具有自動輸出控制的信號發射器的製作方法
2023-05-18 01:52:21
專利名稱：具有自動輸出控制的信號發射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及適於自動感應環境光條件的改變並根據這些改變調整其信號輸出的光電信號發射器和音頻傳輸系統。
背景技術：
利用光波信號在電子發射器和電子接收器之間通過空氣傳輸信息在過去幾十年裡獲得顯著地發展。該基本技術使得大量信息可以從一個地方到另一個地方快速地進行無線傳輸和通信。但是，由於該技術採用某些存在於周圍環境中的光波(例如，紅外線)，由環境光源所產生的信號噪聲會干擾所需的光波信號以及這些技術的正常功能。一種最近發現的處理這種問題的方法涉及增加信號接收器的環境光噪聲過濾能力。對於這一技術請參見在1995年6月30日申請的美國專利申請序列號08/496970(現在為公布於1997年4月22日的美國專利5623358)。儘管這些措施包括改進所需光波信號處理的重要步驟，但以前的發展已經證明對現有的特殊應用調整用於使信號優化的發射器的有效範圍不適用於保證有效傳輸的穩定的、可再現的、和可靠的範圍。
相應地，對於光波信號發射器和採用這種能夠調整其信號強度以自動適應其周圍環境的環境光條件的變化的發射器的系統存在需求。
本發明針對於以高效的方式實現這種需求。
發明綜述在一個實施例中，本發明提供用於發送光波信號的裝置，其中包括(a)用於發送可變強度的頻率調製光波信號的發射器，(b)用於檢測周圍環境光能量的級別的變化並對這種變化產生與所檢測的變化成比例的響應的光能接收器，以及(c)用於根據光能接收器對所檢測變化的響應直接或間接地調節頻率調製光波信號的控制器。
在本發明的另一個實施例中，提供一種音頻傳輸系統，其中包括(a)用於可控制地存儲和發送音頻信號的聲音存儲和恢復裝置，(b)用於調製該音頻信號的頻率以產生一調製輸出信號的調製器，(c)用於檢測周圍環境光能量的級別的變化並對這種變化產生與所檢測的變化成比例的響應的光能接收器，(d)用於根據光能接收器對所檢測變化的響應直接或間接地調節頻率調製光波信號的控制器，以及(e)用於把該調節後的頻率調製輸出信號轉換為頻率調製光波信號的發射器。在一個最佳實施例中，該系統還包括至少一個用於接收該光波信號並把其轉換為聲音的電子接收器。最好，該電子接收器是可攜式定向接收器。在一特定最佳實施例中，該電子接收器包括非可視通信裝置、獨立電源、用於接收光波信號的檢測器、以及電子設備，其中包括用於環境光致穩態光電流檢測器的有源吸收器(active sink)，工作在光阻模式的初級PIN光電二極體，以及工作在光電模式的次級PIN光電二極體，該電子設備在存在和不存在環境背景光的兩種情況下把感應信號轉換為從通信裝置中發出的可理解的非可視信息，並且當被感應信號接近於存在穩態光電流中的初級PIN光電二極體的散粒噪聲檢測極限時，該電子接收器也有效。
在隨後的描述、附加的權利要求和附圖中本發明的實施例和特點將變的更加清楚。
附圖簡述
圖1是本發明的優先裝置的控制邏輯的方框圖。
圖2A是圖1的裝置的一半具體電路圖。
圖2B是圖2A中所示的具體電路的另一半。
圖3是本發明的電子接收器的典型前端(信號感應和接收部分)的方框圖。
圖4是在圖3的接收器中的用於過濾和檢測所接收信號並用於抑制來自環境光能量的幹擾的裝置的方框圖。
圖5是本發明的典型接收器的前端的具體電路圖。
圖6A、6B和6C整體是在該接收器中的用於過濾和檢測所接收信號並用於抑制來自環境光能量以及本身電流噪聲的幹擾的裝置的具體電路圖。
在圖1-2B中，相同的字母和/或數字用於表示圖1-2B中相同的部位。類似，在圖3-6C中，相同的字母和/或數字用於表示圖3-6C中相同的部位。
最佳實施例描述本發明的發射器可以是單信道或多信道發射器(即，可以在一個或多個載波頻率發送信號)，並且還包括由一個或多個二極體構成的發射器。所用的光波可以是在該頻譜內的任何光波，但是最好為紅外光。在特定最佳實施例中，該發射器是一個或多個紅外二極體陣列。最好在一陣列中的每個二極體以某種模式傳輸頻率調製紅外信號(最好為連續的)，該模式約為錐形並且具有範圍在約10°到60°的波束寬度以及約25KHz的調製頻率，範圍約在3到6KHz的帶寬，以及範圍約在850到950納米的紅外載波頻率。如果允許的話該信號可以被調節為具有約2.5KHz的副載波偏離和0.76的調製指數。儘管上述特定頻率、帶寬和載波頻率是優選的，但是只要能夠實現信號的有效傳輸，可以採用不同頻率、帶寬和載波頻率的組合，並且包含於本發明的範圍之內。發射器的發射器可以置於合適的位置，例如使得使用本發明的電子接收器的視力不佳的用戶可以接收該信號並把它轉換為聲音，從而由在電子接收器中產生的可理解信息導向所需的位置。本發明這種應用的實例在1996年11月20日申請的共同擁有和共同未決美國專利申請序號754，240有進一步的描述。
本發明的光能接收器可以是能夠檢測周圍環境光能的級別的變換並與所檢測的變化成比例地產生對這種變換的響應的任何裝置。所產生的響應可以是在該電路中在接收器的端頭部位處電阻的變化，或是在這種端頭處接收器電子特性的其他改變這樣的形式。例如，對於發光設備為在電壓上的變化，對於感光設備為在電阻上的變化(即，電容或電感作為所檢測光能變化的一個函數的設備)，等等，只要所產生的響應與所檢測的環境光級別的變化形成某種比例(正比或反比，線性或非線性)，這些變化也可以由光能接收器所產生。最好，該光能接收器是具有與所檢測環境光能成反比的阻值的光電池。特別是具有在約25千歐到約2兆歐的範圍內的這種電阻特性和額定阻值的硫化鎘光電池。
本發明的控制器可以是能夠根據響應所檢測的變化的光能接收器直接或間接調整頻率調製光波信號的強度的任何設備。直接或間接是指該控制器可以在發射器內直接控制由發射器所產生的光波信號強度，或者可以通過調整輸入到該發射器的信號強度的進行間接操作。調整的幅度部分地取決於所採用的特定控制器。最好，該控制器是下文中所述的產生增益幅度的可變增益放大器。
儘管最好用下文所述的集成電路電路，但是本發明的聲音存儲器和恢復裝置能夠控制存儲和發射音頻信號。類似地，儘管最好採用下文所述的頻率調製電路，本發明的調製器可以是任何能夠調製音頻信號的頻率以產生調製輸出信號的任何設備。
現在參見圖1，要被發送的語音或聲音信息被存儲於集成電路U1形式的聲音存儲裝置中。在把所需聲音播放或傳播到話筒中時，通過把開關SW1置「記錄」部位(閉合)並按下「按下以記錄」開關SW2，該聲音被經過所示的話筒而存儲。當開關SW2鬆開並用開關SW1開路時，電路U1把該信息存儲到內部存儲器，並連接地把該信息發送到集成電路U2形式的頻率調製器中。
來自聲音存儲電路U1的音頻信號的頻率調製電路U2進行頻率調製。在所示裝置中，額定載波或中心頻率是25KHz，並且額定調製帶寬是6KHz。該載波頻率由電位計R13所設置，並且該調製帶寬由電位計R11所設置。
來自頻率調製電路U2的調製輸出信號被輸入到集成電路U3形式的可變增益調製器。該網絡的增益由置於周圍環境中並定期暴露於環境光下的硫化鎘光電池CDS所確定。如圖所示，光電池CDS對於高度照明條件(即，光亮條件)具有25千歐的額定阻值，對於無照明條件(即，黑暗條件)具有2兆歐的額定阻值。增益電路U3的額定增益由圖2B中的R14和R15的數據所確定。放大器網絡的增益幅度可由下式表示增益幅度＝R15/[(R14×Rcds)/(R14+Rcds)]其中Rcds等於光電池CDS的額定阻值。參見圖2B中所示的R14和R15的數值，可以看出該放大器額定增益幅度對於充分照明和無照明環境光條件分別為1.0和0.5。該增益幅度對於在充分照明和無照明之間的條件從1.0至0.5變化，由於無照明條件(例如，夜晚)需要減少的信號強度使得在當前特定照明條件下發送到調頻接收器的信號適於在特定信號範圍之內有效接收，因此這是所需的操作。如下文所述，最好該增益幅度與電子接收器對各種環境光條件的敏感度成反比。
來自電路U3輸出的調頻輸出被輸入到電晶體Q2形式的緩衝放大器中。施加到電晶體Q2的基極的信號電平由電位計R18所確定。紅外二極體陣列I由電晶體Q2所驅動，並且在該二極體陣列中流動的調節信號電流的最大值由R19的數值所確定。對於在圖2B中所示的數值，最大峰值電流通常為200mA。
如上文所述，最好本發明的電晶體與用於接收光波信號的電子接收器結合使用，並把其轉換為聲音。本發明電子接收器特別適於與一個或多個本發明單信道發射器一同使用。該電子接收器包括四個基本元件，(i)非可視通信裝置，(ii)獨立電源，(iii)用於接收光波信號的檢測器，以及(iv)用於在存在和不存在環境背景光的兩種情況下把感應信號轉換為從通信裝置中發出的可理解的非可視信息的電子設備，該電子設備包括以初級PIN光電二極體。該電子接收器在被感應信號接近於存在穩態光電流中的初級PIN光電二極體的散粒噪聲檢測極限時也有效。
該電子接收器的非可視通信裝置可以是各種類型的，例如摩爾斯碼、觸摸式盲文通信裝置或任何其他機電轉換裝置。但是，最好是小的音頻擴音器或耳機系統。當該通信裝置是音頻或耳機擴音系統時，該接收器的電子裝置通過把該信號轉換為放大的時間變化檢測器信號光電流並把該放大的光電流傳送到擴音系統以驅動該系統，把所感應信號轉換為從該擴音系統中發出的可理解的語音。
作為獨立電源，該電子接收器通常包含一個或多個小電池。但是，可以採用一種用於把光能轉換為用於該電子接收器的電能的適當的光電電池系統。
現在參照圖3-6C中所示的電子接收器的最佳實施例，與環境背景輻射相結合的來自本發明的單信道發射器的陣列的信號被初級PIN檢測器D1所接收。輔助PIN檢測器D2接收環境背景輻射並利用Q1的有源吸收網絡從初級PIN檢測器D1中刪除環境噪聲信號。本質上，由於主PIN光電二極體的散粒噪聲電流，有源吸收器和輔助PIN光電二極體不相一致並求其均方根之和，而來自主要和輔助的PIN光電二極體的信號電流為相一致並直接對其求和。另外，在給定的設計範圍內，輔助PIN光電二極體對主動吸收電流無貢獻，因此不在該有源吸收器中產生附加的散粒噪聲。因此，該圖的裝置利用電路布局技術，其中主PIN光電二極體工作於反向偏壓或光電模式，並且輔助PIN光電二極體D2工作於光電模式。該有源吸收器一般是多個半導體器件，例如電晶體或集成電路。進一步的信號調節和放大分別由輸入級Q2、柵-陰放大器(cascode)輸出Q3和阻抗變換器Q4所提供。
然後，來自阻抗變換器Q4的輸出直接輸入到圖4的調諧式射頻調頻接收機。結果信號由有源帶通濾波器/增益級U2、限幅器U3、和由L2、C19、D2、L3、C23、和D3構成(參見圖6A)產生解調音頻信號的鑑頻網絡所調節。該解調音頻信號進一步由音頻阻抗變換器和Q1的噪聲抑制帶通濾波器/放大器網絡所調節(關於該網絡的細節請參見圖6A)。兩個信號由圖2和6B的Q1的網絡所產生。
來自圖4和6B的Q1的第一信號是通過電位計R23直接輸入噪聲整流/濾波/直流開關U4、D4、Q2、D5和D6的噪聲抑制信號(關於該網絡的細節請參見圖6B和6C)。然後，傳輸該抑制電平的噪聲整流/濾波/直流開關的輸出直接輸入音頻輸出放大器U5。
來自圖4和6B的Q1的第二信號直接通過電位計R32輸入到電平範圍選擇網絡。然後來自該電平範圍選擇網絡的輸出直接輸入到音頻輸出放大器U5，然後，來自音頻輸出放大器U5的輸出被用於驅動擴音器或其他非可視通信裝置。
關於圖3和4中所示的電子線路的全部細節分別在圖5和6A-6C中示出。
在最佳實施例中，本發明的一個特點是該電子接收器包括用於有效除去從象陽光或人工照明光這樣的高度環境照明中產生的環境背景噪聲形式的噪聲的環境光感應穩態檢測器光電流的有源吸收器(例如，寬帶半導體器件)。因此該器件能夠檢測在存在穩態光電流的接近於PIN光電二極體的散粒噪聲檢測極限的信號。在這些操作中，處於圖中所示形式的裝置通過把該信號轉換為放大的時間變化檢測器信號光電流並把放大的光電流傳送到擴音器以驅動該擴音器，把來自單信道發射器陣列的感應信號轉換為從該擴音器發出的可理解的語音。
最好，把信號發送到優選的電子接收器的發射器是本發明中所述的發射器，使得該信號可以由該發射器所調節以補償環境光能量中的變化(即，在光亮條件，信號強度增加；並且在黑暗條件中，信號強度下降)。這一特點在本質上補償了上述接收器的濾波能力。因此，當環境背景光能量處於一峰值時(即，在高度環境照明條件下)，該電子接收器對於所需信號的敏感度可能下降的可能性與當前發射器峰值信號強度的實際情況相反，因此，更易於檢測。類似地，當環境背景光能量非常低(即，在低度環境照明條件)，該電子接收器對於所需信號的敏感度增加，並且該發射器的信號強度同時下調，從而避免該發送超過理想範圍。
在此全文包括在每個美國專利、每個美國專利申請、以及任何其他在此所引用的出版物中公開的內容以供參考。
本發明在實現中可以有相當大的變化。因此，上文敘述的目的不是限定，並且也不應當認為是把本發明限於上文所述的特定實施例。本發明應由權利要求及其等價表述所覆蓋。
權利要求
1.一種用於發送光波信號的裝置，其中包括(a) 用於發送可變強度的頻率調製光波信號的發射器，(b) 用於檢測周圍環境光能量的級別的變化並對這種變化產生與所檢測的變化成比例的響應的光能接收器，以及(c) 用於根據光能接收器對所檢測變化的響應直接或間接地調節頻率調製光波信號的控制器。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該光能接收器包括一光電池。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，該光電池是硫化鎘光電池。
4.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，該光電池具有與所檢測環境光能量成反比的阻值。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，該阻值在約25千歐至2兆歐的範圍內。
6.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，該控制器包括一可變增益放大器。
7.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，光波信號為紅外光波信號，並且該發射器包括一個或多個紅外二級管陣列。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該光電池是硫化鎘光電池。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，該光電池具有與所檢測環境光能量成反比的阻值。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於，該阻值在約25千歐至2兆歐的範圍內。
11.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該控制器包括一可變增益放大器。
12.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，光波信號為紅外光波信號，並且該發射器包括一個或多個紅外二級管陣列。
13.一種音頻傳輸系統包括(a) 用於可控制地存儲和發送音頻信號的聲音存儲和恢復裝置，(b) 用於調製該音頻信號的頻率以產生一調製輸出信號的調製器，(c) 用於檢測周圍環境光能量的級別的變化並對這種變化產生與所檢測的變化成比例的響應的光能接收器，(d) 用於根據光能接收器對所檢測變化的響應直接或間接地調節頻率調製光波信號的控制器，以及(e) 用於把該調節後的頻率調製輸出信號轉換為頻率調製光波信號的發射器。
14.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，該光能接收器包括一光電池。
15.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，該光電池是硫化鎘光電池。
16.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，該光電池具有與所檢測環境光能量成反比的阻值。
17.根據權利要求16所述的系統，其特徵在於，該阻值在約25千歐至2兆歐的範圍內。
18.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，該控制器包括一可變增益放大器。
19.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，光波信號為紅外光波信號，並且該發射器包括一個或多個紅外二級管陣列。
20.根據權利要求19所述的系統，其特徵在於，該光電池是硫化鎘光電池。
21.根據權利要求20所述的系統，其特徵在於，該光電池具有與所檢測環境光能量成反比的阻值。
22.根據權利要求21所述的系統，其特徵在於，該阻值在約25千歐至2兆歐的範圍內。
23.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，該控制器包括一可變增益放大器。
24.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，光波信號為紅外光波信號，並且該發射器包括一個或多個紅外二級管陣列。
25.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，其中還包括用於接收光波信號並把其轉換為聲音的至少一個電子接收器。
26.根據權利要求25所述的系統，其特徵在於，該電子接收器包括非可視通信裝置、獨立電源、用於接收光波信號的檢測器、以及電子設備，其中包括用於環境光致穩態光電流檢測器的有源吸收器，工作在光阻模式的初級PIN光電二極體，以及工作在光電壓模式的次級PIN光電二極體，該電子設備在存在和不存在環境背景光的兩種情況下把感應信號轉換為從通信裝置中發出的可理解的非可視信息，並且當被感應信號接近於存在穩態光電流中的初級PIN光電二極體的散粒噪聲檢測極限時，該電子接收器也有效。
27.根據權利要求26所述的系統，其特徵在於，該電子接收器是可攜式定向接收器。
28.根據權利要求25所述的系統，其特徵在於，該感應裝置包括一光電池。
29.根據權利要求28所述的系統，其特徵在於，該光電池是硫化鎘光電池。
30.根據權利要求28所述的系統，其特徵在於，該光電池具有與所檢測環境光能量成反比的阻值。
31.根據權利要求30所述的系統，其特徵在於，該阻值在約25千歐至2兆歐的範圍內。
32.根據權利要求28所述的系統，其特徵在於，該控制器包括一可變增益放大器。
33.根據權利要求28所述的系統，其特徵在於，光波信號為紅外光波信號，並且該發射器包括一個或多個紅外二級管陣列。
34.根據權利要求33所述的系統，其特徵在於，該光電池是硫化鎘光電池。
35.根據權利要求34所述的系統，其特徵在於，該光電池具有與所檢測環境光能量成反比的阻值。
36.根據權利要求35所述的系統，其特徵在於，該阻值在約25千歐至2兆歐的範圍內。
37.根據權利要求25所述的系統，其特徵在於，該控制器包括一可變增益放大器。
38.根據權利要求25所述的系統，其特徵在於，光波信號為紅外光波信號，並且該發射器包括一個或多個紅外二級管陣列。
全文摘要
本發明是用於發射光波信號的裝置,裝置可以調整它們的信號長度以自動適應於它們周圍環境光條件。在一個實施例中,用於發射光波信號的裝置包括(a)一個用於發射各種強度的調頻光波信號的發射器(Ⅰ),(b)用於檢測環境光能的變化和用於產生與所檢測信號成正比的響應的光能接收器(CDS)和(c)用於直接或間接響應光能接收器來調整調頻光波信號的控制器。本發明還描述了使用所述裝置的音頻發射系統。
文檔編號H04B10/06GK1244980SQ97181427
公開日2000年2月16日 申請日期1997年11月20日 優先權日1996年11月20日
發明者小W·F·克蘭達爾 申請人:有聲符號公司