JP2019506080A - 符号化光送信機、符号化光受信機、符号化光送信方法、及び符号化光受信方法 - Google Patents

Abstract

符号化光送受信回路及び符号化光送受信方法は、符号化光送信ウィンドウの開始及び終了を示すために信号を使用する。送信ウィンドウ中の電流波形にデータが変調される。前記送信ウィンドウ中の各データピーク値は、（判定レベルとして使用される）送信ウィンドウにおける平均電流を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値は、平均電流を下回る。このようにすると、全体的な判定電流は大幅に変動するが、符号化光信号は依然として確実に復号され得る、符号化光出力が生成され得る。平均レベルは、受信機において計算でき、復調するために使用できる。

Description

本発明は、光電気変換による受信のために、データが光出力に変調される、符号化光の使用に関する。

固体照明、特にＬＥＤ照明の使用は、現在、多くの異なる適用範囲において標準的なものであり、従来の白熱照明に取って代わっている。固体照明は、効率の向上、カラーコントロール、及び、高い頻度で光出力を変更して動的照明効果をもたらす能力を提供する。

この動的なやり方でＬＥＤ照明を制御する能力はまた、単純な照明以外の他の用途も切り開いてきた。１つのそのような新たな用途は、いわゆる符号化光通信（Coded Light Communication）である。原則として、この技術は、ＬＥＤ出力を利用してデータ通信チャネルを供給する。ＬＥＤ光源は、制御が簡単であり、ナノ秒のタイミングで光出力をオン及びオフする能力を有する。人間の眼により行われる視覚保持は、例えば約２００Ｈｚ以上の周波数で実行されたときに、これらの照明の変化を知覚できなくする。それゆえ、ＬＥＤ照明は、一般的な光出力レベルを供給し、更なる高周波（短期間）変調ビットを供給して、デジタル信号を受信機に伝達することによって、通信用と照明用に同時に使用され得、それにより、デジタル通信が実現される。

例えば、ビット周期中の光出力は、デジタルの１を表すことができ、ビット周期中の光出力の欠如は、デジタルの０を表すことができる。このようにすると、ＬＥＤ光は、符号化デジタル信号を送信することができる。そのようなデータ送信には、多くの用途がある。集中データ交換があり得る。そのような手法は「ＬｉＦｉ」として知られるようになった。他の例においては、例えば、対象データのパケット、位置ロケーション、及び他の有用な情報を伝達するためのより控えめなデータ転送があり得る。それゆえ、符号化光システムは、例えば、音楽、又はロケーション情報若しくは他のロケーション固有情報をブロードキャストするために使用され得る。

バイナリ情報を符号化するための光出力の点滅は、１つの手法である。実際には、より洗練された手法が使用され得る。信号送信のためにＬＥＤ光出力を完全にオン及びオフする代わりに、光出力の揺らぎがより少なくなるように、部分変調（すなわち、光源を完全にオン及びオフするのではなく搬送波レベルに対するオフセットを使用する）が使用され得る。より詳細には、ビット周期中の強光は、デジタルの１を表すことができ、ビット周期中の弱光は、デジタルの０を表すことができる。更に、符号化されたデータが、データコンテンツに依存するやり方で平均光出力レベルを変更しないことを保証するために、マンチェスタ符号化（又は他の手法）が使用され得る。

図１は、部分変調方式を示す。この図は、ＬＥＤ電流対時間を示している。ＬＥＤ光出力は、ＬＥＤ電流に比例すると仮定され得る。

ベース電流レベルＩ_ＳＥＴは、低周波数又はＤＣの所望の光出力レベルに対応する。これは、変調搬送波信号として機能する。搬送波レベルＩ_ＳＥＴの上下に深さＩ_ＭＯＤの変調信号が、周期Ｔでデータを変調するために使用される。これは、下方のバレー電流レベルＩ−及び上方のピーク電流レベルＩ＋を与える。

受信機が、ルーメン変化を検出し、かつ、符号化デジタル信号を正確に解釈できることを保証するために、全体的な電流レベルＩ_ＳＥＴは安定している必要がある。二段ＬＥＤ照明ドライバの場合、前記二段ドライバから出力される電流は、電流レベルＩ_ＳＥＴが一定である、あるいは、（例えば、調光変更がなされるときに変動する）符号化光信号よりもはるかに低い変動周波数を有するように、比較的安定的になる。

しかしながら、一段ＬＥＤ照明ドライバの場合、ＡＣＡＣ電源の正弦波リップルに起因して、大きい１００Ｈｚ（又は、６０Ｈｚ電源の場合には１２０Ｈｚ）のリップル電流がある。

図２ａは二段の電流波形を示し、図２ｂは一段の電流波形を示している。リップルは、整流正弦波に従う。二段ドライバの場合、判定電流として使用される平均電流レベルＩ_ＳＥＴはうまい具合に、変調された信号のピークとバレーとの間になる。しかしながら、図２ｂに示されるように、一段ドライバの場合、平均電流レベルＩ_ＳＥＴは、リップルがその最低点にあるときには変調された正パルスＩ＋よりも高くなり得る。それゆえ、図２ｂは、使用された変調の深さが、検出され得るものの限界にある（又は、実際には、それを少しだけ超えている）ことを示している。同様に、平均電流レベルＩ_ＳＥＴは、リップルがその最高点にあるときには変調された負パルスＩ−より低くなり得る。これは、変調の深さが図２ｂに示したものよりもわずかに小さい場合に起こる。米国特許出願公開第２０１３／００１６９６５Ａ１号は、平均電流を判定しきい値として使用することを開示する。

これは、示された変調の深さが適用されるときには、変調されたデータを復号することがもはや可能ではないことを意味する。特に、最大の負の変調信号Ｉ−が、最小の正の変調信号Ｉ＋にあまりにも近接している。また、それらの間には、保護帯域が判定レベル（Ｉ_ＳＥＴ）の両側に設けられ得るようにマージンが必要である。

また、米国特許出願公開第２０１３／００１６９６５Ａ１号は、バースト送信を示すためにプリアンブルを使用することを提案し、プリアンブルの中間ロジックレベルが、残りの送信のための判定しきい値として使用される。

出力される電流波形に著しいリップルを含むＬＥＤドライバの場合は、低い変調の深さが望まれる場合に、符号化光システムの実装は困難であるという課題は残っている。

本発明の実施形態の基本的な考え方は、リップル電流のサイクル全体を複数のウィンドウに分割することであり、各ウィンドウにおける判定電流は、変調された信号のピークとバレーとの間にあり、判定電流は、異なるウィンドウについて異なってもよい。送信機は、ウィンドウの開始を示す開始信号、及びウィンドウの終了を示す終了信号（場合によっては、次のウィンドウの開始信号として再使用される）を送信する。受信機は、ウィンドウの開始及び終了を検出することによって、各ウィンドウを検出することができ、各ウィンドウに関して検出が実行される。

本発明は、特許請求の範囲によって規定される。

本発明の一態様による諸例によれば、発光要素を駆動するための電流波形に情報を変調するための電子回路であって、前記電流波形は、何らかの変調が適用される前に経時的に変動し、前記回路は、送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を電流波形に供給するための第１のユニットと、シーケンシャルに、電流波形にオフセットを加算してピーク値を生成すること、及び／又は電流波形からオフセットを減算してバレー値を生成することによって、送信ウィンドウ中の電流波形にデータを変調するための変調器と
を備え、前記変調器は、前記送信ウィンドウ中の各ピーク値が送信ウィンドウにおける平均電流を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値が平均電流を下回るように、オフセットを設定するように適合されている、電子回路が提供される。

本回路では、変調された電流波形データのピークがウィンドウ内の平均電流値を常に上回り、変調された電流波形データのバレーがウィンドウ内の平均電流値を常に下回る送信ウィンドウが識別される。それゆえ、この平均電流は、判定レベルとして使用される。判定電流は、送信ウィンドウの時間全体にわたる平均電流であっても、あるいは、送信ウィンドウのより小さい部分の平均電流であっても、あるいは、瞬時電流レベルであってもよい。例えば、判定電流は、（送信ウィンドウの開始時の平均電流であるともみなされ得る）第１の電流信号の電流レベルであり得る。

例えば、ピークは、少なくとも保護レベルだけ平均値よりも高く、また、バレーは、少なくとも保護レベルだけ平均値よりも低く、それにより、判定電流レベルとなるように設定された判定レベルに基づいて、各ピークは、常に論理的ハイとして識別され得、各バレーは、論理的ローとして識別され得る。このようにすると、電流全体が著しく、例えば、変調の深さ（すなわちオフセットサイズ）と同じかそれよりも多く、変動する符号化光出力が生成され得る。データ送信のために連続した時間期間を選択することによって、これらの電流変動全体が許容され得るが、これは、判定レベルが、電流波形の変動周期にわたって順応性があり、各ウィンドウの開始時の、又は各ウィンドウ全体にわたる平均受信信号に基づいて、受信機において適応され得るからである。このようにすると、より低コストのドライバアーキテクチャが使用され得る。（変調前の）電流波形の各変動周期中のウィンドウは１つしかないことがあり、その場合、受信機において必要とされる判定レベル（しきい値）は、１つしかなく、例えば、送信時間全体についての全体的な平均電流値である。代替的には、（変調前の）電流波形の変動周期内に、複数の送信ウィンドウがあってもよく、それにより、送信時間が最大化され得る。第１及び第２の電流信号は、例えば、１つのウィンドウの終了及び次のウィンドウの開始を示す、同じタイプの信号であり得る。

第１及び第２の電流信号は、変調周波数とは異なる周波数、又は変調されたデータのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを備える信号を含み得る。

異なる周波数又は異なる単一パルス継続時間の使用により、データ送信ウィンドウの開始及び終了を、最終的に符号化光信号を復号する受信機デバイスにシグナリングすることが可能になる。データ送信の間、前記異なる周波数又はパルス継続時間は、例えば、第１の電流信号が第１の周波数から第２の周波数への変更であり、第２の電流信号が第２の周波数から第１の周波数への再変更であるように維持し得る。データ送信が行われる時間期間を識別するように復号され得る、任意の好適な信号変化が使用され得る。

例えば、第１の電流信号は、前のウィンドウの終了を示すように更に適合され得、第２の電流信号は、次のウィンドウの開始を示すように更に適合され得る。それゆえ、ウィンドウは時系列に配列され得、各ウィンドウの開始及び終了のシグナリングのオーバーヘッドが低下する。

本回路は、好ましくは、送信ウィンドウ中の電流波形に変調される情報のビット数を決定するためのプロセッサを備える。

このようにすると、本データ変調回路は、送信ウィンドウの時間に適合することができるデータ量を変調し、したがって、各送信ウィンドウの長さがインテリジェントに決定され得る。

プロセッサが、特定のウィンドウ中に送信するビット数を決定することができる様々なやり方が存在する。

第１の手法では、プロセッサは、電流波形の各サイクルにおける予め記憶されたウィンドウロケーションに従って、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さを決定するように適合される。第１の手法では、電流波形の変動周期内のウィンドウロケーションが予め設定されている。これは、静的な手法である。この手法では、標準的な入力電源に基づく製品検査中に、予め記憶されるウィンドウロケーションが計算され得る。例えば、各電源サイクルにおけるウィンドウ長さは、位相０〜π／４、π／４〜３π／４、３π／４〜π、又は代替的には、０Ｖ〜Ｖｍ^＊０．７０７、Ｖｍ^＊０．７０７〜Ｖｍ^＊０．７０７及びＶｍ^＊０．７０７〜０の電圧範囲（Ｖｍは、正弦波電源電圧のピーク振幅である）などのセクションとして記憶され得る。データを予め記憶するコストは極めて低く、したがって、この手法についての総コストは低い。

第２の手法では、プロセッサは、ビット当たりの電流波形の変動率及びオフセットのサイズ（すなわち、変調の深さ）に従って、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さを決定するように適合される。第２の手法では、電流波形の動的な変動の仕方が監視され、変調の深さ（オフセット）を考慮することによって、送信ウィンドウの長さが決定され得る。

第３の手法では、プロセッサは、送信ウィンドウ内の任意の特定の時点における電流波形のリアルタイム検出値及び平均電流に従って、前記送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さを決定するように適合される。この第３の手法では、電流波形と平均電流との進行中の比較が行われる。この手法は、平均電流がそのウィンドウにおける変調のピーク／バレー範囲外になったことを検出することによって、平均電流が判定しきい値として有効でなくなった時を決定することができる。次いで、現在のウィンドウが停止され得、新しいウィンドウが開始され得る。より詳細には、プロセッサは、特定の時点における電流波形のリアルタイム検出値にオフセットをプラス又はマイナスしたものが判定電流に達した場合に、送信ウィンドウの終了を決定するように適合され得る。上記で論じられたように、この判定電流は、前記ウィンドウにおける長期の平均電流、又は単に前記ウィンドウの開始時の瞬時電流値であり得る。

例えば、これは、判定電流が負のオフセットをもつ変調により超過されるとき、あるいは、判定電流が、正のオフセットをもつ変調よりも大きいとき、しきい値としての判定電流の使用がもはや好適ではないので、送信ウィンドウが終了する必要があることを意味する。

本回路は、発光要素と直列接続するための変調抵抗器と、変調抵抗器を選択的に短絡させ、それにより電流波形を変調するための、変調抵抗器と並列な短絡スイッチとを備えてもよい。

このことは、照明ドライバにより駆動される出力負荷の変調に基づいて、符号化光出力を供給する単純なやり方を提供する。

本発明はまた、データを用いて変調された光を放出するための照明ユニットであって、
１つ以上のＬＥＤを含む発光要素と、
符号化光入力信号に基づいてデータをＬＥＤ駆動電流に変調し、それにより符号化光出力を供給するための、上記で規定された回路と
を備える、照明ユニットを提供する。

この照明ユニットは、上記で規定された変調回路を内蔵している。

本発明はまた、ＬＥＤドライバであって、
一段ＬＥＤドライバアーキテクチャと、
データをＬＥＤ駆動電流に変調し、それにより符号化光出力を供給するための、上記で規定された回路とを備える、ＬＥＤドライバを提供する。

この例では、低コストの一段ＬＥＤ照明ドライバに、変調回路が統合されている。

本発明はまた、照明システムであって、
１つ以上のＬＥＤを含む発光要素と、
一段ＬＥＤドライバと、
データをＬＥＤ駆動電流に変調し、それにより符号化光出力を供給するための、上記で規定された回路と
を備える、照明システムを提供する。

本照明システムにおいて、回路は、ドライバの一部、又は照明要素の一部、又は別個の要素であり得る。

本発明の別の態様による諸例は、符号化光信号に変調されたデータを受信するための電子回路であって、
経時的に変動する波形を有する電流信号に光入力を変換するための光受信要素と、
送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を検出するための検出回路と、
送信ウィンドウ中の電流波形に変調されたデータを検出するための復調器と
を備え、前記復調器が、
電流波形の瞬時値を検出し、
送信ウィンドウにおける電流波形の平均値を計算し、
瞬時値が平均値よりも大きい場合にはピーク値を決定し、かつ、瞬時値が平均値よりも小さい場合にはバレー値を決定し、
決定されたピーク値及びバレー値に従って、データを決定する
ように適合されている、電子回路を提供する。

この態様は、上記で規定された変調回路により符号化光信号として送信されたデータを復調するための復調回路を提供する。本復調回路は、いつ送信ウィンドウが開始し、完了するかを検出し、送信ウィンドウ中のデータを復調する。本復調回路は、例えば送信ウィンドウの開始時に、送信ウィンドウにおいて検出された判定電流に基づいて、判定レベルを決定することができ、あるいは、判定電流は、例えば送信ウィンドウ全体にわたる、平均値に基づき得る。

第１及び第２の電流信号は、変調周波数とは異なる周波数、又は変調されたデータのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを備える信号を含み得る。

本発明の別の態様による諸例は、発光要素を駆動するための電流波形に情報を変調するための方法であって、前記電流波形は、何らかの変調が適用される前に経時的に変動し、本方法は、
送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を電流波形に供給するステップと、
シーケンシャルに、電流波形にオフセットを加算してピーク値を生成すること、及び／又は電流波形からオフセットを減算してバレー値を生成することによって、送信ウィンドウ中の前記電流波形にデータを変調するステップと
を含み、
前記変調するステップは、前記送信ウィンドウ中の各ピーク値が送信ウィンドウにおける平均電流を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値が平均電流を下回るように、オフセットを設定するステップを含む、方法を提供する。

本方法は、変調周波数とは異なる周波数を供給することによって、又は変調されたデータのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを供給することによって、第１及び第２の電流信号を生成するステップを含み得る。

データを変調するステップは、発光要素と直列である変調抵抗器を選択的に短絡させ、それにより電流波形を変調することによって実行され得る。

本方法は、送信ウィンドウ中の電流波形に変調される情報のビット数を決定するステップを更に含み得る。第１の手法では、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さは、電流波形の各サイクルにおける予め記憶されたウィンドウロケーションに従って決定され得る。第２の手法では、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さは、ビット当たりの電流波形の変動率及びオフセットのサイズに従って決定され得る。第３の手法では、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さは、特定の時点における電流波形のリアルタイム検出値、及び前記送信ウィンドウの開始から前記特定の時点までの平均電流であり得る判定電流に従って決定され得る。

本発明の別の態様による諸例は、符号化光信号に変調されたデータを受信するための方法であって、
経時的に変動する波形を有する電流信号に光入力を変換するステップと、
送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を検出するステップと、
送信ウィンドウ中の電流波形に変調されたデータを検出するステップであって、
電流波形の瞬時値を検出するステップ、
送信ウィンドウにおける電流波形の平均値を計算するステップ、
瞬時値が平均値よりも大きい場合にはピーク値を決定し、かつ、瞬時値が平均値よりも小さい場合にはバレー値を決定するステップ、及び
決定されたピーク値及びバレー値に従って、データを決定するステップ
を含む、検出するステップと
を含む、方法を提供する。

この態様は、変調回路及び変調方法により供給される、変調されたデータを受信し、復号するための方法を提供する。判定電流は、判定電流がウィンドウの開始時の平均電流などの送信ウィンドウの一部分のみの瞬時値又は平均に基づき得るように、第１の電流信号から受信機により決定され得る、あるいは、判定電流は、リアルタイムに動的に経時的に進行するので、送信ウィンドウ全体から受信機により決定され得る。

第１及び第２の電流信号を検出するステップは、変調周波数とは異なる周波数の信号を検出するステップ、又は変調されたデータのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを検出するステップを含み得る。

本発明のこれらの又は他の態様は、本明細書に記載される実施形態から明らかになり、それらを参照すると解明されるであろう。

以下では、本発明の諸例が、添付図面を参照して詳細に説明される。

部分変調方式を示す図である。 二段の電流波形を示す図である。 一段の電流波形を示す図である。 ソース同期型信号送信原理を示す図である。 ソース同期型信号送信システムを示す図である。 直列ストリングにおける各ＬＥＤの両端の電圧（ｘ軸）と順電流（ｙ軸）との関係を示す図である。 同期信号、第１の同期周期及び第２のデータ送信周期を示す図である。 復調回路を示す図である。

本発明は、符号化光送信ウィンドウの開始及び終了を示すために信号を使用する、符号化光送受信回路及び符号化光送受信方法を提供する。送信ウィンドウ中の電流波形にデータが変調される。前記送信ウィンドウ中の各データピーク値は、送信ウィンドウにおける判定電流（判定レベルとして使用される）を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値は、判定電流を下回る。このようにすると、全体的な判定電流は大幅に変動するが、符号化光信号は依然として確実に復号され得る、符号化光出力が生成され得る。判定レベルは、受信機において適合され得る。

本発明は、通信前に送信開始インジケータ信号を使用することによって、受信機と信号送信機との同期を行う。このようにすると、復調のための判定レベルを、経時的に変動するようにすることができ、リップル電流を許容することができる。符号化光システムは、上記の式１がフルタイムサイクルについては当てはまらないが、フルタイムサイクル内の各送信ウィンドウについては当てはまる場合であっても、依然として機能する。このようにすると、低コストでコンパクトな一段ＬＥＤ照明ドライバもまた使用され得る。

図３は、ソース同期型信号送信原理を示している。

瞬時平均電流は、プロットＩ_ＳＥＴとして示されており、上方境界と下方境界との間で変動する。

受信機における固定された判定レベルを設定する代わりに、例えばフルサイクルにわたる電流の平均Ｉ_ＳＥＴに基づいて、判定電流Ｉ_ＳＥＴの動的値が規定される。この動的値は、図３においてＩ_{ＳＥＴ．Ｓｙｎ}として示されている。

前記手法は、送信時間ウィンドウ３０を設定することを含む。更に以下で説明されるように、送信ウィンドウ３０のタイミングは、送信機と受信機の双方に知られている。特に、第１の電流信号は送信ウィンドウ３０の開始を示し、第２の電流信号は送信ウィンドウ３０の終了を示す。

次いで、変調器は、上記で説明したように、シーケンシャルに、電流波形にオフセットを加算してピーク値を生成すること、及び／又は電流波形からオフセットを減算してバレー値を生成することによって、送信ウィンドウ３０中の電流波形にデータを変調する。

送信ウィンドウ３０中の各ピーク値は、送信ウィンドウにおける判定電流を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値は、判定電流を下回り、判定電流は、送信ウィンドウの開始時の平均電流又は送信ウィンドウ全体にわたる平均電流、あるいは符号化光技術／プロトコルにより所望されるような任意の他の基準値として選択され得る。

このようにして、判定電流は、そのウィンドウ内のピークとバレーとを確実に区別するために使用され得る。好ましくは、各ピーク値は、保護レベルだけ判定値を上回り、各バレー値は、（同じでも異なっていてもよい）保護レベルだけ判定値を下回る。このことは、判定レベルを使用した信頼できる判定を保証する。

電流波形周期全体よりも短い時間ウィンドウを規定することによって、より小さい変調の深さを使用して、光出力における変動をより少なくすることができる。 これは、目に見えるちらつきを低減するのに役立つ。

図３の例では、判定電流値Ｉ_{ＳＥＴ．Ｓｙｎ}は、ウィンドウ３０の開始時の平均値、すなわち、ウィンドウ３０内に生じる最初のバレー値と最初のピーク値との平均である。それゆえ、判定は、ウィンドウの継続時間にわたる平均ではないが、ウィンドウの開始時の瞬時値（又は瞬時平均）であるとみなされ得る。代替的な手法が以下で論じられる。

ウィンドウ３０は、判定レベルＩ_{ＳＥＴ．Ｓｙｎ}が信頼できなくなり得る前に終了する。図３に示すように、ウィンドウ３０後の次のバレー値は、Ｉ_{ＳＥＴ．Ｓｙｎ}値に非常に近接している（保護帯域よりも小さい）ので、Ｉ_{ＳＥＴ．Ｓｙｎ}値を前記次のバレー値を検出するための判定レベルとして使用することができない。

ドライバは、リップル又は雑音レベルを知っており、それにより、送信ウィンドウ３０の好適な継続時間を計算することができ、したがって、各送信ウィンドウ３０において（既知のビットレートで）送信するビット数もまた計算することができる。ウィンドウの長さを決定するための詳細な解決策が以下で解明される。

電流波形全体の各周期について、ウィンドウ３０は１つしかないことがある。これは、必要とされる判定レベルが１つのみであることを意味する。しかしながら、それは、データ送信が使用されないときには時間が浪費されることを意味する。それゆえ、各サイクル（１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚ）において複数の送信ウィンドウが適用され得る。このようにすると、大きいデータボリュームの符号化光通信が、リップル電流を起こしやすい一段ＬＥＤ照明ドライバにおいて実現可能である。

図４は、ソース同期型信号送信システムを示す図である。

ＬＥＤ４０（実際には、ＬＥＤの１つ又は多くのストリングを備えている）は、ＬＥＤを通る電流の変調を実施するためのスイッチング回路４２と直列である。ＬＥＤは、絶縁型フライバックコンバータとして示される一段ドライバ４４により駆動される。スイッチング回路４２は、デジタルの１の値を示すようにピーク電流を変調し、また、デジタルの０の値を示すようにバレー電流を変調する。

スイッチング要素４２は、抵抗器４８と並列なトランジスタ４６を備える。トランジスタ４６に印加されるゲート信号は、２つの部分、すなわち、同期信号５０及び変調信号５２を含む。これらは、各送信ウィンドウ中に供給されるビット数を決定するためのプロセッサ５４を含むドライバによって、ゲートに印加される。一例では、同期信号５０は、他の時点で適用されるものとは異なる継続時間を有するパルスを含み、同期信号５０は、変調信号／データよりもはるかに低い周波数を有しなければならない。これらは、送信ウィンドウの開始及び／又は終了を示すための開始信号及び／又は終了信号として使用され得る。送信ウィンドウが時間ギャップを伴わない時系列である場合、単一の信号が、１つのウィンドウのための終了インジケータ、並びに次のウィンドウのための開始インジケータとして機能することができる。代替的には、別個の開始信号及び終了信号が存在してもよい。

スイッチ４６の制御が、抵抗器４８がＬＥＤと直列になるか、あるいは短絡されるかを決定する。このようにして、負荷が変動され、それにより、ＬＥＤを通る電流が変更されて、異なる出力ルーメンを生じる。例えば、スイッチ４６が完全に導通しているときには、ピークルーメン出力を放出するために、ＬＥＤにピーク電流が供給され、スイッチ４６がオフのときには、バレールーメン出力を放出するために、ＬＥＤをバレー電流が流れる。

変調抵抗器４８が変調の深さを決定し、結果として生じる出力ルーメンは、バス電圧Ｖ_ｂｕｓ及びＬＥＤの特性に依存する。

データの送信は、送信ウィンドウ中にのみデータが変調されるように制御される必要がある。この目的のために、各送信ウィンドウにおいて送信されるビット数が決定される。

送信機は、信号を送信すると決定すると、送信ウィンドウの開始を示すための第１の同期信号を送る。上述されるように、これは、変調された電流の出力周波数又は周期を変えることによって、例えば周期が第１の値から第２の値に変えられることによって、実現され得る。

受信側において、受信機は、リップル電流成分を含んでいる変調されたルーメンの変化をサンプリングする。受信機は、隣接するルーメンの変化のタイミングを測定することによって、任意の特定のパルスの周期を簡単にサンプリングし、検出することができる。次いで、前記周期（又は周波数）の変化が、通信開始インジケータとして使用される。それゆえ、あらゆる通信の開始前に、ドライバは、受信機に同期信号を送り、その後、コンテンツビットを送る。

一例では、判定電流値を規定するために、ウィンドウの開始時の同期信号の平均電流（すなわち、異なる周期を持つ信号のバレーとピークの平均）が使用される。代替的には、ウィンドウの終了までのウィンドウ全体にわたる平均電流が、判定電流値として検出され得る。

ドライバは、１つの送信ウィンドウにおいてどのくらい多くのビットを送るかを計算する。必要とされる全てのデータビットが１つの送信ウィンドウでは送信できないときには、ドライバは、残りのデータビットのために、後続の同期及び送信ウィンドウを開始することができる。

信号変調のために、Ｉ_ＳＥＴ、Ｉ_ＭＯＤ及びＭ_ｄｒｅｌの値が計算されなければならない。パラメータＩ_ＳＥＴ及びＩ_ＭＯＤは、上記で規定されている。値Ｍ_ｄｒｅｌは、相対的な変調の深さであり、下記のように規定される。

所与のＬＥＤ照明モジュールの場合、直列又は並列のＬＥＤの数は固定され、ＬＥＤの特性もまた固定される。その結果、Ｉ_ＭＯＤ値及びＭ_ｄｒｅｌ値は計算され得る。Ｉ_ＭＯＤ又はＭ_ｄｒｅｌの値は、１つの有効送信ウィンドウにおいてどのくらい多くのビットが送信できるかを決定するために重要である。

図５は、３つの異なるＬＥＤ構成について、直列ストリングにおける各ＬＥＤの両端の順電圧（ｘ軸）とＬＥＤ順電流（ｙ軸）との関係を示す図である。３つの異なるプロットは、３つの異なるＬＥＤ（例えば白色、赤色及び青色）を示している。異なるタイプのＬＥＤは、異なるＶ−Ｉ関係を有し、したがって、異なる負荷インピーダンスをドライバにもたらす。それゆえ、リップル電流もまた、ＬＥＤタイプに依存する。

中央のプロットについて示されるように、最良適合線が規定され得、前記最良適合線は、特定のＬＥＤタイプについての電流による電圧の変動をモデル化する。それは、抵抗器４８が回路の中及び外に切り替えられるときのストリングの両端の電圧変化が決定され得（電圧変化は抵抗器の両端の電圧降下である）、次いで、最良適合線を使用して、各ＬＥＤを通る電流変化が決定され得、次いで、新しい動作点を規定することを意味する。

図４の回路について、図５に示される関係に基づくと、最良適合線は、以下によって規定され得る。

式３において、ＩはＬＥＤストリングを通る電流フローであり、Ｖ_ｂｕｓは、リップルを有し、一段ドライバにおいてＬＥＤ電流リップルをもたらす、バス電圧である。ｍは直列接続しているＬＥＤの数であり、Ｖ_０は各ＬＥＤについての電圧適合点であり、ｋは電流に対する電圧変化率であり、Ｒ_ｍは、変調抵抗である。

式３から、以下の関係が得られ得る。

Ｒ_ｍの値は、変調の深さを、したがってＩ_ＭＯＤを決定する。所与の一段ＬＥＤ照明ドライバでは、リップル電流又は電流変化の大きさは固定される。その結果、Ｉ_ＭＯＤの値が、１つの送信ウィンドウにおいてどのくらい多くのビットが送信できるかを決定する。

特定の一段ＬＥＤ照明ドライバの場合、時間ｔ_ｉからｔ_ｉ＋１までの電流リップルの変化は、ドライバに知られており、ΔＩ_{ｒｉｐｐｌｅ［ｔｉ，ｔｉ＋１］}＝Ｉ_{ＳＥＴ．ｔ＋１}−Ｉ_{ＳＥＴ．ｔｉ}と称され得る。

Ｉ_{ＳＥＴ．ｔ}は、異なる時点のＩ_ＳＥＴ値を示す。

次いで、各ウィンドウにおいて送信できる理論ビット数は、以下のように規定され得る。

ＩＮＴは、整数丸め演算である。
ΔＩ_{ｒｉｐｐｌｅ}は、各変調周期内の電流変動であり、Ｉ_ＭＯＤは、変調の深さである。Ｉ_ＭＯＤがより大きいことは、変調の深さが大きいことを意味し、これは、より多くのビットが送信されることを可能にするが、ちらつきを悪化させる。また、Ｉ_ＭＯＤにおける変化並びに電源サイクルにおける値ΔＩ_{ｒｉｐｐｌｅ}の時間依存性も考慮に入れられ得る。

上記の例は、同期信号の使用に基づき、前記同期信号によって出力周期は変えられる。図６は、周期Ｔ１を有する同期信号６０、それに続く、周期Ｔ２を有するウィンドウ内のデータ送信を示している。これは、マスタ制御ユニット内のタイマによって実現され得る。タイマは、デフォルトで値Ｔ２にされ得、同期パルスを検出するとＴ１に変わる。

変調は、「１」信号の場合には搬送波電流Ｉ_ＳＥＴがＩ＋に変更され、信号「０」の場合には搬送波電流Ｉ_ＳＥＴがＩ−に変更される、従来の様式で実行される。デジタル値１及び０は、反対に符号化され得、１及び０の呼称は完全に任意的なものであることを留意されたい。

Ｉ＋信号の場合、変調器出力は、スイッチ４６を駆動して閉じるように高い電圧になり、したがって、抵抗器４８はバイパスされ、ＬＥＤを通る電流フローは最大値に達する。Ｉ−信号の場合、変調器出力は、スイッチ４６がオフになるように低い電圧を有し、この場合、電流は、ＬＥＤストリング及び抵抗器４８を通過する。所与のバス電圧Ｖ_ｂｕｓの場合、変調抵抗器が直列接続に追加されるので、ループ内の電流は、Ｉ−まで低減される。

変調抵抗器４８（抵抗Ｒ_ｍ）は、Ｉ_ＭＯＤ値を制御し、更に、１つの送信ウィンドウにおける有効ビットの数を決定する、変調の深さのコントローラとして動作する。

ドライバは、送信される必要がある合計ビット数、及び、各送信ウィンドウにおいてどのくらい多くのビットが送信できるかを知っている。

異なる継続時間のパルスに基づいて送信ウィンドウの開始及び終了をどのようにシグナリングするかについての一例が上述されている。信号は、例えば変調周波数とは異なる周波数の、パルスのシーケンスであり得る。データ変調は全て、新しい周波数で実行され得、したがって、スタンバイ周波数と変調周波数とがあり、開始信号は、スタンバイ周波数から変調周波数への変更であり、終了信号は、変調周波数からスタンバイ周波数への変更である。単一の信号が、１つのウィンドウの終了及び次のウィンドウの開始を示し得る。実際には、データ送信が行われる時間期間を識別するように復号され得る、任意の好適な信号変化が使用され得る。

受信機における判定レベルとして使用される平均電流レベルをどのように設定するかについての一例が上述されている。

受信機における電流レベルは、送信機における電気光変換、それに続く受信機における光電気変換後の検出された電流に基づくことが留意されるべきである。それゆえ、電流レベルは、送信機と受信機とにおいて同一ではないが、互いに対応している。これは、受信機における電流がより高いことが、送信機における電流がより高いことにつながり、その逆も成り立つことを意味する。

図７は、符号化光信号に変調されたデータを受信するための電子回路を示している。フォトダイオードなどの光受信要素７０は、経時的に変動する波形を有する電流信号に光入力を変換する。検出回路７２は、送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を検出する。また、前記回路は、データを復調するための判定レベルとして使用される判定電流を決定する。上記で説明されたように、第１及び第２の電流信号の検出は、周波数分析又はパルス継続時間測定に基づき得る。判定電流は、第１の電流信号の間の平均検出信号として決定され得、あるいは、送信ウィンドウの継続時間にわたって受信される信号に基づいて決定され得る。復調器７４は、送信ウィンドウ中の電流波形に変調されたデータを検出する。これは、判定電流を利用する。電流波形の瞬時値は、送信ウィンドウにおける電流波形の判定値と比較される。

また、判定電流を規定する他の方法も存在する。例えば、（開始時ではなく）送信ウィンドウ全体にわたる平均電流が使用され得る場合、送信ウィンドウはより長くてもよい。これは、受信機が、送信ウィンドウの終了時に判定レベルを決定し、次いで、受信したデータを後処理することによって可能になり得る。これは、遅延を導入するが、例えばリップルの１つの周期では固定され得る。

次いで、送信機は、特定のポイントまでの送信ウィンドウについての平均電流レベルとして判定レベルを決定することができ、前記ウィンドウは、その平均電流に基づいた検出が必要な保護帯域内に入らなくなった時に終了する。

この場合、判定レベルとして使用される平均電流は、送信ウィンドウの開始から特定の時点までの平均電流となる。

この場合、後処理は、送信ウィンドウが終了した後にのみ平均値（したがって、判定レベル）が決定される場合に使用され得る。

送信ウィンドウにおいて送信されるビット数を、経時的な電流波形の揺らぎの知識と、バレー及びピークを生成するために使用される既知の変調の深さとに基づいて、どのように計算するかについての一例が提供されてきた。

別の手法では、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さは、電流波形の各サイクルにおける予め記憶されたウィンドウロケーションに基づき得る。その場合、これらの設定されたウィンドウ位置は、既知の電流の一般的な揺らぎに基づく。これは、送信ウィンドウタイミングの設定に対する静的な手法である。例えば、標準的な電源入力を仮定すると、ＬＥＤへのリップル電流が試験手順で検出され、適切な長さをもつそれぞれのウィンドウが、データスループット全体を最大化する基準を用いて、リップル電流にウィンドウを適合させることによって設計される。

更に別の手法では、プロセッサは、特定の時点における電流波形のリアルタイム検出値及び判定電流に従って、送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さを決定するように適合される。上述されるように、この判定電流は、ウィンドウの開始時の平均電流として固定され得、あるいは、この判定電流は、それ自体を経時的に更新することができ、特定の時点までの送信ウィンドウ内の平均値に基づいている。このようにして、ウィンドウサイズが、動的に決定される。判定電流（ウィンドウ中で、固定されるか又は電流信号をトラッキングするかにかかわらず）が、そのウィンドウ内の負のオフセットを用いたいずれかの電流の変調により超過される（又は、変調の保護帯域内である）とき、あるいは、判定電流が、そのウィンドウ内の正のオフセットを用いたいずれかの電流の変調を上回る（又は、変調の保護帯域内である）とき、しきい値としての判定電流の使用がその送信ウィンドウについてもはや好適ではないので、送信ウィンドウは終了する必要がある。

本発明は、可視光通信を必要とする他の固体照明用途、又は屋内測位サービスのためなどの符号化光用途の任意のＬＥＤのために使用され得る。本発明は、照明システムのコミッショニング、及び他のロケーションサービス及びコンテンツサービス（広告など）、及び符号化光受信機を用いたモバイルデバイスへのコンテンツプッシングのために使用され得る。

開示された実施形態に対する他の変更は、図面、本開示、及び添付の「特許請求の範囲」の研究から、特許請求された発明を実施する際の当業者によって理解され、遂行され得る。「特許請求の範囲」では、用語「含む（comprising）」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を排除するものでない。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。「特許請求の範囲」内のいずれの参照符号も、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 発光要素を駆動するための電流波形に情報を変調するための電子回路であって、前記電流波形は、何らかの変調が適用される前に経時的に変動し、前記回路は、
   送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を前記電流波形に供給するための第１のユニットと、
   シーケンシャルに、前記電流波形にオフセットを加算してピーク値を生成すること、及び／又は前記電流波形からオフセットを減算してバレー値を生成することによって、前記送信ウィンドウ中の前記電流波形にデータを変調するための変調器と
   を備え、
   前記変調器は、前記送信ウィンドウ中の各ピーク値が前記送信ウィンドウにおける平均電流を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値が前記平均電流を下回るように、前記オフセットを設定するように適合されている、電子回路。
2. 前記第１及び第２の電流信号は、変調周波数とは異なる周波数、又は変調されたデータのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを備える信号を含む、請求項１に記載の回路。
3. 前記第１の電流信号は、前のウィンドウの前記終了を示すように更に適合され、前記第２の電流信号は、次のウィンドウの前記開始を示すように更に適合される、請求項１に記載の回路。
4. 前記送信ウィンドウ中の前記電流波形に変調される情報のビット数を決定するためのプロセッサを更に備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路。
5. 前記プロセッサは、
   前記電流波形の各サイクルにおける予め記憶されたウィンドウロケーションに従って、前記送信ウィンドウのビット数、ひいてはその長さを決定する、又は
   ビット当たりの前記電流波形の変動率及び前記オフセットのサイズに従って、前記送信ウィンドウの前記ビット数、ひいては前記長さを決定する、又は
   特定の時点における前記電流波形のリアルタイム検出値及び前記平均電流に従って、前記送信ウィンドウの前記ビット数、ひいては前記長さを決定する
   ように適合されている、請求項４に記載の回路。
6. 前記プロセッサは、
   前記ウィンドウ内のいずれかの特定の時点における前記電流波形のリアルタイム検出値に前記オフセットをプラス又はマイナスしたものが前記平均電流に達した場合に、前記送信ウィンドウの前記終了を決定するように適合されている、
   請求項４に記載の回路。
7. 前記発光要素と直列接続するための変調抵抗器と、前記変調抵抗器を選択的に短絡させ、それにより前記電流波形を変調するための、前記変調抵抗器と並列な短絡スイッチとを備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回路。
8. データを用いて変調された光を放出するための照明ユニットであって、
   １つ以上のＬＥＤを含む発光要素と、
   符号化光入力信号に基づいてデータをＬＥＤ駆動電流に変調し、それにより符号化光出力を供給するための、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回路と
   を備える、照明ユニット。
9. ＬＥＤドライバであって、
   一段ＬＥＤドライバアーキテクチャと、
   データをＬＥＤ駆動電流に変調し、それにより符号化光出力を供給するための、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回路と
   を備える、ＬＥＤドライバ。
10. 照明システムであって、
    １つ以上のＬＥＤを含む発光要素と、
    一段ＬＥＤドライバと、
    データをＬＥＤ駆動電流に変調し、それにより符号化光出力を供給するための、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回路と
    を備える、照明システム。
11. 符号化光信号に変調されたデータを受信するための電子回路であって、
    経時的に変動する波形を有する電流信号に光入力を変換するための光受信要素と、
    送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を検出するための検出回路と、
    前記送信ウィンドウ中の前記電流波形に変調されたデータを検出するための復調器と
    を備え、前記復調器が、
    前記電流波形の瞬時値を検出し、
    前記送信ウィンドウにおける前記電流波形の平均値を計算し、
    前記瞬時値が前記平均値よりも大きい場合にはピーク値を決定し、かつ、前記瞬時値が前記平均値よりも小さい場合にはバレー値を決定し、
    前記決定されたピーク値及びバレー値に従って、前記データを決定する
    ように適合されている、電子回路。
12. 前記第１及び第２の電流信号は、変調周波数とは異なる周波数、又は変調データのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを備える信号を含む、請求項１１に記載の回路。
13. 発光要素を駆動するための電流波形に情報を変調するため方法であって、前記電流波形は、何らかの変調が適用される前に経時的に変動し、前記方法は、
    送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を前記電流波形に供給するステップと、
    シーケンシャルに、前記電流波形にオフセットを加算してピーク値を生成すること、及び／又は前記電流波形からオフセットを減算してバレー値を生成することによって、前記送信ウィンドウ中の前記電流波形にデータを変調するステップと
    を含み、
    前記変調するステップは、前記送信ウィンドウ中の各ピーク値が前記送信ウィンドウにおける平均電流を上回り、前記送信ウィンドウ中の各バレー値が前記平均電流を下回るように、前記オフセットを設定するステップを含む、方法。
14. 変調周波数とは異なる周波数を供給することによって、又は変調されたデータのパルス継続時間とは異なる継続時間のパルスを供給することによって、前記第１及び第２の電流信号を生成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 符号化光信号に変調されたデータを受信するための方法であって、
    経時的に変動する波形を有する電流信号に光入力を変換するステップと、
    送信ウィンドウの開始を示す第１の電流信号、及び前記送信ウィンドウの終了を示す第２の電流信号を検出するステップと、
    前記送信ウィンドウ中の電流波形に変調されたデータを検出するステップであって、
    前記電流波形の瞬時値を検出するステップ、
    前記送信ウィンドウにおける前記電流波形の平均値を計算するステップ、
    前記瞬時値が前記平均値よりも大きい場合にはピーク値を決定し、かつ、前記瞬時値が前記平均値よりも小さい場合にはバレー値を決定するステップ、及び
    決定された前記ピーク値及びバレー値に従って、前記データを決定するステップ
    を含む、検出するステップと
    を含む、方法。

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