用于光学无线通信系统的电流密度适配的制作方法

本发明涉及光学通信网络(诸如但不限于lifi网络)中信号发射的领域，供在家庭、办公室、零售、酒店和工业的各种不同应用中使用。

背景技术：

1、经由光的无线通信正迅速获得兴趣。诸如lifi网络(命名为如wifi网络)的光学无线通信(owc)系统使得移动用户设备(在下文中称为端点(ep))——例如笔记本电脑、平板电脑、智能电话等——能够无线连接到互联网。wifi使用无线电频率实现这一点，但lifi使用光谱实现这一点，这可以实现前所未有的数据传递速度和带宽。此外，它可以用于易受电磁干扰的区域。要考虑到的重要一点是，无线数据不仅仅是我们传统的连接设备所需要的。今天，电视、扬声器、耳机、打印机、虚拟现实(vr)护目镜和甚至冰箱都使用无线数据来连接和执行重要的通信。射频(rf)技术(如wifi)正在耗尽支持这场数字革命的频谱，并且lifi可以帮助推动下一代沉浸式连接性。

2、基于调制，可以使用任何合适的光传感器来检测编码光中的信息。这可以是专用光电池(点检测器)，可能带有透镜、反射器、含磷的漫射器等的光电池阵列，或者包括光电池(像素)阵列和用于在阵列上形成图像的透镜的相机。例如，光传感器可以是包括在插入端点的加密狗中的专用光电池，或者传感器可以是端点的具有足够带宽的通用(可见光或红外光)传感器或最初设计用于例如3d人脸识别的红外检测器。无论哪种方式，这都可以使在端点上运行的应用能够经由光接收数据。

3、美国专利申请us2013/0272716 a1例如公开了一种照明设备，用于在照明设备的亮度输出中嵌入数据信号的数据符号。更具体地，它提出使用未调制的传统led驱动器来提供馈送给led的未调制电流。该led具有两个具有公共电极的led段。此外，提供控制器以使未调制的驱动电流以取决于数据的方式通过单个段或两个段。led的发光输出是两个段的发光输出的组合，以这种方式，有可能调制发光输出而不调制供应给公共电极的驱动信号。

4、发光二极管(led)设计的优化对于优化性能来说可能是令人感兴趣的。owc通信系统的设计涉及各种复杂因素，这些复杂因素在rf技术中没有其对应物。首先，无线电系统通常需要在给定的有限带宽内操作。因此，信号带宽中的发射功率、路径损耗和噪声确定了吞吐量。与此相比，led充当低通滤波器，但带宽不受严格限制。因此，信噪比(snr)由可用发射功率、路径损耗和噪声频谱功率密度、以及作为优化主题的带宽选择给出。

5、owc系统需要在宽的距离范围内进行通信，而可用的发射功率是有限的。在许多系统中，已经使用了最大可用功率，使得总电流不应增加而超过有限的功率预算。

6、存在几种方法使系统适应接收功率的变化。一种方法是改变比特负载。正交频分复用(ofdm)是一种流行的调制方法，其中数据在许多子载波之上并行传送(carry)。包括itu g.9991的许多系统可以适配信号星座图，即一个符号中或一个子载波上携带的比特数。在良好的信噪比(snr)下，使用高星座图(例如256qam或以上)，而在较低的snr下，系统退回到较低的星座图(例如64、16或甚至仅4qam)。当snr低时，例如当需要覆盖较远程时，也可以增加信号功率。

7、为了覆盖更宽的距离，可能想要增加功率。在这个方向上的第一步可以是增加调制信号功率。然而，在许多系统中，通过发射led的电流由交流(ac)调制分量和直流(dc)偏置分量组成。在保持dc偏置恒定的同时增加调制信号功率可以是增加接收信号强度的一种选项。但是，这可能增加失真和削波。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是为半导体光源提供一种自适应驱动方案以覆盖大范围的距离。

2、该目的通过如权利要求1所述的装置、如权利要求11所述的光学无线通信设备、如权利要求12所述的光学通信系统、如权利要求13所述的方法、以及如权利要求15所述的计算机程序产品来实现。

3、根据第一方面，提供了一种用于驱动半导体辐射源的装置，该半导体辐射源具有可控尺寸的辐射生成区域，该装置包括：

4、调制器，其用于向半导体辐射源提供驱动信号以调制流过辐射源的电流；和

5、控制器，其被配置为独立于流过辐射源的电流自适应地控制辐射生成区域的尺寸，以响应于链路性能要求、测量的链路质量、和到接收机设备的距离中的至少一个来改变半导体辐射源的电流密度和/或输出功率。

6、根据第二方面，提供了一种驱动半导体辐射源的方法，该半导体辐射源具有可控尺寸的辐射生成区域，该方法包括：

7、向半导体辐射源提供驱动信号以调制流过辐射源的电流；和

8、独立于流过辐射源的电流自适应地控制辐射生成区域的尺寸，以响应于链路性能要求、测量的链路质量、和到接收机设备的距离中的至少一个来改变半导体辐射源的电流密度和/或输出功率。

9、因此，给定一定的可用电功率，可自由选择辐射源的各个辐射元件(例如一个或多个串联和/或并联led或其他辐射元件)操作的电流密度或驱动功率。高电流密度给予了辐射源更宽的带宽，但也使其在将电流调制转换为光学输出功率调制时效率较低。可以优化操作点，使得为短程小覆盖系统提供高电流密度，从而实现非常高的吞吐量，而具有(例如覆盖数十平方米的)宽波束角的辐射源最好具有较低的电流密度。越来越多地使用扇区化波束，其中每个波束具有有限的但主要非零的发散角。在任何情况下，即使对于这种具有有限发散度的较窄波束，光强度也倾向于随着距离的平方而降低，使得依赖于距离的控制是有利的。

10、优选地，调制器基于输入数据调制驱动信号，并将调制的驱动信号提供给半导体辐射源，数据因此被嵌入提供给辐射源的驱动信号中，与数据和流过辐射源的电流无关。控制器然后响应于至少一个标准(诸如链路性能要求、测量的链路质量、和到接收机设备的距离)自适应地控制辐射生成区域的尺寸。结果，辐射源的电流密度和/或光学输出功率可以根据需要基于标准而变化。

11、因此，辐射源可以被设计成具有可变尺寸的光生成区域(例如，通过并联放置多于一个辐射元件(例如，led)或者以其他方式提供可配置或可缩放的光生成区域)，使得可以被解释为有效区域的结区域可以被增加或减少。可配置或可缩放的光生成区域的发射方向将(基本上)相同，并且当使用多个辐射元件时，可以使用相同的数据信号来驱动所有辐射元件(尽管当使用不同类型的led时可以使用单独的驱动器)，所提出的变化是光生成区域的尺寸并且不是发射波束宽度。替代地，可以串联电放置多个led，并分流一个或多个但不是所有的led。这种方案可能需要控制机制从而也调整电流，以避免总功耗与激活led的数量成比例。作为另一种选项，可以通过关断一组尺寸非常小的micro-led之中的一个或多个micro-led来减小辐射源的结区域，从而增加其余(一个或多个)micro-led的电流密度(并且反之则增大结区域)。替代地，可以使用电流密度完全不同的两个(两组)led。micro-led使用大电流密度(低效率；高带宽)，而普通led具有较低的电流密度。能够在普通led(用于大范围)和基于micro-led的发射器(用于短程或窄波束高速度)之间切换是有吸引力的。由于micro-led大多在较低的电流下操作，因此优选地，自适应地使用多个micro-led或者一个普通led。

12、在一个示例中，所选择的led子集可以在1和n之间，其中n可以大于20。如果使用micro-led和普通led的组合，则一个micro-led和一个普通led可以导致发光面积或电流密度的>>10的比率。

13、注意，所提出的驱动方案对于通过光纤(例如，聚合物光纤(pof))的传输也工作良好，这允许小的并且因而快速的检测器，并且其中发射机限制是相关的。因此，也可以通过光纤为半导体光源(例如led)实现更高的比特率。

14、根据第三方面，提供了一种用于光学通信系统的辐射信号的光学无线通信设备(诸如光学无线接入点或端点)，其中光学无线通信设备(例如接入点或端点)包括根据第一方面的装置和具有可控尺寸的辐射生成区域的半导体辐射源。

15、根据第四方面，提供了一种光学通信系统，其包括根据第三方面的光学无线通信设备(例如，接入点或端点)和用于接收辐射信号的接收机。

16、根据第五方面，提供了一种计算机程序产品，其包括用于当在控制器设备上运行时产生上述第二方面的方法的步骤的代码装置。

17、根据第一至第五方面中任一方面的第一选项，可以(例如，通过控制器)通过从辐射源的多个led之中选择一个子集来控制辐射生成区域的尺寸。因此，所提出的电流密度或总功率控制可以通过简单地接通和关断不同的led(例如，具有不同特性的led，或者具有相同特性的不同led)来实现，辐射源的总电流通过这些led。

18、根据第一至第五方面中任一方面的第二选项(其可以与第一选项相组合)，可以(例如，通过控制器)通过在使用辐射源的一个或两个led之间进行切换来控制辐射生成区域的尺寸。这个选项提供了一个简单的解决方案，其使用两个相同或不同的led。

19、根据第一至第五方面中任一方面的第三选项(其可以与第一或第二选项相组合)，来自辐射源的传输可以(例如，通过控制器)被控制，使得数据包经由不同的led交替传输。该实施例使其适用于其中使用具有相同类型的led的应用，并且优选地基于匹配特性进行选择。因此，可以通过减少led的接通时间来降低功率损耗和温度。

20、根据第一至第五方面中任一方面的第四选项(其可以与第一至第三选项中的任一项相组合)，流过辐射源的电流可以作为单独的参数(例如，通过控制器)被控制。这提供了以下优点：可以提供两个独立的控制选项，用于使传输参数适应链路性能要求和/或链路属性和/或距离。

21、根据第一至第五方面中任一方面的第五选项(其可以与第一至第四选项中的任一项相组合)，辐射源可以(例如，通过控制器)在选定的电流密度下操作，同时辐射源的不同操作模式可以(例如，通过控制器)被切换。因此，可以提供用于使传输参数适应链路性能要求和/或链路属性和/或距离的更灵活的控制。

22、根据第一至第五方面中任一方面的第六选项(其可以与第一至第五选项中的任一项相组合)，辐射源的电流密度和调制器的至少一个调制参数可以(例如，通过控制器)被控制以实现传输链路受噪声限制的程度和传输链路受带宽限制的程度之间的权衡。因此，可以在两个不同的维度上联合优化链路质量。

23、根据第一至第五方面中任一方面的第七选项(其可以与第一至第六选项中的任一项相组合)，调制器可以被配置成用二进制数据序列来调制提供给辐射源的驱动信号，以产生通过辐射源的至少两个驱动电流电平，所述至少两个驱动电流电平在二进制数据序列的传输期间定义辐射源的在上辐射输出水平和下辐射输出水平之间的辐射输出范围。在2级pam调制的情况下，两个驱动电流电平例如可以是一方面用于驱动高电平的最大或标称驱动电流电平，以及另一方面用于驱动低电平的零电流电平。根据第七选项，控制器可以被配置成响应于辐射输出的发射质量，自适应地控制调制器以增加驱动电流，并在由减小的辐射输出范围确定的时序在预定的上目标水平和预定的下目标水平之间切换增加的驱动电流。这些措施提供的优点是，在其中接收信号强度足够的(短程)链路的情况下，可以设置“零”和“一”之间的有利的较低辐射输出摆幅，以使用与用于完全较高辐射输出摆幅相同的驱动电流电平来提高可用的传输速度。由于减小的辐射输出范围是辐射输出范围的一个子范围，并且驱动信号的幅度保持不变，但是改变了时序，因此在链路质量允许时，将有可能以更快的方式穿越较低的辐射输出摆幅，从而促进更高速度的传输。

24、第七选项优选地与将led驱动到光衰(droop)相组合，以实现更高的带宽。因此，可以通过组合零电平的下降和升高来实现发射效率的优化。此外，可以引入预加重来进一步优化。

25、根据第一至第五方面中任一方面的第八选项(其可以与第一至第七选项中的任一项相组合)，可以提供查找表，该查找表存储与不同信道衰减条件相关联的调制参数(例如符号率)和电流密度确定参数的表。因此，可以通过简单的存储器查找来提供快速且有效的电流密度控制。

26、根据第一至第五方面中的任一方面的第九选项(其可以与第一至第八选项中的任一项相组合)，接收机可以被配置为经由反馈信道提供反馈信息以向控制器通知链路质量，或者使用反馈信息经由反馈信道命令控制器改变其电流密度设置。因此，可以提供经由接收机的反馈回路来增强电流密度控制。

27、根据第一至第五方面中任一方面的第十选项(其可以与第一至第九选项中的任一项相组合)，可以在以下之间(例如，通过控制器)提供选择：用于短距离的具有两个激活led的辐射源的快速操作模式、具有较高电流密度的一个激活led的辐射源的中等操作模式、以及用于长距离的具有较低电流密度的一个激活led的辐射源的慢速操作模式。因此，电流密度可以通过简单地在涉及不同类型led的不同操作模式之间切换来控制。

28、注意，上述装置可以基于具有分立硬件组件的分立硬件电路、集成芯片、或芯片模块的布置来实现，或者基于由存储在存储器中、写在计算机可读介质上、或从网络(诸如互联网)下载的软件例程或程序控制的信号处理设备或芯片来实现。

29、应当理解，权利要求1的装置、权利要求11的光学无线通信设备、权利要求12的光学通信系统、权利要求13的方法、和权利要求15的计算机程序产品可以具有类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的。

30、应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任何组合。

31、参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是清楚的并得到阐述。