JP2009529272A - 自由空間光伝送用エレクトロルミネセンス送信装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エレクトロルミネセンス光を生成する１つ以上のダイオードにより生成される赤外線帯域及び／又は可視帯域及び／又は紫外線帯域の電磁波を使用する、空間を介する伝送用の送信装置に関する。
この装置は、その入力端子（１）によってＡＣエネルギー分配システムに接続される。電源フィルタ（２）は、整流器（３）、力率補正回路（４）、補助電源（５）及びＤＣ−ＤＣ変換器（８）を備えた電力回路によって生成される伝導電磁妨害を低減する。ＤＣ−ＤＣ変換器（８）の出力は、直列に接続された複数の高電力発光ダイオード（９）に接続される。配電線（６）を介する伝送用の受信機は、制御回路（７）に加えられる復調信号を出し、この制御回路は、ＤＣ−ＤＣ変換器（８）の電流コマンドを与え、また、変調トランス（１０）を介して、復調信号と、温度センサ（１１）によって測定された温度との関数として発光ダイオード（９）に加えられる変調電流を供給する。生成される光は、復調信号の関数として変調される。

Description

本発明は、エレクトロルミネセンス光を生成する１つ以上のダイオードにより生成される赤外線帯域及び／又は可視帯域及び／又は紫外線帯域の電磁波を使用する、空間を介する伝送用の送信装置に関する。

２００６年３月６日に出願された「自由空間における光伝送のためのエレクトロルミネセンス送信装置」と題するフランス国特許出願第０６／０１９５２号は、本参照により開示に含まれる。

以下で「光」という用語は、可視光及び／又は赤外光及び／又は紫外光を含み得る電磁放射線を指す。以下で「発光ダイオード」という表現は、エレクトロルミネセンス光を生成する任意のタイプのダイオードを指す。この発光ダイオードは、例えば赤外線発光ダイオード、蛍光体を組み込んだ高出力白色発光ダイオード、有機発光ダイオードなどでよい。

送信用光源として使用される１つ以上の放電ランプと、配電線を介する伝送用の受信機とを備える自由空間光伝送用の送信装置が、「自由空間における光伝送のための送信装置」と題するフランス国特許出願第０４０９９３９号、及び「自由空間光伝送用送信装置」と題する国際特許出願第ＰＣＴ６／ＩＢ２００５／００３３０９号に記載されている。これら既知の装置の利点の１つは、生成される光が照明にも使用できることである。この場合、自由空間光通信機能は、非常に低コストで照明機能に追加することができる。発光ダイオードを使用する照明装置が照明用に選択された場合には、これら既知の装置を使用するというこの利点はなくなることに留意されたい。

放電ランプによって生成される光を１０ｋＨｚよりも広い変調周波数帯域で変調することは困難であるのに対して、発光ダイオードによって生成される光を広帯域で変調することは容易であることにも留意されたい。発光ダイオードによって生成される光をこのように変調することは、「制御装置」によって生成されて適切に変調され、常に同じ方向に流れる「ダイオード電流」を別々の発光ダイオードに供給するのに適した、幾つかの方法を使用して達成することができる。

通信機能を有し発光ダイオードを備える照明装置が、「光源のアナログ制御」と題する米国特許第６，９５６，３３８号、及び「通信装置を備える発光ダイオード照明装置及びそのような装置を備える設備」と題するフランス国特許出願第０２１５３５９号に記載されている。

具体的には、ダイオード電流が高周波成分を含むとき、当業者は、制御装置と発光ダイオードの間の配線が可能な限り短いことが望ましいことを理解している。この配線を短く保つことの利点は、例えば、装置全体の電磁的適合性、電気的安全性又は効率に関連している。実際には、制御装置と発光ダイオードの間の配線が短いことは、１つ以上の発光ダイオードを含む各照明装置がその固有の制御装置を備えることを含意し、これは、最新技術により、２つの別個の配線が使用され、一方の配線は、例えばＡＣエネルギー分配システムへの接続を使用して電源を各照明装置へ供給するために使用され、他方の配線は各照明装置によって送信されるべき信号を配信するために使用されることを含意する。

この先行技術によれば、発光ダイオードへ送られるべき信号を配信するための手段に関する問題は、２つの別々の配線を使用することが、照明のみを目的とする照明装置用の古典的な配線よりも明らかに費用がかかることから、全ての用途に関して満足のいくようには対処されていない。配線を１つだけ使用するように、各照明装置へ送信されるべき信号を無線リンクを使用して配信する設計が可能ではあるが、この解決法は、無線スペクトルを使用しないという自由空間光伝送の主たる利点を帳消しにする。

本発明の目的は、既知の方法及び装置についての制限事項がなく、その入力信号を配信するために別個の配線を必要としない、自由空間光伝送用の送信装置にある。

本発明は自由空間光伝送用の送信装置に関し、この装置は、光伝送用の光源として使用される１つ以上の発光ダイオードと、配電線を介する伝送用の受信機であって、その出力で「復調信号」を出すことができ、この「復調信号」が、送信装置への給電を可能にする端子に現れる信号の復調により得られる受信機と、光伝送用の光源として使用された発光ダイオードによって生成される光を「復調信号」の関数として変調する制御装置とを備える。

本発明の装置の最大寸法と比べて十分に大きい距離を本発明の装置からおいたところで、発光ダイオードによって生成された光の放射強度をどの方向でも測定することが可能であることを当業者は理解している。本発明の装置は、光伝送用の光源として使用される全ての上記発光ダイオードから放射される光が、０．００５ステラジアン未満の立体角内では、光伝送用の光源として使用された全ての上記発光ダイオードによって生成される全放射束の５０％より大きい放射束を生成しないようなものとすることができる。この要件が満たされる場合には、この全放射束は、非常に細い光のビームに集束することがなく、従って、対応する変調光は、本発明の装置から低い指向性で放射される。例えば、レーザでは、十分に大きい距離をおいたところで頂角が２ミリラジアン未満、すなわち約３．１^-6ステラジアン未満の立体角の円錐に相当する光のビーム内に、全放射束の５０％超が通常含まれる。従って、本発明によれば、上記要件が満たされる場合に、発光ダイオードによって生成される光は、建物間の自由空間光伝送用の市販の装置で一般に用いられるレーザの立体角よりもずっと大きい立体角で放射されるはずである。この特性により、本発明による装置と光伝送用の受信機との間の精密な位置合わせが無用になり、従ってこの受信機は移動可能になり得る。しかし、相対的に大きい放射立体角（すなわち低い指向性）を用いると、送信距離が相対的に短くなる。

従って、本発明の装置は、建物内又は車両内に設置するように設計されたようなものとすることができる。上記に定義された要件に従う本発明の装置は、例えば、建物内又は車両内を移動する人が携帯する光伝送用の受信機に向けた送信に適する。

配電線を介する伝送用の受信機は、本発明の送信装置の給電端子に現れる信号を利用する。これらの配電線は、例えばＤＣエネルギー分配システム、低電圧の公衆ネットワークへ接続されるＡＣエネルギー分配システム、船舶用配電システムなど、いかなる種類のエネルギー分配システムに属するものでよい。

配電線を介する伝送用の受信機は、英語で「ｐｏｗｅｒ−ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（電力線通信）」又は「ＰＬＣ」とも呼ばれることがある配電線を介する伝送用のシステムの受信部である。このようなシステムの特徴及び可能な実施は専門家には周知であり、幾つかの態様が、エヌ・パヴリドー、エー・ジェイ・ハンフィンク、ジェイ・ヤツダニ及び ビー・ホナリーの「電力線通信：最新技術と将来的傾向」と題する２００３年４月発行のＩＥＥＥコミュニケーションマガジン、第４１巻、第４号、３４〜４０頁の論文に提示されている。欧州連合内で適用される規則によれば、配電線を介する幾つかの伝送に割り当てられる周波数は３ｋＨｚよりも高いことに留意されたい。従って、本発明によれば、配電線を介する伝送用の受信機は、送信装置への給電を可能にする端子に現れる３ｋＨｚよりも高い周波数の信号の復調により、「復調信号」を得ることができる。

配電線を介する伝送用のシステムから送信される信号は、任意のデジタル又はアナログ変調方法を使用して得られるデジタル信号又はアナログ信号でよい。

イー・ピグリエーリの「極めて不快なチャネルのためのコーディング及び変調」と題する２００３年３月発行のＩＥＥＥコミュニケーションマガジン、第４１巻、第５号、９２〜９８頁の論文は、配電線を介する伝送の場合、単一搬送波の変調は技術的に良い解決法ではないことが多いことを教示している。従って、本発明の装置は、配電線を介する伝送用の受信機が、複数の搬送波、又はスペクトル拡散技術を用いた変調方法を使用することを特徴とすることができる。例えば、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭとも呼ばれる）など、複数の搬送波を使用する変調方法により良好な結果が得られる可能性がある。

ダイオード電流は、専門家に周知の多くの方法で変調することができる。本発明によれば、光を変調するのに、例えば光オンオフキーイング（ＯＯＫ）を使用することが可能である。例えば、アナログ信号を伝送するために、ダイオード電流のパルス周波数変調（ＰＦＭ）を用いて光オンオフキーイングを得ることが可能である。例えば、デジタル情報を伝送するために、符号化マーク反転モード（ＣＭＩモード）のベースバンドダイオード電流を用いて光オンオフキーイングを得ることが可能である。例えば、デジタル情報を伝送するために、ダイオード電流のパルス位置変調（ＰＰＭ）を用いて光オンオフキーイングを得ることが可能である。

本発明によれば、光を変調する光強度変調（ＴＭ）を得るために、例えば、ゼロ平均可変電流が重畳された直流電流からなり、常に同じ方向に流れる電流を用いることが可能である。例えば、デジタル情報を伝送するには、ゼロ平均可変電流は、専門家に周知の、光強度変調を得るための二相符号（二相レベル符号又はマンチェスタ符号としても知られる）又は高密度バイポーラ符号化（ＨＤＢ３）を実現するベースバンド電流でよい。例えば、ゼロ平均可変電流は、光強度変調を得るために、伝送されるべきアナログ又はデジタル情報によって任意の方法で変調された副搬送波とすることができる。副搬送波は、その位相又は周波数を変化させる任意の方法、例えば数字信号では周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）によって変調することができる。副搬送波はまた、その振幅を変化させる任意の方法によって変調することもできる。複数の副搬送波を用いることも可能である。

光強度変調を得るために、例えばスイッチモード制御装置のデューティサイクルの変化を用いて様々な種類のダイオード電流変調を得ることができることは、当業者には明らかである。

一般に光の変調は、観察者には感知できないことが望ましい。これは、光伝送用の光源として使用された発光ダイオードが、観察者には見えない光を生成する場合に達成することができる。従って本発明の装置は、光伝送用の光源として使用された発光ダイオードが、観察者には見えない光、例えば赤外光を生成することを特徴とすることができる。本発明のこのような装置では、光伝送用に使用されない少なくとも１つの光源によって、例えば１つ以上の放電ランプによって、あるいは光伝送用に使用されない白色発光ダイオードによって可視光が生成されることがあり得る。本発明のこのような装置は、本発明の送信装置によって生成される可視光が照明用にも使用されることを特徴とすることができる。

光伝送用の光源として使用された発光ダイオードが可視光を生成する場合、観察者が感知できない光の変調は、十分に速い発光変化に対してはフリッカの知覚がなくなる残像現象により得ることができる。従って本発明の装置は、光の変調に対応する光束の変化が、実質的に２４Ｈｚ未満の周波数の成分を含まないことを特徴とすることができる。変調によっては、この２４Ｈｚという限度は、観察者が変調の存在を知覚しないようにするのに妥当である。変調によっては、例えば２００Ｈｚという、より高い限度を用いるのが有効なこともある。例えば、この特性は、符号化マーク反転モードの光オンオフキーイング及びダイオード電流を用いて、あるいは光強度変調とマンチェスタ符号を実施する可変部分を有するダイオード電流とを用いて、容易に得ることができる。本発明のこのような装置は、生成される可視光が照明用にも使用されることを特徴とすることができる。

照明に適した光を生成する本発明の装置は、それが通常の照明装置に見えるように設計することができる。従って、本発明の送信装置は、その自由空間光伝送の機能が秘密であり、送信装置の見かけの機能が照明であることを特徴とすることができる。

他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して、非限定的な例として示した本発明の特定の実施形態についての以下の説明から、より明らかとなるであろう。

非限定的な例として示した本発明の一例として、図１に、その入力端子（１）によってＡＣエネルギー分配システムに接続された本発明の装置を示してある。電源フィルタ（２）は、電磁適合性に関する規制に従って、電力回路によって１５０ｋＨｚを超える周波数で生成される伝導電磁妨害を効果的に低減することが可能である。電力回路は、整流器（３）、力率補正回路（４）、補助電源（５）及びＤＣ−ＤＣ変換器（８）を備える。専門家には周知である力率補正回路（４）は、非絶縁昇圧変換器である。これは電源から正弦波電流を引き出す。従って、これは、電磁適合性に関する規制に従って高調波電流の輻射を低くする。これはまた、事前調整も行う。ＤＣ−ＤＣ変換器（８）は、フライバック電源を備える。ＤＣ−ＤＣ変換器（８）の出力は、直列に接続された複数の高電力発光ダイオード（９）に接続され、これらのダイオードは、変調トランス（１０）の二次巻線と直列に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換器（８）の出力は定電流化され、従って、１Ｈｚ未満の周波数で高いダイナミックインピーダンスを有する。ＤＣ−ＤＣ変換器（８）の出力は、その出力フィルタコンデンサにより１０００Ｈｚを超える周波数で低いダイナミックインピーダンスを有する。変調トランス（１０）の一次巻線は、Ｄ級出力段を実装する制御回路（７）から供給される変調電流を受け取る。変調電流は、周波数０Ｈｚでスペクトル密度がゼロである変調のような、５００ｋｂｉｔｓ／ｓのデジタル信号による３７５ｋＨｚの副搬送波の最小シフトキーイング変調（ＭＳＫ）によって得られる。従って発光ダイオード（９）は、ＤＣ−ＤＣ変換器（８）から供給される直流電流を受け取り、この直流電流には、変調トランス（１０）の二次巻線から供給されたゼロ平均電流が重畳される。配電線を介する伝送用の受信機（６）は、その出力で復調信号を出すが、この復調信号は、２つの入力端子（１）に現れる３ｋＨｚを超える周波数の信号の復調により得られる。これらの復調信号は、制御回路（７）の入力に加えられ、この制御回路は、第１の出力でＤＣ−ＤＣ変換器（８）の電流コマンドを与え、第２の出力で、変調トランス（１０）の一次巻線に加えられる変調電流を供給する。発光ダイオード（９）によって生成される光が適切に変調され、かつ各発光ダイオード中を流れる平均電流がそれらの温度に対して適切な値になるように、制御回路（７）の出力の信号は、温度センサ（１１）によって測定される温度、及び変調信号によって決まる。生成される光がまた、上記フライバック電源及びＤ級出力段の使用により損失をほとんど伴わずに復調信号の関数として変調されるように、制御回路（７）、ＤＣ−ＤＣ変換器（８）、変調トランス（１０）及び温度センサ（１１）は、復調信号の関数としてダイオード電流を変調するスイッチモード制御装置を構成する。補助電源（５）は、配電線を介する伝送用の受信機（６）、制御回路（７）及びＤＣ−ＤＣ変換器（８）に給電する。

高出力発光ダイオードの老化が光束を減少させることが多いので、制御回路から供給される信号が、発光ダイオードで生成される放射束によって決まるように、制御回路（７）はまた、例えばフォトダイオードを含む光強度センサに結合することもできることに留意されたい。ＤＣ−ＤＣ変換器（８）の電流コマンドの変形を用いてダイオード電流の変調を得ることが理論的には可能であり、これにより変調トランス（１０）、及び制御回路（７）の第２の出力を不要にできることにも留意されたい。実際にこの解決法は、低速変調に適することがあるが、この例で考えられる変調では、この解決法は実際のところ低損失と両立しない。

図１には、入力端子（１）のレベルでのアース、接地又は保護接地線への接続が示されていない。このような接続は、例えば電気的安全性及び／又は電磁適合性のために明らかに存在してよい。

光の変調は、１０ｋＨｚ未満の周波数では非常に低いスペクトル密度をもたらし、従って感知不能である。発光ダイオード（９）が白色発光ダイオードである場合には、選択された変調方法は、前述のフランス国特許出願第０２１５３５９号に記載の色変化の現象が起きないようにすることにも留意されたい。

図１に示した例による装置は、照明だけを目的とする通常の照明装置に見えるように構築される。復調信号はまた、光の変調以外の機能、例えば、オン／オフ切換え又は光強度変更（暗くする機能）などの照明機能に関係する機能に用いることもできる。

本発明の装置によれば、配電線を介する伝送システムの送信器から送出される信号は、光伝送用の適切な受信機を使用して受信できる光信号に変換される。この光伝送は、電線及び無線を用いない伝送を可能にする。このようにして伝送される光信号は、音声、データなどに対応することができる。これらの光信号はまた、本発明の装置内部から発生する他の情報も含むことができ、例えば、専門家に周知のように、制御装置の幾つかの電気量又は発光強度の測定値から推定することができる発光ダイオードの老化に関係する情報を含むことができる。

本発明の装置は、データセットの伝送のための変調光の放射が、例えば、エネルギー分配システムを介して伝送される信号を基準にした同期化を用いて、適切に決定された時間に行われるようなものにすることができる。このようにして、本発明の複数の装置がそれぞれ変調光を生成するが、これらの変調は全く同じで、同相である。こうすると、本発明のこれら複数の装置によって生成された光を受信する、光伝送用の受信機が受け取る信号が増大する。

同じエネルギー分配システムに接続された本発明の複数の異なる装置が、専門家に周知のアドレス指定方式を用いて、別々の光信号を生成することもまた可能である。

本発明の自由空間光伝送用の装置は、特に、外部起源の無線周波数障害及び電磁妨害の影響を全く受けない態様で、建物内及び車両内で情報をブロードキャストするのに適する。多くの応用例が可能で、例えば、大量販売に使用される商業用施設内での価格に関するデータの送信に応用が可能である。

広範囲の事故又は災害という状況においては、無線伝送の能力が飽和し、あるいはひどく妨害されることが多いので、本発明の装置は、特に、建物内の非常用送信システムに実施することができる。この応用例では、本発明の装置はまた、安全照明機能を有することも可能である。

本発明の装置は特に、車両内の送信システムで実施することができ、この送信システムは、無線周波数の電磁障害を引き起こすことがない。

本発明の装置は、海水のような、透明ではあるが無線通信の可能性を制限するには十分な導体である媒体中の送信システムで実施することができる。

本発明の装置は特に、極端に強い電磁障害により無線通信の可能性が制限される場所での送信システムで実施することができる。

本発明の装置は、ある距離をおいたところで受信される可能性がある無線伝送を使用しないので、特に秘密送信に適し、とりわけ、装置が生成する光が光伝送用受信機に到達できない場合で、この光がこの受信機を対象としたものでない場合に適する。

本発明の実施形態を示す図である。

Claims (10)

1. 自由空間光伝送用の送信装置であって、
   上記光伝送用の光源として使用される１つ以上の発光ダイオードと、
   配電線を介する伝送用の受信機であって、その出力で「復調信号」を出すことができ、上記「復調信号」が、上記送信装置への給電を可能にする端子に現れる信号の復調により得られる受信機と、
   上記光伝送用の光源として使用された上記発光ダイオードによって生成される光を上記「復調信号」の関数として変調する制御装置とを備える、送信装置。
2. 上記光伝送用の光源として使用された全ての上記発光ダイオードから放射される光が、０．００５ステラジアン未満の立体角内では、上記光伝送用の光源として使用された全ての上記発光ダイオードによって生成される全放射束の５０％よりも大きい放射束を生成しない、請求項１に記載の送信装置。
3. 配電線を介する伝送用の上記受信機が、複数の搬送波、又はスペクトル拡散技術を用いた変調方法を使用する、請求項１又は２のいずれかに記載の送信装置。
4. 上記光を変調するために光オンオフキーイングが使用される、請求項１から３のいずれかに記載の送信装置。
5. 上記光を変調するために光強度変調が使用される、請求項１から４のいずれかに記載の送信装置。
6. 上記光伝送用の光源として使用される上記発光ダイオードが、観察者に見えない光を生成する、請求項１から５のいずれかに記載の送信装置。
7. 可視光が、光伝送用に使用されない少なくとも１つの光源によって生成される、請求項１から６のいずれかに記載の送信装置。
8. 上記光伝送用の光源として使用される上記発光ダイオードが可視光を生成し、上記光の変調が観察者には感知できない、請求項１から７のいずれかに記載の送信装置。
9. 上記送信装置によって生成される上記可視光が照明にも使用される、請求項１から８のいずれかに記載の送信装置。
10. 上記自由空間光伝送の機能が秘密であり、送信装置の見かけの機能が照明である、請求項１から９のいずれかに記載の送信装置。