als wahrnehmbare Helligkeitsunterschiede
wahrnehmen kann. Dieses Prinzip wird im Übrigen bereits durch die Pulsbreitenmodulation
zur Helligkeitssteuerung selbst angewandt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Lichtquelle
als lichtemittierende Diode ausgeführt, welche, neben den in der
Einleitung genannten Vorteile, insbesondere den Vorteil einer kurzen
und präzisen
Anschaltzeit bietet.
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Die
Erfindung wird vorzugsweise für
einen drahtlosen Austausch zwischen der Lichtquelle und einem mobilen
Endgerät
eingesetzt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung erfolgt eine Datenübertragung
in Form von Symbolen, wobei ein Symbol aus einem oder mehreren binären Bits
besteht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird der Wert eines jeweiligen Symbols zumindest teilweise
durch eine Dauer der Dunkelzeit der Lichtquelle innerhalb des Pulsbreitenmodulationszyklus
kodiert. Gemäß einer
alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert
des jeweiligen Symbols zumindest teilweise durch die Dauer einer
Hellzeit der Lichtquelle innerhalb des Pulsbreitenzyklus kodiert.
Die beiden letztgenannten Ausführungsformen
sind also Manifestationen des Grundgedankens der Erfindung, Informationen über das
zyklusabhängige
Tastverhältnis
zu übertragen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Wert eines Symbols weiterhin durch eine Anordnung
der Dunkelzeit der Lichtquelle innerhalb des Pulsbreitenmodulationszyklus
kodiert. Diese Ausgestaltung der Erfindung entspricht einer Pulspositionsmodulation,
bei der, unbeschadet des eingestellten Tastverhältnisses, eine Anordnung von
Dunkel- und Hellzeit verändert
wird. In der einfachsten Ausgestaltung dieser Ausführungsform
kann dabei die Hellzeit – d.
h. Lichtquelle eingeschaltet – mit
der Dunkelzeit – d.
h. Lichtquelle ausgeschaltet – vertauscht
werden, um auf diese Weise ein weiteres binäres Bit zu kodieren. Auch die
Pulspositionsmodulation führt
nicht zu einer wahrnehmbaren Änderung
in der eingestellten Helligkeit.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine Unterteilung der Hellzeit innerhalb des Pulsbreitenmodulationszyklus
derart vorgesehen, dass ein erster Hellzeitbereich in verschiedenen
Pulsbreitenmodulationszyklen konstant bleibt, und ein zweiter Hellzeitbereich
ein jeweils ganzzahliges Vielfaches eines minimalen zweiten Hellzeitbereichs
ist, wobei der Wert des ganzzahligen Vielfaches einem dezimalen Wert
des Symbols entspricht. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil,
dass über
den konstanten ersten Hellzeitbereich eine Synchronisierung der
Kommunikationspartner ermöglicht
wird, während
der zweite Hellzeitbereich aufgrund einer ganzzahligen Multiplikation
mit einem minimalen Hellzeitbereich auf einfache Weise zu kodieren
und/oder dekodieren ist.
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Die
Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur optischen Übertragung
von Daten mittels einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle.
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Im
Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur optischen Übertragung
von Daten mittels einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle unter
Bezugnahme auf die Zeichnung zur Erläuterung erfindungswesentlicher
Merkmale beschrieben.
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Es
zeigen:
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1a eine
Prinzipdarstellung einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle gemäß dem Stand
der Technik;
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1b eine
Prinzipdarstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur optischen Übertragung
von Daten mittels einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle;
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2a ein
Signaldiagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle gemäß dem Stand
der Technik; und;
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2b ein
Signaldiagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optischen Übertragung
von Daten mittels einer pulsbreitenmodulierten Lichtquelle.
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1a zeigt
eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung, bestehend aus
einer Lichtquelle LED, einem Pulsbreitenmodulator PWM, durch den
ein pulsbreitenmoduliertes Trägersignal
generiert wird. Der Pulsbreitenmodulator PWM wird mit einem Versorgungsstrom
ICC gespeist. Der Versorgungsstrom ICC ist beispielsweise ein Gleichstrom
mit wählbarer
Größe. Eine
Helligkeitssteuerung der Lichtquelle LED erfolgt mittels einer Einstellung
eines Dimmfaktor N, wobei beispielsweise eine Stellgröße eines
entsprechenden – nicht dargestellten – Einstellglieds
den Dimmfaktor beeinflusst und die Stellgröße an den Pulsbreitenmodulator PWM
zugeführt
wird. Der Dimmfaktor N entspricht dabei einem Tastverhältnis des
vom Pulsbreitenmodulator PWM aufgrund des eingestellten Dimmfaktors
erzeugten Stroms ILED, welche eine Pulsbreitenmodulation aufweist,
die in ihrem zeitlichen Verlauf einem im Folgenden gezeigten Verlauf
der optischen Leistung der Lichtquelle LED entspricht.
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Die
weitere Figurenbeschreibung erfolgt unter weiterer Bezugnahme auf
die Funktionseinheiten von jeweils vorausgehenden Figuren. Identische
Bezugszeichen in verschiedenen Figuren repräsentieren hierbei identische
Funktionseinheiten.
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2a zeigt
einen zeitlichen Verlauf der optischen Leistung der Lichtquelle
LED, wobei der zeitliche Verlauf der optischen Leistung sich in
Folge des in seinem Verlauf im Wesentlichen identischen pulsbreitenmodulierten
Stroms ILED einstellt.
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In 2a sind
vier Pulsbreitenmodulationszyklen C dargestellt, wobei ein jeweiliger
Zyklus C aus einer jeweiligen Hellzeit T und Dunkelzeit D besteht.
In der Zeichnung ist dies aus Übersichtsgründen lediglich
für den
ersten ganz links abgebildeten Pulsbreitenmodulationszyklus C dargestellt.
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Während der
Hellzeit T ist die Lichtquelle angesteuert und strahlt eine optische
Leistung mit einem optischen Leistungsbetriebswert P0 aus. Während der
Dunkelzeit D ist die Lichtquelle abgeschaltet und strahlt eine Leistung
ab, die im Wesentlichen gleich Null ist.
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Die
Pulsbreitenmodulation der Lichtquelle LED dient einer Einstellung
der optischen Leistung, wobei die Trägheit des menschlichen Auges
dergestalt ausgenutzt wird, dass aufgrund der zeitlichen Länge eines Zyklus
C die Hellzeiten T und Dunkelzeiten D als kontinuierliche optische
Leistung empfunden werden.
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Abhängig vom
Dimmfaktor N, welcher in der folgenden mathematischen Notierung
als η gekennzeichnet
wird und der sich als Quotient zwischen der Dunkelzeit D – in der
folgenden mathematischen Notierung als T
d gekennzeichnet – innerhalb
eines Zyklus C sowie der Zyklusdauer C – in der folgenden mathematischen Notierung
als T gekennzeichnet – ergibt,
ist die
Helligkeit der Lichtquelle LED variierbar. Der Dimmfaktor η ist identisch
mit dem gleichfalls als Quotient zwischen der Dunkelzeit D sowie
der Zyklusdauer C definierten Tastverhältnis.
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Bei
einem Dimmfaktor η =
1 wird die optisch abgestrahlte Leistung zu 0, d. h. völlige Dunkelheit,
bei einem Dimmfaktor η =
0 entspricht die wahrgenommene optische Leistung dem optischen Leistungsbetriebswert
P0, d. h. der maximal vorgesehenen Helligkeit.
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Der
in 2a zeichnerisch dargestellte Dimmfaktor η ergibt
sich zu ca. 0,77.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen
zu schaffen, um die gemäß der 2a pulsweitenmodulierte
Lichtquelle LED zusätzlich
zur optischen Übertragung
von Daten vorzusehen.
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Die
Erfindung löst
die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Dimmfaktor η von einem
Zyklus C zum nächsten
Zyklus C variiert wird, wobei die Variation so gewählt wird,
dass über
ein für
das menschliche Auge auflösbares
Zeitintervall der mittlere Dimmfaktor dem eingestellten Dimmfaktor η entspricht.
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Mit
anderen Worten wird erfindungsgemäß ein zyklusabhängiger Dimmfaktor η
i über
eine Mehrzahl N einzelner Zyklen i so variiert, dass über die
Variation des zyklusabhängigen
Dimmfaktors η
i die zu übertragenden
Daten kodiert werden, wobei der Wert eines über eine Mehrzahl von Zyklus
abhängigen
Dimmfaktoren η
i gebildeten arithmetischen Mittels
im Wesentlichen
dem zum Zwecke der Helligkeitssteuerung der Lichtquelle LED eingestellten
Dimmfaktor η entspricht.
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Die
genannte Mehrzahl N von zyklusabhängigen Tastverhältnissen ηi wird dabei beispielsweise über eine
Mehrzahl von Zyklen C gebildet, deren Summe ein für das menschliche
Auge auflösbares
Zeitintervall entspricht. Ein solches für das menschliche Auge auflösbare Zeitintervall
wird beispielsweise in einem Bereich um 50 Millisekunden gewählt.
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2b zeigt
ein zeitliches Ablaufdiagramm einer Pulsbreitenmodulation in Anwendung
der erfindungsgemäßen Mittel.
Wie in 2a ist auch in der 2b die
optische Leistung der Lichtquelle LED auf der Ordinate über die
Zeitabszisse aufgetragen.
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Zunächst wird
in der Darstellung Bezug genommen auf den linken Teil der 2b,
wobei die zeitliche Dauer der Hellzeit T zwischen einem minimalen
Wert TMIN und einem maximalen Wert TMAX variiert.
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2b zeigt
im ersten Pulsbreitenmodulationszyklus C einen ersten Hellzeitbereich
mit einer zeitlichen Dauer von TMIN, gefolgt von einem weiteren
Pulsbreitenmodulationszyklus C mit einer Hellzeit TMAX, welche einer
vierfachen Dauer von TMIN entspricht, wiederum gefolgt von einem
weiteren Pulsbreitenmodulationszyklus C mit einer Hellzeit, welche
einer zweifachen minimalen Hellzeit TMIN entspricht, schließlich gefolgt
von einem Pulsbreitenmodulationszyklus C mit einer Hellzeit T, welche
einer dreifachen Dauer der minimalen Hellzeit TMIN entspricht.
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In
der folgenden mathematischen Notierung wird die minimale Hellzeit
TMIN als T min / t gekennzeichnet und die maximale Hellzeit TMAX als T max / t gekennzeichnet.
Die zyklusabhängigen
Hellzeit, welche sich zwischen einem Wert von T min / t und T max / t bewegt, wird
im Folgenden als Tt,i bezeichnet.
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Die
Länge,
bzw. zeitliche Dauer, einer zyklusabhängigen Hellzeit Tt,i wird
in einer Ausführungsform
der Erfindung so gewählt,
dass deren zeitliche Dauer einen Symbolwert der zu übertragenden
Daten kodiert. In dieser Ausführungsform
wird dabei eine identische zeitliche Dauer der minimalen Hellzeit
T min / t und eines im Folgenden erläuterten
Symbolschritts gewählt.
Zur Einstellung einer Vielzahl von zyklausabhängigen Dimmfaktoren ηi kann diese identische zeitliche Dauer auch
zugunsten beliebiger Verhältnisse
zwischen der minimalen Hellzeit T min / t und des Symbolschritts gewählt werden.
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Der
Wert des zyklausabhängigen
Dimmfaktors η
i ergibt sich als Quotient
der zyklusabhängigen Dunkelzeit
T
d,i und der Zyklusdauer T
c.
Die Zyklusdauer T
c ist im Allgemeinen konstant. Für die zyklusabhängige Dunkelzeit
T
d,i gilt im Übrigen
Td,i = Tc – Tt,i (4) -
Gemäß einer
alternativen Ausführung
der Erfindung kann statt einer Kodierung über die zyklusabhängige Hellzeit
Tt,i auch eine Kodierung über eine
zyklusabhängige
Dunkelzeit erfolgen,
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Eine
Kodierung über
die zyklusabhängige
Hellzeit Tt,i oder über die zyklusabhängige Dunkelzeit
kann sowohl in analoger als auch in digitaler Repräsentation
mit diskreten Werten erfolgen.
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Gemäß einer
im Folgenden beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung wird eine
digitale Repräsentation über die
zyklusabhängige
Hellzeit T
t,i beschrieben. Hierbei wird
ein beispielsweise binär
darstellbares Symbol mit einer maximalen Länge von 2
b-1,
wobei b einer Bitlänge
des Symbols entspricht, in die entsprechende digitalisierte Länge einer
Hellzeit übertragen.
Bei einer statistisch gleichmäßigen Verteilung
der Symbole reduziert sich die Gleichung (2) zu
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Außerdem gilt Tt,i = Tmint – si·ΔTs (6)wobei ΔTs einen Zeitunterschied zwischen zwei numerisch
aufeinanderfolgenden Werten des Symbols s bedeutet, also beispielsweise
der Unterschied zwischen »1« und »2«, »1« und »3« usw. Weiterhin
stellt si den Wert des Symbols s im Zyklus
i dar.
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Mit
Hilfe von Gleichung (6) vereinfacht sich Gleichung (5) zu
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Mit
Hilfe dieser Gleichung kann somit ein Bezug zwischen dem eingestellten
Dimmfaktor η und
der Bitlänge
b eines Symbols gefunden werden. Bei Auflösung der Gleichung (7) nach
b ergibt sich
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Die äußerste eckige
Klammer bedeutet dabei eine mathematische Operation einer Abrundung
zur nächst
kleineren natürlichen
Zahl.
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2b zeigt
dabei die Lösung
für den
Fall einer Bitlänge
von b = 2. Ein arithmetisches Mittel des zyklusabhängigen Dimmfaktors ηi entspricht dabei im Wesentlichen dem eingestellten
Dimmfaktor η gemäß 2a.
Mit den Mitteln der Erfindung wird der mittlere Dimmfaktor also
nicht verändert.
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In 1b ist
eine erfindungsgemäße Anordnung
zur Übertragung
von Daten über
eine pulsbreitenmodulierte Lichtquelle dargestellt. Neben den aus 1a bekannten
Funktionskomponenten ist ein erfindungsgemäßes Datenmodulationsmodul VLC
vorgesehen, dass im Unterschied zur 1a die
Größe des zur
Helligkeitssteuerung gedachten Dimmfaktors N bzw. η entgegennimmt
und in Form eines zyklusabhängigen
Faktors NI bzw. ηi an die Pulsbreitenmodulationseinrichtung
PWM weitergibt.
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Der
zyklusabhängige
Dimmfaktor NI wird dabei über
die an das Datenmodulationsmodul VLC zugeführten Daten DATA moduliert.
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Es
versteht sich von selbst, dass ein Ausführungsbeispiel gemäß 1b lediglich
exemplarisch zu verstehen ist und dass in einer praktischen Realisierung
mehrere Lichtquellen vorgesehen sein können.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann die Dunkeltastung direkt an einem Kommunikationsmodul
erfolgen.
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Durch
die erfindungsgemäße Variation
des zyklusabhängigen
Tastverhältnisses
NI bzw. des zyklusabhängigen
Dimmfaktors NI von einem Zyklus zum anderen kann mittels eines herkömmlichen
Pulsbreitenmodulators PWM bzw. »Dimmer« dem von
einer gedimmten Lichtquelle LED ausgesandtem Licht in sehr einfacher
Weise Information aufmoduliert werden. Eine zusätzliche »Submodulation« auf den
rechteckförmigen Stroms
ILED, wie in der Literatur vorgeschlagen, entfällt in vorteilhafter Weise.
Dadurch ist durch ein Vorschalten eines Datenmodulationsmoduls VLC
in einfachster Weise eine Übertragung
von Daten DATA mit einem gewöhnlichen
Pulsbreitenmodulator PWM möglich.
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Es
ist dabei vorteilhaft, den Wert des zyklusabhängigen Dimmfaktors NI so zu
wählen,
dass dieser für einen
Zustand »Idle«, innerhalb
dem keine Daten zu übertragen
sind, dem jeweiligen arithmetischen Mittelwert gemäß Gleichung
(2) entspricht. Dies kann z. B. durch Padding erfolgen, also durch
eine Übertragung
statistisch zufälliger
Rauschdaten. In einer alternativen Ausführungsform ist ein wiederholtes
Senden eines Symbols vorgesehen, wobei der dem Symbol entsprechende
Dimmfaktor dem vorgegebenen Dimmfaktor N möglichst nahe kommt.
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Bei
einer praktischen Realisierung der Erfindung wird z. B. eine handelsübliche lichtemittierende
Diode mit einer minimal realisierbaren Pulslänge von 4 ns gewählt. Für eine typische
Pulsbreitenmodulation ergibt sich eine Wiederholrate von 500 kHz.
Mit diesen Parametern ergibt sich somit laut Gleichung (8) eine
maximale Bitlänge
von 8 und somit eine maximale Datenrate von 4 Mbit/s.
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Diese
Datenrate kann für
einen Dimmfaktor N von 0,5 erreicht werden, während sie für Dimmfaktorwerte von 1 und
0 jeweils Null beträgt.
Es ist dabei zu beachten, dass die Datenrate exponentiell von der
Abweichung des Dimmfaktor vom Wert 0,5 abhängt.
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Um
im Fall einer ungedimmten Beleuchtung mit maximaler Helligkeit,
also η =
0, trotzdem Daten zu übertragen,
wird gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wie folgt vorgegangen. Es wird
eine binäre Übertragung
gewählt,
also unter ausschließlicher
Verwendung der Werte 0 und 1, wobei ΔTs wesentlich
kürzer
ist als Tc.
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Weiterhin
wird die durchschnittlich emittierte Lichtleistung P0 um ΔTs/2Tc. erhöht. Da somit
die mittlere emittierte Lichtleistung unverändert bleibt, kann auch mit
ungedimmtem Licht Information übertragen
werden.
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Um
dem Empfänger
der Lichtpulse eine Synchronisation mit der Lichtquelle zu erleichtern
und die Werte T min / t und T max / t zu übermitteln,
ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung am Anfang eines Datenblocks ein Senden einer Wiederholung
der kürzesten
und längsten
Symbole vorgesehen.
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Falls
außerdem
eine Übermittlung
des Symbolschrittes ΔTs geboten ist, kann auch dieser Wert übermittelt
werden. So kann beispielsweise vor den eigentlichen Daten und nach
der wiederholten Übermittlung von
T min / t und T max / t eine vorab vereinbarte Symbolfolge gesendet werden, z. B. »2b – 1«, »2b – 2«, ... »0«. Aus dieser
Symbolfolge kann der Empfänger
dann ΔTs bestimmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur optischen Übertragung
von Daten verursacht keine elektromagnetischen Wellen und kann auch
nicht durch elektromagnetische Wellen beeinflusst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn bereits eine LED-Beleuchtung
vorgesehen ist. Dabei können
die Leuchtdioden beispielsweise mit einem Powerline-Übertragungsverfahren
adressiert werden.
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Die Übertragung
der Daten erfolgt mittels eines leicht abschirmbaren Kommunikationsmediums.
Da die Daten optisch übertragen
werden, kann man sie beispielsweise leicht mit einer Wand oder einem
Vorhang von einer Umgebung abschirmen. Es kann daher eine Abhörsicherheit
erreicht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt die sichere optische Übertragung
von Daten über
eine dimmbare Leuchtdiode LED zu tragbaren Endgeräten innerhalb
eines beleuchteten Raumes und ist unempfindlich gegenüber Funksignalen.
Es können
beliebige Leuchtdioden LED eingesetzt werden, beispielsweise Leuchtdioden,
die ein weißes
Licht erzeugen. Alternativ können
auch Lichtdioden mit einer geringeren Modulationsbandbreite als
weiße
Leuchtdioden eingesetzt werden.
