用于发出信号的LED模块的制作方法

文档序号:19816914发布日期:2020-01-31 19:33
用于发出信号的LED模块的制作方法

本公开涉及led的使用来发射在利用led发出的光中嵌入的信号。



背景技术:

可见光通信(vlc)指的是借以采用在由光源发出的可见光中嵌入的信号的形式来传送信息的技术。vlc有时也被称为编码光。通过根据各种各样合适的调制技术之中的任何调制技术来调制可见光的属性,典型地,强度,信号被嵌入。

编码光时常用于将信号嵌入由光照(illumination)源诸如日常照明器(luminaire)发出的光例如房间照明或室外照明中,因而允许来自照明器的光照兼作信息的载体。光因而包括用于照亮目标环境诸如房间的可见光照贡献(典型地,光的主要目的)和用于在环境中提供信息的嵌入信号(典型地,被认为是光的次要功能)二者。在这样的情况下,调制典型地被执行在足够高以便超越人类感知的频率上,或至少以致任何可见的时间光伪像(artefact)(例如,闪烁和/或频闪伪像)是足够弱的而不是引人注意的或至少对人类而言是可容忍的。因而,所嵌入的信号不影响主要光照功能,即,因此用户只感知到总体光照而没有感知到数据被调制到那个光照中的效果。例如,manchester(曼彻斯特)编码是无dc码的示例,其中功率谱密度在零赫兹(hertz)上归零,在低频上具有很少的光谱含量,因而将可见闪烁降低到几乎不可见的水平。ternarymanchester(三元曼彻斯特)是无dc2的,这意味着:不仅功率谱密度在零赫兹上归零,而且功率谱密度的梯度也归零,因而更进一步消除可见闪烁。

随着led照明系统被使用来代替常规照明系统,可见光通信(vlc)正变得越来越受欢迎。wifi系统由于其全向辐射模式(pattern)而在带宽方面正变得更加有限。wifi信号能够穿过墙壁、天花板、门等,但是其带宽随着所使用的单元的密度和数量而减少。与wifi相反,lifi(lightfidelity(光保真度))是定向的并被遮光材料屏蔽,这给它提供与wifi相比而言在用户的密集区中支持更高带宽通信的潜力。



技术实现要素:

现有的编码光发出光照设备(灯或照明器)具有带宽是有限的问题。因而,具有增加可用的带宽的期望。这样的常规照明器和灯的带宽的限制的一个原因是由于led被连接在其中的电路路径的总阻抗(由于led的数量和连接其所需要的电线量二者)。通过降低通过其携带(carry)与vlc相对应的电流调制的电路的阻抗,能够增加带宽。然而,用于常规光照目的的照明器和灯时常在物理上长的电路路径中包括大量的led,这是为了提供所期望的光照水平以及led布局的设计的要求。这引入显著的阻抗。

发明人已意识到:通过将滤波器电路引入led模块中,有可能降低能够用来发出编码光调制的电路的目标分部(subsection)的阻抗,并且同时还借助于至少部分地被滤波器隔离的较长分部而仍然保持光照目的所需的led的总数。

根据在本文公开的一个方面,提供一种led模块,其包括:一对端子,用于接收功率;用于发出光照来照亮环境的第一组的多个led,其被安排在led模块的第一电路路径内并通过经由所述端子接收的功率的一部分被供电来发出所述光照;用于发出光的第二组的一个或多个led,其被安排在led模块的第二电路路径内并通过经由所述一对端子接收的功率的一部分被供电来发出所述光,第一电路路径比第二电路路径长;和滤波器电路,其被安排成滤波经由所述端子接收的功率中的调制;其中滤波器电路被配置成允许在预定调制频率上的所述调制的分量仅被传递至第二组的led而非第一组的led,从而导致对应的信号被嵌入由第二组发出的光中而非由第一组发出的光照中。

优选地,滤波器电路至少包括在第二电路路径中连接的高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器,其被安排成对于包括所述预定频率的上限范围例如从所述预定频率往上(以致所述预定频率是阈值)的范围中的频率基本上短路(short-out)第一较长的电路路径(并因此,第一组的led)。然而,作为另一示例,滤波器电路可以替代地或附加地包括在第一电路路径中连接的带阻滤波器、带通滤波器或低通滤波器,以阻止所述预定频率。

在实施例中,滤波器电路可以被配置成:允许具有第一较低调制频率的调制的第一分量至少被传递至第一组的led,从而导致对应的第一信号被嵌入所发出的光照中;以及允许具有第二较高频率的调制的第二分量仅被传递至第二组的一个或多个led而非第一组的led,从而导致对应的第二信号经由第二组发出的光而非由第一组发出的光被发射。

在实施例中,第一组的led可以是磷转换的(phosphor-converted)led,而第二组led可以是非磷转换的led。例如,可见光谱led可以包括白色led或磷转换的蓝色led。

在实施例中,第一组的led可以是被配置成发出可见光谱光照的可见光谱led,而第二组的led可以是被配置成发出红外光的红外led。

在替代实施例中,并不排除第一组和第二组的led二者由可见光谱led组成(例如,其中第一组是磷转换的,而第二组是非磷转换的窄带led,诸如红色、橙色、黄色、青绿色、蓝色或紫色led)。在更进一步替代方案中,只有第二组的led可以被调制,其中第一(较长路径)组被安排成仅发出未调制的光照(仅利用dc电流来驱动,其中基本上所有的调制被从驱动第一组led的电流中滤除)。

在实施例中,滤波器电路可以被配置成允许第一较低频率分量被传递至第一组的led而非第二组的led,以致第一信号不经由第二组发出的光被发射。

在实施例中,滤波器电路可以被配置成允许第一较低频率分量被传递至第一组和第二组的led两者,以致第一信号被嵌入由第一组的led发出的光照中并经由第二组的led发出的光被发射。

在实施例中,可见光谱led可以是白色led。

根据在本文公开的另一方面,提供一种光照设备,其包括:led模块;led驱动器,其被安排成供应所述功率;和调制器,其被耦合至led驱动器并被安排成将所述调制引入所供应的功率中,led模块的端子被连接至调制器,以便从中接收所调制的功率。

在实施例中,调制器可以被安排成在相同的时间在所述调制中包括第一分量和第二分量,以致第一信号和第二信号被同时发射。

在实施例中,调制器可以被安排成在与第一分量不同的时间在所述调制中包括第二分量,以致第一信号和第二信号在不同的场合被发出。

在实施例中,调制器可以被配置成:在光照被关闭时,给led模块继续供应第二较高频率分量。

在实施例中,调制器可以被配置成:通过使用可见光谱led发射包括第一信号的第一较低载频群的子载波和使用红外led在包括第二信号的第二较高载频群的子载波上转接,使用可见光谱led和红外led来实现包括一组子载波的正交频分复用信道,第一信号和第二信号是正交频分复用信道的子信号。

在实施例中,光照设备可以采取照明器的形式。

在实施例中,光照设备可以采取可拆卸地可装配在照明器中的个别灯的形式。

根据在本文公开的另一方面,提供一种系统,其包括包含led模块的光照设备,并且进一步包括接收设备,其中接收设备包括:用于感测可见光调制的第一光传感器和用于感测红外光调制的第二光传感器,其中第一光传感器能够感测比第二光传感器更低的最大调制频率;和解码器,其被耦合到一个或多个光传感器,解码器被配置成从感测到的可见光调制中解码第一信号并从感测到的红外光调制中解码第二信号。

在实施例中,第一光传感器可以采取用于捕获图像的照相机的形式,而第二光传感器可以采取专用红外数据接收器的形式。

换句话说,第一传感器(可见光传感器)具有除了接收嵌入数据即拍摄照片之外的另一主要功能。而第二传感器(ir传感器)利用从ir发射器接收数据的主要目的来设计。

在实施例中,第一光传感器、第二光传感器和/或解码器可以被实现在诸如智能手机、平板计算机或可穿戴设备之类的移动用户终端中。

移动用户终端可以通过照相机来检测和捕获编码光消息,并使用光电二极管来接收高带宽信号。

例如,照相机可以采取例如时常在许多移动用户终端诸如智能手机和平板计算机中所发现的滚动快门(rolling-shutter)照相机的形式。

根据在本文公开的另一方面,提供一种方法,其包括:在一对输入端子上接收功率,所接收的功率被调制;使用经由所述端子接收的一些功率给第一组的多个led供电,以便发出光照来照亮环境;使用经由所述端子接收的一些功率给第二组的一个或多个led供电,以便发出光;以及滤波经由所述端子接收的功率中的调制;其中滤波允许在预定调制频率上的所述调制的分量仅被传递至第二组的led而非第一组的led,从而导致对应的信号被嵌入由第二组发出的光中而非由第一组发出的光照中。

附图说明

为了帮助理解本公开并显示实施例如何被付诸实施,通过示例来参考附图,其中:

图1显示包括能够发出编码光的led和包括能够感测由led输出的编码光的传感器的设备的led照明器的示意图,

图2显示图1的照明器的示例led板的示意图,

图3显示描绘用于图1的照明器的电路设计的示例电路图的示意图,

图4a显示通过在图1-3的照明器中合并的红外led和可见光谱(例如,白磷)led的led电流的频率响应的图表,

图4b显示通过在图1-3的照明器中合并的红外led和可见光谱(例如,白磷)led的led电流的传递函数的图表,以及

图5示意性地举例说明正交频分复用(ofdm)传输方案。

具体实施方式

如前所述,现有的编码光发出光照设备(灯或照明器)具有带宽由于照明器电路的总阻抗而是有限的问题。通过降低通过其来携带编码光调制的电路的阻抗(即,通过该电路来携带与编码光相对应的电流),能够增加带宽。然而,用于常规光照目的的照明器时常在物理上长的电路路径中包括大量的led,这是为了提供所期望的光照水平和设计的要求。这引入显著的阻抗。并且,这些led典型地包括抑制对高频调制起反应的能力的磷。

下面公开一种电路,其通过将滤波器电路引入led模块中来降低携带编码光调制的电路分段(section)的阻抗并且还仍然保持光照目的所需的led的总数。也就是说,通过引入这个滤波器电路,在照明器内包括的较小一组的led使得编码光调制电流指向它们,但是并不是照明器的所有led被提供包括编码光信号的这个调制电流。以这种方式,包括所谈论的编码光信号的调制仅围绕着包括较小一组led的电路回路而非包括led模块的所有led的较大电路回路行进。因而,包括较小一组led的电路分段中的调制经历比否则将出现的更低的阻抗,并且能够携带具有较高频率和提供较高带宽的调制。

在实施例中,这可以被扩展到包括具有两个不同调制频率的两个不同的编码光信号。在这种情况下,较高频率调制的电流可以被指向较短电路路径,而较低频率调制的电流可以被指向较长电路路径。也就是说,较长电路路径也可以携带在电流调制中嵌入的编码光信号,但是调制的频率具有较低的频率,并因此与较高的频率调制相比而言较少程度受到较长电路路径的阻抗的影响。

常规地,可见光通信只能在提供可见光照的光被接通的同时被使用。也由于通过常规led引擎进行的高速可见光通信具有局限性,诸如高频信号沿着长的电路长度的传输,因此所期望的将是提供包括可见led和红外led的led模块(例如,led板)的设计。这以容易并入现有的灯或照明器设计中而具有极少或没有针对该灯或照明器的其余部分的修改的方式来提供也是所期望的。

本公开提供一种照明设备装置来通过将红外led以及滤波器电路添加至否则常规的照明器来克服这些问题。以这种方式,甚至在可见光照被关闭时,高频通信也被启用并且通信被维持。此外,这个解决方案提高针对高频设计的可能性,因为高频信号仅被导向高频红外led。包括实现这些特性所需的滤波器电路的led模块可以被配置成以模块化的方式被添加到驱动源(以及调制电路之中的至少一些),以致在常规照明器内已是可用的并发现的源可以被使用而基本上没有针对该源的修改。也就是说,该模块使得附加的高频调制分量能够被添加至否则常规的照明器而具有极少或没有针对现有的驱动器和调制硬件的修改。

可见光通信(vlc)只能在提供可见光照的灯被接通(发出光)的同时被使用。这意味着:当照明器被关闭时,将利用这样的可见光发出灯发射的任何编码光和信息无法被发射或被接收。为了解决这个问题,红外led能够被添加到否则常规的照明器。由于ir光的波长短于可见光的波长,所以编码光内高频调制的潜力显著增加,潜在数据链路速度和可用带宽也是如此。

在使用高频调制时,在常规照明器中也具有显著的能量转移效率低下的潜在性。这能够源于冷却区诸如被并入常规照明器中的铜冷却区的高负载以及印刷电路板中的任何缺陷。在本文公开的实施例将红外高频调制电路路径与可见光谱低频调制电路路径分离开,这有利地降低高频信号沿着短路径的缺陷的潜在性。能量转移仍然能够是效率低下的(这能够恶化在高频电流调制上的电磁兼容性能),但是这能够通过合并阻抗匹配电路来解决。

可见光通信(vlc)指的是借以采用在由光源发出的可见光中嵌入的信号的形式来传送信息的技术。vlc有时也被称为编码光。

通过根据各种各样合适的调制技术之中的任何技术来调制可见光的属性,典型地,强度,信号被嵌入。在一些最简单的情况下,通过在恒定的预定调制频率上利用单个周期载波波形或甚至单音(正弦波)调制来自多个光源之中的每一个光源的可见光的强度,实现信号传输。如果由多个光源之中的每一个发出的光利用在那些光源之间是独特的不同的各自调制频率来调制,则调制频率能够用作各自光源或其光的标识符(id)。

在更复杂的方案中,一系列数据符号可以被调制到由给定光源发出的光中。这些符号通过调制光的任何合适的属性例如振幅、调制频率或调制的相位来表示。例如,通过振幅键控,例如,使用高电平和低电平来表示比特或使用更复杂的调制方案来表示不同的符号,数据可以被调制到光中。另一示例是频率键控,凭此给定光源可操作来在两个(或更多)不同的调制频率上发出(光)并通过在不同的调制频率之间切换来发射数据比特(或更一般地,符号)。作为另一可能性,可以调制载波波形的相位,以便编码数据,即相移键控。

一般而言,所调制的属性能够是被调制到光中的载波波形的属性,诸如其振幅、频率或相位;或替代地,可以使用基带调制。在后一种情况下,没有载波波形,而是符号被调制到光中作为所发出的光的亮度的变化模式。这可以例如包括调制强度来表示不同的符号,或调制标记:脉宽调制(pwm)调光波形的空间比,或调制脉冲位置(所谓的脉冲位置调制,ppm)。调制可以牵涉将数据比特(有时被称为用户比特)映射到这样的信道符号上的编码方案。一个示例是常规manchester码,其是二进制代码,凭此值0的用户比特以低-高脉冲的形式被映射到信道符号上,而值1的用户比特以高-低脉冲的形式被映射到信道符号上。另一示例编码方案是由申请人开发的所谓的ternarymanchester码。

基于调制,能够使用任何合适的光传感器来检测编码光中的信息。这能够是或专用光电管(点检测器)或包括光电管(像素)的阵列和用于在阵列上形成图像的透镜的照相机。例如,照相机可以是移动用户设备诸如智能手机或平板计算机的通用照相机。编码光的基于照相机的检测利用或全局快门(global-shutter)照相机或滚动快门照相机而是可能的。例如,滚动快门读出对于在日常移动用户设备诸如智能手机和平板计算机中发现的移动cmos图像传感器而言是典型的。在全局快门照相机中,在相同的时间捕获整个像素阵列(整个。,并因此全局快门照相机每帧仅捕获来自给定照明器的光的一个时间样本。另一方面,在滚动快门照相机中,帧被分成采用水平排形式的行(line),并且帧在时间序列中被逐行曝光(expose),该序列中的每一行在比上一行稍晚的时间被曝光。每一行因此在不同的时刻捕获信号的样本。因此,虽然滚动快门照相机对于诸如摄影之类的目的而言一般是较便宜的品种并被认为是劣质的,但是对于检测编码光的目的而言,它们具有每帧捕获更多时间样本的优点,并因此对于给定帧速率具有更高的采样率。尽管如此,只要采样率与调制频率或数据速率相比而言是足够高的(即,高到足以检测到编码信息的调制),就能够使用或全局快门或滚动快门照相机来实现编码光检测。

编码光能够用于将信号嵌入由光照源发出的光中。因而,来自照明器的光照能够兼作信息的载体。光包括可见光照贡献和嵌入信号二者。在这样的情况下,调制典型地被执行在足够高以便超越人类感知的频率上。以这种方式,嵌入信号不影响光照源的主要光照功能。用户仅感知到总体光照而没有感知到数据被调制到那个光照中的效果。

因而,编码光在家、办公室或其他地方具有各种商业应用,诸如个性化的照明控制、室内导航、基于位置的服务或提供数据转移信道等。

如上所述,能够使用时常被集成到如同移动电话或平板计算机之类的日常移动用户设备中的日常“滚动快门”类型照相机来检测编码光。在滚动快门照相机中,照相机的图像捕获元素被分成多个水平行(即,排),其被按顺序逐行曝光。也就是说,为了捕获给定。?谝恍斜槐┞队谀勘昊肪持械墓,随后序列中的下一行在稍晚的时间被暴光,依此类推。每一行因此在不同的时刻捕获信号的样本(典型地,来自每一给定行的像素被压缩成每行单个样本值)。典型地,该序列例如自上而下成排按顺序跨越帧“滚动”,因此得名“滚动快门”。当用于捕获编码光时,这意味着:帧内的不同行在不同的时刻捕获光,并因此在行速率相对于调制频率而言是足够高的情况下,在调制波形的不同相位上捕获光。因而,滚动快门读出导致快速时间光调制在传感器的行读出方向上转换成空间模式,从中能够解码所编码的信号。

更一般而言,能够使用能检测落在其上面的光的强度的任何传感器来检测编码光。例如,专用光电管(点传感器)可以用来检测光中的调制,以致在光内嵌入的代码被接收。也可以使用与上面讨论的任何技术相类似、但是适于检测ir而非(或,以及)可见光的技术来检测红外(ir)光信号。例如,ir信号可以使用ir敏感光电管或使用ir照相机来检测。在后一种情况下,这可以采用与上面讨论的滚动快门照相机相同的方式来实现,或在全局快门类型照相机中进行实现,其中在全局快门类型照相机中形成图像的传感器/像素之中的每一个在同一时刻被暴露于编码光(可见或红外光)。利用同一像素/传感器随时间测量的强度的变化使之能够接收编码光信号。

图1给出用于发射和接收编码光的系统的示意概述。该系统包括发射器2和接收器4。例如,发射器2可以采取例如在房间的天花板或墙上安装的照明器的形式或采取独立灯或室外灯杆的形式。接收器4可以例如采取移动用户终端诸如智能电话、平板计算机、膝上型计算机、智能手表或一副智能眼镜的形式。

发射器2包括光源10和连接到光源10的驱动器8。在其中发射器2包括照明器的情况下,光源10采取光照源(即,灯)的形式,其被配置成在适合于照亮诸如房间或室外空间之类的环境的标度上发出光照,以便允许人们看见环境内的物体和/或障碍物和/或找到他们的路。光照源10可以采取任何合适的形式,诸如包括led的串或阵列的基于led的灯。发射器2也包括被耦合到驱动器8的输入的编码器6,用于控制将经由驱动器8来驱动的光源10。尤其,编码器6被配置成经由驱动器8控制光源10来调制它发出的光照,以便嵌入循环重复的编码光消息。可以使用任何合适的已知调制技术来这样做。在实施例中,编码器6采用在发射器2的存储器上存储并被安排用于在发射器的处理装置上执行的软件的形式来实现(在其上面存储软件的存储器包括采用一个或多个存储媒体的一个或多个存储单元,例如eeprom或磁驱动器,并且在其上面运行软件的处理装置包括一个或多个处理单元)。替代地,并不排除:编码器6之中的一些或全部能够被实现在专用硬件电路或者可配置或可重新配置的硬件电路诸如pga或fpga中。

接收器4包括照相机12和被耦合到来自照相机12的输入以便接收利用照相机12捕获的图像的编码光解码器14。接收器4也包括控制器13,其被安排成控制照相机12的曝光。在实施例中,解码器14和控制器13采用在接收器4的存储器上存储并被安排用于在接收器4的处理装置上执行的软件的形式来实现(在其上面存储软件的存储器包括采用一个或多个存储媒体的一个或多个存储单元,例如eeprom或磁驱动器,并且在其上面运行软件的处理装置包括一个或多个处理单元)。替代地,并不排除:解码器14和/或控制器13之中的一些或全部能够被实现在专用硬件电路或者可配置或可重新配置的硬件电路诸如pga或fpga中。在实施例中,照相机12可以是光传感器,其中没有图像被如此记录。也就是说,传感器可以不是导致图像的全部或部分被创建的照相机的传感器,而可以仅仅是用于感测环境光水平和检测编码光的目的的光传感器。

编码器6被配置成根据在本文公开的实施例执行发射侧操作,并且解码器14和控制器13被配置成根据在本文的公开执行接收侧操作。也注意:编码器6不一定需要被实现在与光源10及其驱动器8相同的物理单元中。在实施例中,编码器6可以与驱动器和光源一起被嵌入照明器中。替代地,编码器6能够被实现在照明器4的外部,例如,被实现在经由任何一个或多个合适的网络(例如,经由internet(因特网)或经由本地无线网络诸如wi-fi或zigbee、6lowpan或bluetooth(蓝牙)网络或经由本地有线网络诸如ethernet(以太网)或dmx网络)被连接到照明器4的服务器或控制单元上。在外部编码器的情况下,仍可以在照明器4上提供某种硬件和/或软件,以帮助提供定期定时信号,并从而防止抖动、服务质量问题等。

类似地,编码光解码器14和/或控制器13不一定被实现在与照相机12相同的物理单元中。在实施例中,例如,解码器14和控制器13可以被并入彼此相同的单元中,例如,一起被并入诸如智能手机、平板计算机、智能手表或一副智能眼镜之类的移动用户终端中(例如,采用在用户终端上安装的应用或“app(小应用)”的形式来实现)。替代地,解码器14和/或控制器13能够被实现在外部终端上。例如,照相机(或其他合适的光传感器)12可以被实现在第一用户设备诸如专用照相机单元、测光表单元或移动用户终端如同智能手机、平板计算机、智能手表或一副智能眼镜中;而解码器14和控制器13可以被实现在第二终端诸如经由任何合适的连接或网络、例如一对一连接诸如串行电缆或usb电缆或者经由任何一个或多个合适的网络诸如internet或如同wi-fi或bluetooth网络之类的本地无线网络或如同ethernet或dmx网络之类的有线网络被连接到第一终端上的照相机12的膝上型计算机、台式计算机或服务器上。

随着led照明系统接替常规照明系统,可见光通信正变得日益受欢迎。wifi系统也由于不断增加的数据量需求和wifi的固有全向辐射模式而在其带宽方面正变得更明显地受到限制。wifi信号能够穿过墙壁、天花板、门等,并且带宽随着所使用的单元的密度和数量而减少。然而,与wifi不同,lifi是高度定向的并且能够被任何遮光材料屏蔽。因为这些差异,与wifi网络相比而言,lifi具有在用户的密集区中支持更高带宽通信的潜力。那是因为光波本身是定向的(易于利用透镜聚焦)并且容易被基础设施阻挡(除非它是透明的)。由于光的这些属性,通过光的通信能够是更密集的,具有与wifi相比而言更少的相邻lifi接口的干扰机会。wifi具有容易穿过固体材料的全向辐射模式。如果使用wifi的设备的数量在小区中在密度方面开始增加,则在所有的设备正在使用同一介质时,带宽将下降。添加多个接入点将无法克服该问题,因为可用带宽将保持不变,从而导致wifi设备需要应用时分通信方案(等待空闲时隙来通信)。导致在这样的密集区内介质的总带宽需要在这许多wifi设备之间进行共享。

在使用可见光通信的各种应用中,数据速率的范围能够从室内定位所需的数据速率典型地在2kbps-10kbps的范围中的低比特率到lifi所使用的能够高达从40mbps到若干gbps的任何位置的数据速率。对于诸如室内定位之类的应用,可能需要低频数据调制,以便能够实现通过智能手机照相机的轻松检测。尽管lifi(如同wifi,其中rf(射频)信号被光调制代替)使用相对高的数据速率并因而需要lifi软件狗(dongle)。能够假设:一旦lifi占据更大的市场份额,lifi软件狗也可以被嵌入智能手机、膝上型计算机和其他用户设备中。

照明器的几何形状能够是相当多样化的。当在照明器的光照和风格设计范围(remit)内考虑高频调制时,将要使用的电路的物理尺寸最好保持在最低限度上。结果,设计优化高频调制能力并提供有吸引力的、独特的或所期望的配置的光照二者的照明器和伴随电路能够变得非常复杂。通过为提供较高带宽的较高频率调制的信号提供单独的电路路径,将用于光照的电路的物理尺寸(以及在实施例中,较低频率调制的信号)能够与为了提供所期望的光照而不必也针对较高频率调制能力进行优化而必须是的一样长和一样复杂。

led照明器特别适合用作lifi接入点,用于提供与计算机网络的连接。然而,当可见光被关闭时,数据发射被终止。此外,当前被用于一般照明的led典型地是磷转换的白色led。这些led采用蓝色或近紫外发射芯片并且典型地使用黄色磷的涂层将所发出的光转换为白光。这样的led具有良好的色温属性和显色指数属性。然而,磷在接收到的驱动电流(功率)调制和所发出的光调制之间引起延迟响应,以致阻尼效应被观察到,这在将这些led用于lifi的情况下进一步限制可达到的通信速度。

典型地在现有lifi技术内存在的其他限制源于所使用的组件,诸如照明器内的布线、pcb痕迹(trace)和互连(即,寄生电容)。这些缺陷和效率低下在较高调制频率上能够变得至关重要,因为它们增加电路的负载和阻抗。led板通常针对热、光学和绝缘属性进行优化。然而,用于冷却的铜区将恶化用于vlc的较高频率上的电磁兼容(emc)性能。

led近年来在价格方面已大幅下降,并且似乎将继续这样做。因而,在单个照明单元中合并更加多样化的类型和更大数量的led不再遇到在最近的过去可能具有的相同的成本壁垒。鉴于这种考虑不再是在照明器设计上如此施加的限制,合并其目的不仅仅用于光照的led是更可接受的想法。

因此,在本文公开的实施例提供一种具有阻抗匹配电路的混合led板,其由附加的红外led和无源组件组成,其中无源组件引导高频信号通过用于高频信号的代替的且较短的电路路径而不是用于可见照明并且在实施例中较低频率调制的较长电路路径(在包括磷转换的led的实施例中)。这样的电路克服在设计用于编码光通信的lifi照明器时先前需要考虑的所有的上述约束和限制。

也就是说,通过使用滤波器电路来指导较高频率调制通过仅包括照明器的led总数量的子集的较短电路路径,将启用较高数据速率,并且实现改进的照明器的电磁发射(eme)。在实施例中,通过不同的led在不同的电路路径中充当光源,启用高和低数据速率调制两者。也注意:甚至在可见光被关闭时,通过使用许多红外led,能够保持通信。

图2显示例如采用led板的形式的led模块200的示例,其包括用于实现上述优点之中的任何一个或多个的示例滤波器实现方式。

led板200包括由一个或多个可见光谱led212组成的第一组的led210和由一个或多个红外led204组成的第二组的led202。参照图2通过示例来描述本发明,并且尽管图2显示红外和可见光谱led二者,但是这只是本发明的一个实施例,而不是要求:led模块包括两种不同类型的led。也不要求:调制电路能够在两个不同的调制频率上嵌入两个编码光信号,或者任何编码光信号被传递到较长电路路径的led。

如本领域技术人员将熟悉的,led在em光谱的目标区域内发出光。因此,可见光谱led仅在可见光谱中或至少基本上仅在可见光谱中发出光,并且红外led仅发出红外光。可见光谱led可以是白色led,其采用磷跨越可见光谱(但是不在可见光谱之外或至少基本上不在可见光谱之外)在一个波长范围上发出(光)。替代地,可见光谱led可以是仅发出特别窄带波长的特定颜色,例如红色、绿色或蓝色。

两组led202、210被连接来接收经由同一对输入端子213供应的调制驱动电流,并因此利用同一对输入端子213被供电来发出其各自光。端子指的是其中一个部分与另一部分连接的电路中的任何点。它并不一定限于任何种类的外部连接或可拆卸连接器(尽管那些是可能性)。更简单地,端子能够仅仅是电路内的电线或内部连接的末端。

这个驱动电流在不同的频率上、例如在使用载波调制的情况下在不同的载频上或在使用基带调制的情况下在不同的符号速率上利用至少两个数据信号来调制。这两个信号可以被叠加(同时被调制到驱动电流中),或者替代地,这两个信号之中的不同信号可以在不同的场合被调制到驱动电流中。led板进一步包括滤波器电路206、208,这些滤波器电路被连接,以致可见led212仅接收较低频率信号,而红外(ir)led204至少接收较高频率信号。在实施例中,红外led204可以接收低频信号和高频信号两者。也就是说,高频信号被传递到202的led,而低频信号经过整个组的led(202和210)。

通过irled在高频率和低频率两者上调制驱动电流(功率)因而是可能的,而通过白色led在低频率上仅调制驱动电流。利用虚线勾勒所显示的分段202包括红外(ir)led204。这些irled204可以接收利用高通滤波器206传递的高频调制和利用带阻滤波器208传递的低频调制的组合。因而,利用红外led204接收的驱动电流(功率)的调制包含高频调制和低频调制二者。图2的滤波器206和208的配置允许用于高频调制的电路路径长度被保持为短的,从而优化其在电路内的传输。

利用虚线勾勒所显示的分段210包括红外可见光谱led212。带阻滤波器208允许低频调制信号传递至可见光谱led212。可见光谱led212因而位于在尺寸方面可以被增加并被操纵以适合许多光照设计和配置的电路的较大分支内,从而对于在红外led上输出的高频调制引起最小推论效应(corollaryeffect)。低频调制也被传递到形成高频调制电路路径的一部分的短的电路路径,以致在红外led上接收高频调制和低频调制两者。

如能够看出的,第一较长电路路径包括第一组的led212与带阻滤波器208串联连接的串联安排。高通滤波器206被连接在并联安排中,其中并联安排包括高通滤波器206与第一led群210/212和带阻滤波器208的串联安排进行并联连接。这整个并联安排与包括第二组的led204的第二较短电路路径进行串联连接。总体安排被连接在两个输入端子213之间。

这意味着:高通滤波器206被连接,以便从超过高通滤波器206的阈值的任何高频ac电流分量的角度来有效地短路第一较长电路路径。高通滤波器206的截止频率是取决于灯或照明器的可见光谱部分210的应用和设计的设计选择的问题。在此也能够使用另一类型的滤波器诸如带通滤波器来代替高通滤波器206。第一较长电路路径中的带阻滤波器208阻塞除了ac电流分量的期望频率以外的所有频率经过第一较长电路路径。再次,所选择的频率是取决于灯或照明器的可见光谱部分210的应用和设计的设计选择的问题。也能够使用另一滤波器诸如低通滤波器来代替带阻滤波器208。进一步,在实施例中仅需要包括两个滤波器206、208之中的一个,但是对于“双重保险(beltandbraces)”方案而言,两个是优选的。

在实施例中,如果利用可见光谱led提供的光照被关闭(不再被发出),低频调制信号仍可以利用红外led来发射,以致它仍然可以利用合适的传感器来接收。例如,一种这样的方法是短路用于光照的led212,以致可见光不再被发出,但是dc功率和高频调制编码光信号仍然被传递到红外led204,以便发出高频信号。

图2所示的电路设计举例说明如何将高频调制信号的路径长度保持为尽可能小的。这增加通过将电路路径的阻抗保持为最小以及降低电路缺陷沿着电路路径的可能性和数量来保持高质量高频信号调制的能力。这样,高频调制尽可能少地受到电路负载和缺陷的干扰。

举例说明的红外led配置202也避免限制用于提供光照的可见光谱led210的配置。红外led202的配置对于用户感知的光照而言将具有更少影响的事实(因为红外光对于人眼而言不是可见的)允许红外led202的配置针对特别期望的规范来设计,而不影响照明器的光照功能。也就是说,该电路设计简化用于包括高频编码光作为所定义的用于高频的短的电流路径的照明器设计,并且分离的用于光照的较长路径(并且在实施例中,低速数据和低频调制电流)给予负责(accountfor)led的光照和热属性的设计的自由。

这个电路设计也使得高和低频调制信号能够共存在同一led板内而没有干扰,从而允许led板的大部分能够被两个频率信号共享,并且仅利用单独调制电子器件来驱动红外led和磷转换蓝色led之中的每一个。以这种方式,混合led引擎被创建(包括红外光和可见光两者),其在实现中能够是模块化的,以允许常规照明器至能够提供较高带宽编码光并且在实施例中也提供红外编码光功能的照明器的简单转换。

图3显示图2的示例滤波器实现的示例电路图,并且进一步包括用于提供驱动电流并将编码光信号调制到电流中的示例电路。在实施例中,图3的组件302、304、200可以被并入照明器或者甚至个别灯的外壳中。如图3所示,常规led驱动器302(i1)被配置成生成恒定驱动电流i1(例如,0.7安培),并且被连接到调制器304。调制器304包括进一步电流源,其被配置成将具有第一调制频率的第一调制电流分量i2添加到由led驱动器302生成的驱动电流i1,这对应于将由led模块200发出的可见光通信(vlc)信号(例如,li-fi信号)。调制器304也添加具有旨在用于红外通信的第二较高调制频率的第二调制电流分量i3。因而,调制器304因而输出调制驱动电流i1=i2+i3,其至少包括具有较低频率调制的第一分量i2和具有较高频率调制的第二分量i3。

调制器304可以被配置成利用任何合适的控制器305例如微控制器在驱动电流i1和i2中包括调制。这可以被合并到调制器304中或者在其外部(调制器被配置成通过被连接到控制器305来执行调制)。控制器305可以被配置成控制调制器304,以便同时在驱动器电流中包括调制,以致调制在流经led模块的输入端子213时被叠加在电流中。替代地,控制器305控制第一和第二调制分量i2、i3,以便在相互不同的时间被包括在经过输入端子213的驱动电流中。无论哪种方式,led模块200中的滤波器电路206、208则确保:基本上只有较低频率调制i2被传递到电路分段210(即,可见光led212),而至少较高频率分量i3被传递到电路分段202(即,红外led204)。

控制器305被安排成控制两个调制电流源,以便经由dac电路307来分别控制i2和i3的生成。这可以包括两个个别dac,每个电流源一个dac,即,因此对于高频和低频,从控制器205中信号传送单独的数字信号。替代地,dac电路307可以仅由单个dac组成,其中模拟滤波用于利用一些保护间隔来分离高频和低频,以覆盖滤波器的滚落(roll-off)。在实施例中,dac电路307可以包括两个以上dac。

包括与两个编码光信号相对应的分量的调制电流随后被输出到包括led204、212的led板200。

led板200主要包括可见光谱led,例如普通的白色led、红色led、绿色led、蓝色led等(dl)。在此为了说明的目的而显示单个ledd1,但是实际上,取决于特别照明器的设计和目的,任何数量的led可以被合并来提供所需的光照。这些ledd1(212)旨在为了光照目的而发出光并发出包含数据的低频调制光照(例如,这能够是用于室内定位目的的编码光或其他的低数据速率信号)。另外,led板包含旨在被调制在高频上以启用高数据速率的红外ledd2(204)。在此为了说明的目的而显示单个ledd2,但是实际上,取决于特别照明器的设计和目的,任何数量的红外led可以被合并来提供红外光的所需强度以支持所需的高数据速率功能。

此外,led板200包含频率相关的滤波器,以致高频电流信号仅被传递通过led板的小部分,而低频电流信号被传递通过可见光谱led以及在实施例中也通过不可见led。这些滤波器通过各种组件诸如电容器、电感器和电阻器等(在这个示例电路图中,利用被标记为l1、c1和c2的组件)来实现。在这个示例中,电容器c1用于提供高通滤波器206,而电容器c2和电感器l1用于提供带阻滤波器208。在电路内实现各种类型的滤波器所需的各种组件在本领域中是已知的。这些组件和滤波器以及周围电路的布置和配置提供根据在本文公开的实施例的滤波,但是将领会到:这只是一个示例,并且能够在使用各种替代安排的电路中实现所期望的效果。滤波器设计的领域对于技术人员来说是已知的,该技术人员一旦被给予这样做的简要说明就将能够构建具有期望效果的滤波器电路。

通过分离这些频率,通过红外led能够增加能够成功发射的调制频率,并且高频信号能够被指导通过短的高频特定路径。附加地,由于只有低频信号经过可见光谱led,所以电路设计方面诸如led的定位、led之间的互连以及用于冷却目的的铜区被简化,因为它们仅受到那些低频的影响。

图4a和图4b分别显示通过红外led(d2)和可见光谱(白色)led(d1)的led电流的频率响应和传递函数。在图4a中,垂直轴以从图示范围的底部上大约-50dbdb跨越到顶部上大约0db的对数标度来表示电流,而水平轴以从图示范围的左侧上大约1khz到右侧上100mhz的对数标度来表示频率响应。在图4b中,垂直轴以从图示范围的底部上大约-180度跨越到顶部上大约+20度的线性标度来表示相位,而水平轴以从图示范围的左侧上大约1khz到右侧上100mhz的对数标度来表示频率响应。

如图4a所示,所有频率被传递通过红外led(d2)而没有任何衰减。但是,能够看出:较高频率通过可见光谱(白色)led(d1)而被衰减。

图4a和图4b显示由于在电路设计中包括具有10mhz的特征频率的带阻或陷波滤波器而导致的输出。应当理解:能够针对不同的应用以各种方式来优化滤波器的设计。例如,可应用于接收低频信号(即,可见光)的长串led的任何类型的滤波器,例如低通、带通、带阻、陷波滤波器等。以及,旨在用于高频信号的短串led(irled)的任何类型的滤波器,例如带通、陷波、高通滤波器等。低通滤波器用于传递低频信号,而高通滤波器用于传递高频信号,以便将信号分离到特定led组。上述带通滤波器能够用于频率之间的相同选择,但是也能够用于滤除干扰并潜在地减少不需要的电磁辐射(emc)。陷波滤波器典型地用于阻止特定频率或传递特定频率。

因而,在本文提供一种用于以编码光的形式发出低频和高频调制信号二者的装置。因而克服围绕常规led照明器和可见光谱led的使用的多个问题,如上所述。这样的装置在其中可能是有用的示例应用包括室内照明(例如家、工作、超市、旅馆、机场等),其中要考虑的方面包括照明器的美学设计以及功能设计。例如,家庭照明,其中照明器的款式和外观可以被视为与作为高带宽数据链路良好起作用的能力一样重要。类似地,夜间关灯的典型做法使得仅基于可见光谱的数据链路是不切实际的。这样的装置在其中可能是有用的示例应用包括室外照明,其中要考虑的方面包括在白天可以关闭的灯(例如路灯、外部建筑照明等)。通过包括红外led作为高频和低频调制编码光源,即使可见光谱led被关闭(不在发出光),这些数据链路在白天也仍然能够起作用。

阻抗匹配能够用于改进在驱动器-调制器子系统302、304和led模块200之间的功率转移。也就是说,通过在(a)由驱动器302和调制器304形成的源子系统(将数据调制应用到dcled驱动电流上的子系统)与(b)led板200之间匹配阻抗,包括所有的寄生阻抗,则从源子系统302、304转移到led模块200的功率量能够被最大化。

在实施例中,在本文公开的安排能够用于发射正交频分复用(ofdm)信号。与已知odfm方案一致,利用n个子载波(例如32、64或128)来创建ofdm信号,这些子载波可以具有高达例如30-40mhz的扩展带宽。注意:这个带宽指的是调制的频率,而不是所使用的光的频率。在本文公开的实施例中,利用在从(多个)可见光led212发射的可见光中的调制来创建载波的低频子载波(例如,1-10mhz),并且利用在从(多个)irled204发射的ir光中的调制来创建高频子载波(例如,11-30/40mhz)。这样做是因为可见光谱(白色)led的调制带宽与irled(例如,~30mhz)相比而言是小的,被限于例如5-6mhz。这在图5中进行举例说明,其中利用被标记为“f”的箭头502从左到右表示低到高频来描绘载频范围。载频范围被分为子载波,其中低频子载波v用于发射(多个)可见光谱led的调制,而高频子载波ir用于发射(多个)红外led的调制。在实施例中,红外led和可见led二者可以在低频上例如在2khz到200khz的范围中调制(即,用于编码光室内定位),而红外led可以在高频上例如在用于vlc诸如lifi的1mhz-30mhz(或甚至高达例如100mhz)的范围中调制。

因此,在接收器上,光电二极管将给出频率分量之和的输出,并且snr由于使用混合led引擎而将是最大化。

编码光能够用于各种各样的可能应用中。例如,不同的各自id能够被嵌入由给定环境中的照明器例如给定建筑物中的照明器之中的每一个发出的光照中,以致每个id至少在所谈论的环境内是独特的。例如,独特id可以采取独特调制频率或独特符号序列的形式。这本身能够随后启用许多应用之中的任何一个或多个。例如,一种应用是为了控制目的而从照明器向远程控制单元提供信息,例如,提供使之与远程单元能够控制的其他这样的照明器区分开来的id,或提供有关照明器的状态信息(例如报告错误、警告、温度、操作时间等)。例如,远程控制单元可以采取移动用户终端诸如被配备有光传感器诸如内置照相机的智能手机、平板计算机、智能手表或智能眼镜的形式。用户随后能够将传感器指向特别照明器或子群的照明器,以便移动设备能够从利用传感器捕获的发出光照中检测到各自的(多个)id,并随后使用检测到的(多个)id来识别相应的一个或多个照明器,以便控制它/它们(例如,经由rf反向信道)。这给用户提供用户友好的方式来识别他或她希望控制哪个或哪些照明器。检测和控制可以利用在用户终端上运行的照明控制应用或“app”来实现。

在另一应用中,编码光可以用于调试中。在这种情况下,能够在调试阶段中使用在来自不同照明器的光中嵌入的各自id来识别来自每个照明器的个别光照贡献。

在另一示例中,通过将标识符映射到照明器的已知位置或与该位置相关联的信息,识别能够用于导航或其他的基于位置的功能。在这种情况下,提供将每个照明器的编码光id映射到其各自位置(例如,地图或平面图上的坐标)的位置数据库,并且这个数据库可以经由一个或多个网络诸如无线局域网(wlan)或移动蜂窝网络而使之从服务器可用于移动设备,或者甚至可以被本地存储在移动设备上。然后,如果移动设备捕获包含来自这些照明器之中的一个或多个照明器的光的一个或多个图像,它能够检测其id并使用这些id在位置数据库中查找其位置,以便在此基础上估计移动设备的位置。例如,通过测量所接收的光的属性诸如接收信号强度、飞行时间和/或到达角度并且随后应用诸如三角测量、三边测量、多边测量或指纹识别之类的技术;或简单地通过假设最近的或仅捕获到的照明器的位置近似于移动设备的位置,可以实现这个。在某些情况下,这样的信息可以与来自其他源例如车载加速度计、磁强计等的信息进行组合,以便提供更健壮的结果。所检测到的位置随后可以为了导航目的通过移动设备被输出给用户,例如在建筑物的平面图上显示用户的位置。替代地或附加地,所确定的位置可以被用作用户访问基于位置的服务的条件。例如,用户使用他或她的移动设备来控制某个区域或地区(例如,某个房间)中的照明(或另一实用程序,诸如加热)的能力可以以他或她的移动设备的位置被检测在同一区域(例如,同一房间)内或者可能在与所谈论的照明相关联的某个控制地区内为条件。基于位置的服务的其他形式可以包括例如进行或接受位置相关支付的能力。

作为另一示例应用,数据库可以将照明器id映射到位置特定信息,例如有关在与各自一个或多个照明器相同的房间中的特别的博物馆展览的信息,或者将提供给在利用各自一个或多个照明器照亮的某位置上的移动设备的广告。移动设备随后能够从光照中检测id并使用这个在数据库中查找位置特定信息,例如,以便将这个显示给移动设备的用户。在进一步示例中,除了id之外的数据内容能够被直接编码到光照中,以致它能够被传送到接收设备而不要求接收设备执行查找。

将领会到:仅通过示例描述了上面的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书,本领域技术人员在实践所请求保护的发明时能够理解和实现针对所公开实施例的其他变型。

在权利要求书中,词“包括”并不排除其他的元素或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行在权利要求书中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储和/或被分布在合适介质诸如与其他硬件的一部分一起或作为其他硬件的一部分供应的光学存储介质或固态介质上,但是也可以采用其他的形式诸如经由internet或者其他的有线或无线电信系统来分发。权利要求书中的任何参考符号不应被解释为限制范畴。

通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书,本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解和实现针对所公开实施例的其他变型。在权利要求书中,词“包括”并不排除其他的元素或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行在权利要求书中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储在/被分布在适当介质诸如与其他硬件的一部分或作为其他硬件的一部分供应的光学存储介质或固态介质上,但是也可以采用其他的形式诸如经由internet或其他的有线或无线电信系统来分发。权利要求书中的任何参考符号不应被解释为限制范畴。

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