WO2020020387A1 - Receptor para señales ópticas de baja potencia con funcionamiento en condiciones de alta incidencia de luz de fondo y aplicación en comunicación con luz visible - Google Patents

Receptor para señales ópticas de baja potencia con funcionamiento en condiciones de alta incidencia de luz de fondo y aplicación en comunicación con luz visible Download PDF

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WO2020020387A1
WO2020020387A1 PCT/CO2019/000001 CO2019000001W WO2020020387A1 WO 2020020387 A1 WO2020020387 A1 WO 2020020387A1 CO 2019000001 W CO2019000001 W CO 2019000001W WO 2020020387 A1 WO2020020387 A1 WO 2020020387A1
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photodetector
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optical
stage
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Luis Fernando Castañeda Melo
Javier Fernando Castaño Forero
Rafael María Gutiérrez Salamanca
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Universidad Antonio Nariño
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    • 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
    • H04B10/60—Receivers

Definitions

  • the present invention belongs to the field of application of communication systems with visible light, which require specific operating conditions such as operation with white LED, optical power that does not affect users and that tends to be low, operation with light fund and high transfer rates.
  • the invention is directed to the reception of communication signals with direct improvements in the conditions operation with white LED, optical power and operation with stated backlight and with adequate performance in terms of high transfer rates.
  • Wireless communications are high impact technologies in society, they include home and business users.
  • the number of users using this type of system has increased exponentially, with WiFi at the head for communications in enclosed spaces and short distances where security and privacy are important.
  • the number of users of this type of systems exceeded 3 billion worldwide, being one of the largest markets today.
  • WiFi and wireless systems present problems due to possible health risks and limitations in bandwidth and performance.
  • VLC Visible Light Communication visible Light Communication
  • Some of the most relevant aspects to improve VLC technology are to increase transfer rates, reduce the intensity of light required to transmit in standard lighting conditions and achieve communications between multiple users.
  • the optical receivers currently used in VLC have three aspects that can and should be improved: 1. Increase the transfer rate, an important parameter in communications systems and that current needs demand that it be as high as possible; 2. Reduce the required optical power and 3. That the communication system works in the presence of ambient backlight without the need to use optical filters and mitigating the effect caused by interference that may alter the communication;
  • the receiver of the present invention provides surprisingly and easily in solving these problems.
  • the inventors of the present technical report designed an optical receiver for digital signals in the visible range, which requires a low incident power and therefore allows to detect specific optical signals in a very well defined range of powers and frequencies, in real high intensity backlight conditions without the requirement of optical filters, taking advantage of the characteristics of the photodetector boundary technology, which allows a great advance in the usefulness and applicability of communication with visible light with digital modulation techniques.
  • VLC visible light
  • IM / DD Intensity Modulation-Direct Detection
  • VLC systems have characteristics that distinguish it from other wireless communication technologies: 1.
  • the carrier used is visible light in the 350 to 750 nm range; 2. It is currently oriented to use white LEDs as transmitters, so that this type of lighting is used for a dual purpose; 3. Requires line of sight to ensure the best reception and this implies communication problems due to obstacles; 4. Requires mitigation of the effect produced by the environmental and artificial backlight on the receivers; it does not present problems of electromagnetic interference and for this reason it can be used in scenarios where radio frequency is restricted, such as hospitals, airplanes, industries and the like; 5. Offers security advantages by spatially restricting communication to the coverage area of
  • VLC liquid crystal display
  • sources such as lamps, sunlight and any source of visible light or radiation within the spectral range of the receiver.
  • Different techniques have been considered to mitigate the effect of this background radiation such as the use of RGB color LED emitters and the use of optical filters.
  • VLC systems have limitations related to transfer speed, ambient operating conditions, operating distance and modulation technique, as well as signal attenuation (light) [7]
  • Some VLC products have already been developed, the Fraunhofer Institute in Germany, has a commercial implementation of VLC achieving a transfer rate of 3 Gbps, and a reduced version that reaches 500 Mbps [6], for a maximum operating distance of 4 m using infrared LED light that requires the use of optical filters to avoid the influence of sunlight or conventional lighting.
  • Arxtek developed a VLC system called MOMO, which uses RGB LED and RGB photodetectors, based on Wavelet Modulation Division (WDM). This system achieves transfer rates of up to 300 Mbps, a maximum operating distance of 12 m, a point-to-point connection between a dedicated transmitter and receiver and multiple access through the
  • MOMO VLC system
  • WDM Wavelet Modulation Division
  • the photodetectors used in the current visible light communication systems obey PIN, APD (Avalanche Photodiode) photodiodes and the recently developed SPAD (Single Photon Avalanche Diode) arrays with a digital architecture that are in evaluation stage 5 .
  • PIN Avalanche Photodiode
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • the APD arrangements in which the output is analog type have been applied in detection of small amounts of light, in scenarios such as positron emission tomography, spectrometry, distance measurement, densimetry, cytometry and mainly in high physics experiments energies 7 .
  • the system is a CCD camera and discloses that in an expanded manner it can use another type of photodetectors.
  • what is intended to be detected is a response to a specific event and it is not about demodulation of information, much less has information represented digitally.
  • devices with oxygen detection are also used, so that their optical response depends on oxygenation, such purpose makes measurement and subsequent response very complex.
  • An SiPM is a set of avalanche photodiodes (APD) grouped in a matrix pattern and electrically connected in parallel.
  • APD avalanche photodiodes
  • One of its main features is a gain of the order of 10 6 , which gives it an extremely high sensitivity [2]
  • optical filters are no longer necessary due to their greater sensitivity compared with all the technologies cited in Table I.
  • SiPM On Off Key
  • an optical receiver for digital communication of the present invention which is illustrated in Figure 2 which comprises a photodetector (10) of high sensitivity and response in the visible range, formed by an arrangement (13) of APD, capable of responding in the presence of backlight, post-cloned to receive a visible beam of light (9) from an optical transmitter.
  • Figure 3 shows the structure of the arrangement (13) formed by the APDs is located in a two-dimensional matrix form, in which photons (12) can influence any of the APDs that make it up.
  • Figure 4 shows the electrical equivalent of the APD array, whose output consists of the sum of the responses of the APDs activated by the incident photons.
  • the output of the photodetector (10) consisting of an electric charge as a non-linear function of the illuminance on the photodetector (10) and in turn is conditioned by the response of this element, is connected to an analog analog system (15) specifically designed according to the characteristics of the response of the photodetector (10).
  • the electronic system (15) has as input the output of the photodetector (10), which is connected to a load resistor (8) to generate a voltage as a non-linear function referenced in Figure 1 of the incident light flow (9) on the photodetector (10), taking into account a compensation of the offset level generated by the backlight and the attenuation of the signal due to the saturation of the SiPM at higher levels of light flow.
  • the resistor (8) is connected to an amplification stage (5) consisting of operational amplifiers or any high frequency electronic device that amplifies signals;
  • the objective of this connection is to amplify the voltage generated in the resistor (8) while maintaining the frequency characteristics of the signal transduced by the photodetector (10).
  • the output of the amplification stage (5) is connected to a comparison stage (6) consisting of operational amplifiers or any similar device.
  • the comparison stage is configured to generate signals in the range required by the demodulation system (14) to which the receiver is connected.
  • the comparison stage is connected to a stage (7) formed by operational amplifiers and that implements a logical AND function between the stage output (7) and a reference value, determined by the levels required by the demodulation system (14) to which the receiver is to be connected.
  • stages are connected to a voltage source (2) that provides the required voltages.
  • the output (1) of the receiver is digital, at the levels determined by the characteristics of stages (5), (6) and (7).
  • An ideal feature for communication systems with visible light is to have high sensitivity, which determines the required optical power.
  • the systems can operate from normal lighting / transmission conditions, taking into account the dual-purpose use of LED systems, to levels of illumination imperceptible to the human eye, for example, the system could be used at times when lighting is not required;
  • the fact of not requiring optical filters to mitigate the impact of the environmental backlight is a factor that translates into less complexity and implementation costs.
  • the optical receiver of the invention meets the objectives of communication with visible light, operating with natural and artificial backlight; as well as the low optical power required. This allows you to have the following advantages:
  • VLC Visible Light system Communication
  • the backlight control system is composed of a white LED lamp (19), an ambient light sensor (20) and a current control used to regulate the emission intensity of the LED lamp.
  • Each client system is composed of a white LED transmitter (9), a receiver based on SiPM (10), an FPGA signal conditioning and protocol device (23) and a computer, this is illustrated in Figure 6.
  • Both clients (21 and 22) are placed in a horizontal plane at a distance of 3 m without obstacles between them as illustrated in the scheme of Figure 5.
  • the rear lighting source (30) is placed at an equal distance from each client with an angle of emission of 90 degrees with the horizontal plane.
  • the LED emitters and the LED backlight light emit in the same frequency range to increase the challenge of signal noise differentiation.
  • the SiPM-based receiver is composed of a SiPM detector, a low-pass signal filter and a shaping stage.
  • the test method is divided into two main steps.
  • the first step is designed to adjust the VLC system to work under standard working conditions.
  • the VLC emitter and receiver systems are tested to assess the actual attenuation effect of the backlight that could affect the effective transfer rate.
  • the VLC system is tested for data transfer between two clients.
  • the transmitter is stimulated with a 100MHz square signal and a backlight illumination intensity adjusted to a reference value corresponding to the lowest level required in an office work environment (300 Ix), to evaluate the attenuation due to the backlight.
  • the SiPM response amplitude relative to the backlight is normalized after the signal filtering stage, and is taken as a reference to establish the level of signal attenuation
  • the intensity of the backlight is increased in 5 lux steps, and the average amplitude response voltage SiPM is recorded.
  • the mean amplitude voltage of SiPM after the filtering stage versus the intensity of the backlight is plotted on a semi-logarithmic scale and the signal attenuation function in relation to the backlight is set with an adjustment function. This function will be used to estimate the signal level and the signal-to-noise ratio (SNR) under different lighting conditions, providing useful information to tune the VLC transmitter receiving device and set operational limits for the technology.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the modeler threshold (Vi /?) Is set to a value such that
  • V / r / pmax is the maximum ripple voltage at the bottom of the signal and ⁇ / mripmin is the minimum ripple voltage at the top of the signal.
  • the system is tested by transmitting a binary file using an On Off Key (OOK) modulation technique from one client to another, under varying ambient lighting conditions, and the transmission performance was evaluated by measuring the overall transfer rate of a binary file between Two users Ambient lighting conditions are set at the upper limit of the fixed range to test the worst possible scenario corresponding to a normal office work environment. The experiment was performed several times to have statistical consistency, the transfer rate was measured for all repetitions, obtaining an average value consistent with a small standard deviation.
  • OOK On Off Key
  • Figure 1 Optical receiver for linear communication.
  • Figure 4 Plane illustrating the response of the incident light flux on the photodetector against the backlight intensity.
  • FIG. Experimental configuration of visible light communication (VLC) with two clients.
  • Figure 6. Components of each client system in visible light communication (VLC)

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Abstract

La invención se refiere a un receptor óptico para señales digitales en el rango visible, con un fotodetector conformado por un arreglo bidimensional de fotodiodos de avalancha (APD), conectados en paralelo y con una salida que representa la suma de las respuestas individuales de cada APD. El fotodetector requiere una baja potencia incidente y por lo tanto permite detectar señales ópticas específicas en un' rango de potencias y frecuencias muy bien definido, en condiciones de luz de fondo reales de alta intensidad sin el requerimiento de filtros ópticos, lo que permite un gran avance en la utilidad y aplicabilidad de la comunicación con luz visible con técnicas de modulación digital.

Description

RECEPTOR PARA SEÑALES ÓPTICAS DE BAJA POTENCIA CON FUNCIONAMIENTO EN CONDICIONES DE ALTA INCIDENCIA DE LUZ DE FONDO Y APLICACIÓN EN COMUNICACIÓN CON LUZ VISIBLE
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de aplicación de los sistemas de comunicación con luz visible, los cuales requieren condiciones específicas de operación tales como operación con LED blanco, potencia óptica que no afecte a los usuarios y que tiende a ser baja, operación con luz de fondo y altas tasas de transferencia.
La invención se orienta a la recepción de las señales de comunicación con mejoras directas en las condiciones operación con LED blanco, potencia óptica y operación con luz de fondo enunciadas y con un rendimiento adecuado en términos de altas tasas de transferencia.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Las comunicaciones inalámbricas son tecnologías de alto impacto en la sociedad, abarcan usuarios domiciliarios y empresariales. En los años recientes ha incrementado exponencialmente el número de usuarios que utilizan este tipo de sistemas, con WiFi a la cabeza para comunicaciones en espacios cerrados y cortas distancias en donde la seguridad y la privacidad son importantes. En el 2016, el número de usuarios de este tipo de sistemas superó los 3 mil millones en todo el mundo, siendo uno de los mercados más grandes en la actualidad. El WiFi y los sistemas inalámbricos presentan problemáticas por posibles riesgos en la salud y limitaciones en ancho de banda y rendimiento.
El sector de las comunicaciones apreciará mucho una tecnología sustitutíva para algunos de los entornos críticos, así como también lo es el número exponencialmente creciente de conexiones de radiofrecuencia que pueden saturar rápidamente los espectros disponibles. De esta manera, y tratando de solucionar estos problemas desde hace unos pocos años se encuentra en desarrollo una alternativa de comunicación que emplea LED blancos o el rango visible de luz en general como transmisores y al mismo tiempo como sistemas de iluminación. Dichos desarrollos son conocidos comúnmente como comunicaciones de luz visible (por sus siglas en inglés VLC Visible Light Communication), entre los cuales, sin embargo existen desafíos importantes de superar, con el fin de alcanzar los requisitos reales del usuario y del mercado, y convertirse en una tecnología alternativa viable para las comunicaciones de radiofrecuencia. Algunos de los aspectos más relevantes para mejorar la tecnología VLC consisten en aumentar las tasas de transferencia, reducir la intensidad de luz requerida para transmitir en condiciones de iluminación estándar y lograr las comunicaciones entre múltiples usuarios.
En resumen, los receptores ópticos empleados actualmente en VLC, presentan tres aspectos que se pueden y deben mejorar: 1. Aumentar la tasa de transferencia, parámetro importante en los sistemas de comunicaciones y que las necesidades actuales demandan que sea lo más alto posible; 2. Disminuir la potencia óptica requerida y 3. Que el sistema de comunicación funcione en presencia de luz de fondo ambiental sin la necesidad de emplear filtros ópticos y mitigando el efecto causado por interferencia que pueda alterar la comunicación; el receptor de la presente invención aporta de forma sorprendente y sencilla en la solución a éstos problemas.
Para solucionar estos problemas, los inventores de la presente memoria técnica diseñaron un receptor óptico para señales digitales en el rango visible, que requiere una baja potencia incidente y por lo tanto permite detectar señales ópticas específicas en un rango de potencias y frecuencias muy bien definido, en condiciones de luz de fondo reales de alta intensidad sin el requerimiento de filtros ópticos, aprovechando las características de la tecnología de frontera de fotodetectores, que permite un gran avance en la utilidad y aplicabilidad de la comunicación con luz visible con técnicas de modulación digital. ANTECEDENTES
La comunicación con luz visible (VLC) es una tecnología que en los últimos años ha tenido gran auge, como una alternativa frente a otros sistemas de comunicación inalámbrica como WiFi, Bluetooth y similares, especialmente para el caso de WPAN ( Wireless Personal Area NetWork) o red inalámbrica de área personal, un caso particular de la redes de área local LAN (Local Area Network)
Los sistemas VLC desarrollados usan principalmente la técnica IM/DD (Intensity Modulation-Direct Detection) para la transmisión y recepción, para lo cual se controla la intensidad de un LED o un arreglo de LED a través del control de voltaje, generando señales que pueden ser cuadradas, senoidales o de otras formas de onda dependiendo del tipo de modulación empleada; para la recepción se usa un receptor basado en un fotodetector, que transduce los fotones recibidos en señales eléctricas que luego son adecuadas mediante sistemas electrónicos análogos y finalmente demoduladas para recuperar la información inicialmente transmitida2.
Los sistemas VLC tienen características que la distinguen de otras tecnologías de comunicación inalámbrica: 1. La portadora empleada es luz visible en el rango de 350 a 750 nm; 2. Actualmente se orienta a usar LED blancos como transmisores, de tal forma que se use este tipo de iluminación para un doble propósito; 3. Requiere línea de vista para asegurar la mejor recepción y esto implica problemas de comunicación debido a obstáculos; 4. Requiere la mitigación del efecto producido por la luz de fondo ambiental y artificial sobre los receptores; no presenta problemas de interferencia electromagnética y por este motivo puede ser usado en escenarios donde la radiofrecuencia se encuentra restringida, como hospitales, aviones, industrias y similares; 5. Ofrece ventajas de seguridad al restringir espacialmente la comunicación al área de cobertura de
1 P. M. Butala, J. C. Chau, and T. D. C. Little. Metameric modulation for diffuse visible light Communications with constant ambient lighting. In 2012 International Workshop on Optical Wireless Communications, IWOW 2012, 2012. Cited By :27.
2 R. M. Gutiérrez, A. I. Hernández, L. F. Castañeda, and J. F. Castaño. The Silicon photomultiplier as a metasystem with designed electronics as metadevice for a new receiver- emitter in visible light Communications. In Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, volume 9544, 2015. Cited By la luz visible, que por su naturaleza tiene una propagación de pocos metros y de esta manera se evita el acceso de usuarios no autorizados al sistema de comunicación como tal; 6. Es necesario solucionar el problema de interferencia entre usuarios para el caso del acceso múltiple y desarrollar técnicas eficientes para proveer acceso a múltiples usuarios y poder construir una red VLC3.
Uno de los principales desafíos de VLC es operar bajo una alta incidencia de luz de fondo proveniente de múltiples fuentes como lámparas, luz solar y cualquier fuente de luz visible o radiación dentro del rango espectral del receptor. Se han considerado diferentes técnicas para mitigar el efecto de esta radiación de fondo como el uso de emisores LED de color RGB y el uso de filtros ópticos. Hasta ahora, los sistemas VLC tienen limitaciones relacionadas con la velocidad de transferencia, las condiciones de funcionamiento ambiente, la distancia de operación y la técnica de modulación, así como el atenuado de la señal (luz) [7] Algunos productos VLC ya han sido desarrollados, el Instituto Fraunhofer en Alemania, posee una implementación comercial de VLC logrando una tasa de transferencia de 3 Gbps, y una versión reducida que alcanza 500 Mbps [6], para una distancia de operación máxima de 4 m utilizando luz infrarroja LED que requiere el uso de filtros ópticos para evitar la influencia de la luz solar o la iluminación convencional.
En marzo de 2016, pureLiFi introdujo su sistema Li-X con pequeños dispositivos de usuario y operación a través de USB, una velocidad de transferencia de 40 Mbps en ambos canales y acceso múltiple a través del concepto de attocell4.
Por su parte, Arxtek desarrolló un sistema VLC llamado MOMO, que utiliza fotodetectores RGB LED y RGB, basados en Wavelet División Modulation (WDM). Este sistema alcanza tasas de transferencia de hasta 300 Mbps, una distancia de operación máxima de 12 m, una conexión entre usuarios punto a punto con un transmisor y receptor dedicado y acceso múltiple mediante la
3 H. Haas. Lifi is a paradigm-shifting 5g technology. Reviews in Physics, 3:26-31 , 2018.
4 H. Haas, C. Chen, and D. O’Brien. A guide to wireless networking by light. Progress in Quantum Electronics, 55:88-1 1 1 , 2017. interconexión de estos dispositivos. Un resumen comparativo de estos desarrollos se presenta en la tabla 1.
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Tabla 1. Condiciones de transferencia de archivos binarios y rendimiento informado. Tasa de transferencia (TR), modulación y enlace de comunicación para los sistemas VLC a los que se hace referencia.
Teniendo en cuenta las características anteriores, la investigación y desarrollo basado en fotodetectores es importante para los sistemas VLC, en cuanto al mejoramiento de los receptores que se requieren en este tipo de comunicación. Para lograr el funcionamiento de la comunicación en presencia de luz de fondo ambiental se ha planteado el uso de filtros ópticos, que limiten la influencia de este tipo de luz sobre los receptores, sumado a sistemas ópticos que recojan la mayor cantidad de luz y la lleven hacia el fotodetector.
Los fotodetectores usados en los actuales sistemas de comunicación con luz visible obedecen a fotodiodos PIN, APD (Avalanche Photodiode ) y a los recientemente desarrollados arreglos de SPAD ( Single Photon Avalanche Diode) con una arquitectura digital que se encuentran en etapa de evaluación5. No obstante, éstos desarrollos no poseen robustez a la luz de fondo ambiental sin filtros ópticos e implementan una reducción de la potencia óptica de recepción hasta el orden de pW/cm . Estos fotodetectores se ven altamente afectados por
5 H. Li, X. Chen, J. Guo, and H. Chen. A 550 mb¡t/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light led for practical high-speed lowcomplexity application. Optics Express, 22(22):27203-27213, 2014. Cited By :55. la luz de fondo ambiental y natural, que reduce su capacidad de respuesta a las señales de comunicación6.
Los arreglos de APD en los cuales la salida es de tipo analógico han sido aplicados en detección de pequeñas cantidades de luz, en escenarios como tomografía por emisión de positrones, espectrometría, medición de distancias, densimetría, citometría y principalmente en experimentos de física de altas energías7.
Diferentes experimentos desarrollados con fotodetectores conformados por arreglos de APD y salida analógica, demostraron su alta capacidad de respuesta en presencia de luz de fondo ambiental y su alta responsitividad que les permite detector bajos flujos lumínicos [8], características novedosas en el estado del arte tanto de fotodetectores como de comunicación con luz visible.
Algunas de estas aplicaciones son conocidas por ejemplo a partir de desarrollos como el propuesto por el documento US20090224158 “Data acquisition for positrón emission tomography”, el cual se refiere a un detector matricial similar al readout de un MPGD 3GEM el cual detecta un pulso de luz de una emisión de positrones generando un pulso eléctrico análogo capturado en los canales correspondientes para luego digitalizarlo y medir la energía del pulso. Las partes de este sistema de detección son: 1 ) Detector, 2) Filtro Pasabajos, 3) Digitalizador y 4) Sistema embebido para el análisis de carga y energía. Tal desarrollo sin embargo, genera pulsos análogos, lo que conlleva problemas en la exactitud de las lecturas. Adicionalmente, el filtro pasabajos de tal desarrollo presenta un desempeño muy bajo en la digitalización y el sistema de análisis de carga o energía.
6 D. Tsonev, S. Videv, and H. Haas. Towards a 100 gb/s visible light wireless access network. Optics Express, 23(2):1627-1637, 2015. Cited By :94.
7 S. . Yang, H. . Kim, Y. . Son, and S. . Han. Reduction of optical interference by wavelength filtering in rgb-led based indoor vlc system. In 16th Opto-Electronics and Communications Conference, OECC 201 1 , pages 551 -552, 201 1. Cited By :23. Por otro lado, el documento US 20150282749“Apparatus, Systems and methods formapping oftissue oxygenation” presenta un sistema para hacer imagenología de tejidos, órganos o cualquier estructura biológica interna, para lo cual se capturan imágenes de estructura y al mismo tiempo, se mide con un sistema óptico el nivel de oxígeno presente en esa área bajo estudio. El principio físico puede ser fluoroluminiscencia o cualquier otro similar. El nivel de oxígeno de manera directa produce una emisión óptica que es la que se detecta con el sistema fotodetector. En la modalidad principal de tal desarrollo, el sistema es una cámara CCD y divulga que de manera ampliada puede usar otro tipo de fotodetectores. En este caso, lo que se pretende detectar es una respuesta a un evento específico y no se trata de demodulación de información ni mucho menos se tiene información representada digitalmente.
En este desarrollo además se emplean artefactos con detección de oxígeno, por lo que su respuesta óptica depende de la oxigenación, tal finalidad hace muy complejo la medición y posterior respuesta.
Otro desarrollo importante consiste en el divulgado por el documento CN101752391 titulado “Snow slide drifting detector with MOS fully-depleted driñing channel and detecting method thereof’ el cual presenta una técnica que mejora la respuesta, eficiencia, ganancia y otros parámetros de un fotodetector. Tal desarrollo sin embargo, está diseñado para detectar rayos x, rayos gamma y es sensible a una banda de ondas desde luz azul hasta infrarroja.
Por úlitmo, el documento US2013015331 A1 titulado “Device and Method for Detecting Light” presenta un sistema electrónico y procesamiento de señal para detectar señales lumínicas, con diferentes aplicaciones. En dicho desarrollo las explicaciones funcionales se dan con respecto a APD. En dicha patente no se explica el funcionamiento para comunicaciones de manera explícita y no se menciona el funcionamiento con luz de fondo. Adicionalmente, en el documento citado, el artefacto requiere de otro dispositivo para detectar luz, como un microscopio, un espectrómetro o una cámara. La tecnología VLC de la presente invención supera algunas de las limitaciones de los desarrollos anteriores citados gracias a la integración de dispositivos Silicon Photo Multipliers (SiPM - fotomultiplicadores de silicio), una tecnología de detección avanzada desarrollada inicialmente para experimentos de partículas de alta energía, por ejemplo, a través de la detección de fotones generados a partir de su desintegración por colisiones. Un SiPM es un conjunto de fotodiodos de avalancha (APD) agrupados en un patrón dé matriz y conectados eléctricamente en paralelo. Una de sus principales características es una ganancia del orden de 106, lo que le otorga una sensibilidad extremadamente alta [2] Al integrar SiPM al sistema receptor de la presente invención, los filtros ópticos ya no son necesarios debido a su mayor sensibilidad en comparación con todas las tecnologías citadas en la Tabla I.
En el mismo sentido, la mayor sensibilidad de SiPM permite discriminar claramente la señal del ruido, haciendo posible uso de técnicas de modulación simples como On Off Key (OOK) mientras se mantienen las tasas de transferencia competitivas.
Por otro lado, las tecnologías existentes utilizan técnicas de modulación más complejas para lograr tasas de transferencia comparables; de hecho, las únicas tecnologías con tasas de transferencia informadas más altas que la tecnología VLC, requieren de emisores infrarrojos o RGB.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Con el fin de resolver esta problemática los inventores han desarrollado un receptor óptico para comunicación digital de la presente Invención que se ilustra en la figura 2 el cual comprende un fotodetector (10) de alta sensibilidad y respuesta en el rango visible, conformado por un arreglo (13) de APD, con capacidad de respuesta en presencia de luz de fondo, poslclonado para recibir un haz de luz visible (9) procedente de un transmisor óptico. En la figura 3 se muestra la estructura del arreglo (13) conformado por los APD se ubica en forma matricial bidimensional, en el cual pueden incidir fotones (12) en cualquiera de los APD que lo conforman.
La figura 4 muestra el equivalente eléctrico del arreglo de APD, cuya salida consiste en la suma de las respuestas de los APD activados por los fotones incidentes.
La salida del fotodetector (10) que consiste de una carga eléctrica como función no lineal de la iluminancia sobre el fotodetector (10) y a su vez es condicionada por la respuesta de este elemento, se conecta a un Sistema electrónico análogico (15) diseñado específicamente de acuerdo con las características de la respuesta del fotodetector (10).
El sistema electrónico (15) tiene como entrada la salida del fotodetector (10), que se conecta a una resistencia de carga (8) para generar una tensión como función no lineal referenciada en la figura 1 del flujo lumínico incidente (9) sobre el fotodetector (10), teniendo en cuenta una compensación del nivel de offset generado por la luz de fondo y la atenuación de la señal consecuencia de la saturación del SiPM a mayores niveles de flujo lumínico.
La resistencia (8) se conecta a una etapa de amplificación (5) conformada por amplificadores operacionales o cualquier dispositivo electrónico de alta frecuencia que amplifique señales; el objetivo de esta conexión es amplificar la tensión generada en la resistencia (8) manteniendo las características en frecuencia de la señal transducida por el fotodetector (10).
La salida de la etapa de amplificación (5) se conecta a una etapa de comparación (6) conformada por amplificadores operacionales o cualquier dispositivo similar. La etapa de comparación se configura para generar señales en el rango requerido por el sistema de demodulación (14) al cual se conecta el receptor.
Finalmente, la etapa de comparación se conecta a una etapa (7) conformada por amplificadores operacionales y que implementa una función lógica AND entre la salida de la etapa (7) y un valor de referencia, determinado por los niveles requeridos por el sistema de demodulación (14) al cual se va a conectar el receptor.
Estas etapas están conectadas a una fuente de tensión (2) que provee las tensiones requeridas. La salida (1 ) del receptor es de tipo digital, en los niveles determinados por las características de las etapas (5), (6) y (7).
Una característica ideal para los sistemas de comunicación con luz visible es tener una alta sensibilidad, lo cual condiciona la potencia óptica requerida. Con el receptor óptico de la presente invención, los sistemas pueden operar desde condiciones normales de iluminación/transmisión, teniendo en cuenta el uso para doble propósito de los sistemas LED, hasta niveles de iíuminación imperceptibles para el ojo humano, por ejemplo, el sistema podría usarse en momentos en los cuales no Se requiere iluminación; el hecho de no requerir filtros ópticos para mitigar el impacto de la luz de fondo ambiental, es un factor que se traduce en menor complejidad y costos de implementación. SER]
De acuerdo con lo anterior el receptor óptico de la invención cumple con los objetivos de comunicación con luz visible, operando con luz de fondo natural y artificial; así como la baja potencia óptica requerida. Esto le permite tener las siguientes ventajas:
1. Funcionamiento con luz de fondo ambiental sin filtros ópticos isin.1
2. Funcionamiento con menor potencia óptica incidente [ ]
3. Simplicidad de los sistemas electrónicos necesarios para su funcionamiento
EJEMPLO
La configuración y metodología experimental se concibió para probar una tecnología basada en SiPM para utilizarse en un sistema de Visible Light Communication (VLC) que consta de dos clientes (21 y 22), un control de retroiluminación (19) y un sistema de supervisión (20) como se muestra en la Figura 5.
El sistema de control de retroiluminación está compuesto por una lámpara LED blanca (19), un sensor de luz ambiental (20) y un control de corriente usado para regular la intensidad de emisión de la lámpara LED.
Cada sistema cliente está compuesto por un emisor LED blanco (9), un receptor basado en SiPM (10), un dispositivo de protocolo y acondicionamiento de señal FPGA (23) y una computadora, esto se ilustra en la figura 6.
Ambos clientes (21 y 22) se colocan en un plano horizontal a una distancia de 3 m sin obstáculos entre ellos como se ilustra en el esquema de la Figura 5. La fuente de iluminación trasera (30) se coloca a una distancia igual de cada cliente con un ángulo de emisión de 90 grados con el plano horizontal. Los emisores LED y la luz LED de retroiluminación emiten en el mismo rango de frecuencia para aumentar el desafío de la diferenciación ruido de señal. El receptor basado en SiPM está compuesto por un detector SiPM, un filtro de paso bajo de señal y una etapa de conformación.
El método de prueba se divide en dos pasos principales. El primer paso está concebido para ajustar el sistema VLC para que funcione en condiciones de trabajo estándar. En este paso, los sistemas de emisor y receptor de VLC se prueban para evaluar el efecto de atenuación real de la retroiluminación que podría afectar la velocidad de transferencia efectiva. En el segundo paso, el sistema VLC se prueba para la transferencia de datos entre dos clientes.
Para el primer paso, el emisor se estimula con una señal cuadrada de 100MHz y una intensidad de iluminación de contraluz ajustada a un valor de referencia correspondiente al nivel más bajo requerido en un entorno de trabajo de oficina (300 Ix), para evaluar la atenuación debida a la luz de fondo. La amplitud de respuesta SiPM relativa a la luz de fondo se normaliza después de la etapa de filtrado de señal, y se toma como referencia para establecer el nivel de atenuación de la señal. La intensidad de la luz de fondo se incrementa en pasos de 5 lux, y se registra la tensión de amplitud media de respuesta SiPM. La tensión de amplitud media de SiPM después de la etapa de filtrado frente a la intensidad de la retroiluminación se traza en una escala semilogarítmica y la función de atenuación de la señal en relación con la retroiluminación se establece con una función de ajuste. Esta función se usará para estimar el nivel de señal y la relación señal/ruido (SNR) en diferentes condiciones de iluminación, proporcionando información útil para sintonizar el dispositivo receptor de emisor VLC y establecer límites operacionales para la tecnología.
Una vez que la atenuación de la señal se estima en las condiciones de iluminación máximas (600 lux), se sintoniza el sistema de acondicionamiento de la señal. Para este propósito, el umbral del modelador (Vi/?) se establece en un valor tal que
Vlrip max < Ví/? < Vmr/pmin
donde V/r/pmax es la tensión de ondulación máxima en la parte inferior de la señal y \/ mripmin es la tensión de ondulación mínima en la parte superior de la señal.
El sistema se prueba transmitiendo un archivo binario utilizando una técnica de modulación On Off Key (OOK) de un cliente a otro, bajo condiciones variables de iluminación ambiental, y se evaluó el rendimiento de transmisión midiendo la velocidad de transferencia global de un archivo binario entre dos usuarios. Las condiciones de iluminación ambiental se establecen en el límite superior del rango fijo para probar el peor escenario posible correspondiente a un entorno de trabajo de oficina normal. El experimento se realizó varias veces para tener consistencia estadística, la tasa de transferencia se midió para todas las repeticiones, obteniendo un valor medio consistente con una pequeña desviación estándar.
En la configuración experimental actual con receptor basado en SiPM, demostró la viabilidad de las tecnologías VLC que operan en condiciones de trabajo de oficina estándar; esto se debe a la sensibilidad del SiPM que proporciona una robustez suficiente para la transmisión de información en condiciones de retroiluminación de lugares de trabajo de oficina estándar (datos no publicados). La SNR informada después de la etapa de filtrado, demuestra ser suficiente para lograr una reconstrucción adecuada de una señal cuadrada con el uso de una función de modelado basado en el umbral fácil de realizar.
Los resultados de la presente invención comparados con la tecnología existente presentada en la Tabla I muestran que ninguna de las tecnologías existentes realiza tasas de transferencia en los rangos de 100MHz sin usar filtros ópticos.
Del mismo modo, todas las tecnologías existentes utilizaban técnicas de modulación más complejas que OOK, lo que significa que si la tecnología propuesta implementa técnicas de modulación más eficientes, sus tasas de transferencia pueden aumentar sustancialmente.
Los resultados obtenidos demuestran que una tecnología VLC basada en SiPM es capaz de transmitir información a una velocidad de transferencia comparable a la de la tecnología existente, utilizando la modulación OOK, una técnica simple que requiere menos recursos de computación y asegura pequeñas tasas de error, con la ventaja adicional de evitar la necesidad de filtros ópticos o protocolos de codificación complejos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Receptor óptico para comunicación lineal.
Figura 2. Arreglo conformado por APD e incidencia de fotones.
Figura 3. Equivalente eléctrico del arreglo APD.
Figura 4. Plano que ilustra la respuesta del flujo lumínico incidente sobre el fotodectector contra la intensidad de luz de fondo.
Figura 5. Configuración experimental de comunicación de luz visible (VLC) con dos clientes. Figura 6. Componentes de cada sistema de cliente en la comunicación de luz visible (VLC)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un receptor óptico para comunicaciones con luz visible caracterizado porque comprende:
• un fotodetector SiPM (10) que detecta información en pulsos ópticos dentro de toda la radiación óptica ambiental que consiste en un arreglo de APD (13) conectados en paralelo con una salida que entrega la suma de las respuestas individuales
• una resistencia de carga (8) que genera una caída de tensión proporcional a la corriente de salida del fotodetector (10)
• una etapa de adecuación o amplificación (5) de la señal de la resistencia de carga (8) conformada por amplificadores operacionales, con una ganancia y características que dependen de la respuesta del fotodetector.
• un comparador de voltaje (6) implementado con amplificador operacional o tecnologías equivalentes, conectado a la salida de la etapa de adecuación (6), con un voltaje de referencia determinado por el nivel de salida del receptor y las características de la etapa digital de demodulación (14)
• una etapa analógica (7) que funciona como una puerta lógica AND con el fin de garantizar los valores digitales definidos de acuerdo con las características de la etapa digital de demodulación (14) a la que se conecta el receptor.
2. El receptor óptico, según la reivindicación 1 , caracterizado porque el fotodetector (10) está conectado a una resistencia de carga (8) que permite generar una variación del voltaje proporcional al flujo lumínico incidente sobre el fotodetector (10).
3. El receptor óptico, según las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque la resistencia de carga (8) está conectada a amplificadores operacionales para amplificar la respuesta del fotodetector (10).
4. El receptor óptico, según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la salida de la etapa de amplificación (5) está conectada a un comparador (6) con un voltaje de referencia específico que depende de la salida requerida en el receptor y las características del sistema que realiza el proceso de demodulación (14) para digitalizar la información de demodulación al cual se conecta el receptor.
5. El receptor óptico, según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la salida del comparador (6) se conecta a un amplificador operacional (7) que implementa una operación lógica AND con el objeto de generar dos valores de voltaje que corresponden a los valores digitales 1 y 0 de acuerdo con las características del sistema de demodulación (14) que constituye la salida del receptor para transmitir la información de este a un sistema de comunicación estándar.
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