JP2002511727A - ワイヤレスネットワークのための多重機能電子送受信装置 - Google Patents

ワイヤレスネットワークのための多重機能電子送受信装置

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JP2002511727A JP2000544164A JP2000544164A JP2002511727A JP 2002511727 A JP2002511727 A JP 2002511727A JP 2000544164 A JP2000544164 A JP 2000544164A JP 2000544164 A JP2000544164 A JP 2000544164A JP 2002511727 A JP2002511727 A JP 2002511727A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は第1及び第2の利用法の両方を持った電磁放射を生成するための装置に関する。第2の利用法を達成するために電子的に検出可能であり、且つ、第1の利用法に影響を与えない変動を作り出すために電磁放射は変調される。1つの実施例では、第2の利用法は情報の伝達である。この実施例において、電磁放射は可視光線であり、第1の利用法はそれを照明として利用することであり、そして、第2の利用法は情報を送信することである。可視光線の変動は人間の目によって感知されないようになされる。本発明は、もう1つの側面において、照明をするためと、受信機に情報を伝送するための可視光線を発生する。情報の伝送の結果として生じる光の変動は人間の目には感知不可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の分野) 本発明は、ワイヤレスで情報を伝達するための利用及び、それに組み合わされ
た、例えば照明等の、通常の利用の両方のための、可視光線等の放射の同時使用
に関する。本発明はさらに、蛍光灯等の放電ランプのためのバラスト回路に関す
る。本発明はさらに、ランプの光に人間の目に見えない、電子的に検出可能な変
動を作り出すためにランプを通して流れる、時間と共に変化する、変調(または
、調節)される電流の利用に関する。本発明はさらに、デジタルデータ、音声、
テキスト、及びグラフィック信号を含む(もちろん、これらだけには限定されな
いが)多様な種類の情報を伝達するための目的のために、ランプの光の変動の中
に情報を符合化することに関する。本発明はさらに、帯域幅を最大にするための
、または、光学的なデータチャネル(optical data channel)の情報伝達容量(
または、情報伝達能力)を最大にするための、効果的な符号化の方式に関する。
広い帯域幅や高い効率はインターネットやその他の広域ネットワークに対し重要
であり、それらはオフィスや工場の照明によって伝達することができる。本発明
はさらに、高い電力効率(power efficiency)及び最大のデータ転送速度を持ち
、ガルヴァーニ分離(galvanic isolation)等の必要不可欠な安全機構を組み込
むことが可能で、ランプに変調された電流を作り出すことが可能な効果的なパワ
ーエレクトロニクス回路(power electronic circuit)に関する。本発明はさら
に、ランプの光に含まれる変調された情報を検出するための受信機の構成に関す
る。
【0002】 (発明の背景) 米国内で作り出される人工的な光の半分以上は、照明を作り出すために気体を
介しての放電を利用しているランプから発生する(J.Waymouth「Electric Disch
arge Lamps」MIT Press、Cambridge, Massachusetts、1971年)。(例えば
蛍光灯等の)放電による照明の普及は、放電ランプを通信のために使用する方法
へと発展している。
【0003】 照明を、照明として使用すると同時に、情報を送信するために使用するという
考えは、1975年頃に起源を発するようである(M.Dachs「Optical Communica
tion System」米国特許 #3900404、1975年8月)。ダックス(Dachs)の特
許は音声信号を蛍光灯のアーク電流、すなわち「搬送波」信号、で変調するため
に、アナログ式の振幅変調(AM)方式を開示している。最近の特許(K.King、
R.Zawislak及びR.Vokoun、「Boost-Mode Energization and Modulation Circuit
for an Arc Lamp」米国特許#5550434、1996年8月)でも、やはり音声信号
をアーク電流でAM変調するための、新しい電子回路を開示している。このよう
な技術は、データ中の低周波数成分が(人間が)感知できる程度のチラツキを引
き起こす可能性があり、また、送受信システム全体でのノイズ耐性が最適ではな
い等、いくつかの問題点があるため、データの直接伝達のためには向いていない
。デジタル情報を符号化するための技術は、それぞれ、パルス状のAM及び、位
相変調技術を利用している、M.Smith「Modulation and Coding for Transmissio
n using Fluorescent Lamp Tubes」 (米国特許#5657145、1997年8月)及
び、T.Gray「Transmission System」(米国特許#56359151997年6月)に開
示されている。両方の技術とも電力線の周波数(50/60Hz)と同じ程度の
レートでデータを伝達するため、そのレートは20,000から40,000H
zの範囲の典型的な現代のランプのアーク周波数に比べて低い。ランプの光を搬
送波としては使用せずに、ランプの取り付け器具等を通常の電波やマイクロ波信
号伝達のためのアンテナとして使用する他の通信方式も提案されている。例えば
、K.Uehara及びK.Kagoshimaの「Transceiver for Wireless In-Building Commun
ication System [sic]」米国特許#54248591995年6月は、蛍光灯や白熱灯の
ガラス表面上にマイクロ波のアンテナを取り付けるための技術を開示している。
【0004】 1997年6月に米国のジョージア州アトランタで開かれたパワーエレクトロ
ニクスカンファレンスに提出されたT.Buffaloe、D.Jackson、S.Leeb、M.Schlech
t、及びR.Leebの「Fiat Lux: A Fluorescent Lamp Transceiver」で著者は蛍光
灯でデータを伝達するためにパルス符号の使用の可能性を提案している。この方
式はトリレベルの(すなわち、3つのレベルから成る)パルスの符合化を使用し
ており、それは本発明で説明されている構成に比べ、かなり複雑なバラストの設
計を必要とする。さらに、関連する受信機も複雑であり、本発明で達成可能な高
いデータレートを達成することもできない。
【0005】 本発明は周波数変調された(例えば、可視光線等の)放射に基づいた通信ネッ
トワークを開示しており、それは従来技術の欠点を取り除く。それは、より出力
の大きい商業ベースの照明システムを信号伝達のために使用することを可能にす
る。それはシステムの望まれない感知可能なチラツキを排除し、照明設備を照明
として使用しながら、同時に且つ連続的に、通信の媒介(または手段)として使
用することを可能にする。それはアナログ、デジタル、またはアナログ/デジタ
ルデータを送受信することを可能にする。それはデータを伝達するために利用可
能な帯域幅を拡大し、単体のランプを使用して多重のデジタルデータストリーム
(multiple digital data stream)を実施する等の、多様な用途を可能にする。
本発明になされる改善はランプによる送受信システムの動作や実施に、前例にな
いような特徴や効果をもたらすことができるだろう。
【0006】 本発明は、多重に利用可能な(すなわち、第1の利用法として、照明装置及び
、距離測定やレーンマーキングとしての用途を意味し、第2の利用法として通信
装置を意味する。以下、単に多重または多重利用と呼ぶ。)放射伝達を利用した
送受信システムの確立を提案する最初のものである。本発明は音声信号等の、帯
域が限定されているアナログ情報の周波数変調を使用した伝達を提案し、ノイズ
耐性を向上させ、伝送中の感知可能なチラツキを取り除きながら従来の方式以上
の帯域幅を利用可能にする最初のものである。それはパルス符号周波数変調を使
用した効率の良い伝送を提案する最初のものであり、デジタルビットを伝送の搬
送波周波数の周辺の側波帯に符号化することを提案する最初のものである。それ
はパルスで符合化されたデータの修正時間(settling time)及び検出時間(det
ection time)を改善するために多重利用のネットワークの受信機で非線形検波
器の使用を提案する最初のものである。デジタルデータを送受信するためのこれ
らの方式は従来の方式に比べ達成可能なデータの伝達レートを大幅に引き上げ、
さらに知覚可能なチラツキを取り除く。それは1つの送信機を使用して複数のデ
ータ伝送チャネルを生成するための方式を開示する最初のものであり、選択のた
めに利用可能スペクトルから1つのチャネルを選択することができる、「多重利
用」ネットワークの受信機を提案する最初のものである。それは可変な「ロック
イン(lock-in)」、または送信機捕捉機能(transmitter capture characteris
tic)を備え、異なった送信機に固定するために、その動作(または振る舞い)
を調整することが可能な受信機を提案する最初のものである。この特徴は特に、
ウェイファインディング(way-finding)の用途や、(帯域が)密集した多数の
異なった送信機が存在する環境で送信機と受信機との間でデータチャネルを獲得
し、保持するための処理を容易にするため、受信機の動作を最適にするために重
要である。
【0007】 (発明の要約) 本発明は、その1つの側面において、電磁放射を生成するための装置であり、
その放射は第1及び第2の利用法を持つ。電磁放射は第2の利用法を達成するた
めに電子的に検出可能な変動を作り出すために変調されるが、第1の利用法には
影響を与えない。1つの実施例において、第2の利用法は情報の伝達である。そ
の実施例において、電磁放射は可視光線であり、第1の利用法は照明であり、第
2の利用法は情報の伝達であるが、その可視光線の変動は人間の目には検出不可
能である。本発明に適したランプは、例えば、蛍光灯、冷陰極、または高輝度(
high-intensity)放電ランプである。発光ダイオード、レーザー、または電波ア
ンテナを含む、全ての放射エネルギーの送信機を使用することができる。
【0008】 本発明は、もう1つの側面において、照明のために可視光線を発生し、人間の
目には感知されない情報伝達の結果となる光の変動で情報を受信機へ送信するた
めのランプである。このランプは可視光線の光源及び、アナログFM、側波帯に
符号化されるデジタルパルス符号FM、2つのレベルの符号化を持つ離散パルス
符号FM(discrete pulse code FM)及び他のビット符号化方式を含むグループ
から選択される手段によって情報を伝達するために光源の出力を変調するための
バラストを含む回路を含む。その回路はさらに、交流電源から電力を取り出し、
交流電源がほぼ1の力率を持つように、その電力が実質的に同じ波形で同じ位相
を持ち、且つ異なった振幅を持つことを可能にするために制御するための整流器
を含む。整流器から電力を受け取り、高い周波数の交流波形を作り出すためにイ
ンバーターが接続され、そのインバーターの出力はランプの入力になる。好まれ
るものとして、インバーターはインバーターによって生成される電圧の周波数を
変えるための手段を含む。さらに好まれるものとして、インバーターはゼロ電圧
、またはゼロ電流スイッチングで動作する。
【0009】 詳細に述べると、本発明は部分的にランプのアーク電流を制御し、変調するこ
とができる電子回路に関する。その回路は直流または(電力会社の)交流から電
力を取り出すための手段を含む。回路はさらに、ランプまたはランプの集合に流
れる電流の大きさを制御または制限するための手段を含む。回路はさらに、(人
間の目に感知される)チラツキを発生せずに、情報をランプの光に符合化するた
めに電流を変化させる手段を含む。
【0010】 ここで使用される用語「ランプ」はランプを流れる電流への応答で、赤外線、
可視光線、及び紫外線(もちろん、これらだけには制限されないが)を含む、伝
達のための放射を作り出すための装置を意味する。高輝度放電ランプ、発光ダイ
オード、レーザー、陰極線管、粒子線放射器、液晶ディスプレイ、エレクトロル
ミネセンスパネル、クライストロン、及びメーザー等の他のタイプのものも利用
可能であるが、一般的な例は蛍光灯である。RADAR装置での利用のためのワ
イヤレスアンテナ、超音波変換機、及び(例えば、空気や水を「放射」するため
の)機械的なファン等の、他のタイプの放射源も利用可能である。
【0011】 ここで使用されている用語「バラスト」はランプの電流波形の振幅、周波数、
及び位相を制御するための回路を意味する。ここで使用される用語「整流器」は
入力として電源から電圧波形を取り出し、直流、または主に直流である出力電圧
波形を作り出す回路を意味する。
【0012】 ここで使用される用語「インバーター」は電源から入力として低周波、または
直流の電圧波形を取り出す回路を意味する。インバーターはランプ、またはイン
ダクターやコンデンサー等と組み合わされたランプ回路に利用することができる
高周波数の電圧波形を作り出す。この出力電圧波形の周波数及び位相はインバー
ターによって制御可能である。
【0013】 ここで使用される用語「スイッチ」は低いレベルの制御信号への応答で、電気
回路の(電流の)流れを止めたり、流したりすることができる素子(または装置
)を意味する。このスイッチの典型的な例はバイポーラ接合トランジスタ(bipo
lar junction transistor)、MOSFET、または絶縁ゲートバイポーラ接合
トランジスタ(IGBT(insulated-gate bipolar junction transistor))を
含む。
【0014】 ここで使用される用語「負荷」は、インダクター、コンデンサー、抵抗、及び
トランス等の、適当で且つ安全な動作電圧及び電流がランプに入力されることを
保証するために含まれる他の電気部品と組み合わせて使用される可能性のある1
つまたは複数のランプを意味する。通常、負荷はインバーターの出力に接続され
る。
【0015】 本発明の1つの実施例において、放電ランプまたは蛍光灯の電流を制御するこ
とが可能なシステムが提供される。整流回路は交流電力設備から電力を取り出す
ために使用される。整流回路によって交流電力から取り出された電流は、交流電
力の電圧波形がほぼ1の力率動作をするように、同じ波形及び位相を持ち、異な
った振幅を持つことができるように制御される。交流電力から取り出された電力
は小さい交流成分または、リプル電圧(ripple voltage)を持った主に直流の(
または、直流成分が強い)出力電圧を作り出すために使用される。この直流電圧
はインバーター回路への入力として利用される。
【0016】 インバーター回路は直流バスから電力を取り出し、ランプ、または、トランス
、インダクター、コンデンサーを含む他の電気部品と組み合わされたランプ回路
に供給することができる高周波数の交流波形を作り出す。例えば、インバーター
は二次側がランプと並列に接続されたコンデンサーとインダクターとの直列の組
み合わせに接続されたトランスの一時側に交流方形波を供給するために使用する
ことができる。インバーター回路はインバーター回路によって生成される電圧の
周波数を変えるための特別な手段を含む。周波数は、例えば、出力電圧波形及び
、それによってランプによって発生する光の中に情報を符合化するために変化さ
せられることができる。効率を最大にするために、インバーターはゼロ電圧スイ
ッチングで動作する。例えば、スイッチは、ほとんど損失のないのオンへの遷移
を保証するために、スイッチの両端の電圧(差)がゼロになったときだけオンに
なる。
【0017】 もう1つの実施例において、インバーター回路は整流回路の必要性を無くすた
めに、直流、または低い周波数の交流電源から直接的に賦活されてもよい。この
動作モードは、例えば、自動車や他の交通システム等の、直流電力が利用可能な
環境において特に有効である。さらに、インバーター回路はインバーター回路に
よって作り出された電圧の周波数を変えるための特別な手段を含む。周波数は、
例えば、出力電圧波形及び、それによってランプによって発生する光の中に情報
を符合化するために変化させられることができる。さらに、効率を最大にするた
めに、インバーターはゼロ電圧スイッチングで動作する。例えば、スイッチは、
ほとんど損失のないのオンへの遷移を保証するために、スイッチの両端の電圧(
差)がゼロになったときだけオンになる。
【0018】 どちらのケースの場合でも、受信機は遠隔地でランプの光をサンプリングし、
バラストによってその光の中に符合化された情報をデコードするために構成され
る。
【0019】 本発明は付随する図面を参照することによってさらに良く理解されるだろう。
【0020】 (本発明の詳細な説明) 本発明は自由空間の光学データ経路を通して情報を伝達する。その伝達は蛍光
灯等の放電ランプを流れる交流電流の周波数を変調または変化させることによっ
て達成される。典型的な放電ランプはランプ内にアークまたは電気放電を形成す
るために、それの端子間に比較的高いスタート電圧、または点弧電圧を必要とす
る。アークが一度形成されると、点燈したランプの過剰な電流がランプを破壊し
ないように、ランプ間の電圧を減少させるのが一般的である。それゆえ、電子的
なランプのバラストの目的は少なくとも2つある。バラストはアーク形成及び光
の発生を開始するために十分な高い電圧を供給しなければならない。点燈後、バ
ラストは十分な光の発生とランプの長い寿命を保証するために電流を制限するた
めに利用される。本発明はバラストに第3の機能を加える。ランプの光の中に伝
達のための情報を符合化するために、ランプの電流の周波数を変えるための手段
が備えられる。
【0021】 この新しいバラストの全体図が図1に示されている。バラスト10は交流また
は直流電源12から電力を取り出す。この電力は整流器(予備調節器)回路14
により処理される。整流回路14はほぼ1の力率動作を行うための入力電流の波
形成形を含むいくつかの機能を実行する。整流器14はさらに、バラスト10内
の次の段階、インバーター16の入力として利用される直流出力電圧、または直
流結合(DC link)を供給する。この整流の段階を実施するために、バック(buc
k)、ブースト、またはフライバックコンバーター等の、制御可能な既知のパワ
ーエレクトロニクスのスイッチング電源の周辺で設計される予備調節回路(pre-
regulator circuit)を含む多様な可能性が存在することが理解されなければな
らない。この段階は、必要に応じて、トランスを組み込むことによって安全分離
(safety isolation)が備えられてもよい。また、例えば自動車やバス等の、1
2Vの直流電源が容易に利用でき、バラストが直流電源から直接的に動作するこ
とができる場合には、この段階は、コンデンサーや1組の配線等の最小のものか
ら成る、非常に簡単なものであってもよい。
【0022】 インバーター回路16は整流器14によって供給される直流結合電圧(DC lin
k voltage)を利用して動作する。インバーター16は1つまたは複数のランプ
を含む負荷回路18に入力される高周波数交流電圧波形を生成するために動作す
る。非常に多数のインバーター回路の構成や配置、及びスイッチング方式をこの
用途に使用することができるだろう。例えば、1つの例は図2に示されている。
図に示されている半ブリッジインバーター20は2つのIRF840(MOSF
ET)22及び、直流結合電圧Vdcを駆動する2つのコンデンサーから成る。制
御回路26は最初に底部のMOSFET、次に上部のMOSFETをアクティブ
にし、その後このパターンを繰り返す。このパターンの1つの完全なサイクルを
スイッチ周期(switch period)と呼ぶ。多様な種類のチップや回路をインバー
ター20の2つのMOSFETを制御するために使用することができるだろう。
例えば、1つの例はMOSFETのドライバー及び、スイッチ周期を構成する時
間間隔をきめるためのビルトイン式のタイミング回路を備えたIR2155(半
ブリッジ制御回路)26を使用してもよい。IR2155制御チップの場合、バ
ラストの設計者は抵抗Rt28及びコンデンサーCt30の値を選択することに
より、時間間隔を制御することができる。本発明の最大の技術革新はタイミング
回路の動作を変更するために変調回路32を加えたことである。これにより、送
信データの情報の内容に関わらず(人間の目に)感知できるチラツキを出さない
ことを確実にしながら、可能な限り高い帯域幅(または、データレート)での伝
送のために情報を符号化する目的のためのインバーター交流波形の周波数変調が
可能になる。図1に示されているように、この情報は、例えばテープレコーダー
やマイクからの音声信号や、コンピューター、ハードディスク、電力線搬送モデ
ム(power line carrier modem)からのデジタルデータ等を含む、全てのアナロ
グやデジタルの波形源から取り込むことができる。
【0023】 図1に示され、図2で半ブリッジ回路として図示されているインバーターブロ
ック16はランプ34及びインダクター、コンデンサー、及び(/または)トラ
ンス等の他の電子部品から成る負荷回路を駆動するために使用される。詳細な例
は図2に示されており、その中で、負荷はコンデンサー40とランプ34の並列
の組み合わせとインダクター38の直列の組み合わせを駆動するトランス36か
ら成っている。トランス36は少なくとも2つの重要な機能を与えることができ
る。それは、特に、Vdcを供給する整流回路14が回路の分離の手段を組み込ん
でいない場合に、ガルヴァーニ分離(galvanic isolation)を与える。それはさ
らに、例えば、有効な点弧電圧を大きくするために、(インバーターにより駆動
される)一次巻線と(インダクター、コンデンサー、及びランプに接続された)
二次巻線との間に電圧レベルの違いを与える。この負荷のインダクター38及び
コンデンサー40はランプ34がオフのとき、すなわち点灯の前に、高Q共振回
路として利用され、インバーター周波数が共振周波数に近いとき、大きな点弧電
圧を与えることができる。ランプ34が一度点灯すると、ランプ34はコンデン
サー/ランプのペアのインピーダンスを効果的に支配し、インダクターは定常状
態で動作しているランプを流れる電流を制限するために働く。
【0024】 インバーターの中の2つのMOSFET22は入力電圧Vdcの短絡を防ぐため
に、決して同時にオンしてはならない。制御回路によって1つのスイッチのオフ
と次のスイッチのオンとの間に遅延が与えられた場合、インバーターは非常に効
率的に、ゼロ電圧スイッチオン遷移(zero-voltage switched turn on transiti
on)で動作することが可能である。これは、図3(a)及び図3(b)に示され
ている、我々の実験的なプロトタイプの波形によって説明される。図3(a)は
上部のMOSFETへの賦活信号と底部のMOSFETへの賦活信号との間の遅
延を示しているオシロスコープの図である。図3(b)は、例えばゼロボルトへ
のリング(ring)及び、底部のMOSFETがそれの制御信号によりオンする前
のMOSFET自体のダイオードによるクランプ等を表している、底部のMOS
FETのドレイン−ソース間電圧を示している。半ブリッジインバーターにおい
て、ZVS(ゼロ電圧スイッチング)はスイッチの賦活の間の遅延を与えること
、及びインダクター38がドレイン−ソース間の電圧をゼロにリングするために
十分なエネルギーを蓄積するために大きくすることによって保証される。
【0025】 無数にあるインバーター回路の構成の中から2つの例を図4及び図5に示す。
図4において、インバーター42は中央タップ式(center-tapped)のトランス
44を取り入れるために変更されている。この構成は両方のMOSFETの制御
ゲート22がグランドを基準に駆動されることを可能にするという優位点を持つ
。しかしながら、これは中央タップ式の一次巻線を必要とするため、トランスの
製造をやや複雑にする。図5では、インバーター46は全ブリッジ、すなわち4
つのスイッチインバーターに変更されている。この回路は(半ブリッジがVdc
2であるのに対し)全電圧Vdcを入力するとうい長所があり、高い点弧電圧を出
力することを潜在的に容易にする。しかしながら、この構成は4つのスイッチ及
び、制御回路からの4つの制御線を必要とする。
【0026】 これらのインバーターの構成は全て通常、主に正弦波のアーク電流を負荷に駆
動する。電流波頂率を増大させる危険性を伴うが、2つかそれ以上の別個の搬送
波周波数の正弦波の和から成る電流を駆動するための他のインバーターの構成も
使用することができる。これらの正弦波の各々は異なった情報信号で変調され、
単一のランプを使用して複数の情報のチャネルを送信することを可能にする。こ
の送信に対する受信機はそれらを個々に同調し検波する。
【0027】 無数にある種類の中から3つの異なった負荷の構成の例が図6(a)、図6(
b)、及び図6(c)に図示されている。これら3つのケースの各々において、
その負荷は何らかのインバーター回路の高周波数出力によって駆動されると仮定
する。図6(a)の負荷の構成は複数のL−C−ランプ回路48、50を駆動す
るための単一のトランス36の使用を図示しており、複数のランプ器具とバラス
ト(の関係)を可能にしている。図6(b)の負荷回路もまた、ランプを直列に
接続することにより、複数のランプ34、52の動作を可能にしている。この構
成は付加的なインダクター及びコンデンサーの必要を最小にしているが、直列接
続のランプを点灯させるために必要な高い点弧電圧を供給するために、高いトラ
ンスの巻数比及び(/または)高Q値のL−C回路を必要とする。さらに、この
構成では、ランプが1つ故障すると、全ての器具(図の例の場合、両方のランプ
34、52)が点灯しなくなってしまう。図6(c)に示されている第3の回路
は並列に接続された1つまたは複数のランプを点灯するために使用することがで
きる。コンデンサー54はバラストとして、または電流制限装置として働き、ラ
ンプ/コンデンサーの組み合わせに高い電圧を供給するために十分な巻数比を持
ったトランスによって円弧電圧が与えられる。この構成は高い巻数比を持ったト
ランスを必要とするが、1つのランプの故障が並列に接続された他のランプ回路
を完全には妨害しないという長所がある。各ランプに並列に正の温度係数のサー
ミスターを加える等の他の、点灯の開始を強化し、陰極の寿命を延ばすための補
強を全ての負荷の構成に対し行うことができることに注意しなければならない。
【0028】 複数のランプ器具の場合、いく通りかの構成が可能であることに注意しなけれ
ばならない。図6(a)、図6(b)、及び図6(c)に示されているように、
いくつかの負荷を同一のインバーターに接続し、特定の信号の放射力を強化する
ことができる。しかしながら、複数の器具の中の個々のランプを異なった変調入
力を持った複数のインバーター回路の1つに接続することも可能である。この場
合、1つのランプ器具は複数のチャネルの(1つの)送信データを送信するため
に使用することできる。
【0029】 本発明の中心にあるのは、ランプ34の光の周波数変調またはパルス符号周波
数変調を可能にするいくつかの回路手段である。説明の目的のために、スイッチ
周期はIR2155や典型的な555タイマー回路で見られるような、ヒステリ
シス発振機の動作によって決まると仮定する。ヒステリシス比較器は制御チップ
か、制御回路に含まれる。スイッチ周期は通常、この比較器及び、発振機を構成
するためにそれと共に機能するRt及びCtの値によって設定される。本発明に
おいて、タイミング回路32はインバータータイミング及び、それによるランプ
電流のアナログ周波数変調(FM)か、またはデジタルパルス符号変調を可能に
するために変調される。インバーターのスイッチ周期及びスイッチの賦活のパタ
ーンを決めるために多様な範囲の可能性が存在することは理解されなければなら
ない。例えば、周波数変調や半負荷ブロック符号(half-weight block code)を
持ったデジタルパルス符号変調(W.M.Siebertの「Circuits, Signals, and Syst
ems」McGraw-Hill, New York, New York、1986年)を可能にする全てのタイ
ミング回路は本発明の意図または範囲から外れていない。
【0030】 説明の目的のために、ヒステリシス発振機の動作を変調するために設計された
3つの異なった変調回路が図7(a)、図7(b)、及び図7(c)に示されて
いる。図7(a)の第1の設計では、例えばテープレコーダーやマイクからのア
ナログ音声信号等のランプの光を通して伝達される信号は、電圧レベルの変換と
安全分離(safety isolation)の両方の機能を与える音声トランス60を通して
入力される。トランス60の二次巻線上の交流音声信号は直流オフセットを持っ
た交流信号から成る信号を生成するためポテンショメータ72の動作によってレ
ベルシフトされ、Rに入力される電圧がグランドに対して常に正であることを確
実にする。ポテンショメータ72のインピーダンスは低くなければならない。す
なわち、トランス60の二次巻線の程度かそれ以下でなければならない。さらに
、トランス60の二次巻線の抵抗はトランスから電流が流れ出るのを防ぎ、それ
により磁気的な飽和を避けるために十分大きく(例えば、600オームかそれ以
上)なければならない。R及びCで形成されるフィルターは入力信号の高周波数
成分を制限するために働く。このフィルターのブレークポイントはR及びCの値
を変化させることによって、送信機の帯域幅やボーレートを変えるために変化さ
せることができる。例えば、我々のプロトタイプでは、Rは完全に取り除かれ、
C及びトランスの二次巻線によって与えられるフィルターだけが残された。コン
デンサーCの電圧レベルはスイッチ周波数に対してゆっくり(例えば、スイッチ
周波数の半分かそれ以下)変化する。この電圧レベルはダイオード74及び直列
のコンデンサー76を通してヒステリシス発振機の動作に結合している。それは
発振機のトリガーポイントを変化させ、Cの電圧が発振機及び、それによるイン
バーターを周波数変調させることを可能にする。まとめると、トランスの一次巻
線上のゆっくりと変化する交流入力電圧のレベルが最終的にインバーター並びに
、負荷及びランプの電流を周波数変調する。
【0031】 図7(b)の回路もまた同様な手段によりインバーターを変調する。しかしな
がら、この場合、入力信号はトランスの代わりにオプトアイソレーターを通して
与えられる。この設計は離散的な入力データ、すなわちデジタル波形等の特定の
レベルを持ったデータに対し最も適している。しかしながら、十分に線形の反応
を持ったオプトアイソレーターを備えた場合には、この設計もアナログ信号を伝
送するために使用することができる。分離が必要でない場合、入力波形を直接的
にRCフィルターに入力することもできる。
【0032】 図7(c)の回路もまた、インバーターを変調するために使用することができ
る。この場合も、入力波形は、二次巻線が2つの直列のバラクターダイオード8
0の中間点に接続されている分離トランスを通して与えられる。二次側の電圧は
、ヒステリシス発振機のタイミング回路の正味の容量を変化させる効果を持った
2つのバラクターダイオード80の正味の容量を変化させ、効果的に発振機周波
数を変化させる。これはやはり、スイッチ入力電圧がインバーターの動作を変化
、または変調することを可能にする。
【0033】 本発明はランプのバラストの動作周波数を変化させることによって符合化され
たデータを伝送する。伝送される信号がアナログ交流信号であり、その最低の周
波数成分が、人間が感知できるチラツキの周波数より高く、その最高の周波数成
分がインバーターの規格上のスイッチ周波数より十分に低い場合、その信号を図
7(a)、図7(b)、及び図7(c)の変調回路の1つの入力に直接入力して
もよいだろう。これはランプ34の電流及びランプの光を直接的に変調するが、
その信号は非常に低い周波数成分を除くように制限されているので(もっとも、
音声データの場合、そのような音声は聞き取れないが)、ランプの光は人間の目
に対してチラツキを与えない。
【0034】 しかしながら、デジタルまたは離散的なレベルの情報をランプの光に符合化す
る場合、通常、直接的な周波数偏移変調(FSK)方式を単純に利用するだけで
は十分でない。例えば、0と1のビットの連続を伝達する場合を考える。単純な
FSK(周波数偏移変調)方式では、0ビットは36KHzのアーク周波数に割
り当てられ、1ビットは40KHzのアーク周波数に割り当てられる。この場合
、論理値0の長い連続の後に論理値1の長い連続が続くと、伝送中の光の輝度に
(人間の目で)感知可能なチラツキを生じる可能性がある。したがって、その代
わりに、本発明は光が(人間の目に)見える程度のチラツキを起こさないことを
確実にする符合化の方式を使用する。
【0035】 1つの方法は「側波帯FM法」、すなわちアナログ信号を伝送するために使用
される手法の変調である。2進値を表すために、アーク電流の中心周波数の周辺
の2つの異なった側波帯の値が使用される。側波帯の2つの異なった周波数の値
は搬送波または中心周波数の両側に同じ量だけシフトされるので、平均の周波数
は同じ状態を保ち、チラツキは観測されない。他の方法は、光のベース周波数を
シフトさせ、信号を表すために単純な2進符号より複雑な符合化方式を使用する
ことを含む。各2進のビットを3つの異なった光の周波数で表す3つのレベルの
符合化は従来から知られている。この方法では、平均周波数は同じに保たれる。
偶発的に、我々は、マンチェスター符合化等の、2つの値の符合化もまた、デー
タの連続の特性に関わらず、2進のビットをチラツキ無しで伝送することを可能
にすることを見つけ出した。この変調を「2レベル符合化(two level coding)
」と呼ぶことにする。
【0036】 例えば、我々のプロトタイプの1つにおいて、デジタルデータを伝送中にチラ
ツキを取り除くために2レベルの半負荷符合化方式が使用された。この2レベル
符合化はコンピューターネットワークで一般的なマンチェスター符合化に基づい
ている。これは、本発明において、感知可能なチラツキを排除するという、付加
的な長所のために利用される。マンチェスター符合化は、半負荷ブロック符号(
E.Bergmann、A.Odlyzko、及びS.Sanganiの「Half Weight Block Codes for Opti
cal Communications」AT&T Technical Journal、65巻No.3、1986年5
月、85−93頁)の一種であり、それは本願の用途に適している。この2レベ
ル符号化はTSW秒ごとにアーク周波数をシフトさせる(TSWの典型的な値はTSW =2ミリ秒である)。1または0ビットは特定のアーク周波数には対応せず、ア
ーク周波数の2つのパターンに対応する。このパターンは図8に図示されている
。論理値1及び0ビットは2TSWの長さのパターンによって送信され、伝送され
るバイトの開始の境界を定めるために使用される独特のスタートビットは6TSW の長さのシーケンスによって表される。
【0037】 0、1、及びスタートビットのための2レベルのパターンは同じ平均周波数を
持つ。したがって、異なったアーク周波数の十分に速いスイッチング、すなわち
、十分に短い間隔TSWにより、たとえ0及び1の長いシーケンスの間の遷移時で
あっても、ランプは感知できるチラツキを起こさない。図9(b)はマンチェス
ター符合化方式に対するランプ輝度の近似の周波数スペクトルを示している。図
9(a)には、パワーエレクトロニクスカンファレンス(米国ジョージア州アト
ランタ、1997年6月)に提出されたT.Buffaloe、D.Jackson、S.Leeb、M.Sch
lecht、及びR.Leebの「Fiat Lux: A Fluorescent Lamp Transceiver」に説明さ
れている3レベル符合化方式が比較のために示されている。縦軸はデシベルであ
り、すなわち、最大の交流成分に対して正規化されている。スペクトルは、周波
数に対して輝度が線形に変化すると仮定し、ランダムなメッセージデータによっ
て計算された。このスペクトルは光の出力の低周波数成分の定性的な推量を与え
る。図9(a)は3レベル符合化方式に対して22Hzの倍数で輝度の変化を示
している。22Hzから44Hzの低周波数成分は人間の目で感知できる可能性
のある周波数である。図9(b)は新しいマンチェスター符合化を使用した場合
に想定されるスペクトルを示している。このスペクトルにおいて最初の意味のあ
る成分(すなわち、大きな変化)は100Hzで現れるため、それは人間が感知
できる周波数の範囲より十分に大きい。
【0038】 変調されたランプの光は受信回路によって検波されデコードされる。この受信
機はポータブルの形式であってもよく、図10に示されているように、受信され
た情報は液晶ディスプレイ(LCD)90に表示されてもよい。光検出器92は
蛍光灯94の光の出力を検出するために使用される。送信機の動作とは関係のな
い周囲の変動(すなわち、ノイズ)の除去を助けるために、光検出器の信号は最
初にアナログバンドパスフィルターを通されてから受信機の増幅器96に送られ
る。輝度はアーク電流の大きさと共に変化し、アーク電流の方向には依存しない
ため、アーク周波数が36から40KHzで変化するのに対し、受信される輝度
信号は72から80KHzで変化することに注意しなければならない。輝度信号
の零交差は比較器98を使用して特定され、周波数はCD4046位相ロックル
ープ(PLL)100によって追跡される。
【0039】 PLLループ100の非線形の動作は本発明の向上した能力に対し重要である
。一般的なPLL回路は受信信号を追跡し、それの周波数に比例した電圧を出力
するためにフィードバック構成を使用する。そのような回路の特性は、小さい信
号の変化に対しては、線形のシステムとして正確にモデル化することができる。
結果としての線形システムの、減衰時間や修正時間等の特徴は受信システムの達
成可能なデータレートに影響する。本発明はこの用途において、PLLの追跡能
力を大幅に改善する。これは各々の受信周波数の限界において、PLLフィード
バックループを飽和状態に追い込むことによって達成される。これは、PLL出
力電圧が関連する線形システムの修正時間よりかなり早く飽和に達する、飽和状
態を確立する。
【0040】 受信機の非線形の動作は図11(a)及び図11(b)に図示されている。こ
れらの図はプロトタイプシステムの実験的な動作波形を示している。図11(a
)は蛍光灯のバラストの周波数を変調するために使用された送信機の波形を示し
ており、0Vは36KHzに対応し、15Vは40KHzに対応する。図11(
b)は非線形飽和フィードバックを使用したPLLの出力結果を示している。こ
の出力は典型的なPLLの修正特性(settling characteristic)を実質的に持
たずに、ランプの光の周波数変化を非常に正確に追跡している。
【0041】 マンチェスター符合化データのデコードは比較器の出力をオーバーサンプリン
グし、受信されたパルス幅を調べることにより、非同期に達成される。これは半
負荷符号のデコード作業を、パワーエレクトロニクスカンファレンス(米国ジョ
ージア州アトランタ、1997年6月)に提出されたT.Buffaloe、D.Jackson、S
.Leeb、M.Schlecht、及びR.Leebの「Fiat Lux: A Fluorescent Lamp Transceive
r」に説明されているトリレベル(tri-level)方式のデコード作業より複雑なも
のにする。しかしながら、改善された半負荷方式のデータ伝送レート及び、半負
荷符合化データに対する商業ベースの単体チップのデコーダーの手軽な利用可能
性はこの用途に対する半負荷符号を非常に魅力的なものにする。
【0042】 我々のテキスト送信機のプロトタイプでは、ディスプレイ制御器がデコードさ
れた情報を格納し、2行の、液晶ディスプレイ上の入力メッセージを周期的に更
新する。一般に、受信されたデジタルデータストリームは映像(テキスト)や音
声メッセージを運ぶために使用することができ、コンピューターや他の情報操作
システムによって直接処理することができる。1999年4月14日に出願され
たNo.09/291,709「Communication System」及び、1999年4月14日に出願
されたNo.09/292,126「Analog and Digital Electronic Receivers for Dual-Us
e Wireless Data Networks」の内容はここでも参照として組み込まれている。
【0043】 プロトタイプはメモリーに格納されたメッセージを伝送する。メモリー内のメ
ッセージを読み込み、データを半負荷方式で符号化するためのデータエンコーダ
ーは図12に示されている。このエンコーダーの出力波形は図7(a)、図7(
b)、及び図7(c)の変調回路の1つを駆動するために使用することができ、
したがって、メモリー内に格納されたメッセージをランプの光を通して伝達する
ことができる。もちろん、他の入力情報源が使われてもよい。電力線搬送波モデ
ム(power-line carrier modem)に接続された送信機はメッセージをほぼリアル
タイムで一斉放送するページングシステムとして使用することができる。建物内
の既存の蛍光灯器具に新しいバラストを設置することにより、付加的な配線を必
要とせずに、建物内に伝送ネットワークを構築することができる。従来の赤外線
やワイヤレス伝送に対し、これらの器具は部屋を光で満たすように設計されるの
で、それらは優れた伝送源を作り出す。ここで説明されたアナログ及びデジタル
の半負荷周波数変調データ符合化方式はランプの出力にデータを符合化するため
に唯一の方法ではない。伝送の帯域幅やフレキシビリティーを改善するために他
の技術を使用することもできるだろう。我々は同じ場所で異なったチャネル送信
及び受信を可能にするために異なったランプのバラストに(または、「キー符号
」によっては、同じバラストに)直行ビットパターン(orthogonal bit pattern
)を利用することも構想している。例えば、(複数のチャネルの中の)1つのチ
ャネルを場所情報を与えるために使用し、もう1つのチャネルを直接的な人物対
人物のページングとして使用することもできるだろう。さらに、テレビやラジオ
のチャネルに類似させ、デジタルデータを特定のデジタルチャネルに属するもの
であることを示すために、デジタルデータの各伝送ビット、バイト、ワード、ま
たはページの始め、終わり、または中間に独特のビット符号を付けてもよいこと
に注意しなければならない。このような環境では、受信機は特定のチャネル(ま
たは、特定のチャネルの組)だけを送り出すようにプログラムすることができ、
したがって、1つのランプや1つのランプ器具を使用して、複数のチャネルを送
信及び受信することを可能にする。
【0044】 多重の放射源の用途を与える送信機(例えば、図1に示されているような照明
と情報伝達のシステム)を実施するための同等な他の構成も、付随する請求の範
囲で記述される本発明の意図及び範囲から外れていないことが同業者によって認
識されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のシステムの概略的な図示である。
【図2】 負荷を駆動するために使用される高周波数半ブリッジインバーターの電気回路
図である。
【図3】 ゼロ電圧スイッチング(ZVS)で動作するインバーターのゲート駆動及びス
イッチ電圧波形のオシロスコープ上の軌跡を示している。
【図4】 負荷を駆動するために使用される二次側を持った中央タップ式トランスの一次
側を駆動する高周波数半ブリッジインバーターの電気回路図である。
【図5】 負荷を駆動するために使用される高周波数半ブリッジインバーターの電気回路
図である。
【図6】 利用可能な負荷の構成の回路図である。
【図7】 インバーター回路の動作周波数を変調するための利用可能な変調回路の回路図
である。
【図8】 半負荷(half-weight)のビットパターンを表しているグラフである。
【図9】 半負荷のビットパターンの有利性を図示するためにスペクトルの比較を示して
いるグラフである。
【図10】 光によって伝達されたデジタルデータをデコードするために構成された受信機
を図示しているブロック図である。
【図11】 プロトタイプのシステムでの送信及び受信された、符号化されたビットの比較
を示しているグラフである。
【図12】 変調回路を通してデジタルデータ伝達を符合化するために使用される有限状態
機械を示しているブロック図である。
【符号の説明】
10 バラスト 12 交流または直流電源 14 整流器回路 16 インバーター回路 18 負荷回路 20 半ブリッジインバーター 22 MOSFET 26 制御回路 32 タイミング回路 34 ランプ 36 トランス 38 インダクター 40 コンデンサー 42 インバーター 44 トランス 46 インバーター 48、50 L−C−ランプ回路 52 ランプ 54 コンデンサー 60 トランス 72 ポテンショメータ 74 ダイオード 76 コンデンサー 80 バラクターダイオード 92 光検出器 94 蛍光灯 96 増幅器 98 比較器 100 位相ロックループ
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年6月23日(2000.6.23)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 60/115,374 (32)優先日 平成11年1月11日(1999.1.11) (33)優先権主張国 米国(US) (31)優先権主張番号 09/291,706 (32)優先日 平成11年4月14日(1999.4.14) (33)優先権主張国 米国(US) (31)優先権主張番号 09/292,126 (32)優先日 平成11年4月14日(1999.4.14) (33)優先権主張国 米国(US) (31)優先権主張番号 09/291,709 (32)優先日 平成11年4月14日(1999.4.14) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB ,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,GH,G M,HR,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG ,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT, LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,N O,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG ,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA, UG,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 デロン ジャクソン アメリカ合衆国 95121 カリフォルニア、 サンホゼ、クウェイル ブラフ ロード 2228 (72)発明者 エルマー シー.ラプトン アメリカ合衆国 02109 マサチューセッ ツ、ボストン、ピンクニー ストリート 23 Fターム(参考) 3K073 AA16 BA24 CB07 CJ11 CL14 5K002 AA02 DA05 FA03 GA06

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1及び第2の利用法を持った電磁放射を生成するための装
    置であって、前記第2の利用法を達成するために、前記第1の利用法に影響を与
    えずに、電子的に検出可能な変動を生成するために、前記電磁放射が変調される
    ことを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】 前記第2の利用法が情報の伝達である、請求項1に記載の装
    置。
  3. 【請求項3】 前記電磁放射が可視光線であり、前記第1の利用法が照明で
    あり、前記第2の利用法が情報の送信であり、前記可視光線の前記変動が人間の
    目には見えないことを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記装置がランプである、請求項1に記載の装置。
  5. 【請求項5】 照明のため、及び、受信機に情報を伝達するために可視光線
    を生成し、情報の伝達の結果として生じる前記可視光線の変動が人間の目には見
    えないことを特徴とするランプであって: 前記可視光線の光源;及び、 アナログFM、2レベル符号化を備えた離散パルス符号FM、及び他の直行ビ
    ット符合化方式(orthogonal bit coding scheme)から成るグループから選択さ
    れる手段によって情報を送信するために前記光源の出力を変調するためのバラス
    トを含む回路、 から成るランプ。
  6. 【請求項6】 前記回路が: 交流電源がほぼ1の力率動作を保証する限り、前記交流電源から電力を取り出
    し、実質的同じ波形及び位相を持ち、異なった振幅を持つことができるように前
    記電力を制御するための整流器;及び、 前記整流器から電力を受信して、高周波数の交流波形を生成するために接続さ
    れたインバーターであって、その出力が前記ランプの入力を形成するインバータ
    ー、 をさらに備える、請求項5に記載のランプ。
  7. 【請求項7】 前記インバーターが前記インバーターによって生成された電
    圧の周波数を変えるための手段を含む、請求項6に記載のランプ。
  8. 【請求項8】 前記インバーターがゼロ電圧スイッチングモードで動作する
    、請求項6に記載のランプ。
  9. 【請求項9】 前記バラストが電源とランプとの間に安全分離を含む、請求
    項5に記載のランプ。
  10. 【請求項10】 前記バラストがデータ源とタイミング回路との間に安全分
    離を含む、請求項5に記載のランプ。
  11. 【請求項11】 前記バラストが送受信装置の送信機として受信機の非線形
    位相ロックループと共に動作する、請求項5に記載のランプ。
  12. 【請求項12】 前記バラストが送受信装置の送信機としてアナログFM受
    信機と共に動作する、請求項5に記載のランプ。
  13. 【請求項13】 前記バラストが整流の予備調節段階の出力電圧を変えるこ
    とによってランプを減光する能力を持って動作する、請求項5に記載のランプ。
  14. 【請求項14】 前記バラストが複数のランプ/負荷と共に動作する、請求
    項5に記載のランプ。
  15. 【請求項15】 前記バラストが直流電源で動作する、請求項5に記載のラ
    ンプ。
  16. 【請求項16】 前記バラストが交流電源で動作する、請求項5に記載のラ
    ンプ。
  17. 【請求項17】 前記バラストが1つまたは複数のランプを有する単体のラ
    ンプ器具から複数のチャネル、またはデータの搬送波を伝送するために構成され
    ている、請求項5に記載のランプ。
  18. 【請求項18】 前記バラストが2レベルのデジタルパルス符合化に準拠す
    る送受信装置の送信機として動作する、請求項5に記載のランプ。
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