數據傳輸系統和用於在數據傳輸系統中傳輸數據的方法

2023-10-26 14:32:12 2

專利名稱：數據傳輸系統和用於在數據傳輸系統中傳輸數據的方法
技術領域：
本發明涉及一種數據傳輸系統，該數據傳輸系統具有發射光的發送器、接收光的
接收器以及基於不相干光的數據傳輸通道。本發明還涉及一種用於在這種數據傳輸系統中 進行傳輸的方法。
背景技術：
在所謂的自由空間傳輸的情況下、尤其是在藉助於對光學光源的光功率的快速調 制在近距離內利用不相干光進行數據傳輸的情況下存在缺點不能利用簡單的調製方法、 例如開關鍵控(開關鍵控，00K)來實現高於40MBit/s的數據傳輸率。對此的原因在於，發送 器以及接收器的小的調製帶寬可導致數據信號的模糊並因此導致所發送的碼元(Symbol) 的重疊。例如可以在傳輸可見光時使用數據傳輸標準IrDA(Infrared Data Association, 紅外數據協會)中的IR(紅外)LED或者螢光燈作為這種數據傳輸系統中的光源。從原理 上講，白光LED也適合作為光源。然而，白光LED的持續改進的效率導致對可用調製帶寬的 受限，這阻礙實現高的數據傳輸率。 較高的頻譜效率公知地對傳輸通道中的帶寬限制起反作用。這裡例如可以使用 多級調製。在多級調製的情況下，碼元的長度被構造為使得所發送的碼元沒有顯著的重
疊。為了提高數據傳輸率，可以取代邏輯"i"和邏輯"o"而利用更大的值來發送碼元，例
如邏輯"2"、"3"、"4"等。於是，幅度例如是在邏輯"l"情況下的2倍、3倍或4部(Pulse AmplitudeModulation， PAM，脈衝幅度調製)。在數字成像中，灰度級是該多級調製的對應 物。 因此，在上述脈衝幅度調製的情況下，可以在每個碼元中傳輸2位、S卩"00"，"01"，
"10"或者"11"。這表示，利用N個不同的幅度/灰度級logjN)，可以在每個碼元中傳輸比
在調製方法開關鍵控(開關鍵控)情況下更多的位。例如如果在開關鍵控的情況下傳輸速
率限制在25MBit/s，則可以利用25 = 32個幅度/灰度級來傳輸125MBit/s。 對於所有多級調製方法來說，共同的特徵是由接收器接收到的功率以及信噪比必
定比開關鍵控情況下的高，由此幅度/灰度級可以清楚地相互區分開來。另一共同特徵是，
數據傳輸系統的線性化必定有所改善。 在通過無線紅外傳輸通道進行數據傳輸的情況中，對於待通過該傳輸通道來傳輸 的數據信號應用預矯正是公知的(參見K. L. Sterckx和J.M. H. Elmirghani，"On the Use of Pre-distorsion Equalization inlnfrared Wireless Comm皿ication Links，， IEEE InternationalConference on Communications,第7巻，2166-2170頁，2001年)。在此，無 定向傳輸_即發送器和接收器可以相互"看見"的傳輸_的特殊情況考慮在什麼情況下由 發送器輸出的大部分光輻射發生漫反射。這種反射可能通過空間中的牆壁和/或設備物體 引起。在該文件中所述數據傳輸的情況下，在自由空間通道中存在帶寬限制，即所傳輸的碼 元的"模糊"通過一次或多次反射到例如牆壁上而產生。在該文件中所述的數據傳輸系統
的缺點是如下情況預矯正取決於自由空間通道的傳輸函數。該傳輸函數例如取決於，在數據傳輸系統的空間中是否存在家具或者存在什麼家具。然而，這導致該預矯正必須與相應 的環境以及變化相匹配，這(如果有可能的話)需要接收器的返回通道來使該預矯正與自
由空間通道中的變化相匹配。因此，從系統角度來看，這種數據傳輸系統太過複雜並且太昂
蟲 貝°

發明內容
因此，本發明的任務是，提供一種數據傳輸系統和一種用於在數據傳輸系統中傳
輸數據的方法，其允許藉助於對光學光源的光功率的快速調製在近距離內利用不相干光進
行的數據傳輸具有超過40Mbit/s、尤其是超過lOOMBit/s的傳輸速度。 所述任務通過根據權利要求1的特徵的數據傳輸系統和具有權利要求14的特徵
的用於在根據本發明的數據傳輸系統中傳輸數據的方法來解決。有利的擴展方案分別在從
屬權利要求中給出。 在根據本發明的具有發射光的發送器、接收光的接收器和基於不相干光的數據傳
輸通道的數據傳輸系統中，提供連接在發送器前面的預矯正裝置以用於對將從發送器經由
該數據傳輸通道傳輸給接收器的數據信號進行預矯正。該數據傳輸信道在預定的界限內具
有恆定的傳輸條件。利用發送器的預定的最大帶寬來傳輸待傳輸的數據信號。 基於不相干光的數據傳輸通道說明，發送器被構造為用於輸出不相干光並且接收
器被構造為用於接收不相干光。 本發明基於對直接傳輸應用預矯正的原理。所述直接傳輸具有如下特性在這種 傳輸通道中反射是可以忽略的。因此，存在恆定的傳輸條件。與多級調製相比，使用預矯正 來提高經由帶寬有限制的、不相干的傳輸通道的數據傳輸率所具有的優點是對數據傳輸 系統的線性化的要求明顯不那麼高。此外，在非漫反射傳輸通道的情況下，為發送器分配矯 正所具有的優點是與現有技術相比，接收器的複雜性明顯減小。另一優點是可以使用在 實踐中現有的接收器來例如用於開關鍵控，因為該矯正連接在發送器之前、即在發送器中 發生。 適當的是，所述數據傳輸通道在其帶寬方面不受限制。 優選地，使用在發送器與接收器之間的自由空間中的數據信號的定向數據傳輸作 為數據傳輸通道。在此可以另外規定，該數據傳輸通道不具有漫反射。也可以將該數據傳 輸通道構造為發送器與接收器之間的點對點連接。使用直接連接的優點在於預矯正只取 決於所設置的發送器和接收器的傳輸函數，而不取決於傳輸通道的傳輸函數。由此可以以 特別簡單並且低成本的方式來提供根據本發明的數據傳輸系統。因此，例如有可能的是改 變發送器的位置(例如空間)，而不會由此影響該數據傳輸系統的傳輸速度。
根據另一適當的擴展方案，所述數據傳輸通道的帶寬限制大於發送器和/或接 收器的帶寬。在J. Grubor， 0. C. Gaete， J. W. Walewski， S. Randel和K. -D. Langer的公開 文獻"High Speed Wireless Indoor Communication viaVisible Light，， (ITG石開討會 "Breitbandversorg皿g inDeutschland-Vielfalt fiir alle ，，， ITG技術報告，第198巻， 201頁，柏林，德國，2007年3月7日至8日)中，為了數據傳輸在將天花板燈用作發送器的 條件下示出，用於典型辦公室空間的傳輸通道的帶寬位於200MHz或更高，因此遠大於典型 的不相干的發送器(光源)和接收器的帶寬。所述發送器和接收器的帶寬通常小於50MHz。
5可以使用發光二極體(LED)、尤其是白光LED或者紅外LED、螢光燈、雷射器、白熾燈來作為 發送器。 如Grubor等人所述那樣，在數據傳輸情形下應用根據本發明的數據傳輸系統所
具有的優點是預矯正不必與環境變化相匹配。因此，在生產時就可以將該預矯正與待使用
的發送器和待使用的接收器相匹配，由此結果是保證了持續的高傳輸率。 根據所述數據傳輸系統的另一擴展方案，所述數據傳輸通道只允許從發送器到接
收器的數據傳輸。這因此是所謂的單工連接(Simplex-Verbind皿g)，其中與現有技術相反，
不需要用於適應預矯正的返回通道。 接收器例如可以被構造為光電二極體、尤其是PIN(Positive IntrinsicNegative，"正_本徵_負，，)二極體。 在另一擴展方案中，可以進一步設置，所述數據信號可以輸入給與接收器耦合的 矯正器以便在接收到該數據信號之後執行矯正。 在根據本發明的用於在數據傳輸系統中傳輸數據的方法中，其中所述數據傳輸系 統具有發射光的發送器、接收光的接收器和基於不相干光的數據傳輸通道，在發送器之前 連接的預矯正裝置中對將從所述發送器經由所述數據傳輸通道傳輸給所述接收器的數據 信號進行預矯正。所述數據信號被經由所述數據傳輸通道傳輸給所述接收器，其中所述數 據傳輸通道在預定的界限內具有恆定的傳輸條件。在此，利用發送器的預定的最大帶寬來 進行所述數據信號的傳輸。 根據本發明的方法具有與結合根據本發明的數據傳輸系統所述的相同的優點。
在根據本發明方法的擴展方案中，所述數據傳輸通道在其帶寬方面不受限制。
此外設置，使用數據信號在發送器與接收器之間的自由空間中的、尤其是不具有 漫反射的定向數據傳輸作為數據傳輸通道。 根據本發明方法的另一擴展方案，使用發送器與接收器之間的點對點連接作為數 據傳輸通道。 在另一擴展方案中，數據傳輸通道的帶寬限制被選擇為大於發送器和/或接收器 的帶寬。 此外設置，所述數據傳輸通道只允許從發送器到接收器的數據傳輸，由此提供單 向通信。


下面藉助於附圖進一步闡述本發明。其中 圖1A和1B示出在近距離內利用不相干光進行數據傳輸情況下所出現的經調製的
數據信號根據所選擇的調製帶寬的模糊問題，並且
圖2示出根據本發明的數據傳輸系統的示意圖。
具體實施例方式
圖1A示出在近距離內利用不相干光藉助於對光學光源的光功率的快速調製進行 數據傳輸時所出現的問題。在圖1A的上方圖示中示出電流脈衝形式的待傳輸的數據信號。 電流脈衝例如對應於邏輯"l"。由於發送器、即光源如發光二極體、螢光燈、白熾燈或者雷射器的特性，在高的帶寬限制的情況下得出在圖lA的下方圖示中用Kl示出的光功率P—opt 的曲線，該曲線近似對應於所述電流脈衝的曲線並因此是理想的。在較低的帶寬限制的情 況下，從該電流脈衝中得出用K2示出的曲線，在該曲線中發生"模糊"。在此，對於接收器存 在問題該接收器必須從該"模糊的"曲線中識別是傳輸了邏輯"1"還是邏輯"0"。從圖1A 中容易地看出，帶寬限制是響應於輸入到發送器的信號(在這裡電流脈衝)而輸出光功率 P_opt的原因。在發光二極體的情況下，由於發光二極體的大小、所選擇的材料及其效率來 得出帶寬限制。 藉助於圖1B可以清楚地看出由此得出的第一個問題，在圖1B中示例性地將位序 列"101"輸入給數據傳輸系統的發送器。在此，在考慮由發送器所輸出的光功率P—opt的 條件下，假設一個具有小帶寬限制(對應於圖1A中的曲線K2)的發送器。如從圖1B的下 方圖示中可以看出的那樣，接收器必須用接收的光功率對所發送的位序列"101"進行解碼， 這由於該數據信號的"模糊"而出現錯誤。由於發送器的傳輸特性，分別對應於邏輯"l"的 點Pl和P3具有相同的光學功率P_opt的絕對值。相反，點P2和P4具有不同大小的光功 率P—opt，即使這兩個點都對應於邏輯"O"。所以，對於接收器來說難以確認尤其是點P2是 對應於邏輯"1"還是邏輯"0 "。 第二個問題在於，例如在接收器模擬電子裝置中的不可避免的噪聲導致邏輯"O" 與邏輯"l"之間的可用距離甚至變得更小。所以，在出現強烈的模糊和相對應的噪聲的情 況下，對於位序列("101"序列)不能確認"1"與"0"之間的顯著區別。
圖2以示意圖示出根據本發明的過程，用以繞開上述問題並且同時當在近距離內 用不相干光進行數據傳輸時實現例如100MBit/s的高的數據傳輸率。數據傳輸系統具有發 送器Tx，該發送器Tx經由無線光學傳輸通道K將數據信號Sig傳輸給接收器Rx。在發送 器Tx前面連接有預矯正裝置PD。將待傳輸的數據信號Sig'輸入該預矯正裝置PD，其中將 由發送器Tx傳輸的信號通過該預矯正裝置PD被處理為使得由發送器輸出的光功率P_opt 大致對應於矩形信號(參見數據信號Sig)，該矩形信號可以由接收器Rx以簡單的方式進行 解碼。 實現高的數據傳輸率的前提條件是傳輸通道K穩定，也就是說傳輸通道K在預定 的界限內具有恆定的傳輸條件並且理想地沒有帶寬限制。為此，可以提供在發送器Tx與接 收器Rx之間的自由空間中的尤其是沒有漫反射的定向數據傳輸作為數據傳輸通道K。可以 將該數據傳輸通道K尤其構造為發送器與接收器之間的點對點連接。在此適當的是，該傳 輸通道K的帶寬限制由於反射而遠大於發送器Tx和接收器Rx的帶寬。這例如可以通過將 發送器Tx設置為雷射器、發光二極體(白光或者LED)、白熾燈或者螢光燈來保證。在雷射 器的情況下，這取決於所選擇的調製頻率有多高。常見的雷射器二極體具有GHz區域內的 調製帶寬，因此可能位於空間的帶寬限制之上。 由於所進行的預矯正可以集成在發送器Tx中，接收器Rx不需要用於適應該預矯 正的返回通道。所以，傳輸通道K可以實施為單工連接或者單向連接。
因為預矯正不必與環境變化相匹配，所以該預矯正在生產時就已經與待使用的光 源和接收器相匹配。通過這一點就已經保證了持續高的傳輸率。 與開始時所述的多級調製相比，使用預矯正來提高經由有帶寬限制的、不相干的 傳輸路徑的數據速度所具有的優點是對數據傳輸系統的線性化的要求較小。
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此外，在非漫反射傳輸路徑的情況下，在發送器中安排矯正或者在發送器側進行
矯正(預矯正)所具有的優點是接收器Rx的複雜性可以被保持得很小。
專注於直接連接(點對點連接)所具有的優點是預矯正仍然只取決於發送器和
接收器的固定的傳輸函數，而不取決於傳輸通道。因此，發送器可以被布置在其它中而不會
因此而影響傳輸速度。 預矯正的另一優點在於可以使用常規接收器、如在調製方法開關鍵控中所使用 的接收器。 可選地，如在圖2中所示出的那樣，除了必要的預矯正以外，還可以提供在接收器 側的矯正裝置EQ，以便在必要時進一步改善數據信號Sig。
權利要求
一種數據傳輸系統，具有發射光的發送器(Tx)、接收光的接收器(Rx)和基於不相干光的數據傳輸通道(K)，其中-設置連接在發送器(Tx)前面的預矯正裝置(PD)，用於對將從發送器(Tx)經由數據傳輸通道(K)傳輸給接收器(Rx)的數據信號(Sig)進行預矯正，-所述數據傳輸通道(K)在預定的界限內具有恆定的傳輸條件，並且-利用發送器(Tx)的預定的最大帶寬來傳輸待傳輸的數據信號(Sig)。
2. 根據權利要求l所述的數據傳輸系統，其中所述數據傳輸通道(K)在其帶寬方面不 受限制。
3. 根據權利要求1或2所述的數據傳輸系統，其中使用所述數據信號(Sig)在發送器 (Tx)與接收器(Rx)之間的自由空間中的定向數據傳輸作為數據傳輸通道(K)。
4. 根據權利要求3所述的數據傳輸系統，其中所述數據傳輸通道不具有漫反射。
5. 根據前述權利要求之一所述的數據傳輸系統，其中所述數據傳輸通道(K)被構造為 發送器(Tx)與接收器(Rx)之間的點對點連接。
6. 根據前述權利要求之一所述的數據傳輸系統，其中所述數據傳輸通道(K)的帶寬限 制大於發送器(Tx)和/或接收器(Rx)的帶寬。
7. 根據前述權利要求之一所述的數據傳輸系統，其中所述數據傳輸通道(K)只允許從 發送器(Tx)到接收器(Tx)的數據傳輸。
8. 根據權利要求1至7之一所述的數據傳輸系統，其中所述發送器(Tx)是發光二極體 (LED)，尤其是白光LED或者紅外LED。
9. 根據權利要求1至7之一所述的數據傳輸系統，其中所述發送器(Tx)是螢光燈。
10. 根據權利要求1至7之一所述的數據傳輸系統，其中所述發送器(Tx)是雷射器。
11. 根據權利要求1至7之一所述的數據傳輸系統，其中所述發送器(Tx)是白熾燈。
12. 根據前述權利要求之一所述的數據傳輸系統，其中所述接收器(Rx)是光電二極 管，尤其是PIN二極體。
13. 根據前述權利要求之一所述的數據傳輸系統，其中所述數據信號(Sig)能輸入給 與所述接收器(Rx)耦合的矯正器(EQ)，以用於在接收到該數據信號(Sig)之後執行矯正。
14. 一種用於在數據傳輸系統中傳輸數據的方法，所述數據傳輸系統具有發射光的發 送器(Tx)、接收光的接收器(Rx)和基於不相干光的數據傳輸通道(K)，其中-在發送器(Tx)之前連接的預矯正裝置(PD)中對將從發送器(Tx)經由數據傳輸通道 (K)傳輸給接收器(Rx)的數據信號(Sig)進行預矯正，-所述數據信號(Sig)被經由所述數據傳輸通道(K)傳輸給接收器(Rx)，其中所述數 據傳輸通道(K)在預定的界限內具有恆定的傳輸條件，並且-利用發送器(Tx)的預定的最大帶寬來進行所述數據信號(Sig)的傳輸。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中所述數據傳輸通道(K)在其帶寬方面不受限制。
16. 根據權利要求14或15所述的方法，其中使用所述數據信號(Sig)在發送器(Tx) 與接收器(Rx)之間的自由空間中的、尤其是不具有漫反射的定向數據傳輸作為數據傳輸 通道(K)。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中使用發送器(Tx)與接收器(Rx)之間的點對點 連接作為數據傳輸通道(K)。
18. 根據權利要求14至17之一所述的方法，其中所述數據傳輸通道(K)的帶寬限制被 選擇為大於發送器(Tx)和/或接收器(Rx)的帶寬。
19. 根據權利要求14至18之一所述的方法，其中所述數據傳輸通道(K)只允許從發送 器(Tx)到接收器(Rx)的數據傳輸。
全文摘要
本發明涉及一種具有發射光的發送器(Tx)、接收光的接收器(Rx)以及基於不相干光的數據傳輸通道(K)的數據傳輸系統。在發送器(Tx)前面連接的預矯正裝置(PD)用於對將從發送器(Tx)經由數據傳輸通道(K)傳輸給接收器(Rx)的數據信號(Sig)進行預矯正。該數據傳輸通道(K)在預定的界限內具有恆定的傳輸條件。利用發送器(Tx)的預定的最大帶寬來進行待傳輸數據信號(Sig)的傳輸。
文檔編號H04B10/114GK101772910SQ200880102113
公開日2010年7月7日 申請日期2008年7月10日 優先權日2007年8月6日
發明者F·布雷耶, J·威爾夫斯基, S·蘭德爾 申請人:西門子公司