用于光学传输数据的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的一种方法和一种装置。 背景技术 诸如移动电话的移动终端设备的广泛传播需要通过无线接口和无线局域数据网 络快速地传输数据。在大楼内可以采用发光二极管 (LED) 来照亮房间。发光二极管的特征 在于低的能耗、 相对长的寿命以及良好的可缩放性。 为了照亮大楼内的房间， 可对房间内设 置的发光二极管进行调光， 以相应于各种要求调节房间内的照明强度。
发明内容
本发明的任务在于提供用于通过可调光的发光二极管光学传输数据的方法和装 该任务根据本发明通过具有权利要求 1 中给出的特征的方法解决。 本发明提供了一种借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的方法， 具有步 - 依据所检测的发光二极管的开关状态序列确定发光二极管的接通阶段 ； 以及 - 在所确定的发光二极管的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管发射的光信置。
骤：
号上。 在根据本发明方法的一种实施方式中， 所述数据在数据分组中传输。这使得可以 借助不同的数据传输协议来进行安全的数据传输。
在根据本发明方法的一种实施方式中， 发光二极管的开关状态通过光传感器感应 地检测。
这提供了以下优点 ： 发光二极管的故障或由发光二极管发射的光信号所受到的干 扰也能被识别出来。
在本发明方法的一种实施方式中， 所述数据通过调制装置被调制到经脉宽调制的 载波信号上。
这提供了以下优点 ： 所发射的光信号可通过经脉宽调制的载波信号精确地在亮和 暗之间调光。
在本发明方法的一种实施方式中， 所述经脉宽调制的载波信号通过脉宽调制器依 据可调节的调光控制信号从电压供应信号中产生。
其优点是， 经脉宽调制的载波信号能以简单的方式以小的电路技术花费来产生。
在本发明方法的一种实施方式中， 依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时 刻来确定发光二极管的至少一个所期待的接下来的接通阶段。
该实施方式所提供的优点是， 不需要设置用于确定开关状态的光传感器。
在本发明方法的一种实施方式中， 所述数据通过调制装置依据光传感器的传感器
信号被调制到电压供应信号上。
在本发明方法的一种实施方式中， 被调制到电压供应信号上的数据信号通过脉宽 调制器依据可调节的调光控制信号而被脉宽调制。
在本发明方法的一种实施方式中， 依据感应地检测的由发光二极管发射的光信号 的开关时刻来确定发光二极管的至少一个所期待的接下来的接通阶段。
在本发明方法的一种实施方式中， 待传输的数据分组被临时存储在至少一个队列 或数据分组等候队列中。
由此实现了对数据传输率的波动的容忍以及对于不同数据传输率的灵活性。
在本发明方法的一种实施方式中， 临时存储的数据分组在无错误地传输之后才从 所属的数据分组等候队列中删除。
由此有利地保证不可能丢失数据。
在本发明方法的一种实施方式中， 通过无线的接口光学地传输所述数据。
其提供的优点是高的电磁兼容性和抵抗环境中的干扰信号的鲁棒性。
在本发明方法的一种实施方式中， 通过经脉宽调制的发光二极管的接通和断开来 将数据调制到所发射的光信号上。 由此可以简单地以小的电路技术花费和高的数据传输率来调制数据。
本发明还提供一种借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置， 具有 ：
- 接通阶段确定装置， 用于依据所检测的发光二极管的开关状态序列来确定发光 二极管的至少一个接通阶段 ； 以及具有
- 调制装置， 用于在所检测的发光二极管的接通阶段期间将数据调制到由发光二 极管发射的光信号上。
在本发明装置的一种实施方式中， 接通阶段确定装置依据所检测的经脉宽调制的 载波信号的开关时刻来确定发光二极管的接通阶段， 该载波信号由脉宽调制器依据可调节 的调光控制信号从电压供应信号中产生。
在本发明装置的一种替换实施方式中， 接通阶段确定装置依据感应地检测的由发 光二极管发射的光信号的开关时刻来确定发光二极管的接通阶段。
附图说明 下面参照用于解释本发明的主要特征的附图来描述用于借助经脉宽调制的发光 二极管来光学传输数据的本发明装置和本发明方法的优选实施方式。
图 1 示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置的实 施方式的框图 ；
图 2 示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置的实 施例 ；
图 3 示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的装置的另 一实施例 ；
图 4 示出本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的方法的流 程图 ；
图 5A， 5B 示出解释本发明用于借助经脉宽调制的发光二极管来光学传输数据的
方法的工作原理的信号图。 具体实施方式
如从图 1 中可看出的， 本发明的用于借助经脉宽调制的发光二极管 2 光学传输数 据的装置 1 具有接通阶段确定装置 3 和调制装置 4。装置 1 通过至少一个信号线路 6 获得 数据， 这些数据将传输给装置 5。发光二极管 2 发射光信号， 该光信号将无线地传输给另一 装置 5。装置 5 例如是便携式装置， 如移动电话、 膝上型电脑或 PDA。待传输的数据来自一 个或多个数据源， 这些数据源将数据直接或通过数据网络传输给装置 1。 所述数据优选在数 据分组中传输， 其中数据分组的数据格式可以不同。可以为待传输的数据分组采用任意数 据格式。数据分组例如是以太网数据分组或 ATM 数据分组。装置 1 通过接口获得至少一个 数据流， 该至少一个数据流可以由数据分组组成。这些数据分组在一种可能的实施方式中 在 FIFO 临时存储器中作为数据分组等候队列临时存储， 或临时存储在队列中。用于光学传 输数据的装置 1 被供以电源电压 Us。此外， 装置 1 获得调光控制信号 CRTLDimm 以对发光二极 管 2 调光。利用该调光控制信号来调节用于照亮环境的发光二极管 2 的光强度。
接通阶段确定装置 3 依据所检测的发光二极管 2 的开关状态序列来确定发光二极 管 2 的至少一个所期待的接通阶段。调制装置 4 用于将数据调制到由发光二极管 2 发射的 光信号上。在此， 该数据在通过接通阶段确定装置 3 确定的发光二极管 2 的接通阶段期间 被调制到所发射的光信号上。
为了确定接通阶段， 接通阶段确定装置 3 获得监视信号 Um。在一种实施方式中， 接 通阶段确定装置 3 依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发光二极管 2 的 一个或多个接通阶段， 该载波信号由脉宽调制器依据可调节的调光控制信号 CRTLDimm 从电 压供应信号 Us 中产生。
在替换实施方式中， 接通阶段确定装置 3 依据感应地检测的、 由发光二极管 2 发射 的光信号的开关时刻来确定发光二极管 2 的接通阶段。光信号的开关时刻例如通过光电检 测器感应地检测。
图 2 示出用于借助经脉宽调制的发光二极管 2 光学传输数据的本发明装置 1 的第 一实施例。 在图 2 的实施方式中， 装置 1 包含脉宽调制器 6， 其产生经脉宽调制的载波信号。 该脉宽调制器 6 接收电压供应信号 Us 并且依据调光控制信号 CRTLDimm 产生经脉宽调制的载 波信号。该电压供应信号用于产生经脉宽调制的载波信号。控制信号 CRTLDimm 在此调节经 脉宽调制的信号具有逻辑高的信号电平的阶段与该经脉宽调制的信号具有逻辑低的信号 电平的阶段之间的比例。
经脉宽调制的信号的周期持续时间 T0 作为接通阶段 TON 和断开阶段 TOFF 之和给出 ： T0 ＝ TON+TOFF。
调光因子 η 说明断开阶段 TOFF 和周期持续时间 T0 之间的比例 ：
光电二极管 2 所发射的光功率 Popt 与 1-η 成比例， 即 Popt，LED ＝ (1-η)·P0， 其中 P0 表示在调光因子为 0％时所传输的光功率。
在图 2 所示的实施方式中， 依据所检测的由脉宽调制器 6 输出的经脉宽调制的载
波信号的开关时刻来确定所期待的发光二极管 2 的接通阶段。经脉宽调制的载波信号在图 2 所示的实施方式中用作监视信号 Um。
装置 1 除了脉宽调制器 6 之外还具有调制装置 7， 用于在所检测的发光二极管 2 的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管 2 发射的光信号上。在图 2 所示的实施方 式中， 装置 1 获得具有例如最大 20MHz 的大调制带宽的 WODT(wireless optical data transmission， 无线光数据传输 ) 调制器 7。由发光二极管 2 发射的光射线为了改变用于 发光二极管 2 的驱动电流 ILED 而改变。WODT 调制器 7 相应于监视信号 Um 在所确定的发光 二极管 2 的接通阶段期间将数据调制到由发光二极管 2 发射的光信号上。在此， WODT 调制 器 7 通过一个或多个信号线路从相应的数据源获得要调制的数据， 优选以分组方式获得该 数据。该数据优选通过经脉宽调制的发光二极管 2 的接通和断开在所确定的发光二极管 2 的接通阶段内被调制。图 3 示出用于借助经脉宽调制的发光二极管 2 光学传输数据的本发 明装置 1 的替换实施方式。在图 3 所示的实施方式中， 装置 1 同样获得 WODT 调制器 7 和脉 宽调制器 6。但在图 3 所示的实施方式中， 脉宽调制器 6 连接在 WODT 调制器 7 后面。此外 在图 3 所示的实施方式中装置 1 还具有传感器 8， 该传感器感应地检测发光二极管 2 的开关 状态。传感器 8 例如是光电检测器。在所示出的实施变形中， 该数据通过 WODT 调制器 7 依 据光传感器 8 的传感器信号 Um 调制到电压供应信号 Us 上。接着， 通过电压供应信号 Us 调 制的数据信号通过脉宽调制器 6 依据可调节的调光控制信号 CRTLDimm 来被脉宽调制。传感 器 8 可以是任意光传感器， 例如是光电二极管。在一种可能的实施变形中， 脉宽调制器 6 和 发光二极管 2 形成集成的器件。类似的， 在图 2 所示的实施变形中， WODT 调制器 7 可以与 发光二极管 2 形成集成的器件。
图 4 示出用于借助经脉宽调制的发光二极管 2 光学传输数据的本发明方法的简单 流程图。在步骤 S0 开始之后， 在步骤 S1 依据所检测的发光二极管 2 的开关状态序列确定 发光二极管 2 未来的接通阶段。这些开关状态是发光二极管 2 在过去已经采取过的开关状 态。在一种可能的实施方式中， 依据所检测的经脉宽调制的载波信号的开关时刻来确定发 光二极管 2 的至少一个接下来的或将来期待的接通阶段。在替换实施方式中， 依据感应地 检测的、 由发光二极管 2 发射的光信号的开关时刻来确定所期待的发光二极管 2 的接下来 的接通阶段。 在可能的实施方式中， 借助计算装置依据这些开关时刻来计算那些接通阶段。 计算装置例如是微处理器。
接着在另一步骤 S2 中， 在所确定的发光二极管 2 的接通阶段期间将待传输的数据 调制到由发光二极管 2 发射的光信号上。在步骤 S3 中该方法结束。
图 5A 和 5B 示出解释用于传输数据的本发明方法中的过程的信号图。
图 5A 示出发光二极管 2 的驱动电流 ILED。图 5B 示出监视信号 Um， 该监视信号用 于确定发光二极管 2 的未来接通阶段。在所示示例中， 示出发光二极管 2 的 3 个接通阶段。 一个接通阶段从时刻 Tb 开始， 到时刻 Te 结束。该发光二极管的第三接通阶段 Tb3 的开始可 以根据监视信号 Um 如下计算 ：
周期持续时间 T0 在调光控制信号恒定时如下计算 ：
T0 ＝ tb2， -tb1，
接通阶段 TON 的持续时间如下给出 ：
TON ＝ te1， -tb1，电流信号 ILED 和监视信号 Um 之间的时间偏差 Δt 是恒定的且是已知的。因此对于 下个接通阶段 - 也就是第三接通阶段 - 的起始时刻 ：
tb3 ＝ tb2， -Δt+T0
对于发光二极管的第三接通阶段或称为下个接通阶段的结束时刻存在 ：
te3 ＝ tb3+TON
由此在本发明的方法中， 根据所检测的发光二极管 2 的开关状态序列， 也就是反 映发光二极管 2 的第一和第二接通阶段的监视信号， 确定发光二极管 2 的下个或第三接通 阶段。然后待传输的数据在所确定的发光二极管 2 的第三接通阶段期间被调制到光信号 上。如果时间延迟 Δt 完全已知或虽然未知但是比一个数据符号的持续时间短， 则 WODT 调 制器 7 识别针对经 PWM 调制的信号的每个片段的起始时间 tbj 和结束时间 tej， 也就是接通 阶段的起始时刻和结束时刻。从中可以计算出经脉宽调制的发光二极管 2 的未来接通阶段 的起始时刻和结束时刻。如果只有一个数据分组队列为装置 1 所用， 即仅存在一个传输类 别的数据， 则在考虑以下条件的情况下发送该数据分组等候队列中的数据块 L1 至 Li ：
其中 Ms 是符号率，
Li 是数据块或数据分组 i 的比特长度，
Ms 是数据符号的信号电平的数量的双对数，
Ton， j 是时间片段 j 的接通阶段的持续时间，
rj 是在 PWM 时间片段 j 期间待发送的数据分组的最高分组号码，
tempty， j 是等待队列在 tbj 和 tej 之间为空的时间。
在一种可能的实施方式中， 不会预先计算接通阶段以便在该接通阶段期间将数据 调制到所发射的光信号上， 而是如下所述传输数据。
在猜测的接通阶段期间， 也就是在起始时刻 tbj 和结束时刻 tej 之间， 首先检查是否 有数据分组位于等候队列或队列中。 如果是， 则传输该数据分组， 即该数据分组的数据在接 通阶段期间被调制到由发光二极管 2 发射的光信号上。最后传输的数据分组将保持在存储 器或队列中， 直到确定该数据分组的发送已经完全结束为止， 也就是在发送该数据分组期 间不会出现断开阶段。这尤其是由于光输出信号和监视信号 Um 之间的时间延迟 Δt 而变 成必要。数据被成功传输给移动设备 5 的数据分组接着可以被删除。数据分组等候队列一 直都使用， 直到达到 tej 为止。在时刻 tej 和 tb，j+1 之间， 将到来的数据分组排列到数据分组 等候队列中， 并且在下个接通阶段期间传输。
依据调光控制信号 CRTLDimm 对光信号的调光对数据传输具有以下作用。如果调光 因子 η 下降， 则接通阶段 TON 的持续时间增加。由于接通阶段的持续时间增加， 因此可提供 给传输数据分组的数据的时间增加， 也就是说， 数据分组传输不会受到调光过程的负面影 响。相反， 如果调光因子 η 增加， 使得接通阶段 TON 的持续时间下降， 则可能导致分组丢失。 但是如果可以识别出下个接通阶段并且还可以提供已经丢失的数据分组可用， 即数据分组 等候队列有备份， 则该数据分组可以在一个可能的实施方式中在下个接通阶段期间重新传 输。
如果已知具有精确度 σ 的延迟时间 Δt， 则同样可以在考虑上述等式的情况下进
行传输， 只是 tbj 被替换为 tbj+n·σ， 其中以被动方式选择 n ≥ 1， 以保证高的可靠性， 使得 经脉宽调制的信号的接通阶段在该时刻已经开始。类似的， tej 被 tej-n·σ 代替， Ton，j 被 Ton， 数据分组在发光二极管 2 实际上断开的时间内传输的 j-2n·σ 代替。N 被选择得越大， 概率就越低。反过来， 数字 n 不允许选择得太大， 否则数据传输的效率就太小了。
上述过程可以与装置 1 是否从移动设备 5 获得反馈信号无关。在一种可能的实施 方式中， 装置 1 通过分开的消息传输信道获得反馈信号， 该反馈信号指明数据分组是否已 被完全传输。在该实施方式中， 数据分组例如可以通过单调上升的帧或分组号来设置。此 外， 接收器或移动设备 5 可以在一个可能的实施方式中促使重新传输缺少或有错的数据分 组。
在一种可能的实施方式中， 本发明的用于传输数据的装置 1 从不同的数据源获得 数据分组， 这些数据分组位于不同的数据分组等候队列中以用于传输。 在该实施方式中， 装 置 1 另外还具有所谓的 “调度器” ， 该调度器管理不同的数据分组等候队列或队列。该调度 器在 tbj 和 tej 之间识别哪个数据分组等候队列被用作下个数据分组等候队列。 然后调度器 检查在选择的数据分组队列中是否存在数据分组。如果存在数据分组， 则装置 1 开始传输 来自相应队列或数据分组等候队列的数据分组。在此， 最后传输的数据分组一直保持在存 储器中， 直到进行了无错的数据分组发送为止。只删除数据被成功发送到移动终端设备 5 的数据分组。该过程一直重复， 直到到达时刻 tej 为止。 在时刻 tej 和 tb，j+1 之间， 将到来的数据分组在相应的数据分组等候队列中排列并 在下个传输周期期间发送。
本发明的方法不仅适于光学传输数据分组内的数据， 而且适于传输连续数据流的 数据。
在本发明方法的一种可能的实施方式中， 所发射的光信号的平均光功率在调制期 间是保持恒定的。在本发明的传输方法中， 可以在对发光二极管 2 调光的同时实现高的数 据传输率。一般的， 在该传输率的范围内的比特率或数据传输率可在参考功率 P0( 即 0％的 调光因子 ) ●因子 (1-η) 时达到。例如， 在调光因子为 30％时， 数据率接近在 100％照明 时可达到的数据率的 70％。待传输的数据是任意应用的数据， 例如用于音频应用的多媒体 数据。
本发明用于光学传输数据的方法不会产生电磁波， 也不会被电磁波影响。本发明 的方法尤其可以用在已经设置了 LED 照明的情况。在这种情况下， 例如用功率线来对发光 二极管寻址。
数据的传输借助可轻松调谐的通信介质进行。由于数据被光学传输， 因此该数据 例如可以容易地被墙壁或帘屏蔽。因此可以防止监听。
在一种可能的实施方式中， 由发光二极管 2 发射的光信号成圆锥形。由此可以形
成相对小的单元尺寸该单元尺寸使得可以进行单独和高比特率的通信。 本发明的方法允许通过可调光的发光二极管 2 将数据可靠地光学传输到被照明房间内的便 携式终端设备 5， 并且对无线电信号是不灵敏的。可以采用任意的发光二极管 2， 例如产生 白光的发光二极管。还可以采用具有小于白光发光二极管的调制带宽的发光二极管。