WO2011098425A1 - Verfahren und anordnung zur stabilisierung eines farbkodierungsverfahrens bei einer optischen übertragung von daten - Google Patents

Verfahren und anordnung zur stabilisierung eines farbkodierungsverfahrens bei einer optischen übertragung von daten Download PDF

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WO2011098425A1
WO2011098425A1 PCT/EP2011/051753 EP2011051753W WO2011098425A1 WO 2011098425 A1 WO2011098425 A1 WO 2011098425A1 EP 2011051753 W EP2011051753 W EP 2011051753W WO 2011098425 A1 WO2011098425 A1 WO 2011098425A1
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WO
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receiver
transmitter
compensation
message
color
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PCT/EP2011/051753
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bahr
Joachim Walewski
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Priority to EP11704429A priority patent/EP2514119A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication
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    • H04B—TRANSMISSION
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    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for stabilizing a color coding method at a ⁇ opti-specific data transmission.
  • a data transmission by means of visible light Visible Light Communications, VLC
  • VLC Visible Light Communications
  • Data can be transmitted, for example, via light-emitting diodes (LEDs).
  • a data stream to be transmitted is transmitted, for example, in the form of modulations not perceptible to humans.
  • CSK Color Shift Keying
  • CCM Color Code Modulation
  • CMC Color Multiplex Coding
  • VLC using this color coding method is to use a mixed illumination of several primary colors for the additional transmission of data, the instantaneous
  • Said modification proposal describes an automatic receiver-side compensation of changes in the optical power of the elementary color light-emitting diodes provided on the transmitter side. Such variations occur, for example due to aging phenomena of the individual LEDs which are capable for For a lower optical performance with the same electrical power supplied ⁇ send with increasing operating time. Such a change is accompanied by a change in the quantum efficiency of the transmitter.
  • a compensation of the mixed color, ie the time-averaged spectrum of the emitted radiation is naturally not provided according to this proposed amendment due to the compensation only the receiver side.
  • the object of the invention is to provide means for transmitter-side compensation of the mixed color of the emitted optical radiation.
  • a solution of the problem is achieved by a method having the features of claim 1 and by an optical
  • the invention is based on a method known per se for the optical transmission of data between a transmitter and a receiver, in which a color coding method based on a plurality of elementary colors is provided for coding and transmission of the data, wherein a respective elementary color is further provided by a respective transmitter side optical radiation source is transmitted and received by the receiver side of a respective optical radiation receiver.
  • a control loop between the transmitter and the receiver, wherein the transmitter sends a calibration request containing training request ⁇ message to the receiver, wherein based on the calibration information in the receiver, a channel property matrix is formed and stored.
  • a Kompensationsinforma- tion is at least determined and sent back to the transmitter.
  • transmitter and “receiver” are to be understood as meaning that the transmitter, in addition to being able to both transmit and receive data in a duplex mode, simultaneously functions as a light source, while the transmitter
  • receiver is capable of transmitting and receiving data in a duplex mode, it is not necessarily operated as a light source ⁇ .
  • An operation of the transmitter as a light source includes, for example, an embodiment as a room lighting or as a display panel.
  • the invention enables a transmitter-side compensation of the mixed color of the emitted optical radiation, which has changed, for example, by an intensity drift of a single elementary color.
  • a significant advantage of the invention lies in the fact that using the means according to the invention a stable color coding is made possible, wherein the color drift is compensated on the part of the transmitter. Another obvious advantage is that the originally set color does not change over time.
  • a transmitter-side compensation of the color drift is advantageous in comparison with a receiver-side compensation in particular in that it is only used in one system - eg. the room lighting system used simultaneously for data transmission - and not in a variety of receivers - for example, communicating with the room lighting system portable computer - must be made.
  • the transmitter according to the invention is used in addition to the exchange of data for room lighting by the additively mixed elementary colors to the human eye give a temporally constant mixed color. It should JE but emphasizes that a parallel use of the invention shown SEN transmitter as room lighting is by no means erfindungschert ⁇ Lich.
  • a use of the invention in a reverse manner is conceivable in that the method according to the invention for the optical transmission of data exclusively has the purpose of adjusting the spectral data of the room lighting by exchanging calibration messages and / or compensation information.
  • the room lighting to be controlled such that a desired color set or a color ⁇ drift of the room lighting is compensated without the transmission of data would follow an beyond the compensation of this color drift purpose.
  • the reference channel property matrix may either have been previously transmitted and stored or already stored in a corresponding factory setting.
  • FIG. 1 shows a structural diagram for the schematic representation of an optical transmission system according to an embodiment variant of the invention; a timing chart of exchanged messages for correcting the color coding due to a change in the quantum efficiency identical with respect to AC and DC characteristics;
  • Fig. 3 is a timing chart of exchanged messages for correcting the color coding due to a change in quantum efficiency different in the AC and DC characteristics;
  • Fig. 5 a quantum efficiency of a radiation source as
  • FIG. 1 shows a visual data transmission optical system based on a CSK (Color Shift Keying)
  • VLC Vehicle-Light Communication
  • the data transmission system essentially consists of a transmitter TX, a transmission path TRM and a receiver RX.
  • the transmission system operates in duplex mode in which the transmitter TX can both transmit and receive data. The same applies to the receiver RX.
  • the CSK method is based on color coding with a plurality of elementary colors, for example red, green and blue.
  • a detailed description of CSK can be found in the proposed amendment to the standard IEEE 802.15.7, Yokoi et al. "Modified Text Clause 6.9.2.2", January 17th 2010, document identification ⁇ »15-10-0036-00-0007".
  • FIG. 1 for the sake of simplicity, only the functional units necessary for transmission are shown on the part of the transmitter TX and the functional units necessary for receiving are shown on the part of the receiver RX.
  • digital data DAT are first a
  • Color coder CC supplied.
  • the data DAT umgewan be delt ⁇ color maps in accordance with a translation rule rer in XY values. These XY values correspond to values in one
  • a transformer TR supplied at the output of three digital intensity data for an intensity each one of three elementary colors are provided.
  • a respective digital intensity data is supplied to a converter DA in which the digital intensity data is converted into analog intensity data.
  • These analog intensity data are supplied to a respective associated optical radiation source Ti, Tj, Tk, ie a first optical radiation source Ti, a second optical radiation source Tj, and a third optical radiation source Tk.
  • the first optical radiation source Ti corresponds to a red LED
  • the second optical radiation source Tj to a green LED
  • the third optical radiation source Tk to a blue LED
  • the optical radiation thus emitted by the respective radiation source Ti, Tj, Tk is guided via a transmission path TRM in the direction of the receiver RX.
  • the transmitted optical radiation impinges on a radiation receiver Ri, Rj, Rk, which is set to a respective elementary color, namely a first optical radiation receiver Ri, a second optical radiation receiver Rj and a third optical radiation receiver Rk Transmitter TX counter-rotating manner, the respective optical signal is converted in the receiver RX by the opti ⁇ radiation receivers Ri, Rj, Rk in an electrical analog signal which is fed to a respective converter DA, in which a respective conversion of the analog signal in a respective digital signal takes place.
  • the digital intensity data tapped at the three respective converters DA are fed to a transformer TR, which converts the value triplet into a value doublet in a manner opposite to the transmitter TX, which in turn is supplied to a color decoder CD, at whose output data DAT is finally taken which are identical in a correct mode with the data DAT supplied to the transmitter TX.
  • the following is a transfer function of a CSK -
  • A denotes below a matrix and a a column vector.
  • Radiation receivers Ri, Rj, Rk received digital signal s Rx are described as follows.
  • the vectorial received signal s Rx can for example consist of a red, green and blue signal, wherein the index i is assigned to the red signal, the index j to the green signal and the index k to the blue signal, ie
  • a receiver-side conversion matrix B is a Diago ⁇ nalmatrix and describes the conversion factor between the analog and the digital receiver signal.
  • a sensitivity matrix E describes the sensitivity of one of the color-selective radiation receivers Ri, Rj, Rk (photographic receptors) when receiving one of the elementary colors. Typically, but not necessarily, just as many will
  • Radiation receiver Ri, Rj, Rk as elementary color LEDs, so optical radiation sources Ti, Tj, Tk used.
  • the element e ⁇ i of the matrix E is, for example, the sensitivity of the red photoreceptor upon receipt of the light emitted by the red LED.
  • the Empfindigesmat ⁇ rix E takes into account the spectral efficiency of a JE establishing an elementary color appealing radiation receiver Ri, Rj, Rk, and in addition any appeal procedures provided color filter and through a corresponding linear combination of the coefficients of the sensitivity matrix E, a "cross-talk" between a respective elementary color-responsive radiation receivers Ri, Rj, Rk.
  • An example of such a coefficient of the sensitivity matrix E is
  • a transmittance matrix T describes the optical transmission from a respective elementary color radiation source
  • the transmittance matrix T describes the propagation characteristics of the light, eg how much of a red light transmitted by the first optical radiation source Ti arrives on the third radiation receiver Rk provided for blue light.
  • a quantum efficiency matrix Q is a diagonal matrix and describes the quantum efficiency of converting the drive current into optical power.
  • a transmitter-side conversion matrix A is also a diagonal matrix and describes the relationship between the digital signal and the AC driver current supplied to the LED.
  • the channel property matrix H is determined by sending calibration symbols as shown later. For example, Walsh codes are used. If, over time, the quantum efficiency of the optical radiation sources Ti, Tj, Tk changes, in other words the ratio of the respectively supplied driver current to optical power and hence the quantum efficiency matrix Q to the changed quantum efficiency matrix Q ', the received signals change for the same transmitter signals Signals and thus according to equation (1) also s Rx .
  • H ' BETQ' A determined.
  • H ' BETQ' A determined.
  • this changed channel property matrix H ' corrects the received signals, it does not correct the mixed color of the transmitted light resulting from the optical superimposition of the individual light-emitting diodes.
  • no changes are made to transmission parameters, so that compensation has so far taken place exclusively on the receiver side.
  • proposed control loop is reali ⁇ Siert through a return channel BC.
  • a calibration message Enge ⁇ erator TSG is provided, which are applied by digital calibration messages on the input of a respective converter DA to a respective source of optical radiation Ti, Tj, Tk.
  • the calibration messages which are subsequently converted and sent via the optical radiation sources Ti, Tj, Tk are correspondingly decoded on the receiver side RX and evaluated by a correction unit CU on the receiver side.
  • a calibration message contains a plurality of time slots into which orthogonal, preferably Walsh coded symbols are written. While a symbol into a plurality of consecutive time slots Unetra ⁇ gene. It is preferably a result, for statistical reasons, an improvement in the evaluation by the receiver when averaged over the received value of several time slots.
  • the calibration messages should not exceed a length of time of 10 milliseconds, since the human eye otherwise experiences a flickering of the radiation sources Ti, Tj, Tk which are also used as room lighting.
  • the correction unit CU of the receiver TX least one channel characteristic of at least one received calibration message is now determined a compensation factor ⁇ with a corresponding channel characteristic of at least one calibration message previously transmitted or stored by a comparison.
  • the channel property matrix H which as described above describes a plurality of channel properties, is stored by the correction unit CU on the receiver side RX as a reference channel property matrix Ho at the beginning of a sequence of calibration signal data or is already present on the receiver side TX.
  • a reference channel property matrix Ho at the beginning of a sequence of calibration signal data or is already present on the receiver side TX.
  • newly estimated values for H ⁇ are compared with the old values of the reference channel property matrix Ho.
  • a numerical vector c diag (Hi _1 Ho) is sent back to the transmitter.
  • the arithmetic operator diag (.) Designates a column vector consisting of the diagonal elements of a matrix (.). In the present exemplary embodiment, the number vector c therefore combines three compensation factors for the three elementary colors.
  • One possible criterion for triggering this process is the comparison of the values of c with the unit vector.
  • a compensation is initiated in the transmitter.
  • a value can for example be determined based on a determination ei ⁇ nes histogram of c and a predefined adjustable and / or previously determined confidence interval become. If the comparison of the values of the numerical vector of c with the unit vector yields a difference which is, for example, higher than the upper limit of the confidence interval, the said process is triggered.
  • the off-diagonal elements of the matrix C (Hi _1 Ho) un ⁇ zero, these can be attributed to other causes of faults, such as a blockage in the "About ⁇ talk" of Ti and Tj on Rk.
  • the Invention provided instead of the compensation information or in addition to the compensation information to transmit an error message to the transmitter TX. On the side of the transmitter TX, a corresponding warning about a possible malfunction can then be output to an identifiable receiver RX or to higher communication layers.
  • the reference matrix Ho originally stored on the receiver side TX in the correction unit CU can now again be used as a "decoding matrix" on the receiver side.
  • the inventive core idea is thus that by comparing the compensation matrix H ⁇ with the original compensation matrix Ho and the transmission of compensation factors c back to the transmitter a color drift of the transmitter can be compensated.
  • a CSK-modulated optical free-space transmission system can be used simultaneously for illumination and / or signaling purposes.
  • s Tx limited I up to avoid over ⁇ utilization of the LED are in general notation
  • These limit values can be specified by the manufacturer, for example, or can also be calculated from the recommended LED driver currents if the matrix A is known.
  • Equation (3) is then evaluated for the frequency for which a convex function of the vector takes a maximum. Using this function, the frequency representation of H is calculated, which is referred to as H F.
  • H F is now used for the determination of c described above.
  • FIG. 4 shows a function of the optical radiation power P of a radiation source Ti, Tj, Tk as a function of a supplied driving alternating current IAC, which is also known as quantum efficiency is shown. It is assumed that this function is approximately linear.
  • the solid line shown in Figure 4 corresponds to an original quantum efficiency QE1, which varies in the course of operation of the radiation source, in this example, reduced represented by the below dot-dash line according to a modified Quanteneffi ⁇ efficiency QE2.
  • the quantum efficiency matrix Q its diagonal elements are proportional to the quantum efficiency of a respective radiation source Ti, Tj, Tk.
  • a change in the quantum efficiency of individual radiation sources Ti, Tj, Tk thus leads to a change of the quantum efficiency matrix Q to a modified quantum efficiency matrix Q 'and corresponding to a changed channel property matrix H'.
  • FIG. 5 shows a function of the optical radiation power P of a radiation source Ti, Tj, Tk as a function of a supplied driver direct current IDC.
  • the light-emitting diodes used for the radiation sources have a quantum efficiency for direct currents deviating from the quantum efficiency for alternating currents according to FIG. 4.
  • Reasons for this are, for example, a thermal inertia and any saturation effects in the light emitting diode.
  • bias current the correction factors for the bias currents of the light emitting diode
  • ⁇ the time slots of the orthogonal codes used so often sent over the optical radiation source until it has conquered thermal equilibrium.
  • a plurality of time slots of the calibration message thus each contain an identical symbol.
  • FIGS. 2 and 3 a temporal flow diagram of exchanged messages for correcting the color coding is shown with reference to FIGS. 2 and 3.
  • a message exchange between the transmitter TX and the receiver RX is assumed, the participating functional units not being defined in the transmitter TX and in the receiver RX.
  • horizontal messages between the transmitter TX and the receiver RX are shown, wherein the respective messages are displayed in a temporal order in which older messages are each shown above recent messages.
  • the transmitter TX sends a compensation request message RACCC to the receiver RX.
  • the compensation request message RACCC is preferably designated by the term "Request AC Color Compensation”.
  • the compensation request message RACCC contains sender-side calibration information, which is also referred to as the "AC training frame". This calibration information is present in a header (message header entry) of a data packet at the hardware level (physical layer) or, alternatively, in a header at the data link layer or MAC level (media access control) of the compensation request message RACCC forming data packets.
  • the Ka ⁇ libr michsvo serve the receiver RX to a calculation and / or estimation of the currently prevailing channel characteristics.
  • the corresponding values of the channel matrix are stored in a reference channel property matrix Ho.
  • This confirmation message is preferably named with the abbreviated designation "Ack AC" ("Acknowledge").
  • the receiver RX confirms, in addition to a successful reception of the compensation request. at the same time that it is capable of carrying out the color stabilization method described here with respect to the AC characteristic of the quantum efficiency.
  • the acknowledgment message AACCC may also include additional status and / or feature information, which, however, will not be discussed further below.
  • this confirmation message AACCC is omitted or it is returned with a corresponding negative entry to the transmitter TX, this means that the receiver RX is not able to perform a color stabilization process with respect to the AC characteristic of the quantum efficiency. If the acknowledgment message is not received within AACCC egg ner predefined waiting time at the transmitter TX, is provided, that the transmitter TX again a - not dargestell ⁇ te - compensation request message RACCC sends to the receptions and seminars ⁇ ger RX. Said predefined waiting time before ⁇ preferably also with the name abbreviating
  • a training request message TRAC is sent by the sender TX to the receiver RX.
  • This training request feature, TRAC is preferably referred to by the abbreviation "Training AC.”
  • the training request message TRAC contains calibration information required for the color stabilization process with respect to the AC characteristic of the quantum efficiency.
  • the current channel properties on the receiver side are derived and stored in a channel property matrix H '.
  • the compensation information message CCAC is preferably designated by the term "AC compensation coefficients”.
  • the transmitter TX again sends a training request message TRAC as above be ⁇ written, whereupon the receiver RX the current channel 'updated property matrix H, calculates the compensation vector c and the result to the transmitter TX with a wide ⁇ ren compensation information message CCAC returns.
  • This cycle is repeated at a frequency which corresponds to the reciprocal of the cycle time TC. The repetition occurs until the transmitter TX sends a termination message ECC to the receiver RX.
  • the said termination message ECC is preferably also with the term
  • the transmitter TX sends a compensation request message RADCC to the receiver RX.
  • the compensation request message RADCC is preferably referred to by the term »Request AC & DC Color Compensation «.
  • the compensation request message RADCC contains sender-side calibration information, which is also referred to as the "AC & DC training frame".
  • This calibra ⁇ insurance information are in a header (Nachzin- entry) of a data packet at the hardware level ( “Physical Lay ⁇ it") before, or, alternatively, in a header at the data link layer or MAC layer ( "Media Access Control”) of the Kompensationsan horrsnachricht RADCC forming pa ⁇ kets.
  • the calibration information is used by the receiver RX to calculate and / or estimate the currently available channel properties.
  • the corresponding values of the respective channel matrix for the AC behavior and for the DC behavior are stored in two reference channel characteristic matrices Ho and HODC.
  • the receiver RX After storing the reference channel property matrices Ho and HODC in the receiver RX, the latter sends an acknowledgment message AADCC to the transmitter TX.
  • This confirmation message will be ⁇ vorzugt named by abbreviating term "Ack AC &DC.”
  • the receiver RX With the acknowledgment message AADCC, in addition to successfully receiving the compensation request message RADCC, the receiver RX simultaneously confirms that it is capable of performing the color stabilization method described herein with respect to the combined direct current and alternating current characteristics of the quantum efficiency.
  • the confirmation message AADCC may also include additional status and / or Leis ⁇ processing feature information, which, however, the will not be executed HEREINAFTER.
  • this acknowledgment message AADCC is omitted, or if it is sent back to the transmitter TX with a corresponding negative entry, this means that the receiver RX is not able to carry out a color stabilization process with respect to the direct current and alternating current characteristics of the quantum efficiency.
  • the acknowledgment message is not received AADCC a predefined waiting time at the transmitter TX in ⁇ nergur, it is provided that the transmitter TX again a - not shown in figure 3 - compensation request message RADCC sends to the receiver RX.
  • the said predefined waiting time is preferably designated by the abbreviated designation "macAckColorCompWaitTime".
  • a training request message TRAD is sent by the transmitter TX to the receiver RX.
  • This training request message TRAD is preferably referred to by the abbreviated designation »training AC & DC «.
  • the training request tracking TRAD contains calibration information required for the color stabilization process with respect to the DC and AC characteristics of the quantum efficiency.
  • the current channel characteristics at the receiver side are derived and stored in a respective channel property matrix H 'and H' DC.
  • a receiver-side compensation scheme which in the proposed amendment to the standard IEEE 802.15.7, Yokoi et al. : "Modified Text Clause 6.9.2.2," January 17, 2010, Document Identification "15-10-0036-00-0007" is shown, rather than the current channel property matrices H 'and H' DCr, rather than the receiver-side stored reference channel property matrix Ho and HODC as a basis for compensation ("equalization") of spectral changes in optical power.
  • ⁇ specifically a respective compensation vector c and CDC be ⁇ calculates in the receiver RX, which from the receiver RX to the transmitter TX with the aid of a compensation information message CCAD sent becomes.
  • the compensation information message CCAD is preferably designated by the term »AC & DC compensation coefficients «. After receipt and evaluation of this compensation information message CCAD in the transmitter TX, the latter decides whether a correction is appropriate. If this decision is positive, the vector elements of the compensation vectors c and CDC are multiplied in the correction elements Ci, Cj, Ck. In this case, the DC values of the driver current, also known as bias current, are multiplied by the corresponding values of CDC, while the information-carrying values AC values of the driver current are multiplied by the corresponding values of c.
  • the transmitter TX After a predetermined cycle time TC, the transmitter TX again sends a training request message TRAD as above be ⁇ written, whereupon the receiver RX 'updates the current channel characteristic matrix H, calculates the compensation vector c and returns the result to the transmitter TX with of a further compensation information message CCAD.
  • This cycle is repeated at a frequency which corresponds to the reciprocal of the cycle time TC. The repetition occurs until the transmitter TX sends a termination message ECC to the receiver RX.
  • the said termination message ECC is preferably also with the term
  • command-frame identifier an identifier
  • Table 1 indicates whether the messages in which the respective identifier is inserted, in the context of stabilizing the AC characteristic (“AC color stabilization”) or in the frame combined stabilization of the DC and AC characteristics (»AC & color stabilization «) of quantum efficiency.
  • the identifier is associated with its respective name ("command name").
  • the AC-related compensation request message RACCC preferably designated by the term "Request AC Color Compensation ⁇ tion,” is used to initiate a color stabilization séessVM with respect to the AC characteristic of the quantum efficiency, in the course of which a transfer of AC-related compensation information.
  • the structure of this AC-related compensation request message RACCC follows the general structural ⁇ structure according to Table 2 and is illustrated in its specific expression in the Table 4 below.
  • Table 4 As identifier ("Command-frame identifier") in Table 4, the identifier defined in Table 1 OxOf with the name "AC color stabilization” is entered. The method identifier 0x00 defined in Table 3 is entered in Table 4 with the designation »Request color compensation «. Another field is not used (with an information length of zero octets) and is therefore marked with "N / A" or "non-applicable”.
  • the DC and AC-related compensation Sanforde ⁇ approximately message RADCC preferably designated by the term 'Request AC & DC Color Compensation ", a combined DC and AC characteristics of the quantum efficiency is to initiate a color stabilization procedures concerning used in the course of transmission of a DC and AC circuits related Compensation information is done.
  • the structure of these compensators AC related tion request message RADCC follows the general structural ⁇ structure according to Table 2 and is illustrated in its specific expression in the Table 5 below.
  • Table 5 identifies the identifier 0x10 defined in Table 1 as "AC & color stabilization”.
  • Table 5 shows the process code 0x00 defined in Table 3 with the term »Request color compensation «.
  • Another field is not used (with an information ⁇ length of zero octets) and is labeled with "N / A” or "non-applicable”.
  • the alternating current-related acknowledgment message AACCC preferably designated by the term "Ack AC" before ⁇ is, for Bes ⁇ actuation of successful reception of Kompensationsanfor- alteration message RACCC while confirming that the requested color stabilization process can be carried out at the receiver end, are used.
  • the structure of this AC-related acknowledgment message AACCC follows the general structure according to Table 2 and is shown in its specific form in the following Table 6.
  • the identifier OxOf defined in Table 1 is entered in Table 6 with the term "AC color stabilization”.
  • Another field with a definable information length (“user-defined”) optionally contains status and / or feature information.
  • the DC and AC circuits related confirmation message AADCC preferably designated by the term “Ack AC &DC” is the acknowledgment of successful reception of compen- RADCC sationsan horrsnachricht while for Bes ⁇ actuation that the requested color stabilization process can be carried out at the receiver end, are used.
  • the structure of this DC and AC-related confirmation message AADCC follows the general structure according to Table 2 and is shown in its specific form in the following Table 7.
  • the AC-related training request message TRAC preferably denoted by the term »training AC «, ent ⁇ holds for the color stabilization method with respect to the change current characteristic of the quantum efficiency required calibration information.
  • the structure of this AC-related training request message TRAC follows the gene ⁇ tural structure according to Table 2 and is illustrated in its specific expression in the Table 8 below.
  • Table 8 contains the identifier OxOf defined as "AC color stabilization” defined in Table 1.
  • process identifier is defined in Table 3 process identifier
  • samplementer-defined contains the transmitter side gebil ⁇ finished calibration information.
  • the length of this field depends on the length of the training sequences, which in turn depend on selected code sequences and other implementation details.
  • MHR Message Header
  • ningsan horrsnachricht TRAC, ie on the backup layer ⁇ or MAC level (»Media Access Control «)
  • these are present in a header of a data packet at the hardware level (physical layer).
  • the DC and AC-related training request message TRAD ⁇ preferably designated by the term "Training AC &DC," the combined direct and alternating current characteristic of the quantum efficiency includes respect required calibration information for the color stabilization process.
  • the structure of this AC related training request message TRAC follows the general structure according to Table 2 and is shown in its specific form in Table 9 below.
  • the identifier 0x10 defined in Table 1 is entered in Table 9 with the designation "AC & color stabilization”.
  • the method identifier in Table 9 is the procedure defined in Table 3. 0x02 with the designation »Color-compensation training «.
  • Another area with a definable information length ( “Implementer-defined”) contains the transmitter side ge ⁇ formed calibration information. The length of this field depends on the length of the training sequences, which in turn depend on selected code sequences and other implementation details. In this embodiment, it is assumed that the calibration information in the header or MHR ( "Message Header") of the training request message shown in Table 9 TRAD, ie on the backup layer or ⁇ MAC level ( “Media Access Control”) are present.
  • the AC-related compensation information message CCAC preferably designated by the term "AC compensation coefficients", is used to transmit the compensation information, more specifically the AC-related compensation vector c, from the receiver RX to the transmitter TX.
  • the structure of this AC-related compensation information message CCAC follows the general structure of Ta ⁇ beauty 2 and is illustrated in its specific expression in the following Table 10 below.
  • Table 10 As an identifier ("Command-frame identifier"), the identifier OxOf defined in Table 1 is entered in Table 10 with the term "AC color stabilization”. The procedure identifier 0x03 defined in Table 3 is entered in Table 8 with the designation »Color-compensation coefficients «.
  • Another field with a Informati ⁇ onsplic of six octets contains the vector values of the AC related compensation vector c.
  • the equal and AC-related Kompensationsinformati ⁇ onsnachricht CCAD preferably referred to by the term »AC & DC compensation Coefficients «, is used to transmit the compensation information, more precisely the same and AC-related compensation vectors c and Coc r from the receiver RX to the transmitter TX used.
  • the structure of this AC-related compensation information message CCAD follows the general structure according to Table 2 and is shown in its specific form in Table 11 below.
  • Table 11 identifies the identifier 0x10 defined in Table 1 as "AC & color stabilization”.
  • the process identifier in Table 11 is the procedure defined in Table 3. 0x03 with the designation »Color-compensation coefficients «.
  • a subsequent field ei ⁇ ner information length of six octets contains the vectorial values of the alternating current-related compensation vector c.
  • Another field with an information length of just six octets contains the vectorial values of the DC-related compensation vector CDC-
  • the termination message ECC preferably termed end color compensation, is used to complete the color stabilization process.
  • the structure of this AC-related termination message ECC follows the ge ⁇ nerellen structure according to Table 2 and is shown in their specific form in the following Table 12.
  • identifier in Table 12, depending on the type of color stabilization process to be terminated, the identifier defined in Table 1 is OxOf with the designation "AC color stabilization” or the identifier 0x10 with the designation "AC & de color stabilization” entered.
  • Another field is added (with an information mation length of zero octets) and is therefore marked with "N / A" or "non-applicable”.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Übertragung von Daten zwischen einem Sender und einem Empfänger, bei dem zur Kodierung und Übertragung der Daten ein Farbkodierungsverfahren auf Basis einer Mehrzahl von Elementarfarben vorgesehen ist, bei dem eine jeweilige Elementarfarbe durch eine jeweilige senderseitige optische Strahlungsquelle gesendet wird und empfängerseitig von einem jeweiligen optischen Strahlungsempfänger empfangen wird. Das Verfahren sieht ein Senden einer senderseitig gebildeten Kalibrierungsinformationen enthaltenden Trainingsanforderungsnachricht vom Sender an den Empfänger; Bilden einer Kanaleigenschaftsmatrix aus den Kalibrierungsinformationen durch den Empfänger und Speichern der Kanaleigenschaftsmatrix im Empfänger; Berechnung zumindest einer Kompensationsinformation auf Basis einer im Empfänger gespeicherten Referenzkanaleigenschaftsmatrix und der Referenzkanaleigenschaftsmatrix und senden der Kompensationsinformation vom Empfänger an den Sender vor.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Stabilisierung eines Farbkodierungsverfahrens bei einer optischen Übertragung von Daten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Stabilisierung eines Farbkodierungsverfahrens bei einer opti¬ schen Datenübertragung. Aus dem Stand der Technik ist eine Datenübertragung mittels sichtbaren Lichts (»Visible-Light Communications«, VLC) be¬ kannt, welche beispielsweise in Ergänzung zu herkömmlichen Funktechnik eingesetzt werden kann. Daten lassen sich dabei beispielsweise über lichtemittierende Dioden (LED) übertra- gen. Ein zu übertragender Datenstrom wird dabei beispielsweise in Form von für Menschen nicht wahrnehmbaren Modulationen übertragen .
Weiterhin ist ein jüngeres Kodierungsverfahren für sichtbares Licht bekannt, das auf einer Farbkodierung mit Elementarfarben beruht. Auf ein solches Verfahren wird in der Fachwelt auch unter dem Begriff CSK (»Color Shift Keying«) Bezug genommen. Weitere ältere Bezeichnungen für dieses Kodierungs¬ verfahren sind CCM (»Color Code Modulation«) oder CMC (»Color Multiplex Coding«) .
Das Funktionsprinzip von VLC unter Anwendung dieses Farbkodierungsverfahrens besteht grob gesagt darin, eine aus mehre¬ re Elementarfarben gemischte Beleuchtung zur zusätzlichen Übertragung von Daten zu verwenden, wobei die momentane
Mischfarbe der Elementarfarben derart rasch um einen gemeinsamen »Farbschwerpunkt« moduliert werden, dass für das menschliche Auge nur die eine unveränderliche Mischfarbe, nämlich die des Farbschwerpunktes, erkennbar ist. Üblichweise werden hierzu die drei Elementarfarben rot, grün und blau verwendet, welche in technisch ausgereifter Weise durch entsprechende Leuchtdioden emittierbar sind. Eine ausführliche Beschreibung von CSK findet sich im Ände¬ rungsvorschlag zum Standard IEEE 802.15.7, Yokoi et al . : »Mo- dified Text Clause 6.9.2.2«, 17. Januar 2010, Dokumentidenti- fizierung »15-10-0036-00-0007«. Eine der für CSK vorgeschlagenen Anwendungen ist VLC, also eine Freiraumkommunikation mit Licht.
In besagten Änderungsvorschlag wird eine automatische empfän- gerseitige Kompensation von Änderungen der optischen Leistung der senderseitig vorgesehenen Elementarfarben-Leuchtdioden beschrieben. Derartige Änderungen ergeben sich beispielsweise durch Alterungserscheinungen der einzelnen Leuchtdioden, welche mit zunehmender Betriebsdauer bei gleicher zugeführter elektrischer Leistung eine geringere optische Leistung auszu¬ senden vermögen. Eine solche Änderung geht mit einer Änderung der Quanteneffizienz des Senders einher. Eine Kompensation der Mischfarbe, also des zeitlich gemittelten Spektrums der ausgesandten Strahlung, ist gemäß diesem Änderungsvorschlag aufgrund der lediglich empfängerseitigen Kompensation naturgemäß nicht vorgesehen.
Es besteht also ein Bedürfnis, Änderungen der optischen Leis¬ tung der senderseitig vorgesehenen Elementarfarben- Leuchtdioden nicht empfängerseitig, etwa durch eine angepass- te Empfindlichkeit von Strahlungsempfängern, zu kompensieren, sondern senderseitig, etwa durch eine höhere Zufuhr von elektrischer Energie bei nachgelassener Quanteneffizienz. Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel zur senderseitigen Kompensation der Mischfarbe der ausgesendeten optischen Strahlung vorzusehen.
Eine Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein optisches
Übertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15. Die Erfindung basiert auf einem an sich bekannten Verfahren zur optischen Übertragung von Daten zwischen einem Sender und einem Empfänger, bei dem zur Kodierung und Übertragung der Daten ein Farbkodierungsverfahren auf Basis einer Mehrzahl von Elementarfarben vorgesehen ist, bei dem weiterhin eine jeweilige Elementarfarbe durch eine jeweilige senderseitige optische Strahlungsquelle gesendet wird und empfängerseitig von einem jeweiligen optischen Strahlungsempfänger empfangen wird .
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Regelschleife zwischen dem Sender und dem Empfänger zu bilden, wobei vom Sender eine Kalibrierungsinformationen enthaltende Trainingsanforderungs¬ nachricht an den Empfänger gesendet wird, wobei anhand der Kalibrierungsinformationen im Empfänger eine Kanaleigenschaftsmatrix gebildet und gespeichert wird. Anhand der Ka¬ naleigenschaftsmatrix und zumindest einer zuvor gespeicherten Kanaleigenschaftsmatrix, auch als Referenzkanaleigenschafts- matrix bezeichnet, wird zumindest eine Kompensationsinforma- tion ermittelt und an den Sender zurückgesendet.
Die Begriffe »Sender« und »Empfänger« sind dabei dahingehend zu verstehen, dass der »Sender« neben seiner Eigenschaft, in einem Duplexbetrieb sowohl Daten zu senden als auch zu emp- fangen, gleichzeitig als Lichtquelle fungiert, während der
»Empfänger« zwar Daten in einem Duplexbetrieb senden und empfangen vermag, jedoch nicht notwendigerweise als Lichtquelle¬ betrieben wird. Ein Betrieb des Senders als Lichtquelle um- fasst dabei zum Beispiel eine Ausführungsform als Raumbe- leuchtung oder auch als Anzeigentafel.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung eine senderseitige Kompensation der Mischfarbe der ausgesendeten optischen Strahlung, welche sich beispielsweise durch eine Inten- sitätsdrift einer einzelnen Elementarfarbe verändert hat. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass unter Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel eine stabile Farbkodierung ermöglicht wird, wobei die Farbdrift auf Seiten des Senders ausgeglichen wird. Ein weiterer offen- sichtlicher Vorteil ist, dass sich die ursprünglich eingestellte Farbe nicht im Lauf der Zeit ändert.
Eine senderseitige Kompensation der Farbdrift ist gegenüber einer empfängerseitigen Kompensation insbesondere dahingehend vorteilhaft, als diese lediglich in einem System - also z.B. dem gleichzeitig zur Datenübertragung verwendeten Raumbeleuchtungssystem - und nicht in einer Vielzahl von Empfängern - beispielsweise mit dem Raumbeleuchtungssystem kommunizierende tragbare Rechner - vorgenommen werden muss.
In vorteilhafter Weise wird der erfindungsgemäße Sender neben dem Austausch von Daten zur Raumbeleuchtung eingesetzt, indem die additiv gemischten Elementarfarben für das menschliche Auge eine zeitlich konstante Mischfarbe ergeben. Es sei je- doch betont, dass ein paralleler Einsatz des erfindungsgemä¬ ßen Senders als Raumbeleuchtung keineswegs erfindungswesent¬ lich ist.
In umgehrter Weise ist ein Einsatz der Erfindung dahingehend denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Übertragung von Daten ausschließlich den Zweck hat, die spektralen Daten der Raumbeleuchtung durch den Austausch von Kalibrierungsnachrichten und/oder Kompensationsinformation einzustellen. In einer solchen alternativen Ausführungsform der Erfindung soll die Raumbeleuchtung derart geregelt werden, dass eine gewünschte Farbe eingestellt oder eine Farb¬ drift der Raumbeleuchtung kompensiert wird, ohne dass die Übertragung von Daten einen über die Kompensation dieser Farbdrift hinausgehenden Zweck verfolgen würde.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß alternativen Ausgestaltungsformen der Erfindung kann die Referenzkanaleigenschaftsmatrix entweder zuvor gesendet und gespeichert oder in einer entsprechenden Werkseinstellung bereits gespeichert worden sein.
Gemäß alternativen Ausgestaltungsformen der Erfindung ist vorgesehen, auf Basis der ermittelten Kompensationsinformati¬ on im Sender eine Anpassung mindestens eines Sendeparameters vorzunehmen.
Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestal¬ tungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung eines optischen Übertragungssystems gemäß einer Aus¬ führungsvariante der Erfindung; ein zeitliches Ablaufdiagramm ausgetauschter Nachrichten zur Korrektur der Farbkodierung aufgrund einer bezüglich des Wechselstrom- und Gleichstromverhaltens identischen Änderung in der Quanteneffi zienz ;
Fig. 3: ein zeitliches Ablaufdiagramm ausgetauschter Nachrichten zur Korrektur der Farbkodierung aufgrund einer bezüglich des Wechselstrom- und Gleichstromverhaltens unterschiedlichen Änderung in der Quanteneffizienz ;
Fig. 4: eine Quanteneffizienz einer Strahlungsquelle als
Funktion einer optischen Strahlungsleistung in Abhängigkeit von einem zugeführten Treiberwe- chelstrom; Fig. 5: eine Quanteneffizienz einer Strahlungsquelle als
Funktion einer optischen Strahlungsleistung in Abhängigkeit von einem zugeführten Treibergleich- ström.
Figur 1 zeigt ein auf einem CSK (»Color Shift Keying«) basierendes optisches Datenübertragungssystem für sichtbares
Licht, beispielsweise ein VLC-System (»Visible-Light Communi- cation«) .
Das Datenübertragungssystem besteht im Wesentlichen aus einem Sender TX, einer Übertragungsstrecke TRM sowie einem Empfänger RX. Das Übertragungssystem arbeitet in einem Duplex- betrieb bei dem der Sender TX sowohl Daten senden als auch empfangen kann. Entsprechendes gilt für den Empfänger RX.
Das CSK-Verfahren basiert auf eine Farbkodierung mit einer Mehrzahl von Elementarfarben, beispielsweise rot, grün und blau. Eine ausführliche Beschreibung von CSK findet sich im Änderungsvorschlag zum Standard IEEE 802.15.7, Yokoi et al . : »Modified Text Clause 6.9.2.2«, 17. Januar 2010, Dokument¬ identifizierung »15-10-0036-00-0007«. In Figur 1 sind aus Vereinfachungsgründen seitens des Senders TX lediglich die zum Senden notwendigen Funktionseinheiten sowie seitens des Empfängers RX die zum Empfangen notwendigen Funktionseinheiten dargestellt. Auf Senderseite TX werden digitale Daten DAT zunächst einem
Farbkodierer CC zugeführt. Die Daten DAT werden im Farbkodie- rer entsprechend einer Übersetzungsregel in XY-Werte umgewan¬ delt. Diese XY-Werte entsprechen Werte in einem
XY-Farbkoordinatensystem.
Am Ausgang des Farbkodierers CC werden diese zweidimensiona¬ len Daten - in der Zeichnung durch zwei Pfeile symbolisiert - einem Transformer TR zugeführt, an dessen Ausgang drei digitale Intensitätsdaten für eine Intensität jeweils einer von drei Elementarfarben zur Verfügung gestellt werden. Ein jeweiliges digitales Intensitätsdatum wird einem Konverter DA zugeführt, in welchem die digitalen Intensitätsdaten in analoge Intensitätsdaten gewandelt werden. Diese analogen Intensitätsdaten werden einer jeweils zugehörigen optischen Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk, also einer ersten optischen Strah- lungsquelle Ti, einer zweiten optischen Strahlungsquelle Tj , und einer dritten optischen Strahlungsquelle Tk zugeführt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht die erste optische Strahlungsquelle Ti einer roten Leuchtdiode, die zweite optische Strahlungsquelle Tj einer grünen Leuchtdiode sowie die dritte optische Strahlungsquelle Tk einer blauen Leuchtdiode.
Die so von der jeweiligen Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk gesendete optische Strahlung wird über eine Übertragungsstrecke TRM in Richtung des Empfängers RX geführt.
Auf Seiten des Empfängers RX trifft die gesendete optische Strahlung auf einem auf eine jeweilige Elementarfarbe einge- stellten Strahlungsempfänger Ri,Rj,Rk, nämlich einem ersten optischen Strahlungsempfänger Ri, einem zweiten optischen Strahlungsempfänger Rj sowie einem dritten optischen Strahlungsempfänger Rk. In einer analogen, zum Sender TX entgegenlaufenden Weise wird im Empfänger RX das jeweilige optische Signal durch die opti¬ schen Strahlungsempfänger Ri,Rj,Rk in ein elektrisches analoges Signal umgewandelt, welches einem jeweiligen Konverter DA zugeführt wird, in welchem eine jeweilige Umsetzung des ana- logen Signals in ein jeweiliges digitales Signal erfolgt. Die an den drei jeweiligen Konvertern DA abgegriffenen digitalen Intensitätsdaten werden einem Transformer TR zugeführt, welcher in einer zum Sender TX entgegengesetzten Weise eine Umsetzung des Wertetripels in ein Wertedupel vornimmt, wel- ches wiederum einem Farbdekodierer CD zugeführt wird, an dessen Ausgang schließlich Daten DAT entnommen werden, welche in einer korrekten Betriebsart identisch mit den dem Sender TX zugeführten Daten DAT sind. Im Folgenden wird eine Übertragungsfunktion eines CSK -
Systems betrachtet. In allgemeiner Schreibweise bezeichnet A im Folgenden eine Matrix und a einen Spaltenvektor.
In einem ideal synchronisierten CSK-System mit einer soge- nannten flachen Frequenzantwort kann der Zusammenhang zwischen einem durch die optischen Strahlungsquellen Ti,Tj,Tk zu sendenden digitalen Signal sTx und dem in den optischen
Strahlungsempfängern Ri,Rj,Rk empfangenen digitalen Signal sRx folgendermaßen beschrieben werden.
Figure imgf000010_0001
Das vektorielle empfangene Signal sRx kann beispielsweise aus einem roten, grünen und blauen Signal bestehen, wobei der In- dex i dem roten Signal, der Index j dem grünem Signal und der Index k dem blauen Signal zugeordnet sei, d.h.
SRx = ( i.Rx JRX k-Rx) T, (2) wobei (.)T die Transponierte des Vektors (.) darstellt.
Eine empfängerseitige Konvertierungsmatrix B ist eine Diago¬ nalmatrix und beschreibt den Konvertierungsfaktor zwischen dem analogen und dem digitalen Empfängersignal.
Eine Empfindlichkeitsmatrix E beschreibt die Empfindlichkeit einer der farbselektiven Strahlungsempfänger Ri,Rj,Rk (Foto- rezeptoren) beim Empfang einer der Elementarfarben. Typischerweise, jedoch nicht zwingend, werden genauso viele
Strahlungsempfänger Ri,Rj,Rk wie Elementarfarben-Leuchtdioden, also optische Strahlungsquellen Ti,Tj,Tk benutzt. Mit einer Zuordnung des Indizes i zu »rot«, j zu »grün« und k zu »blau« ist das Element e±i der Matrix E beispielsweise die Empfindlichkeit des roten Fotorezeptors bei Empfang des von der roten LED ausgesendeten Lichtes. Die Empfindlichkeitsmat¬ rix E berücksichtigt also die spektrale Effizienz eines je- weiligen auf eine Elementarfarbe ansprechenden Strahlungsempfängers Ri,Rj,Rk und zusätzlich eines eventuell vorgesehenen Farbfilters sowie, durch eine entsprechende Linearkombination der Koeffizienten der Empfindlichkeitsmatrix E, ein »Übersprechen« zwischen den auf eine jeweilige Elementarfarbe an- sprechenden Strahlungsempfängern Ri,Rj,Rk. Ein Beispiel für einen solchen Koeffizienten der Empfindlichkeitsmatrix E ist
Eine Transmittanzmatrix T beschreibt die optische Transmit- tanz von einem jeweiligen Elementarfarben-Strahlungsquellen
Ti,Tj,Tk zu einem für eine jeweils andere Elementarfarbe vor¬ gesehenen Strahlungsempfänger Ri,Rj,Rk. Mit anderen Worten beschreibt die Transmittanzmatrix T die Ausbreitungscharakte- ristika des Lichts, z.B. wie viel von einem durch die erste optische Strahlungsquelle Ti gesendetem rotem Licht auf dem für blaues Licht vorgesehenen dritten Strahlungsempfänger Rk eintrifft .
Eine Quanteneffizienzmatrix Q ist eine Diagonalmatrix und be- schreibt die Quanteneffizienz der Umwandlung des Treiberstromes in optische Leistung.
Eine senderseitige Konvertierungsmatrix A ist ebenfalls eine Diagonalmatrix und beschreibt den Zusammenhang zwischen dem digitalen Signal und dem der LED zugeführten AC Treiberstroms . Eine Kanaleigenschaftsmatrix H vereinigt die Kanaleigenschaf¬ ten der optischen Übertragungsstrecke gemäß
H = B E T Q A
Die Kanaleigenschaftsmatrix H wird, wie später dargestellt, durch ein Senden von Kalibrierungssymbolen ermittelt. Dazu werden beispielsweise Walsh-Kodierungen verwendet. Ändern sich im Laufe der Zeit die Quanteneffizienz der optischen Strahlungsquellen Ti,Tj,Tk, mit anderen Worten das Verhältnis des jeweils zugeführten Treiberstrom in optische Leistung und somit rechnerisch die Quanteneffizienzmatrix Q zu der geänderten Quanteneffizienzmatrix Q' , so ändern sich bei gleichen Sendersignalen die empfangenen Signale und somit nach Gleichung (1) auch sRx .
Änderungen in der Quanteneffizienz Q ergeben sich beispielsweise durch Temperaturänderung oder aufgrund eines Alterungs- prozesses in den sendenden Leuchtdioden. Eine Änderung der Quanteneffizienz bedeutet für die jeweilige optische Strah¬ lungsquelle Ti,Tj,Tk dass bei gleichen Strom weniger oder mehr optische Leistung abgestrahlt wird. Mit Hilfe von gesendeten Kalibrierungssymbolen wird nun eine geänderte Kanaleigenschaftsmatrix H' gemäß der Gleichung
H' = B E T Q' A ermittelt. Diese geänderte Kanaleigenschaftsmatrix H' korrigiert zwar die empfangenen Signale, aber nicht die aus der optischen Überlagerung der einzelnen Leuchtdioden resultierende Mischfarbe des gesendeten Lichts. Mit anderen Worten werden gemäß dem Stand der Technik keine Änderungen an Sende- parametern vorgenommen, eine Kompensation erfolgt also bislang ausschließlich empfängerseitig . Zur Korrektur der Sendeparameter wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelschleife durch einen Rückkanal BC reali¬ siert . Auf Seiten des Senders TX ist ein Kalibrierungsnachrichtenge¬ nerator TSG vorgesehen, durch welchen digitale Kalibrierungsnachrichten auf den Eingang eines jeweiligen Konverters DA einer jeweiligen optischen Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk angelegt werden. Die daraufhin konvertierten und über die optischen Strahlungsquellen Ti,Tj,Tk gesandten Kalibrierungsnachrichten werden auf Empfängerseite RX entsprechend dekodiert und von einer Korrektureinheit CU auf Empfängerseite ausgewertet.
Eine Kalibrierungsnachricht enthält eine Mehrzahl von Zeit- schlitzen, in welche orthogonale, vorzugsweise Walsh-kodierte Symbole eingeschrieben werden. Vorzugsweise wird dabei ein Symbol in mehrere aufeinanderfolgende Zeitschlitze eingetra¬ gen. Daraus resultiert, aus statistischen Gründen, einer Verbesserung der Auswertung seitens des Empfängers wenn über den empfangenen Wert mehrerer Zeitschlitze gemittelt wird.
Zur Bewertung einer Wechselstromcharakteristik, die später anhand Figur 4 erläutert wird, ist es vorteilhaft, sowohl die Länge der Symbole als auch die Anzahl aufeinanderfolgender Zeitschlitze, in die das Symbol eingetragen wird, kurz zu halten, so dass die Gleichstromcharakteristik der jeweiligen Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk sich nicht in den ausgewerteten Kalibrierungsnachrichten niederschlägt . Andererseits kann durch eine Mehrzahl von identischen in aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen gesendeten Symbolen eine vorteilhafte Bewertung des Gleichstromverhaltens erfolgen, wie später anhand Figur 5 erläutert wird. Insgesamt sollte die Kalibrierungsnachrichten jedoch eine zeitliche Länge um 10 Millisekunden nicht überschreiten, da für das menschliche Auge sich ansonsten ein Flackern der auch als Raumbeleuchtung genutzten Strahlungsquellen Ti,Tj,Tk ergibt. In der Korrektureinheit CU des Empfängers TX wird nun durch einen Vergleich mindestens einer Kanaleigenschaft von zumindest einer empfangenen Kalibrierungsnachricht mit einer ent- sprechenden Kanaleigenschaft zumindest einer zuvor gesendeten oder gespeicherten Kalibrierungsnachricht ein Kompensations¬ faktor ermittelt.
Hierzu wird von der Korrektureinheit CU auf Empfängerseite RX die Kanaleigenschaftsmatrix H, welche wie oben erläutert, mehrere Kanaleigenschaften beschreibt, zu Beginn einer Sequenz von Kalibrierungssignaldaten als Referenzkanaleigen- schaftsmatrix Ho gespeichert oder liegt auf Empfängerseite TX bereits vor. Nach einer Mehrzahl i von Kalibrierungsnachrich- tenzyklen werden bei der i-ten Kalibrierung neu geschätzte Werte für H± mit den alten Werten der Referenzkanaleigen- schaftsmatrix Ho verglichen. Eine linksseitige Multiplikation der invertierten Kanaleigenschaftsmatrix mit der Referenzka- naleigenschaftsmatrix ergibt eine Matrix C wobei C = H Ho.
Übersteigt der Unterschied von Cs Diagonalelementen einen vorgegebenen Wert, so wird ein Zahlenvektor c = diag( Hi_1Ho ) zurück an den Sender gesandt. Der Rechenoperator diag ( . ) bezeichnet dabei einen Spaltenvektor bestehend aus den Diago- nalelementen einer Matrix ( . ) . Der Zahlenvektor c vereinigt also im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Kompensations¬ faktoren für die drei Elementarfarben.
Ein mögliches Kriterium für die Auslösung dieses Prozesses ist der Vergleich der Werte von c mit dem Einheitsvektor.
Sind die relativen Unterschiede zwischen mindestens einem der vektoriellen Elemente von c größer als die Grenzen eines vorgebbaren Konfidenzintervalles um den Wert Eins, bspw.
1 ± 0,05, so wird im Sender eine Kompensation veranlasst. Ein solcher Wert kann beispielsweise anhand einer Ermittlung ei¬ nes Histogramms von c und eines vordefinierten, einstellbaren und/oder zuvor ermittelten Konfidenzintervalles ermittelt werden. Ergibt der Vergleich der Werte des Zahlenvektors von c mit dem Einheitsvektor einen Unterschied, welcher beispielsweise höher ist als die obere Grenz des Konfidenzinter- valles wird der besagte Prozess ausgelöst.
Beispielsweise wird auf Basis des ermittelten vektoriellen Kompensationsfaktors c eine - nicht dargestellte - Kompen¬ sationsinformation von der Korrektureinheit CU des Empfängers RX an den Sender TX gesendet.
Sind die Nebendiagonalelemente der Matrix C = ( Hi_1Ho ) un¬ gleich Null, so können diese auf andere Störungsursachen zurückgeführt werden, beispielsweise eine Blockierung im »Über¬ sprechen« von Ti und Tj auf Rk. In diesem Fall ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, anstatt der Kompensationsinformation oder zusätzlich zur Kompensationsinformation eine Fehlernachricht an den Sender TX zu übermitteln. Auf Seiten des Senders TX kann daraufhin eine entsprechende Warnung über eine eventuelle Fehlfunktion an einem identifi- zierbaren Empfänger RX oder an höhere Kommunikationsschichten ausgegeben werden.
Im Empfänger werden nun die zu sendenden digitalen Signale durch Zwischenschaltung eines jeweiligen Korrekturelements Ci,Cj,Ck mit den zugehörigen Werten von c multipliziert, so dass die Mischfarbe des ausgesandten Lichtes mit der ur¬ sprünglichen übereinstimmt.
Die ursprünglich empfängerseitig in der Korrektureinheit CU auf Empfängerseite TX gespeicherte Referenzmatrix Ho kann nun wieder empfängerseitig als »Dekodierungsmatrix« benutzt werden .
Die erfinderische Kernidee liegt somit darin, dass durch Ver- gleich der Kompensationsmatrix H± mit der ursprünglichen Kompensationsmatrix Ho und die Übermittlung von Kompensations- faktoren c zurück an den Sender eine Farbdrift des Senders ausgeglichen werden kann.
Dadurch kann ein mit CSK-moduliertes optisches Freiraumsende- System gleichzeitig für Beleuchtungs- und/oder Signalisie- rungszwecke benutzt werden.
Zwischen einer Änderung von H durch eine Bewegung des Senders und des Empfängers zueinander einerseits und einer Farbver- Schiebung andererseits wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dadurch unterschieden, dass im ersten Fall einer Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger eine relative Änderung der Werte von c gleich groß ist, im Fall einer Farbverschiebung gemäß dem vorgenannten zweiten Fall jedoch nicht.
Im Fall einer Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger wird kein Korrekturwert vom Empfänger an den Sender gesendet. Wohl aber wird Ho wird durch Hj_ ersetzt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden die so korrigierten Werte von | sTx I nach oben begrenzt, um eine Über¬ lastung der LED zu vermeiden. Hierbei ist in allgemeiner Schreibweise | . | der Vektor der Absolutwerte von sTx . Diese Grenzwerte können beispielsweise vom Hersteller vorgegeben werden oder auch aus den empfohlenen LED-Treiberströmen berechnet werden, falls die Matrix A bekannt ist.
Es ist wichtig anzumerken, dass das vorgeschlagene Verfahren auch bei streng monotonen Nichtlinearitäten zwischen dem
Treiberstrom der LED und der ausgesendeten optischen Leistung funktioniert. Falls einfach ein linearer Zusammenhang um einen Arbeitspunkt herum angenommen wird, so wird die oben be¬ schriebene Kompensation vorzugsweise mehrere Male nacheinan- der vollzogen, bis sich ein stabiler Wert für c ergibt. Falls der Farbschwerpunkt in einem CSK-Diagramm absichtlich verschoben wird, so muss ein neues Ho ermittelt werden. Bei unverändertem Farbschwerpunkt kann dann das oben beschriebene Kompensationsverfahren wieder benutzt werden.
Falls das Spektrum der Systemübertragungsfunktion nicht
»flach« ist, kann der oben beschriebene Formalismus in fol¬ gender Weise abgewandelt werden: Alle Symbole in den obigen Gleichungen werden durch die Fouriertransformierten der Impulsantworten ersetzt, bspw. sRx J[sRx(t) ] (3) wobei y . ] eine Fouriertransformierte von [ . ] ist und t eine Zeitvariable. Die Gleichung (3) wird dann für die Frequenz ausgewertet, für welche eine konvexe Funktion des Vektors
Figure imgf000017_0001
ein Maximum einnimmt. Mit Hilfe dieser Funktion wird dann die Frequenzdarstellung von H berechnet, welche als HF bezeichnet wird.
Ein Beispiel für eine solche konvexe Funktion ist J[sR,Rx(t)]2 + J[sG,Rx(t)]2 + J[sB,Rx(t)]2 (4)
Anstatt H wird nun HF für die oben beschriebene Ermittlung von c benutzt.
Es ist außerdem darauf hinzuweisen, dass das oben beschriebe- ne Kompensationsverfahren auch verwendet werden kann, falls keine Nutzdaten übermittelt werden. Dazu müssen nur zu gewis¬ sen Abständen Kalibrierungssymbole gesendet und die Matrix H± geschätzt werden. In Figur 4 ist eine Funktion der optischen Strahlungsleistung P einer Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk in Abhängigkeit von einem zugeführten Treiberwechelstrom IAC, welche auch als Quanten- effizienz bezeichnet wird, dargestellt. Es ist unterstellt, dass diese Funktion annähernd linear ist.
Die in Figur 4 gezeigte durchgezogene Linie entspricht dabei einer ursprünglichen Quanteneffizienz QE1, welche sich im Verlauf eines Betriebs der Strahlungsquelle verändert, hier z.B. vermindert, dargestellt durch die darunterliegende strichpunktierte Linie gemäß einer geänderten Quanteneffi¬ zienz QE2.
Diese geänderte Quanteneffizienz QE2 hat zur Folge, dass für einen gegebenen Treiberwechselstrom i die ursprüngliche optische Leistung p0 auf einen geringeren Wert po ' sinkt. Um wie¬ der auf die ursprüngliche optische Leistung p0 zu kommen, muss der Treiberwechselstrom in einen höheren Wert i' geändert werden.
In Bezug auf die Quanteneffizienzmatrix Q sind deren Diagonalelemente proportional zu der Quanteneffizienz einer jewei- ligen Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk.
Eine Änderung in der Quanteneffizienz einzelner Strahlungsquellen Ti,Tj,Tk führt damit zu einer Änderung der Quanteneffizienzmatrix Q zu einer geänderten Quanteneffizienzmatrix Q' und entsprechend zu einer geänderten Kanaleigenschaftsmatrix H' .
In Figur 5 ist eine Funktion der optischen Strahlungsleistung P einer Strahlungsquelle Ti,Tj,Tk in Abhängigkeit von einem zugeführten Treibergleichstrom IDC dargestellt. In praktischen Ausführungen haben die für die Strahlungsquellen verwendeten Leuchtdioden eine von der Quanteneffizienz für Wechselströme gemäß 4 abweichende Quanteneffizienz für Gleichströme. Gründe hierfür sind z.B. eine thermale Trägheit und etwaige Sättigungseffekte in der Leuchtdiode. Wie bereits erwähnt, können für die Ermittlung der Kanalei¬ genschaftsmatrix H bezüglich des Wechselstromverhaltens orthogonale Codes, insbesondere modifizierte Walsh-Codes ver¬ wendet werden.
Ein ähnlicher Ansatz kann für eine Abschätzung der Korrekturfaktoren für die Gleichströme bzw. Arbeitsströme (Bias Cur- rent) der Leuchtdiode angewandt werden. Zu diesem Zweck wer¬ den die Zeitschlitze des verwendeten orthogonalen Codes so oft über die optische Strahlungsquelle gesandt, bis diese ein thermales Gleichgewicht eingenommen hat. Zur Ermittlung der Kanaleigenschaftsmatrix bezüglich des Gleichstromverhaltens enthalten eine Mehrzahl von Zeitschlitzen der Kalibrierungsnachricht also jeweils ein identisches Symbol.
Die letzten empfangenen Werte am Ende eines Walsh- Codeschlitzes werden dann zur Abschätzung einer Gleichstrom- Kanaleigenschaftsmatrix HDc verwendet. Die jeweiligen Kanal¬ eigenschaftsmatrizen werden dann in ähnlicher Weise zur Er- mittlung des Korrekturwerts CDC = diag ( HDCi_1.H co ) eingesetzt.
Im Folgenden wird anhand der Figuren 2 und 3 ein zeitliches Ablaufdiagramm ausgetauschter Nachrichten zur Korrektur der Farbkodierung gezeigt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird dabei von einem Nachrichtenaustausch zwischen dem Sender TX und dem Empfänger RX ausgegangen, wobei die beteiligten Funktionseinheiten im Sender TX und im Empfänger RX nicht festgelegt sind. Zur Darstellung des Nachrichtenaustausches gemäß der Figuren 2 und 3 werden in horizontaler Darstellung verlaufende Nachrichten zwischen dem Sender TX und dem Empfänger RX dargestellt, wobei die jeweiligen Nachrichten in einer zeitlichen Ordnung dargestellt sind, in der ältere Nachrichten jeweils oberhalb von jüngeren Nachrichten dargestellt sind. Zunächst wird anhand von Figur 2 ein die Durchführung eines Verfahrens zur Stabilisierung der Farbkodierung erfolgender Nachrichtenaustausch betrachtet, mit Hilfe dessen eine Ände¬ rung der Quanteneffizienz der senderseitigen Lichtquelle kom- pensiert wird, wobei gemäß der vorher beschriebenen Figur 4 die Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz übereinstimmt mit der Gleichstromcharakteristik der Quanteneffizienz. In diesem Fall weisen also die Gleichstromcharakteris¬ tik der Quanteneffizienz und die Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz identische Steigungen auf.
Zur Einleitung des Verfahrens sendet der Sender TX eine Kompensationsanforderungsnachricht RACCC an den Empfänger RX. Die Kompensationsanforderungsnachricht RACCC wird vorzugswei- se mit dem Begriff »Request AC Color Compensation« bezeichnet .
Die Kompensationsanforderungsnachricht RACCC enthält sender- seitig gebildete Kalibrierungsinformationen, welche auch als »AC Training Frame« bezeichnet werden. Diese Kalibrierungsinformationen liegen in einem Header (Nachrichtenkopfeintrag) eines Datenpakets auf Hardware-Ebene (»Physical Layer«) vor, oder, alternativ in einem Header auf der Sicherungsschicht bzw. MAC-Ebene (»Media Access Control«) des die Kompensati- onsanforderungsnachricht RACCC bildenden Datenpakets. Die Ka¬ librierungsinformationen dienen dem Empfänger RX einer Berechnung und/oder Abschätzung der aktuell vorliegenden Kanaleigenschaften. Die entsprechenden Werte der Kanalmatrix werden in einer Referenzkanaleigenschaftsmatrix Ho gespeichert.
Nach Speichern der Referenzkanaleigenschaftsmatrix Ho im Empfänger RX sendet dieser eine Bestätigungsnachricht AACCC an den Sender TX. Diese Bestätigungsnachricht wird bevorzugt mit der abkürzenden Bezeichnung »Ack AC« (»Acknowledge«) benannt.
Mit der Bestätigungsnachricht AACCC bestätigt der Empfänger RX neben einem erfolgreichen Empfang der Kompensationsanfor- derungsnachricht RACCC gleichzeitig, dass er in der Lage ist, das hier beschriebene Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz durchzuführen. Die Bestätigungsnachricht AACCC kann darüber hinaus zusätzliche Status- und/oder Leistungsmerkmalinformationen enthalten, welche jedoch im Folgenden nicht weiter ausgeführt werden .
Unterbleibt diese Bestätigungsnachricht AACCC oder wird sie mit einem entsprechenden negativen Eintrag an den Sender TX zurückgesandt, bedeutet dies, dass der Empfänger RX nicht in der Lage ist, ein Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz durchzuführen. Wird die Bestätigungsnachricht AACCC nicht innerhalb ei- ner vordefinierten Wartezeit am Sender TX empfangen, ist vorgesehen, dass der Sender TX erneut eine - nicht dargestell¬ te - Kompensationsanforderungsnachricht RACCC an den Empfän¬ ger RX sendet. Die besagte vordefinierte Wartezeit wird vor¬ zugsweise auch mit der abkürzenden Bezeichnung
»macAckColorCompWaitTime« bezeichnet.
Nach Erhalt der Bestätigungsnachricht AACCC wird von Seiten des Senders TX eine Trainingsanforderungsnachricht TRAC an den Empfänger RX gesandt. Diese Trainingsanforderungsnach- rieht TRAC wird vorzugsweise mit der abkürzenden Bezeichnung »Training AC« bezeichnet. Die Trainingsanforderungsnachricht TRAC enthält für das Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz erforderliche KaiibrierungsInformationen .
Mit Hilfe der Trainingsanforderungsnachricht TRAC werden die gegenwärtigen Kanaleigenschaften auf der Empfängerseite abgeleitet bzw. berechnet und in einer Kanaleigenschaftsmatrix H' gespeichert .
Im Gegensatz zu einem empfängerseitigen Kompensationsschema, welche im Änderungsvorschlag zum Standard IEEE 802.15.7, Yo- koi et al . : »Modified Text Clause 6.9.2.2«, 17. Januar 2010, Dokumentidentifizierung »15-10-0036-00-0007« dargestellt ist, dient nicht die gegenwärtige Kanaleigenschaftsmatrix H' , sondern vielmehr die empfängerseitig gespeicherte Referenzkanal- eigenschaftsmatrix H0 als Basis für eine Kompensation (»Equa- lization«) von spektralen Änderungen der optischen Leistung. Anhand der Kanaleigenschaftsmatrix H' sowie der Referenzka- naleigenschaftsmatrix Ho wird im Empfänger RX eine Kompensationsinformation, genauer gesagt ein Kompensationsvektor c berechnet, welcher vom Empfänger RX an den Sender TX mit Hilfe einer Kompensationsinformationsnachricht CCAC gesandt wird .
Die Kompensationsinformationsnachricht CCAC wird vorzugsweise mit dem Begriff »AC Compensation Coefficients« bezeichnet.
Nach Erhalt und Auswertung dieser Kompensationsinformations¬ nachricht CCAC im Sender TX entscheidet dieser, ob eine Kor¬ rektur angemessen ist. Ist diese Entscheidung positiv, werden die Vektorelemente des Kompensationsvektors c in den in Figur 1 dargestellten Korrekturelementen Ci,Cj,Ck multipliziert.
Nach einer vordefinierten Zykluszeit TC sendet der Sender TX erneut eine Trainingsanforderungsnachricht TRAC wie oben be¬ schrieben, woraufhin der Empfänger RX die gegenwärtige Kanal- eigenschaftsmatrix H' aktualisiert, den Kompensationsvektor c berechnet und das Ergebnis an den Sender TX mit einer weite¬ ren Kompensationsinformationsnachricht CCAC zurücksendet.
Dieser Zyklus wird mit einer Frequenz wiederholt, welche dem Kehrwert aus der Zykluszeit TC entspricht. Die Wiederholung erfolgt, bis der Sender TX eine Beendigungsnachricht ECC an den Empfänger RX sendet. Die besagte Beendigungsnachricht ECC wird vorzugsweise auch mit dem Begriff
»End Color Compensation« bezeichnet.
Im Folgenden wird anhand von Figur 3 ein die Durchführung eines Verfahrens zur Stabilisierung der Farbkodierung erfolgen- der Nachrichtenaustausch betrachtet, mit Hilfe dessen eine Änderung der Quanteneffizienz der senderseitigen Lichtquelle kompensiert wird, wobei gemäß der vorher beschriebenen Figur 5 die Gleichstromcharakteristik und die davon verschiedene Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz zu kompensieren sind. Die Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz stimmt also - im Unterschied zu dem vorher anhand der Figur 2 beschriebenen Verfahren - bei dem diesen Nachrichtenaustausch zugrundeliegenden Verfahren nicht mit der Gleichstrom- Charakteristik der Quanteneffizienz überein.
Zur Einleitung des Verfahrens sendet der Sender TX eine Kompensationsanforderungsnachricht RADCC an den Empfänger RX. Die Kompensationsanforderungsnachricht RADCC wird vorzugswei- se mit dem Begriff »Request AC & DC Color Compensation« bezeichnet .
Die Kompensationsanforderungsnachricht RADCC enthält sender- seitig gebildete Kalibrierungsinformationen, welche auch als »AC & DC Training Frame« bezeichnet werden. Diese Kalibrie¬ rungsinformationen liegen in einem Header (Nachrichtenkopf- eintrag) eines Datenpakets auf Hardware-Ebene (»Physical Lay¬ er«) vor, oder, alternativ in einem Header auf der Sicherungsschicht bzw. MAC-Ebene (»Media Access Control«) des die Kompensationsanforderungsnachricht RADCC bildenden Datenpa¬ kets. Die Kalibrierungsinformationen dienen dem Empfänger RX einer Berechnung und/oder Abschätzung der aktuell vorliegenden Kanaleigenschaften. Die entsprechenden Werte der jeweiligen Kanalmatrix für das Wechselstromverhalten und für das Gleichstromverhalten werden in zwei Referenzkanaleigen- schaftsmatrizen Ho und HODC gespeichert.
Nach Speichern der Referenzkanaleigenschaftsmatrizen Ho und HODC im Empfänger RX sendet dieser eine Bestätigungsnachricht AADCC an den Sender TX. Diese Bestätigungsnachricht wird be¬ vorzugt mit der abkürzenden Bezeichnung »Ack AC & DC« benannt . Mit der Bestätigungsnachricht AADCC bestätigt der Empfänger RX neben einem erfolgreichen Empfang der Kompensationsanfor- derungsnachricht RADCC gleichzeitig, dass er in der Lage ist, das hier beschriebene Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der kombinierten Gleichstrom- und Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz durchzuführen. Die Bestätigungsnachricht AADCC kann darüber hinaus zusätzliche Status- und/oder Leis¬ tungsmerkmalinformationen enthalten, welche jedoch im Folgen- den nicht weiter ausgeführt werden.
Unterbleibt diese Bestätigungsnachricht AADCC oder wird sie mit einem entsprechenden negativen Eintrag an den Sender TX zurückgesandt, bedeutet dies, dass der Empfänger RX nicht in der Lage ist, ein Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der Gleich- und Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz durchzuführen. Wird die Bestätigungsnachricht AADCC nicht in¬ nerhalb einer vordefinierten Wartezeit am Sender TX empfangen, ist vorgesehen, dass der Sender TX erneut eine - nicht in Figur 3 dargestellte - Kompensationsanforderungsnachricht RADCC an den Empfänger RX sendet. Die besagte vordefinierte Wartezeit wird vorzugsweise mit der abkürzenden Bezeichnung »macAckColorCompWaitTime« bezeichnet . Nach Erhalt der Bestätigungsnachricht AADCC wird von Seiten des Senders TX eine Trainingsanforderungsnachricht TRAD an den Empfänger RX gesandt. Diese Trainingsanforderungsnachricht TRAD wird vorzugsweise mit der abkürzenden Bezeichnung »Training AC & DC« bezeichnet. Die Trainingsanforderungsnach- rieht TRAD enthält für das Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der Gleich- und Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz erforderliche Kalibrierungsinformationen.
Mit Hilfe der Trainingsanforderungsnachricht TRAD werden die gegenwärtigen Kanaleigenschaften auf der Empfängerseite abgeleitet bzw. berechnet und in einer jeweiligen Kanaleigenschaftsmatrix H' und H' DC gespeichert. Im Gegensatz zu einem empfängerseitigen Kompensationsschema, welche im Änderungsvorschlag zum Standard IEEE 802.15.7, Yo- koi et al . : »Modified Text Clause 6.9.2.2«, 17. Januar 2010, Dokumentidentifizierung »15-10-0036-00-0007« dargestellt ist, dienen nicht die gegenwärtigen Kanaleigenschaftsmatrizen H' und H' DCr sondern vielmehr die empfängerseitig gespeicherten Referenzkanaleigenschaftsmatrix Ho und HODC als Basis für eine Kompensation (»Equalization«) von spektralen Änderungen der optischen Leistung. Anhand der Kanaleigenschaftsmatrizen H' und H' DC sowie der Referenzkanaleigenschaftsmatrizen Ho und HODC wird im Empfänger RX eine Kompensationsinformation, ge¬ nauer gesagt ein jeweiliger Kompensationsvektor c und CDC be¬ rechnet, welche vom Empfänger RX an den Sender TX mit Hilfe einer Kompensationsinformationsnachricht CCAD gesandt wird.
Die Kompensationsinformationsnachricht CCAD wird vorzugsweise mit dem Begriff »AC & DC Compensation Coefficients« bezeichnet. Nach Erhalt und Auswertung dieser Kompensationsinforma- tionsnachricht CCAD im Sender TX entscheidet dieser, ob eine Korrektur angemessen ist. Ist diese Entscheidung positiv, werden die Vektorelemente der Kompensationsvektoren c und CDC in den Korrekturelementen Ci,Cj,Ck multipliziert. Hierbei werden die DC-Werte des Treiberstroms, auch als Biasstrom be- kannt, mit den entsprechenden Werten von CDC multipliziert, während die informationstragenden Werte AC-Werte des Treiberstroms mit den entsprechenden Werten von c multipliziert werden . Nach einer vordefinierten Zykluszeit TC sendet der Sender TX erneut eine Trainingsanforderungsnachricht TRAD wie oben be¬ schrieben, woraufhin der Empfänger RX die gegenwärtige Kanaleigenschaftsmatrix H' aktualisiert, den Kompensationsvektor c berechnet und das Ergebnis an den Sender TX mit einer weite- ren Kompensationsinformationsnachricht CCAD zurücksendet. Dieser Zyklus wird mit einer Frequenz wiederholt, welche dem Kehrwert aus der Zykluszeit TC entspricht. Die Wiederholung erfolgt, bis der Sender TX eine Beendigungsnachricht ECC an den Empfänger RX sendet. Die besagte Beendigungsnachricht ECC wird vorzugsweise auch mit dem Begriff
»End Color Compensation« bezeichnet.
Im Folgenden wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung eine Struktur der oben beschriebenen Nachrichten erläu- tert. Die Struktur der Nachrichten erfolgt in Anlehnung und Fortführung an die Vorgaben des Standardentwurfs IEEE
802.15.7, Ausgabe 2009: »IEEE Standard for Information tech- nology — Telecommunications and Information exchange between Systems — Local and metropolitan area networks— Specific re- quirements— Part 15.7: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Visible Light Wi¬ reless Personal Area Networks (WPANs)«.
Zunächst wird anhand der folgenden Tabelle 1 eine Kennung (»Command-frame identifier«) eingeführt, welche anzeigt, ob die Nachrichten, in denen die jeweilige Kennung eingesetzt ist, im Rahmen einer Stabilisierung der Wechselstromcharakteristik (»AC color stabilization«) oder im Rahmen einer kombinierten Stabilisierung der Gleich- und Wechselstromcharakte- ristik (»AC & de color stabilization«) der Quanteneffizienz eingesetzt werden. In der Tabelle ist die Kennung mit ihrer jeweiligen Bezeichnung (»Command name«) in Zusammenhang gebracht .
Figure imgf000026_0001
Tabelle 1 Im Folgenden wird eine unter dem Begriff »Color-stabilization command« subsumierte Gruppe von Nachrichten (»Command Frame«) erläutert, deren allgemeiner Aufbau in der zweiten Zeile der folgenden Tabelle 2 gezeigt ist. Die erste Zeile der Tabelle 2 gibt an, wie groß die Informationslänge jeweiliger Felder, gemessen in Oktetten (»Octets«) , in dieser Struktur bemessen ist .
Figure imgf000027_0001
Dabei ist in den Feldern des Nachrichtenkopfeintrags (»Messa¬ ge Header«, MHR) , also den »MHR fields«, in dieser Reihenfolge die aus Tabelle 1 definierte Kennung (»Command-frame iden¬ tifier«) mit einer Länge von einem Oktett, eine in der fol- genden Tabelle 3 definierte Verfahrenskennung (»Color- stabilization command identifier«) mit einer Länge von einem Oktett sowie ein Verfahrensargument (»Command-specific Infor¬ mation«) mit einer variable Länge (»Variable«) vorgesehen. Die in Tabelle 2 dargestellte Spalten-Reihenfolge ist im Üb- rigen nicht zwingend; so kann in alternativen Ausführungsformen der Erfindung eine beliebig andere Reihenfolge vorgesehen sein .
Die nachfolgend dargestellte Tabelle 3 zeigt mögliche Verfah- renskennungen (»Color-stabilization command identifier«) zusammen mit ihrem jeweiligen Nachrichtentypen (»Color- stabilization command«) Color-stabilization
Color-stabilization command command identifier
0x00 Request color compensation
0x01 Acknowledge color compensation
0x02 Color-compensation training
0x03 Color-compensation coefficients
0x04 End color compensation
Tabelle 3
Im Folgenden wird die Struktur der aus den Figuren 2 und 3 bekannten Nachrichten anhand der oben dargestellten Systematik erläutert.
Die wechselstrombezogene Kompensationsanforderungsnachricht RACCC, vorzugsweise mit dem Begriff »Request AC Color Compen¬ sation« bezeichnet, wird zur Initiierung eines Farbstabili- sierungsverfahren bezüglich der Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz verwendet, in dessen Verlauf eine Übertragung einer wechselstrombezogenen Kompensationsinformation erfolgt. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Kompensationsanforderungsnachricht RACCC folgt der generellen Struk¬ tur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 4 dargestellt.
Figure imgf000028_0001
Tabelle 4 Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 4 die in Tabelle 1 definierte Kennung OxOf mit der Bezeichnung »AC color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 4 die in Tabelle 3 definierte Verfahrenskennung 0x00 mit der Bezeichnung »Request color compensation« eingetragen. Ein weiteres Feld wird (mit einer Informationslänge von Null Oktetten) nicht genutzt und ist daher mit »N/A« bzw. »non-applicable« gekennzeichnet.
Die gleich- und wechselstrombezogene Kompensationsanforde¬ rungsnachricht RADCC, vorzugsweise mit dem Begriff »Request AC & DC Color Compensation« bezeichnet, wird zur Initiierung eines Farbstabilisierungsverfahren bezüglich einer kombinierten Gleich- und Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz verwendet, in dessen Verlauf eine Übertragung einer gleich- und wechselstrombezogenen Kompensationsinformation erfolgt. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Kompensa- tionsanforderungsnachricht RADCC folgt der generellen Struk¬ tur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 5 dargestellt.
Figure imgf000029_0001
Tabelle 5
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 5 die in Tabelle 1 definierte Kennung 0x10 mit der Bezeichnung »AC & de color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 5 die in Tabelle 3 definierte Verfahrensken- nung 0x00 mit der Bezeichnung »Request color compensation« eingetragen. Ein weiteres Feld wird (mit einer Informations¬ länge von Null Oktetten) nicht genutzt und ist daher mit »N/A« bzw. »non-applicable« gekennzeichnet.
Die wechselstrombezogene Bestätigungsnachricht AACCC, vor¬ zugsweise mit dem Begriff »Ack AC« bezeichnet, wird zur Bes¬ tätigung eines erfolgreichen Empfangs der Kompensationsanfor- derungsnachricht RACCC und gleichzeitig zur Bestätigung, dass das angeforderte Farbstabilisierungsverfahren empfängerseitig durchgeführt werden kann, eingesetzt. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Bestätigungsnachricht AACCC folgt der generellen Struktur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 6 dargestellt.
Figure imgf000030_0001
Tabelle 6
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 6 die in Tabelle 1 definierte Kennung OxOf mit der Bezeichnung »AC color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 6 die in Tabelle 3 definierte Verfahrenskennung 0x01 mit der Bezeichnung »Acknowledge color compensation« eingetragen. Ein weiteres Feld mit einer definierbaren Informationslänge (»User-defined«) enthält optional Status- und/oder Leistungsmerkmalinformationen . Die gleich- und wechselstrombezogene Bestätigungsnachricht AADCC, vorzugsweise mit dem Begriff »Ack AC & DC« bezeichnet, wird zur Bestätigung eines erfolgreichen Empfangs der Kompen- sationsanforderungsnachricht RADCC und gleichzeitig zur Bes¬ tätigung, dass das angeforderte Farbstabilisierungsverfahren empfängerseitig durchgeführt werden kann, eingesetzt. Die Struktur dieser gleich- und wechselstrombezogenen Bestätigungsnachricht AADCC folgt der generellen Struktur gemäß Ta- belle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 7 dargestellt.
Figure imgf000031_0001
Tabelle 7
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 6 die in Tabelle 1 definierte Kennung 0x10 mit der Bezeichnung »AC & de color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 7 die in Tabelle 3 definierte Verfahrensken¬ nung 0x01 mit der Bezeichnung »Acknowledge color compensati¬ on« eingetragen. Ein weiteres Feld mit einer definierbaren Informationslänge (»User-defined«) enthält optional Status- und/oder Leistungsmerkmalinformationen.
Die wechselstrombezogene Trainingsanforderungsnachricht TRAC, vorzugsweise mit dem Begriff »Training AC« bezeichnet, ent¬ hält für das Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der Wech- selstromcharakteristik der Quanteneffizienz erforderliche Kalibrierungsinformationen. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Trainingsanforderungsnachricht TRAC folgt der gene¬ rellen Struktur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 8 dargestellt.
Figure imgf000032_0001
Tabelle 8
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 8 die in Tabelle 1 definierte Kennung OxOf mit der Bezeichnung »AC color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 8 die in Tabelle 3 definierte Verfahrenskennung
0x02 mit der Bezeichnung »Color-compensation training« eingetragen. Ein weiteres Feld mit einer definierbaren Informationslänge (»Implementer-defined«) enthält senderseitig gebil¬ dete Kalibrierungsinformationen. Die Länge dieses Feldes ist abhängig von der Länge der Trainingssequenzen, welche ihrerseits abhängen von gewählten Kodesequenzen und anderen Implementierungsdetails. In dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Kalibrierungsinformationen im Header bzw. MHR (»Message Header«) der in Tabelle 8 dargestellten Trai- ningsanforderungsnachricht TRAC, also auf der Sicherungs¬ schicht bzw. MAC-Ebene (»Media Access Control«) , vorliegen. Alternativ liegen diese in einem Header eines Datenpakets auf Hardware-Ebene (»Physical Layer«) vor.
Die gleich- und wechselstrombezogene Trainingsanforderungs¬ nachricht TRAD, vorzugsweise mit dem Begriff »Training AC & DC« bezeichnet, enthält für das Farbstabilisierungsverfahren bezüglich der kombinierten Gleich- und Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz erforderliche Kalibrierungsinformationen. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Trainingsanforderungsnachricht TRAC folgt der generellen Struktur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 9 dargestellt.
Figure imgf000033_0001
Tabelle 9
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 9 die in Tabelle 1 definierte Kennung 0x10 mit der Bezeichnung »AC & de color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 9 die in Tabelle 3 definierte Verfahrensken- nung 0x02 mit der Bezeichnung »Color-compensation training« eingetragen. Ein weiteres Feld mit einer definierbaren Informationslänge (»Implementer-defined«) enthält senderseitig ge¬ bildete Kalibrierungsinformationen. Die Länge dieses Feldes ist abhängig von der Länge der Trainingssequenzen, welche ihrerseits abhängen von gewählten Kodesequenzen und anderen Implementierungsdetails. In dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Kalibrierungsinformationen im Header bzw. MHR (»Message Header«) der in Tabelle 9 dargestellten Trainingsanforderungsnachricht TRAD, also auf der Sicherungs¬ schicht bzw. MAC-Ebene (»Media Access Control«) , vorliegen. Alternativ liegen diese in einem Header eines Datenpakets auf Hardware-Ebene (»Physical Layer«) vor. Die wechselstrombezogene Kompensationsinformationsnachricht CCAC, vorzugsweise mit dem Begriff »AC Compensation Coeffi- cients« bezeichnet, wird zur Übertragung der Kompensationsinformation, genauer gesagt des wechselstrombezogenen Kompensationsvektors c , vom Empfänger RX an den Sender TX verwendet. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Kompensationsinformationsnachricht CCAC folgt der generellen Struktur gemäß Ta¬ belle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 10 dargestellt.
Figure imgf000034_0001
Tabelle 10 Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 10 die in Tabelle 1 definierte Kennung OxOf mit der Bezeichnung »AC color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 8 die in Tabelle 3 definierte Verfahrensken- nung 0x03 mit der Bezeichnung »Color-compensation coeffi- cients« eingetragen. Ein weiteres Feld mit einer Informati¬ onslänge von sechs Oktetten enthält die vektoriellen Werte des wechselstrombezogenen Kompensationsvektors c . Die gleich und wechselstrombezogene Kompensationsinformati¬ onsnachricht CCAD, vorzugsweise mit dem Begriff »AC & DC Com- pensation Coefficients« bezeichnet, wird zur Übertragung der Kompensationsinformation, genauer gesagt der gleich und wechselstrombezogenen Kompensationsvektoren c und Cocr vom Emp- fänger RX an den Sender TX verwendet. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Kompensationsinformationsnachricht CCAD folgt der generellen Struktur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 11 dargestellt.
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Tabelle 11
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 11 die in Tabelle 1 definierte Kennung 0x10 mit der Bezeichnung »AC & de color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 11 die in Tabelle 3 definierte Verfah- renskennung 0x03 mit der Bezeichnung »Color-compensation coefficients« eingetragen. Ein darauf folgendes Feld mit ei¬ ner Informationslänge von sechs Oktetten enthält die vekto- riellen Werte des wechselstrombezogenen Kompensationsvektors c . Ein weiteres Feld mit einer Informationslänge von eben¬ falls sechs Oktetten enthält die vektoriellen Werte des gleichstrombezogenen Kompensationsvektors CDC-
Die Beendigungsnachricht ECC, vorzugsweise mit dem Begriff »End Color Compensation« bezeichnet, wird zur Beendigung des Farbstabilisierungsverfahren verwendet. Die Struktur dieser wechselstrombezogenen Beendigungsnachricht ECC folgt der ge¬ nerellen Struktur gemäß Tabelle 2 und ist in ihrer spezifischen Ausprägung in der folgenden Tabelle 12 dargestellt.
Figure imgf000036_0001
Tabelle 12
Als Kennung (»Command-frame identifier«) ist in Tabelle 12 je nach Art des zu beendenden Farbstabilisierungsverfahrens die in Tabelle 1 definierte Kennung OxOf mit der Bezeichnung »AC color stabilization« oder die Kennung 0x10 mit der Bezeichnung »AC & de color stabilization« eingetragen. Als Verfahrenskennung ist in Tabelle 12 die in Tabelle 3 definierte Verfahrenskennung 0x04 mit der Bezeichnung »End color compensation« eingetragen. Ein weiteres Feld wird (mit einer Infor- mationslänge von Null Oktetten) nicht genutzt und ist daher mit »N/A« bzw. »non-applicable« gekennzeichnet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Stabilisierung eines Farbkodierungsverfah- rens bei einer optischen Übertragung von Daten zwischen einem Sender (TX) und einem Empfänger (RX) ,
bei dem zur Kodierung und Übertragung der Daten ein Farbkodierungsverfahren auf Basis einer Mehrzahl von Elementarfarben vorgesehen ist,
bei dem eine jeweilige Elementarfarbe durch mindestens eine jeweilige senderseitige optische Strahlungsquelle (Ti,Tj,Tk) gesendet wird und empfängerseitig von mindestens einem jewei¬ ligen optischen Strahlungsempfänger (Ri,Rj,Rk) empfangen wird,
dadurch gekennzeichnet,
a) Senden einer senderseitig gebildeten Kalibrierungsinformationen enthaltenden Trainingsanforderungsnachricht (TRAC, TRAD) vom Sender (TX) an den Empfänger (RX) ;
b) Bilden einer Kanaleigenschaftsmatrix aus den Kalibrierungsinformationen durch den Empfänger (RX) und Spei- ehern der Kanaleigenschaftsmatrix im Empfänger (RX) ; c) Berechnung zumindest einer Kompensationsinformation auf Basis einer im Empfänger (RX) gespeicherten Referenzka- naleigenschaftsmatrix und der Referenzkanaleigenschafts¬ matrix ;
d) Senden der Kompensationsinformation vom Empfänger (RX) an den Sender (TX) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch,
die vor Verfahrenschritt a) durchgeführten Schritte
al) Senden einer senderseitig gebildeten Kalibrierungsinformationen enthaltenden Kompensationsanforderungsnachricht (RADCC, RACCC) vom Sender (TX) an den Empfänger (RX) , a2) Bilden einer Referenzkanaleigenschaftsmatrix aus den Ka- librierungsinformationen durch den Empfänger (RX) und
Speichern der Referenzkanaleigenschaftsmatrix im Empfänger (RX) , a3) Senden einer die Kompensationsanforderungsnachricht be¬ antwortenden Bestätigungsnachricht (AACCC; AADCC) vom Empfänger (RX) an den Sender (TX) .
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf Basis der Kompensationsinformation im Sender (TX) eine Anpassung mindestens eines Sendeparameters vorgenommen wird .
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensationsinformation ein Zahlenvektor, bestehend aus den Diagonalelementen einer Matrix ist, welche sich aus einer linksseitigen Multiplikation der invertierten Kanaleigenschaftsmatrix mit der Referenzkanaleigenschaftsmatrix ergibt .
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensationsinformation vom Empfänger (RX) an den Sender (TX) erst dann gesendet wird, wenn mindestens ein vek- torielles Element der Kompensationsinformation einen Wert annimmt, welcher im Wesentlichen einen Wert ungleich Eins an- nimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein vektorielles Element der Kompensationsin- formation einen Wert von ungleich Eins dann annimmt, wenn der Wert des vektoriellen Elements Grenzen eines vorgebbares Kon¬ fidenzintervall um einen Wert von Eins über- und/oder unterschreitet .
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Nebendiagonalelement einer Matrix, welche sich aus einer Multiplikation der invertierten Kanaleigenschaftsmatrix mit der Referenzkanaleigenschaftsmatrix ergibt, daraufhin überprüft wird, ob das zumindest eine Nebendiago- nalelement im Wesentlichen von einem Wert von Null abweicht.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Fall einer wesentlichen Abweichung zumindest eines Nebendiagonalelements der Matrix eine Fehlernachricht gesen¬ det wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trainingsanforderungsnachricht (TRAC, TRAD) eine
Kennung enthält, welche für einen Wert von OxOf eine wechsel¬ strombezogene Trainingsanforderungsnachricht (TRAC) und für einen Wert von 0x10 eine kombinierte gleich- und wechsel¬ strombezogene Trainingsanforderungsnachricht (TRAD) anzeigt.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Senden der Kompensationsinformation vom Empfänger (RX) an den Sender (TX) durch eine Kompensationsinformations- nachricht (CCAC, CCAD) erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensationsinformationsnachricht (CCAC, CCAD) eine Kennung enthält, welche für einen Wert von OxOf eine wechsel¬ strombezogene Kompensationsinformationsnachricht (CCAC) und für einen Wert von 0x10 eine kombinierte gleich- und wechsel¬ strombezogene Kompensationsinformationsnachricht (CCAD) an¬ zeigt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, die Bestätigungsnachricht (AACCC, AADCC) eine Kennung ent¬ hält, welche für einen Wert von OxOf eine wechselstrombezoge¬ ne Bestätigungsnachricht (AACCC) und für einen Wert von 0x10 eine kombinierte gleich- und wechselstrombezogene Bestäti¬ gungsnachricht (AADCC) anzeigt.
13. Verfahren nach Anspruch 2 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestätigungsnachricht (AACCC, AADCC) Status- und/oder Leistungsmerkmalinformationen enthält.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13,
gekennzeichnet durch,
den alternativen Schritt
a3) Senden einer die Kompensationsanforderungsnachricht be¬ antwortenden Bestätigungsnachricht (AACCC; AADCC) vom Empfänger (RX) an den Sender (TX) mit einem Eintrag, welcher anzeigt, dass der Empfänger (RX) zumindest der¬ zeit nicht in der Lage ist, ein Farbstabilisierungsver- fahren bezüglich der Wechselstromcharakteristik und/oder bezüglich der Gleich- und Wechselstromcharakteristik der Quanteneffizienz durchzuführen.
15. Optisches Übertragungssystem zur Durchführung eines Ver- fahrens gemäß einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8.
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