ES2343338T3 - Procedimiento y dispositivo para modular la emision de luz de un dispositivo luminoso. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para modular la emisión de luz de un dispositivo luminoso, en el que - se genera una señal (10) de control para controlar la emisión de luz del dispositivo luminoso, - la señal (10) de control comprende tramas (12) con una misma una duración (T2) de tiempo, - cada trama (12) de la señal (10) de control contiene un pulso (14) para encender o apagar el dispositivo luminoso, y - cada pulso (14) de una secuencia (16) de pulsos contenida en la señal (10) de control para modular la emisión de luz del dispositivo luminoso se modula según un código de ensanchamiento para identificar el dispositivo luminoso.
Description
Procedimiento y dispositivo para modular la
emisión de luz de un dispositivo luminoso.
La invención se refiere a modular la emisión de
luz de un dispositivo luminoso, particularmente a la modulación de
luz generada por un dispositivo luminoso de estado sólido (SSL).
Las fuentes luminosas que contienen varios
dispositivos luminosos independientes, tales como módulos o placas
luminosas de LED, están volviéndose cada vez más populares. Un
módulo o placa luminosa de LED contiene normalmente varios LED
controlables de manera independiente. Los LED como dispositivos
luminosos tienen la ventaja de una vida útil más larga que los
dispositivos luminosos tradicionales tales como bombillas luminosas
o lámparas halógenas. Además, los LED tienen un tiempo de
conmutación rápido y pueden controlarse mediante señales
electrónicas de bajo voltaje tales como señales con forma de pulso
rectangular. Fuentes luminosas más sofisticadas contienen un
controlador que puede adaptar la emisión de luz de los dispositivos
luminosos contenidos en una fuente de luz según determinadas
limitaciones, tales como atenuación de la emisión de luz según la
luz ambiental.
El documento WO02/25842A2 da a conocer un
sistema de LED que emplea modulación por ancho de pulso (PWM) para
controlar la intensidad de iluminación y modulación por código de
pulso (PCM) para modular la luz emitida de tal manera que
transporte datos para una comunicación de datos inalámbrica. En este
sistema, se suministra una señal de control al LED. La señal de
control controla la iluminación del LED así como la transmisión de
datos. La intensidad de iluminación del LED se controla mediante el
ciclo de trabajo, o tiempo "activado" promedio de la señal de
control. La señal de control se modula adicionalmente mediante una
señal de datos al tiempo que se conserva el ciclo de trabajo de la
señal de control de tal manera que la intensidad del LED todavía se
controla durante la transmisión de datos. La modulación de la señal
de control se realiza tomando un O exclusivo (XOR) de la señal de
control PWM para la intensidad de iluminación y la señal de control
PCM para la transmisión de datos. En vez de PCM para modular la
señal de datos sobre la señal de control, también puede usarse
modulación por posición de pulso (PPM) para modular la señal de
control según el documento WO02/25842A2.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un procedimiento y dispositivo mejorados para modular
la emisión de luz de un dispositivo luminoso.
Con el fin de lograr el objeto definido
anteriormente, la invención proporciona un procedimiento para
modular la emisión de luz de un dispositivo luminoso, en el que el
procedimiento comprende los siguientes rasgos caracte-
rísticos:
rísticos:
- -
- se genera una señal de control para controlar la emisión de luz del dispositivo luminoso,
- -
- la señal de control comprende tramas con una misma duración de tiempo,
- -
- cada trama de la señal de control puede contener un pulso para encender o apagar el dispositivo luminoso, y
- -
- cada pulso de una secuencia de pulsos contenida en la señal de control se modula según un código de ensanchamiento para modular la emisión de luz del dispositivo luminoso.
Con el fin de lograr el objeto definido
anteriormente, la invención proporciona además un dispositivo para
modular la emisión de luz de un dispositivo luminoso, que
comprende
- -
- medios de generación de señales de control para generar una señal de control para controlar la emisión de luz del dispositivo luminoso, en el que
- -
- la señal de control comprende tramas con una misma duración de tiempo,
- -
- cada trama de la señal de control puede contener un pulso para encender o apagar el dispositivo luminoso, y
- -
- los medios de generación de señales de control están adaptados para modular cada pulso de una secuencia de pulsos contenida en la señal de control según un código de ensanchamiento para modular la emisión de luz del dispositivo luminoso.
Los rasgos característicos según la invención
proporcionan la ventaja de que la luz modulada emitida a partir de
un dispositivo luminoso puede comprender una pequeña cantidad de
datos en forma de modulación de cada pulso de una secuencia de
pulsos con un código de ensanchamiento. La cantidad de datos puede
usarse preferiblemente para identificar fácilmente la luz emitida a
partir de un determinado dispositivo luminoso. La identificación
puede realizarse detectando el código de ensanchamiento usado para
modular los pulsos de la señal de control. Además, modulando los
pulsos de la señal de control y, por tanto, la luz emitida con un
código de ensanchamiento, tal como se usa por ejemplo en los
sistemas de telefonía móvil de acceso múltiple por división de
código (CDMA), es posible identificar un dispositivo luminoso entre
una pluralidad de dispositivos luminosos, por ejemplo la luz
emitida por un determinad LED contenido en una placa luminosa con
docenas de LED. Esto ofrece una amplia gama de posibilidades de
aplicación de la luz emitida modulada según la invención, por
ejemplo para crear una fuente luminosa adaptiva. Además, la
invención permite controlar con mayor precisión un dispositivo
luminoso, particularmente la luz emitida tal como su intensidad
detectando su luz emitida y ajustar por ejemplo el ciclo de trabajo
de la señal de control del dispositivo luminoso con el fin de
ajustar la intensidad de la luz.
La expresión "dispositivo luminoso" tal
como se usa en el presente documento comprende un dispositivo
luminoso cuya emisión de luz puede controlarse mediante una
secuencia de pulsos, tal como un SSL, por ejemplo un LED o un diodo
láser semiconductor. En principio, cada dispositivo luminoso que
permite una modulación rápida, particularmente que tiene un tiempo
de conmutación rápido, es adecuado para los fines de la invención.
Por ejemplo, un dispositivo adecuado también puede ser un LED
orgánico (OLED) o una lámpara fluorescente o de HID. En el caso de
luz fluorescente y de HID, puede preferirse no elegir los niveles de
intensidad de luz totalmente encendido y apagado para la
modulación, sino dos niveles de luz que no son nulos pero sí
suficientemente diferentes como para permitir que los distinga un
detector electrónico.
El significado de "encender o apagar el
dispositivo luminoso" tal como se usa en el presente documento no
se limita a encender o apagar completamente un dispositivo, por
ejemplo apagado=0% y encendido=100%, sino que también significa un
nivel de intensidad de un dispositivo luminoso que puede definirse
como nivel de intensidad del dispositivo apagado o el dispositivo
encendido, respectivamente. En otras palabras, "encender o apagar
el dispositivo luminoso" significa en el presente documento
conmutar el dispositivo luminoso entre diferentes niveles de
intensidad de la luz emitida. Particularmente con lámparas de HID,
apagar puede significar dar potencia a una lámpara de HID al 90% en
vez del 100% cuando la lámpara de HID está encendida. Por tanto,
puede evitarse una nueva ignición de la lámpara de HID. En el caso
de un LED como dispositivo luminoso, la conmutación del LED entre
el 100% y el 90% puede dar como resultado un mejor rendimiento de la
eficacia de la fuente de luz de LED.
Según una realización adicional de la presente
invención, puede asignarse una determinada posición de inicio
dentro de cada trama a los pulsos de una señal de control. Esto
permite distinguir la emisión de luz de un determinado dispositivo
luminoso no sólo determinando el código de ensanchamiento usado para
modular los pulsos de la señal de control del dispositivo luminoso,
sino también determinando las posiciones de inicio de pulsos de
emisión de luz del dispositivo luminoso con respecto al sincronismo
de trama usado para la señal de control.
Un ejemplo típico sería una forma de onda que
puede aplicarse como esquema de modulación a pulsos de la señal de
control de tal manera que sólo se usa una fracción de cada trama par
la modulación con el fin de permitir la separación de diferentes
emisiones de luz procedentes de diferentes dispositivos luminosos
mediante una combinación de códigos de ensanchamiento CDMA y/o
usando diferentes posiciones de inicio de un pulso dentro de una
trama similar a TDMA (acceso múltiple por división de tiempo). En un
ejemplo típico, puede proporcionarse sólo una parte de una trama
para los fines de modulación mientras que la otra parte de la trama
se proporciona para los fines de iluminación. En otro ejemplo, en
vez de reservar una parte de una trama para la modulación, la
modulación también puede realizarse variando la posición de inicio
de pulsos dentro de sus tramas respectivas. La modulación puede
realizarse aplicando la forma de onda que define por ejemplo el
código de ensanchamiento usado para modular los pulsos.
Particularmente, la forma de onda puede ser el propio código de
ensanchamiento usado para modular cada pulso de una secuencia de
pulsos contenida en la señal de control.
Según una realización de la invención, puede
aplicarse modulación por posición de pulso PPM, o modulación todo o
nada OOK, como esquema de modulación, a pulsos de la señal de
control.
Cuando se usa OOK como esquema de modulación, un
pulso puede comprender una primera parte que se proporciona para la
modulación OOK y una segunda parte que se proporciona para controlar
la iluminación del dispositivo luminoso según una realización de la
invención. De hecho esto también puede interpretarse como una clase
de PWM en la que tanto los datos como la iluminación determinan la
duración de pulso, de tal manera que la iluminación determina el
ancho de pulso promedio mientras que los datos determinan el valor
real en cada trama específica.
Cuando se usa PPM como esquema de modulación, la
posición del comienzo de un pulso dentro de una trama puede
seleccionarse dependiendo de la modulación según una realización de
la invención.
Según una realización de la invención, el ancho
de pulso promedio puede elegirse de tal manera que se logra una
iluminación deseada.
Según una realización adicional de la invención,
puede modularse la emisión de luz de varios dispositivos luminosos
generando una señal de control para cada uno de los dispositivos
luminosos y asignando a cada señal de control un código de
ensanchamiento único. Por ejemplo, la invención permite controlar
cada LED de una placa luminosa con docenas de LED, particularmente
puede controlarse individualmente la intensidad de cada LED.
\global\parskip0.930000\baselineskip
Según una realización adicional de la presente
invención, las posiciones de inicio de pulsos dentro de las tramas
de al menos una primera señal de control difieren de las posiciones
de inicio de pulsos dentro de las tramas de al menos una segunda
señal de control. Por tanto, las emisiones de luz procedentes de
diferentes dispositivos luminosos pueden no sólo separarse mediante
sus códigos de ensanchamiento usados para modular pulsos de las
respectivas señales de control, sino también determinando sus
posiciones dentro de las tramas, lo que permite distinguir más
dispositivos luminosos diferentes que códigos de ensanchamiento
diferentes se usaron para modular las señales de control. Por
ejemplo, si se usan códigos de ensanchamiento CDMA para modular los
pulsos de señal de control, las diferentes posiciones de inicio de
pulsos de diferentes señales de control pueden considerarse como un
enfoque TDMA para diferenciar las emisiones de luz procedentes de
diferentes dispositivos luminosos.
Según una realización adicional de la invención,
se proporciona un programa informático, en el que el programa
informático puede habilitarse para llevar a cabo el procedimiento
según la invención cuando se ejecuta por un ordenador. Por ejemplo,
el programa informático puede generar la señal de control de manera
digital, y entonces puede emitirse la señal de control generada
sobre un interfaz de un ordenador a un dispositivo luminoso tal como
un LED o a un determinado LED de una placa luminosa.
Según una realización de la invención, puede
proporcionarse un soporte de grabación tal como un
CD-ROM, DVD, tarjeta de memoria, disquete o medio de
almacenamiento similar para almacenar el programa informático según
la invención.
Una realización adicional de la invención
proporciona un ordenador que puede programarse para realizar un
procedimiento según la invención y puede comprender medios de
generación de señales de control para controlar al menos un
dispositivo luminoso. Los medios de generación de señales de control
pueden implementarse por ejemplo mediante una tarjeta de
interconexión para acoplar el ordenador con uno o más dispositivos
luminosos para controlar la emisión de luz de esos dispositivos
luminosos. Un ejemplo típico puede ser una placa luminosa que
contiene miles de LED, en la que cada uno de los LED puede
controlarse por el ordenador que ejecuta el programa implementando
el procedimiento según la invención.
Según una realización adicional de la invención,
se proporciona un procedimiento para generar una iluminación
adaptativa con al menos un dispositivo luminoso, en el que la
emisión de luz del al menos un dispositivo luminoso puede modularse
según el procedimiento de la invención descrito anteriormente y la
iluminación se adapta detectando la luz emitida por el al menos un
dispositivo luminoso por medio del código de ensanchamiento asignado
al dispositivo luminoso y para modular la emisión de luz
dependiendo de la luz detectada y según un algoritmo de control
predefinido. Esta realización permite implementar por ejemplo una
iluminación adaptiva dependiendo del algoritmo de control
predefinido. Por ejemplo, el algoritmo de control puede
implementarse para evaluar la luz detectada y para modular la
emisión de luz en correspondencia con una función de iluminación
implementada por el algoritmo de control. El algoritmo de control
permite implementar diversas funciones luminosas, por ejemplo
controlar la iluminación de un dispositivo luminoso dependiendo de
la luz ambiental.
Según una realización de la invención, puede
proporcionarse un dispositivo según la invención en el que los
medios de generación de señales de control están adaptados para
realizar un procedimiento según la invención.
Según una realización adicional de la invención,
el dispositivo puede comprender una pluralidad de dispositivos
luminosos y los medios de generación de señales de control pueden
estar adaptados para generar un número correspondiente de señales
de control para los dispositivos luminosos. Preferiblemente, varias
de las señales de control generadas dependen de sus códigos de
ensanchamiento de modo que la luz emitida a partir de los
dispositivos luminosos pueda distinguirse de la luz emitida a partir
de otros dispositivos luminosos.
Según una realización adicional de la presente
invención, los medios de generación de señales de control pueden
comprender
- -
- una fuente de señales adaptada para generar una señal básica para un determinado dispositivo luminoso,
- -
- medios de generación de código de ensanchamiento adaptados para generar un código de ensanchamiento asignado a un determinado dispositivo luminoso,
- -
- medios de combinación proporcionados para combinar la señal básica generada por la fuente de señales y el código de ensanchamiento generado por los medios de generación de código de ensanchamiento con una secuencia de elementos de código,
- -
- un generador de pulsos adaptado para generar una señal de control modulada según la secuencia de elementos de código, y
- -
- un controlador de intensidad adaptado para controlar la intensidad de emisión de luz.
Los medios de generación de señales de control
pueden implementarse por ejemplo mediante un algoritmo realizado
por un procesador. Sin embargo, también pueden implementarse en
hardware, por ejemplo en forma de un microcontrolador de placa
luminosa de LED que contiene un dispositivo según la invención con
los medios de generación de señales de control para controlar
directamente los LED de la placa luminosa de LED.
Finalmente, la invención se refiere, según una
realización adicional, a un dispositivo detector para detectar luz
modulada mediante un procedimiento según la invención, en el que el
dispositivo detector comprende
- -
- una unidad de recepción de luz, que contiene por ejemplo sensores sensibles a la luz tales como fotodiodos, que están adaptados para recibir la luz modulada y convertir la luz modulada en una señal eléctrica modulada correspondiente,
\global\parskip1.000000\baselineskip
- -
- una unidad de demodulación adaptada para demodular la señal eléctrica modulada según el código de ensanchamiento usado para modular la señal de control para generar la luz modulada, y
- -
- una unidad de procesamiento adaptada para procesar la señal eléctrica demodulada.
Estos y otros aspectos de la invención
resultarán evidentes y se dilucidarán con referencia a la(s)
realización/realiza-
ciones descrita(s) a continuación en el presente documento.
ciones descrita(s) a continuación en el presente documento.
La invención se describirá con más detalle a
continuación en el presente documento con referencia a realizaciones
a modo de ejemplo. Sin embargo, la invención no se limita a esas
realizaciones a modo de ejemplo.
La figura 1 muestra un ejemplo de un pulso de
una señal de control según la invención;
la figura 2 muestra un ejemplo de dos pulsos
según la invención, en el que los dos pulsos tienen diferentes
códigos y se modulan según PPM;
la figura 3 muestra un ejemplo de dos pulsos
según la invención, en el que los dos pulsos tienen diferentes
códigos y se modulan según OOK;
la figura 4 muestra un ejemplo de una secuencia
de pulsos modulada según la invención con PPM y modulada con un
código digital "0110";
la figura 5 muestra un ejemplo de una secuencia
de pulsos modulada según la invención con OOK y modulada con un
código digital "0110";
la figura 6 muestra un diagrama de bloques de
una realización de una arquitectura de transmisor de un dispositivo
para modular la emisión de luz de un dispositivo luminoso según la
invención;
la figura 7 muestra una disposición luminosa de
LED y un lazo cerrado de control para controlar la iluminación según
la invención.
A continuación, la invención se describe por
medio de realizaciones con LED como medios luminosos, aunque esto no
puede entenderse como limitativo de la invención.
Según la invención, se proporciona un
procedimiento eficaz para realizar simultáneamente dos
funciones:
- -
- atenuación adaptiva de la luz procedente de un dispositivo luminoso y
- -
- comunicación de datos a través de su luz. La intensidad de luz puede variarse entre potencia casi nula y casi completa.
La función de comunicación está diseñada de tal
manera que muchos, por ejemplo miles de LED, pueden transportar
cada uno una pequeña cantidad de datos. Los flujos de datos
procedentes de todos los LED pueden usarse de diversas maneras, por
ejemplo para identificar de manera única los LED y para intercambiar
datos de control usados en un sistema de iluminación. Otra
aplicación puede ser que todos (o muchos) LED transporten
conjuntamente una señal de datos de alta velocidad, mientras que
cada LED transporta individualmente una fracción de los datos.
Ejemplos de aplicaciones de la invención son,
por ejemplo,
- -
- Iluminación adaptativa: unos sensores miden la contribución de luz procedente de cada LED en tiempo real para optimizar de manera adaptativa los ajustes de iluminación.
- -
- Semáforos, en los que la luz se modula con información (de tráfico) local. En este caso, un sistema de semáforos debe permitir fijar la iluminación cerca de la máxima potencia disponible, mientras que se consume una pequeña fracción de la potencia de iluminación para modular la luz con datos.
- -
- Luces delanteras y traseras de vehículos que contienen LED como dispositivos luminosos, en las que la luz emitida puede modularse de tal manera que transmite datos por ejemplo a otro vehículo.
- -
- Un museo o una tienda donde la iluminación transporta una narración sobre los objetos que se exhiben transmitiendo la narración mediante modulación de los dispositivos luminosos de la iluminación, respectivamente.
- -
- Posicionamiento en interiores, midiendo las pérdidas de propagación, y por tanto las "distancias" hasta un gran número de dispositivos luminosos.
- -
- Puesta a punto: una vez instalada la iluminación, se usa el procedimiento de modulación para identificar dónde da luz cada LED.
La atenuación de un dispositivo luminoso de
estado sólido (SSL) tal como un LED se realiza normalmente
encendiendo y apagando rápidamente el LED, de tal manera que el
ciclo de trabajo, definido como la proporción de tiempo p (0 \leq
p \leq 1) en que el LED está encendido, garantiza la cantidad
apropiada de luz.
Para la comunicación de datos con onda de luz
pueden usarse diversos procedimientos de modulación tal como se
describirá en el presente documento. Particularmente la modulación
por ancho de pulso (PWM) y la modulación por posición de pulso (PPM)
son principios adecuados.
La invención se refiere al caso en el que un
dispositivo luminoso no sólo se usa con fines de iluminación, sino
también para la comunicación. En particular, el procedimiento de
modulación de emisión de luz de un dispositivo luminoso según la
invención puede satisfacer la mayoría de los siguientes
requisitos
- -
- encendido-apagado, más control de amplitud (para "recorrer" de manera óptima la curva de eficacia de un dispositivo luminoso);
- -
- la modulación no debe afectar al ciclo de trabajo promedio p: p viene dictado por la iluminación requerida;
- -
- sin parpadeo visible (por ejemplo códigos libres de CC);
- -
- cada conmutación (de apagado a encendido, de encendido a apagado) puede crear CV2/2 de calor: presupuesto fijo para transiciones (C: capacitancia efectiva de un LED, V: voltaje en el LED);
- -
- la conmutación no debe abarcar más de un pequeño porcentaje del pulso para evitar el cambio de color;
- -
- intervalo de atenuación de al menos 1:256 (8 bits);
- -
- limitaciones del ancho de banda si se usan LED en dispositivos luminosos;
- -
- permite la detección de múltiples de usuarios para miles de LED, robusto frente a interferencias mutuas;
- -
- robusto frente a iluminación ambiental;
- -
- permite el control de la iluminación más rápido que con constantes de tiempo de 200 ms si se aplican dispositivos SSL rápidos.
Para la implementación de la invención, se
genera una señal 10 de control tal como se muestra en las figuras 1
a 5 que contiene al menos un pulso para controlar un LED. Un LED
sincronizado a una frecuencia f puede lograr un rendimiento
global de f bits por segundo con la invención, y pueden
realizarse simultáneamente n mediciones independientes por
segundo de la iluminación procedente de l LED, de tal manera
que n multiplicado por l es igual a f.
El procedimiento de modulación de la invención
puede considerarse como una forma de PWM en la que cada pulso se
modula según un código de ensanchamiento. Además, puede elegirse no
sólo el código sino también la posición de inicio de los pulsos
para adaptarse a muchos transmisores diferentes en un sistema
luminoso que comprende varios dispositivos luminosos controlados
mediante el procedimiento de la invención. Además, el ancho de pulso
promedio puede elegirse de manera arbitraria para satisfacer una
especificación de iluminación.
En el presente documento se usará la siguiente
notación para las escalas de tiempo (véase también la figura 1 que
muestra un pulso típico de una señal de control para controlar la
emisión de luz de un LED y las figuras 4 y 5 que muestran secuencias
16, 22, 24 de pulsos típicas de una señal 10 de control):
- -
- T_{1} (T_{1} = 1/f) representa la resolución de tiempo más fina que puede usarse para encender y apagar un LED. Por ejemplo, T_{1} puede ser de unas pocas decenas de nanosegundos, aunque para aplicaciones de control de iluminación con frecuencia puede ser suficiente con sincronizar los LED a aproximadamente 1 microsegundo.
- -
- T_{2} = N_{1}T_{1} representa la duración de un intervalo durante el cual puede tener lugar una operación de encendido y una de apagado del LED. Un periodo T_{2} se denomina trama 12.
- -
- T_{3} = N_{2}T_{2} representa el intervalo de tiempo usado para la transmisión de un símbolo de usuario (un determinado código, por ejemplo el código digital "0110" tal como se muestra en las figuras 4 y 5), o para una medición de la transferencia del canal de luz.
Según la invención, puede diseñarse un sistema
luminoso de tal manera que puede satisfacerse una limitación de
iluminación mediante una forma de onda de la señal 10 de control
definida a lo largo de periodos T_{2} que consisten en
N_{1} unidades de tiempo, T_{1}, de tal manera que
la iluminación se enciende durante (en promedio)
p^{l}_{i}N_{1} unidades de tiempo, donde
p^{l}_{i} es el ciclo de trabajo del l-ésimo LED en
el i-ésimo periodo iT_{3} ...
(i+1)T_{3}. La carga útil de datos de la señal
transmitida por los LED puede transportarse mediante secuencias
codificadas de duración T_{3}, comprendiendo N_{2}
de esos pulsos de base cada uno con una duración
T_{2}.
En una realización de la invención, cada LED
puede transmitir una combinación multiplexada en el tiempo de una
señal S1 que está prevista principalmente para la comunicación de
datos, seguida por una ráfaga S2 de iluminación que está prevista
principalmente para satisfacer la intensidad de iluminación
requerida. Un esquema de modulación adecuado para este fin es un
esquema de modulación todo o nada (OOK) ya que los datos se
transportan activando o desactivando una parte del pulso para
controlar un LED, concretamente la señal S1, dependiendo de los
datos que deben transportarse. Sin embargo, la función de
comunicación de datos de una señal de control también puede
implementarse mediante otro esquema de modulación, tal como
modulación por posición de pulso (PPM). El esquema de modulación
PPM según la invención se describe posteriormente con más detalle.
Otras formas de pulso, tales como pulsos de retorno a cero, también
pueden aplicarse en principio. Algunas fuentes de luz se modulan
preferiblemente en amplitud, con una profundidad de modulación menor
en vez de apagar completamente la fuente de luz durante algunos
intervalos.
La señal de control para cada LED tiene un
intervalo de tiempo periódico de duración kT_{1} segundos
(una trama (número de referencia 12 en la figura 1)), repetido cada
T_{2} (T_{2} > kT_{1}) segundos, en el
que puede transmitir un elemento de código de datos, basándose en
OOK. Para un elemento de código "1" la luz se "ENCIENDE"
mientras que para un elemento de código "0", la luz se
"APAGA". k es un entero positivo, preferiblemente
k = 1.
Un procedimiento de codificación para grupos de
N_{2} elementos de código sucesivos puede garantizar que la
razón entre el número de elementos de código 1 y 0 es constante.
Preferiblemente esta razón es de q = ½, por tanto con un 50% de
"1" y un 50% de "0".
La duración de S2 puede fijarse tal como
sigue:
Suponiendo que la iluminación requerida de un
LED es tal que se necesita que el ciclo de trabajo del LED sea de
p^{l}_{i}. La modulación de datos del LED contribuye la
cantidad k/(2N_{1}) al ciclo de trabajo promedio. Y el
subperíodo restante de T_{2}, de duración (T_{2} -
1/(2N_{1})) puede usarse para la iluminación. Por tanto,
preferiblemente (k/(2N_{1}) \leq p^{l}_{i}
\leq (T_{2} - k/(2N_{1})), aunque pueden
tener lugar valores fuera de este intervalo si es permisible que el
LED sólo se encienda en un subintervalo del periodo asignado para la
modulación de datos. Para un rendimiento máximo de la detección de
datos, el valor de p^{l}_{i} se fija preferiblemente
durante cada intervalo T_{3}.
La forma básica de un pulso de "potencia de
iluminación" ofrecido a un LED se muestra en la figura 1 como un
pulso rectangular. El pulso 14 se encuentra dentro de una trama 12
de la señal 10 de control según una realización de la invención.
Una primera parte 18 del pulso (las ranuras 4 y 5, k = 2 en la
figura 1) está dedicada a la modulación de datos OOK mientras que
la segunda parte 20 (las ranuras restantes, 6, 7,...) están
dedicadas al control de la iluminación. Por tanto, la señal S1 se
transporta por la primera parte 18 y la señal S2 por la segunda
parte 20 del pulso 14. El producto del ancho de pulso y la amplitud
de pulso determina la potencia usada para la iluminación deseada
por el LED. En el funcionamiento normal, este pulso se repite con
un periodo de trama de T_{2}. La figura 3 muestra
diferentes pulsos 14 para un elemento de código "0" y un
elemento de código "1". En el diagrama superior de la figura 3,
el pulso 14 para un elemento de código "0" tiene una primera
parte 18 con un nivel alto, y en el diagrama inferior de la figura
3, el pulso para un elemento de código "1" tiene una primera
parte 18 con un nivel bajo. La segunda parte 20 de ambos pulsos 14
siempre está a un nivel alto y determina esencialmente la intensidad
luminosa.
Aplicado a un dispositivo luminoso que contiene
varios LED, la desviación de sincronismo (con \tau^{l}_{i} \in
{0, 1,...,
N_{l}-1}), puede definir la posición de la parte con datos modulados de los pulsos del LED l. Si los LED usan diferentes posiciones para la modulación, sus señales de datos se encuentran en diferentes intervalos y pueden separarse por un detector, lo que se describirá a continuación.
N_{l}-1}), puede definir la posición de la parte con datos modulados de los pulsos del LED l. Si los LED usan diferentes posiciones para la modulación, sus señales de datos se encuentran en diferentes intervalos y pueden separarse por un detector, lo que se describirá a continuación.
En vez de usar un pulso 14 con una primera y una
segunda parte, tal como se muestra en las figuras 1 y 3, puede
usarse un esquema de modulación PPM para los pulsos, tal como se
muestra en las figuras 2 y 4. En la figura 2, se muestran dos
pulsos 14 para "0" y "1", donde los datos que van a
transportarse por un pulso dependen de la posición 26 de inicio del
pulso. En otras palabras, se usa PPM para modular los datos en los
pulsos 14 de la señal 10 de control. En la figura 2, el pulso 14
mostrado en el diagrama superior transporta un elemento de código
"0" y se inicia antes en la trama de tiempo T_{2}, en
la ranura 0 tal como se muestra en la figura 2, que el pulso 14
mostrado en el diagrama inferior, que transporta un elemento de
código "1" y se inicia con un retardo de kT_{1} con
respecto al comienzo de la trama 12. El esquema de modulación
mostrado en la figura 2 tiene la ventaja de que la energía
eléctrica suministrada a un LED dentro de cada trama 12 por el
pulso 14 es constante y no depende de los datos transportados por un
pulso, al contrario que la modulación OOK con la que la energía
suministrada a un LED depende de los datos transportados por el
pulso ya que la duración de un pulso 14 depende de los datos
transportados. Sin embargo, con OOK el ancho de pulso en promedio
es constante si se conoce la razón del número de "0" y "1"
en el código. Preferiblemente, puede usarse un conjunto de códigos
ortogonales y pueden excluirse todos los "1" (o código de CC
(corriente continua)). En este caso, todos los códigos usados
restantes están libres de CC y por definición contienen el mismo
número de "0" y "1". Esto garantiza que para cada
intervalo T_{3}, el ciclo de trabajo promedio es igual a la
duración del pulso de iluminación más la mitad de la duración de la
parte con datos modulados del pulso.
Ahora, con respecto a las figuras 4 y 5, se
explica cómo puede modularse una secuencia 16 de pulsos de la señal
10 de control según un código de ensanchamiento para modular la
emisión de luz de un LED según la invención. La emisión de luz
modulada puede transmitir por ejemplo 1 bit de datos. El código de
ensanchamiento usado en este caso es un código corto de 4 elementos
de código "0110". La secuencia 16 de pulsos se usa para al
menos uno de dos fines
- -
- transferir datos, por ejemplo un bit de información
- -
- permitir que un detector mida la intensidad local de la iluminación procedente de ese LED.
En la figura 4, se aplica PPM como esquema de
modulación a los pulsos 14 de la secuencia, mientras que en la
figura 5 se aplica OOK como esquema de modulación.
En la figura 4, los pulsos 14 primero y cuarto
de la secuencia 16 se inician al comienzo de su trama respectiva, lo
que indica un elemento de código "0", mientras que los pulsos
14 segundo y tercero de la secuencia 16 se inician retardados,
kT_{1}, (k = 2) respecto al comienzo de la trama, lo
que indica un elemento de código "1".
En la figura 5, los pulsos 14 primero y cuarto
de la secuencia 16 tienen un ancho de pulso de cinco ranuras de
tiempo y se inician retardados, kT_{1}, (k = 2)
respecto al comienzo de su trama respectiva, lo que indica un
elemento de código "0", mientras que los pulsos 14 segundo y
tercero tienen un ancho de pulso de tan sólo tres ranuras de tiempo
y se inician retardados, kT_{1}, (k = 4) respecto al
comienzo de su trama respectiva, lo que indica un elemento de código
"1".
En las figuras 4 y 5, la longitud de código
completa constituida por N_{2} = 4 elementos de código
tiene un periodo de T_{3} (T_{3}=
4T_{2}). Un bit de información real puede transferirse a un
receptor dentro de este periodo. La polaridad opuesta del bit puede
enviarse usando la versión complementaria de este código
("1001"). Si se excluye el código todo unos, durante este
periodo otros N_{2}-2 otros LED también
pueden transmitir un bit, incluso aunque usen la misma posición
\tau^{l}_{i} en la trama para ubicar sus datos. Además,
asignando las otras N_{1}/k posiciones de inicio a un grupo
adicional de LED, N_{1}/k-1 grupos de otros
N_{2}-1 LED también pueden enviar un bit
cada uno, y permitir una medición de intensidad para cada LED.
Un sistema de iluminación según la invención
puede alojar un gran número de LED; por tanto tienen que asignarse
códigos diferentes (también denominados en el presente documento
firmas) a diferentes LED con el fin de separar sus señales, es
decir, la emisión de luz de cada LED. En otras palabras, puede
seguirse un enfoque de acceso múltiple por división de código
(CDMA) según la invención con el fin de garantizar que coexistan
diferentes LED en el sistema sin provocar interferencias entre sí.
Resultan particularmente convenientes los códigos ortogonales que
garantizan que la interferencia entre múltiples usuarios (MUI) sea
nula cuando se mantiene la sincronización en todo el sistema. Por
este motivo, todos los LED así como el fotodetector pueden compartir
un reloj común. Un procedimiento práctico puede ser enviar pulsos
de reloj a lo largo de la línea de alimentación para sincronizar
todos los LED. El detector puede sincronizarse periódicamente
dejando que todos los LED envíen el mismo pulso de referencia, que
es conocido por el detector. Además, preferiblemente las secuencias
de codificación son perfectamente ortogonales, por ejemplo los
códigos de Walsh-Hadamard. También puede aplicarse
otra clase de códigos, concretamente códigos de registro de
desplazamiento con realimentación lineal (LFSR). Las secuencias que
pertenecen a esta última clase se caracterizan por una función de
correlación cruzada que no es perfectamente nula, pero muy próxima
a cero. Una ventaja de LFSR es que permiten que se produzcan errores
de sincronización sin un impacto importante sobre el rendimiento. A
diferentes LED se les ha asignado un desplazamiento cíclico
diferente del mismo código.
La figura 6 muestra un diagrama de bloques de la
arquitectura de transmisor de un dispositivo 100 para modular la
emisión de luz de LED según una realización de la invención. El
dispositivo 100 contiene medios de generación de señales de control
para la generación de señales 10 de control para controlar la
emisión 114 de luz de LED 112. Los medios de generación de señales
de control comprenden
- -
- una fuente 102 de señales que genera una señal básica b^{l}_{i} para un determinado LED l,
- -
- medios 104 de generación de código de ensanchamiento que generan un código de ensanchamiento C^{l} asignado a un determinado LED l, respectivamente,
- -
- medios 108 de combinación proporcionados para combinar la señal básica generada por la fuente 102 de señales y el código de ensanchamiento C^{l} generado por los medios 104 de generación de código de ensanchamiento con una secuencia de elementos de código a^{l}_{i,j},
- -
- un generador 110 de pulsos adaptado para generar una señal 10 de control modulada S^{l}(t) según la secuencia de elementos de código a^{l}_{i,j}, y
- -
- un controlador 106 de intensidad adaptado para controlar la intensidad de emisión de luz.
El generador 110 de pulsos está adaptado para
generar una señal 10 de control modulada mediante OOK CDMA (acceso
múltiple por división de código). Sin embargo, también puede estar
adaptado para generar una señal 10 de control de PPM modulada por
código.
El dispositivo 100 puede generar señales de
control para l LED diferentes.
\newpage
En resumen, la señal 10 de control modulada para
un determinado LED y generada con el dispositivo 100 puede
escribirse como
donde S^{l}_{i,j,n} =
S^{l} (iT_{3} + jT_{2} +
nT_{1}). En este caso, i se refiere a la secuencia
de bits de información b^{l}_{i} (con b^{l}_{i}
\in
1 {1, -1}) y j indexa la trama. Cada elemento de código a^{l}_{i,j} se obtiene multiplicando el bit de información actual b^{l}_{i} por elementos en la secuencia de código C^{l} = (c^{1}_{0}, c^{l}_{l}, c^{l}_{j},..., c^{l}_{N1-1}) con c^{i}_{j} \in {1, -1}). En otras palabras, a^{l}_{i-j} = b^{l}_{i}c^{l}_{j}. Por tanto, los datos y los elementos del código tienen una influencia sobre si la primera parte del pulso está presente o no, de modo que esto tiene una influencia sobre la posición de inicio del pulso dentro de la trama. Una vez generada la señal eléctrica S^{l}(t) se convierte en pulsos de luz mediante el LED 112 y entonces se emiten por ejemplo por un canal de transmisión.
1 {1, -1}) y j indexa la trama. Cada elemento de código a^{l}_{i,j} se obtiene multiplicando el bit de información actual b^{l}_{i} por elementos en la secuencia de código C^{l} = (c^{1}_{0}, c^{l}_{l}, c^{l}_{j},..., c^{l}_{N1-1}) con c^{i}_{j} \in {1, -1}). En otras palabras, a^{l}_{i-j} = b^{l}_{i}c^{l}_{j}. Por tanto, los datos y los elementos del código tienen una influencia sobre si la primera parte del pulso está presente o no, de modo que esto tiene una influencia sobre la posición de inicio del pulso dentro de la trama. Una vez generada la señal eléctrica S^{l}(t) se convierte en pulsos de luz mediante el LED 112 y entonces se emiten por ejemplo por un canal de transmisión.
Tal como se describió anteriormente, un sistema
de iluminación según la invención puede alojar un gran número de
LED; por tanto se asignan códigos diferentes (denominados en el
presente documento "firmas") a diferentes LED con el fin de
separar sus señales o emisiones de luz, respectivamente. En otras
palabras, se sigue un enfoque de acceso múltiple por división de
código (CDMA) con el fin de garantizar que coexistan diferentes LED
en el sistema sin provocar interferencias entre sí. La figura 7
muestra una placa 116 luminosa de LED con docenas de LED como
sistema de iluminación. Las emisiones de luz de los diferentes LED
de la placa 116 se detectan por sensores 118 tales como fotodiodos
sensibles a las emisiones de luz de los LED. Las señales detectadas
por los sensores 118 pueden transmitirse desde los sensores 118, por
ejemplo, mediante conexiones de radiofrecuencia (RF) (por ejemplo
según la norma Zigbee RF) a un controlador 120 maestro que demodula
las señales eléctricas moduladas emitidas desde los sensores 118 y
correspondientes a la luz detectada. El controlador 120 maestro
puede usarse para controlar la emisión de luz de los LED dependiendo
de las emisiones de luz detectadas. Por tanto, puede implementarse
un lazo cerrado de control externo para controlar la iluminación de
la placa 116. Dado que la emisión de luz de cada LED puede
distinguirse de las emisiones de luz de otros LED detectando el
código de ensanchamiento usado para modular la emisión de luz de un
LED, es posible controlar la emisión de luz de LED individuales de
la placa 116 aplicando sólo unos pocos sensores 118.
Como queda claro a partir de la descripción
anterior, este sistema garantiza una separación de LED según una
combinación de esquemas de TDMA (acceso múltiple por división de
tiempo) y CDMA. Más precisamente, si los LED l_{1} y
l_{2} comparten la misma posición de la parte con datos
modulados (\tau^{l}_{1} = \tau^{l}_{2}), sus señales se
separarán usando un código diferente (escogido del conjunto de
secuencias ortogonales). El mismo conjunto de secuencias de código
puede volver a usarse, sin provocar ninguna interferencia, por los
LED cuya parte con datos modulados se encuentra en una posición
diferente. En este último caso, los LED se distinguirán basándose
en TDMA. Por tanto, cada LED l_{1} tiene el
conjunto de dos valores {\tau^{l}_{i}, C^{l}}, donde el primero representa una firma de TDMA y el segundo una firma de CDMA.
conjunto de dos valores {\tau^{l}_{i}, C^{l}}, donde el primero representa una firma de TDMA y el segundo una firma de CDMA.
El sistema puede asignar hasta
N_{1}/kN_{2} usuarios o señales ortogonales (por
tanto que no interfieren), respectivamente. Preferiblemente algunas
firmas permanecen sin asignar por motivos especiales (por ejemplo
C^{l} = [1, 1,..., 1] representa una señal de CC). Mantener
el código de CC sin asignar hace que el sistema sea robusto frente a
cualquier interferente de CC (luz solar y otro LED que envíe su
pulso de iluminación), por tanto el número de LED realmente asignado
puede ser menor.
Este esquema permite que la parte de iluminación
modulada de los pulsos (en otras palabras las colas de los pulsos)
cruce el límite derecho de la trama T_{2}, para
proporcionar un ciclo de trabajo arbitrario en el intervalo
k^{l}_{i}N_{l} / 2 \leq p^{l}_{i}
\leq N_{l}(1-k^{l}_{i} / 2). Tal como se
mencionó anteriormente, esto puede realizarse sin provocar ningún
problema de interferencia porque la cola de los pulsos representa
una componente de CC, pero los códigos son ortogonales a tal
interferente.
Evidentemente, el sistema también puede
diseñarse de tal manera que el pulso de iluminación constante esté
situado justo antes del pulso de datos, en vez de justo después del
pulso de datos.
Además, un sistema puede diseñarse
alternativamente de tal manera que el pulso de iluminación y el
pulso de datos no estén concatenados directamente. Este sistema
funciona de manera idéntica, excepto porque requiere más
transiciones encendido-apagado, lo que es menos
favorable en cuanto al consumo de potencia.
Ejemplos típicos de elecciones de diseño de
realizaciones de placa luminosa de LED de la invención son
T_{1} = 1 microsegundo
N_{1} = 1024 (intervalo de atenuación
de 10 bits)
tamaño de código N_{2} = 16,
configuración de código: walsh hadamard, excepto el código de todo
unos
k=1
número de LED: hasta aproximadamente 16000
ciclo de trabajo: elegido de manera arbitraria
por cada LED, según los requisitos de iluminación establecidos por
el control de sala.
La invención tiene la ventaja principal de que
permite modular la emisión de luz de un dispositivo luminoso, por
ejemplo un LED individual, múltiples LED o una placa luminosa que
contiene docenas de LED, de tal manera que la emisión de luz de un
determinado dispositivo luminoso puede identificarse detectando el
código de ensanchamiento usado para la modulación de la emisión de
luz. La invención es particularmente adecuada para medios luminosos
que contienen varios dispositivos luminosos tales como una placa
luminosa de LED con docenas, o cientos, de LED ya que la emisión de
luz de cada dispositivo luminoso puede detectarse mediante el código
de ensanchamiento usado para modular la emisión de luz y, por
tanto, controlarse mediante medios de control de la emisión de luz
tales como por ejemplo un controlador de sala que está adaptado para
controlar la iluminación de una placa luminosa de LED usada en una
sala. Otra ventaja de la invención es la opción de distinguir la luz
procedente de diferentes fuentes de luz transmitiendo códigos de
ensanchamiento diferentes y/o usando diferentes posiciones de inicio
de los pulsos dentro de la trama.
Debe observarse que la modulación con un código
de ensanchamiento también puede aplicarse sin tener una señal de
datos que transporte información de usuario. Por ejemplo, si la
secuencia de datos sólo es la secuencia todo "1", el receptor
todavía puede medir la contribución de luz individual procedente de
cada fuente de luz y controlar la iluminación.
Al menos parte de la funcionalidad de la
invención, tal como la generación de una señal de control para
controlar la emisión de luz de un dispositivo luminoso según la
invención, o el procedimiento para generar una iluminación
adaptativa con al menos un dispositivo luminoso cuya emisión de luz
se modula según la invención, puede realizarse mediante hardware o
software. En el caso de una implementación en software, puede usarse
un único o múltiples microprocesadores o microcontroladores
estándar para procesar un único o múltiples algoritmos que
implementan la invención.
Debe observarse que la palabra "comprender"
no excluye otros elementos o etapas, y que la palabra "un" o
"una" no excluye una pluralidad. Además, cualquier símbolo de
referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como
limitativo del alcance de la invención.
Claims (17)
1. Procedimiento para modular la emisión de luz
de un dispositivo luminoso, en el que
- -
- se genera una señal (10) de control para controlar la emisión de luz del dispositivo luminoso,
- -
- la señal (10) de control comprende tramas (12) con una misma una duración (T_{2}) de tiempo,
- -
- cada trama (12) de la señal (10) de control contiene un pulso (14) para encender o apagar el dispositivo luminoso, y
- -
- cada pulso (14) de una secuencia (16) de pulsos contenida en la señal (10) de control para modular la emisión de luz del dispositivo luminoso se modula según un código de ensanchamiento para identificar el dispositivo luminoso.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que se asigna una determinada posición de inicio dentro de cada
trama a los pulsos de una señal de control.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que se aplica modulación (16) por posición de pulso PPM, o
modulación (24) todo o nada OOK, como esquema de modulación a los
pulsos (14) de la señal (10) de control.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que para aplicar OOK, un pulso comprende una primera parte (18)
proporcionada para la modulación OOK y una segunda parte (20)
proporcionada para controlar la iluminación del dispositivo
luminoso.
5. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que para aplicar PPM, la posición del comienzo de un pulso (26)
dentro de una trama se selecciona dependiendo de la modulación.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el ancho de pulso promedio se
elige de tal manera que se logra una iluminación deseada.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la emisión de luz de varios
dispositivos luminosos se modula generando una señal de control para
cada uno de los dispositivos luminosos y asignando a cada señal de
control un código de ensanchamiento único.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que las posiciones de inicio de pulsos dentro de las tramas de al
menos una primera señal de control difieren de las posiciones de
inicio de pulsos dentro de las tramas de al menos una segunda señal
de control.
9. Programa informático habilitado para llevar a
cabo el procedimiento según las reivindicaciones anteriores cuando
se ejecuta por un ordenador.
10. Soporte de grabación para almacenar un
programa informático según la reivindicación 9.
11. Ordenador programado para realizar un
procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y que
comprende medios de generación de señales de control para controlar
al menos un dispositivo luminoso.
12. Procedimiento para generar una iluminación
adaptativa con al menos un dispositivo luminoso, en el que la
emisión de luz del al menos un dispositivo luminoso se modula según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y la iluminación se adapta
detectando la luz emitida por el al menos un dispositivo luminoso
por medio del código de ensanchamiento asignado al dispositivo
luminoso y para modular la emisión de luz dependiendo de la luz
detectada y según un algoritmo de control predefinido.
13. Dispositivo (100) para modular la emisión
(114) de luz de un dispositivo (112) luminoso, que comprende
- -
- medios (102, 104, 106, 108, 110) de generación de señales de control para generar una señal (10) de control para controlar la emisión de luz del dispositivo luminoso, en el que
- -
- la señal (10) de control comprende tramas (12) con una misma duración (T_{2}) de tiempo,
- -
- cada trama (12) de la señal (10) de control contiene un pulso (14) para encender o apagar el dispositivo luminoso, y
- -
- los medios de generación de señales de control están adaptados para modular cada pulso (14) de una secuencia (16) de pulsos contenida en la señal (10) de control para modular la emisión de luz del dispositivo luminoso según un código de ensanchamiento para identificar el dispositivo luminoso.
14. Dispositivo según la reivindicación 13, en
el que los medios (102, 104, 106, 108, 110) de generación de señales
de control están adaptados para realizar un procedimiento según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
15. Dispositivo según la reivindicación 13 ó 14,
que comprende una pluralidad de dispositivos (116) luminosos y los
medios (102, 104, 106, 108, 110) de generación de señales de control
están adaptados para generar un número correspondiente de señales de
control para los dispositivos luminosos.
16. Dispositivo según la reivindicación 13, 14 ó
15, en el que los medios (102, 104, 106, 108, 110) de generación de
señales de control comprenden
- -
- una fuente (102) de señales adaptada para generar una señal básica para un determinado dispositivo luminoso,
- -
- medios (104) de generación de código de ensanchamiento adaptados para generar un código de ensanchamiento asignado a un determinado dispositivo luminoso,
- -
- medios (108) de combinación proporcionados para combinar la señal básica generada por la fuente (102) de señales y un código de ensanchamiento generado por los medios (104) de generación de código de ensanchamiento con una secuencia de elementos de código,
- -
- un generador (110) de pulsos adaptado para generar una señal (10) de control modulada según la secuencia de elementos de código, y
- -
- un controlador (106) de intensidad adaptado para controlar la intensidad de emisión de luz.
17. Dispositivo detector para detectar luz
modulada mediante un procedimiento según las reivindicaciones 1 a 8,
en el que el dispositivo detector comprende
- -
- una unidad (118) de recepción de luz adaptada para recibir la luz modulada y convertir la luz modulada en una señal eléctrica modulada correspondiente,
- -
- una unidad (120) de demodulación adaptada para demodular la señal eléctrica modulada según el código de ensanchamiento usado para modular la señal de control para generar la luz modulada, y
- -
- una unidad (120) de procesamiento adaptada para procesar la señal eléctrica demodulada.
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