用於在自由空間光學傳輸系統中無顫振地傳輸數字數據的方法

2023-05-30 12:22:51 1

專利名稱：用於在自由空間光學傳輸系統中無顫振地傳輸數字數據的方法
用於在自由空間光學傳輸系統中無顫振地傳輸數字數據的
方法本發明處於信息技術領域並且涉及按照獨立權利要求前序部分的用於在自由空 間光學傳輸系統中傳輸數字數據的方法。在持續增長的數據吞吐量的背景下，越來越多地使用光學傳輸系統，因為其能夠 實現與電纜的帶寬相比極高的數據率。在光學傳輸系統中，生成利用待傳輸的數據調製的 光波，將其耦合輸入到通常由玻璃或聚合物製成的光波導體中，並且傳輸給接收器。實際 上，受制於線的光傳輸系統經常缺乏期望的靈活度。最近，無線光學傳輸系統越來越多地被考慮用於實際應用，該無線光學系統通常 被稱為「自由空間光學傳輸系統」。在自由空間光學傳輸系統中，經調製的光波不是被耦合 輸入到光波導體中，而是被輻射到空間中並且被光檢測器所接收。對於數字數據(二進位數據)的光學傳輸，這些數據被轉化到兩個步驟中，其中首 先藉助編碼方法生成順序的代碼序列(編碼的二進位數據序列)，接著藉助調製方法(幅度 調製、頻率調製或相位調製)將其調製到光波上。數字數據的編碼(「線編碼Leitimgskodierimg」)實際上以兩種方式來進行，其 中或者各個二進位值然而或者二進位值的轉變被編碼為信號水平。在第一情況下，例如使 用所謂的NRZ編碼(NRZ = Non-Return-To-Zero-Level不歸零電平)，在其中邏輯「0」用 低信號水平編碼，邏輯「 1 」用高信號水平編碼。在第二情況下，例如使用所謂的曼徹斯特編 碼，其中將每個位周期劃分為兩個半周期，其中邏輯「 1」用在開頭的低信號水平和在末尾的 高電平表示，邏輯零「 0 」相應地以相反方式來表示。如果NRZ編碼的數據被轉換為幅度調製的光信號，則邏輯「0」用低信號水平(低 的或者缺少強度的光)以及邏輯「1」用高信號水平(高強度的光)來傳輸。如果在NRZ編 碼的位序列中出現分別具有相同邏輯值的較長區段(比特塊)，例如「1111110000000」，其 中包括邏輯值「1」和「0」的兩個較長的比特塊，則分別在這些比特塊期間該光信號的光強 度保持不變。在可見光波長範圍中的光學傳輸情況下，這可能導致如下結果當光波的由該 位序列確定的調製頻率小於大約70赫茲時，觀察者察覺到該光信號的顫振或閃爍。這可能 會導致觀察者的不適，並且如通過醫學研究所表明了的那樣，甚至會導致癲癇發作。與此不同，本發明的任務在於提供一種用於在自由空間光學傳輸系統中傳輸數字 數據的方法，通過該方法可以避免在可見光波長範圍中傳輸的光信號的顫振或閃爍。根據本發明的建議，該任務以及其它任務通過具有獨立權利要求特徵的、用於在 自由空間光學傳輸系統中傳輸數字數據的方法和裝置解決。本發明的有利的擴展方案通過 從屬權利要求的特徵被說明。按照類型，本發明示出了用於在自由空間光學傳輸系統中傳輸數字數據的方法， 其中尤其是可見光波利用由數字數據所生成的二進位代碼序列來幅度調製或者強度調製， 並且接著通過在發送器和接收器之間的自由空間光學鏈路傳輸。藉助編碼方法被編碼的二 進位值的序列被稱為二進位代碼序列。按照本發明的一個第一方面，本發明的方法本質上特徵在於，生成二進位代碼序列，使得光波的由所述二進位代碼序列所確定的調製頻率、即光波的信號水平(光強度)的 變換率至少為70赫茲優選至少為100赫茲。赫茲數據相應於每秒的信號水平變換。比特 周期、即二進位值的光學傳輸可利用的時間間隔，應當以合適方式來選擇，以便實現所希望 的調製頻率。通過按照本發明的第一方面的方法，能夠以有利的方式在傳輸可見光信號的情況 下通過自由空間光學傳輸系統避免光信號的顫振或閃爍。本發明方法的一個有利的擴展方案包括如下的連續的步驟首先，在發送器側的編碼器中藉助可選擇的編碼方法從待傳輸的數字數據中生成 第一二進位代碼序列。該第一二進位代碼序列例如藉助不歸零編碼方法從數字數據中生 成。接著，在發送器側的代碼序列變換器中藉助代碼變換方法如下地進行第一二進位 代碼序列至第二二進位代碼序列的變換，使得通過第二二進位代碼序列所確定的光波調製 頻率至少為70赫茲，優選至少為100赫茲。在該代碼變換方法中，可選的(相同)塊長的 第一二進位數據塊(比特塊)由可選的、一一對應地(eineindeutig)分配給該第一二進位 數據塊的第二二進位數據塊代替。作為代碼變換方法，例如執行4B/5B代碼變換(4B/5B = 4Binary ( 二進 制)/5Binary)或者 8B/10B 代碼變換(8B/10B = 8Binary/10Binary)。在 4B/5B 代碼變換 情況下，將4個二進位值的塊轉換成5個二進位值的塊，使得在每個5比特塊中最多出現兩 個彼此相繼的邏輯零。在此，藉助分配表將所確定的5比特塊按規定分別分配給4比特塊。 在8B/10B代碼變換的情況下，將8個二進位值的塊變換成10個二進位值的塊，使得在每個 10比特塊中出現五次邏輯「0」和五次邏輯「1」，其中至少包含3個狀態變換。這裡，藉助分 配表將10比特塊分別分配給8比特塊。接著，在發送器的可調製光源中用第二代碼序列調製光波強度。在發送器側發射 的光波在接收器中被接收並且被解調以便重新獲得第二代碼序列。接著在代碼序列反向變換器中藉助逆向代碼變換方法將第二代碼序列變換回第 一代碼序列，其中第二二進位數據塊通過第一二進位數據塊來代替。然後，藉助逆向編碼方法從第一二進位代碼序列中生成數字數據。本發明的該擴展方案特點在於特別簡單的技術上的實現。在本發明方法的另外的有利的擴展方案中，藉助本領域技術人員已知的歸零編碼 方法來從數字數據中生成該二進位代碼序列。在歸零編碼方法中，邏輯「0」用低信號水平 來編碼，邏輯一 「 1 」用高信號水平來編碼，在傳輸邏輯「 1，，的情況下，在時鐘脈衝結束之前 變換到低的信號水平。比特周期以合適的方式被調節，以便達到所期望的調製頻率。本發明方法的擴展方案的特點是另外的特別簡單的技術上的實現。在本發明方法的另外的有利的擴展方案中，藉助於本領域技術人員已知的脈衝位 置調製方法由數字數據來生成二進位代碼序列。本發明方法的該擴展方案特點是另外的特別簡單的技術上的實現。按照本發明的第二方面，按照類型的方法具有下列非連續的步驟藉助可選的編碼方法從待傳輸的數字數據中生成二進位的代碼序列。例如藉助非 歸零編碼方法從數字數據中生成該第一二進位代碼序列。
5
這裡以及在後面被稱為「保護周期」的、具有可選的周期持續時間的時間周期被確 定，其中該時間周期被劃分為至少兩個具有可選周期區段持續時間的周期區段，即第一周 期區段和第二周期區段。單個保護周期的持續時間優選為最大14毫秒，更進一步優選地為 最大10毫秒。對於該保護周期，規定在同一保護周期期間待傳輸的額定光量。所生成的二進位代碼序列被劃分為具有可選的優選分別相等的塊長的、順序的二 進位數據塊。光波的強度或幅度用所生成的二進位代碼序列調製並且經調製的光波以二進位 數據塊的形式在保護周期的第一二進位區段期間經自由空間區間被傳輸。在此，在同一第 一周期區段期間可以傳輸一個或多個二進位數據塊(或者從而傳輸經調製的光波)。對於每個二進位數據塊確定在第一周期區段期間待傳輸或傳輸的光量，並且針對 在同一第一周期區段期間傳輸多個二進位數據塊的情況，對於每個保護周期將這些在同一 第一周期區段期間待傳輸或傳輸的光量相加。針對在同一第一周期區段期間僅僅傳輸單個 二進位數據塊(或者用該二進位數據塊編碼的光波)的情況，可以取消所述相加。接著，針 對每個保護周期計算在規定的額定光量和在第一周期區段期間待傳輸或傳輸的必要時被 相加的光量之間的光量差。可以以計算方式在發送器側或以測量技術方式藉助光檢測在接 收器側來確定針對每個二進位數據塊在保護周期的第一周期區段期間待傳輸的或傳輸的 光量。在每個保護周期的第二周期區段期間，發送出未調製的光波，其中選擇光波的光 強度，使得這裡所傳輸的光量分別相應於針對該保護周期所計算的光量差。這裡，應當注 意第二周期區段的持續時間不是短得使得光波不能到達接收器，也即，第二周期區段的持 續時間應當比光源的逆向(inverse)調製帶寬長。此外，產生光量差所需要的光學功率被 選擇為使得產生該光波的光源的可靠的最大功率不被超過。通過按照本發明第二方面的本發明方法，可以以有利的方式在通過自由空間光學 傳輸系統傳輸可見光信號時，避免光信號的能夠由觀察者察覺的顫振或閃爍。在按照本發明第二方面的方法的在技術上可簡單地實現的擴展方案中，在保護周 期的第一周期區段期間相應地總是僅僅傳輸一個唯一的二進位數據塊(或者用該二進位 數據塊編碼的光波)。儘管如此，有利的是，在保護周期的第一周期區段期間相應地傳輸多 個二進位數據塊(或者用該二進位數據塊編碼的光波)。對於所計算的光量差得到零的情 況，沒有必要在保護周期的第二周期區段期間發送未調製的光波。本發明還涉及用於在自由空間光學傳輸系統中傳輸數字數據的裝置、例如自由空 間光學傳輸系統，其中該裝置包括如例如帶有可幅度調製的光源的發送器和帶有光檢測器 的接收器的裝置，這些裝置被構造為能夠執行按照上述權利要求之一所述方法。現在藉助實施例來詳細闡述本發明，其中參考附圖。

圖1示出了自由空間光學傳輸系統的示意性圖示；圖2示出了按照本發明的第一實施例的示例性二進位數據序列的NRZ編碼和 4B/5B變換。按照本發明的第一方面，現在進行第一實施例的描述在圖1中示意性示出了整體上用參考標號100表示的自由空間光學傳輸系統。該 自由空間光學傳輸系統100包括帶有可幅度調製的光源(例如雷射二極體)103的發送器101以及帶有光檢測器(例如光二極體)108的接收器107。組合的編碼器/變換器102被連接在光源103之前，數字數據(二進位數據)在 未詳細示出的信號輸入端上被輸送給該編碼器/變換器102。二進位數據104在編碼器/變換器102中經歷NRZ編碼的第一步驟，這導致生成 以編碼的二進位數據的連續序列形式存在的第一連續代碼序列(A)，接著在第二步驟中對 其應用4B/5B變換，這導致生成第二連續代碼序列(B) 105。所生成的第二連續代碼序列105被調製到在可幅度調製的光源中產生的、具有例 如633nm波長的光束106上，該光束通過自由的空間向接收器107方向被發射。在接收器 107的光檢測器108中，該光束被接收並且被解調，由此重新獲得第二連續代碼序列B 105。組合的解碼器/反向變換器109被連接在光檢測器108之後，重新獲得的第二代 碼序列(B) 105在一個未詳細示出的信號輸入端中被輸送給該組合的解碼器/反向變換器 109。在解碼器/反向變換器109中，第二代碼序列(B) 105被反向變換為第一代碼序列(A)， 其方式是執行逆向4B/5B變換。接著，通過應用逆向NRZ編碼方法從第一代碼序列(A)重 新獲得待傳輸的二進位數據104，這些二進位數據被提供在解碼器/反向變換器109的未詳 細表示的信號輸出上。在圖2中，藉助示例性的位串「000110000010」來詳細闡述二進位數據104在編碼
器/變換器102中的進行的編碼/變換。上面的圖示出了該位串的NRZ編碼，其中為了生 成二進位代碼序列(A)，用低信號水平來編碼每個邏輯「0」並且用高信號水平來編碼每個 邏輯「1」。這導致如下結果在二進位代碼序列(A)中出現具有分別相等的信號水平的較 長的區段-這裡例如為五個低的信號水平的序列。NRZ編碼的二進位代碼序列(A)接著經受4B/5B變換，該4B/5B變換導致生成第二 連續代碼序列(B)。對於應用4B/5B變換，將二進位代碼序列(A)順序地劃分為分別帶有4 個下面的二進位值的4比特塊(二進位字)。所包含的4比特塊通過5比特塊代替，該5比 特塊按照下面一一對應的分配表被分配給4比特塊。
權利要求
一種用於在自由空間光學傳輸系統(100)中傳輸數字數據(104)的方法，其中，用從所述數字數據(104)中生成的二進位代碼序列(105)幅度調製的光波(106)通過在發送器(101)和接收器(107)之間的自由空間光學傳輸區間被傳輸，其特徵在於，所述二進位代碼序列(105)被生成，使得該光波(106)的通過該二進位代碼序列確定的調製頻率至少為70赫茲。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述二進位代碼序列(105)被生成，使得 該光波(106)的通過該二進位代碼序列確定的調製頻率至少為100赫茲。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，具有可見波長的光波(106)被傳輸。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，還包含下列步驟-在編碼器(102)中藉助編碼方法從所述數字數據(104)中生成第一二進位代碼序列(A)；-在代碼序列變換器(102)中藉助代碼變換方法進行第一二進位代碼序列(A)至第 二二進位代碼序列(B)的轉換，使得通過第二二進位代碼序列(B)所確定的、光波的調製 頻率至少為70赫茲，其中，在該代碼變換方法中可選塊長的第一二進位數據塊被可選的、 一一對應地分配給第一二進位數據塊的第二二進位數據塊所代替；-在發送器(101)的可調製光源(103)中用第二代碼序列(B)調製光波(106)的強度； -在接收器(107)中接收並且解調該光波(106)，以便重新獲得第二代碼序列(B)； -在代碼序列反向變換器(109)中藉助逆向代碼變換方法將第二代碼序列(B)變換回 第一代碼序列(A)，其中第二二進位數據塊被該第一二進位數據塊所代替； -藉助逆向編碼方法從第一二進位代碼(A)中生成所述數字數據(104)。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，對所述第二二進位代碼序列(B)進行變 換，使得通過第二二進位代碼序列所確定的、光波的調製頻率至少為100赫茲。
6.根據權利要求4至5中的任一項所述的方法，其特徵在於，藉助不歸零編碼方法從數 字數據(104)中生成該第一二進位代碼序列(A)。
7.根據權利要求4至6中的任一項所述的方法，其特徵在於，藉助4B/5B代碼變換來生 成第二二進位代碼序列(B)。
8.根據權利要求4至5中的任一項所述的方法，其特徵在於，藉助8B/10B代碼變換來 生成第二二進位代碼序列(B)。
9.根據權利要1至3中的任一項所述的方法，其特徵在於，藉助歸零編碼方法從所述數 字數據中生成二進位代碼序列。
10.根據權利要1至3中的任一項所述的方法，其特徵在於，藉助脈衝位置調製方法從 所述數字數據中生成二進位代碼序列。
11.一種用於在自由空間光學傳輸系統中傳輸數字數據的方法，其中，用從所述數字數 據中生成的二進位代碼序列來幅度調製的可見光波通過在發送器和接收器之間的自由空 間光學區間被傳輸，其特徵在於，該方法包括下列步驟-從待傳輸的數字數據中生成二進位代碼序列；-規定具有可選的周期持續時間的時間上的保護周期，並且將該保護周期劃分為至少 一個第一周期區段和第二周期區段；-規定在同一保護周期期間待傳輸的額定光量；「將所述二進位代碼序列劃分為具有可選塊長的二進位數據塊；「用所述二進位代碼序列調製該光波的強度，並且在保護周期的第一周期區段期間經 自由空間區間以二進位數據塊的形式傳輸被調製的光波；_針對每個保護周期確定在第一周期區段期間待傳輸或傳輸的、必要時對於多個二進 制數據塊求和的光量，並且針對每個保護周期計算在額定光量和在第一周期區段期間待傳 輸或傳輸的光量之間的光量差；_在每個保護周期的第二周期區段期間發射出未調製的光波，其中選擇該光波的光強 度，使得所傳輸的光量分別相應於所計算的光量差。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，該保護周期最長持續14毫秒。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，該保護周期最長持續10毫秒。
14.根據權利要求11至13中的任一項所述的方法，其特徵在於，在保護周期的第一周 期區段期間總是僅僅傳輸以一個唯一的二進位數據塊編碼的光波。
15.根據權利要求11至14中的任一項所述的方法，其特徵在於，以計算方式確定在保 護周期的第一周期區段期間傳輸的光量。
16.根據權利要求11至13中的任一項所述的方法，其特徵在於，藉助光檢測器確定在 保護周期的第一周期區段期間傳輸的光量。
17.一種用於在自由空間光學傳輸系統(100)中傳輸數字數據(104)的裝置(100)，其 特徵在於，該裝置(100)包括被構造用於能夠執行根據前述權利要求之一所述的方法的裝 置(102，103，107，108)。
全文摘要
本發明涉及一種用於在自由空間光學傳輸系統中傳輸數字數據的方法，其中，用由所述數字數據中生成的二進位代碼序列幅度調製的光波通過在發送器和接收器之間的自由空間光學傳輸區間被傳輸。按照第一方面，所述二進位代碼序列被生成，使得該光波的通過二進位代碼序列確定的調製頻率至少為70赫茲。按照第二方面，「t」個光波用二進位代碼序列調製並且以二進位數據塊的方式在第一周期區段期間被傳輸，並且在第二周期區段期間發送未調製的光波，其中該第二周期區段的光強被選擇，使得在兩個區段中被傳輸的光量與預先確定的光量相當。
文檔編號H04L25/49GK101960808SQ200980106750
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月25日 優先權日2008年2月29日
發明者J·瓦勒夫斯基 申請人:西門子公司