Brevet FR3044846A1 — publié le 20170609

L'invention concerne le domaine des dispositifs d'émission de signaux lumineux modulés de type signaux Li-Fi. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'utilisation de la technologie Li-Fi (pour « Light Fidelity ») pour mettre en oeuvre une communication sans fil présente de nombreux avantages dont la disponibilité du spectre optique et l'absence d'interférences électromagnétiques. De plus, grâce notamment au développement de diodes électroluminescentes (LED) présentant des capacités de commutation très importantes et de photodiodes présentant des temps de réponse très rapides, on peut émettre et recevoir avec le Li-Fi des données avec un débit nettement plus important que le débit offert par exemple par la technologie WiFi (pour « Wireless Fidelity »). La technologie Li-Fi est ainsi parfaitement adaptée pour transmettre et recevoir de la musique, des vidéos, des données internet, des données de mesure (température, humidité, luminosité, etc.), des alarmes (incendie, pré- sence de vapeurs toxiques, intrusion, etc.), des données de géolocalisation, pour connecter en réseau des capteurs ou d'autres types d'appareils, etc. Il semble particulièrement judicieux de déployer la technologie Li-Fi en munissant des systèmes d'éclairage public de lampes à diodes électroluminescentes (lampes à LED), et en utilisant les diodes électroluminescentes des lampes à LED pour émettre des signaux Li-Fi. On peut par exemple équiper de lampes à LED des lampadaires quel- conques, extérieurs ou intérieurs, des systèmes 3044846 2 d'éclairage dans des gares, des aéroports, des supermarchés, des musées, etc. Les concepteurs des émetteurs de signaux Li-Fi, et notamment des lampes à LED utilisées pour émettre des si- 5 gnaux Li-Fi, cherchent bien sûr à réduire les coûts de développement et de fabrication de ces émetteurs, ainsi que leur masse et leur encombrement pour faciliter leur intégration. OBJET DE L'INVENTION 10 L'invention a pour objet de réduire le coût, la masse et l'encombrement d'un émetteur de signaux Li-Fi tel qu'une lampe à LED. RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un 15 dispositif d'émission d'un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi, comportant : - des moyens de connexion à une source externe d'une tension d'alimentation alternative ; - un gradateur et un redresseur utilisés pour trans- 20 former la tension d'alimentation alternative en une ten- sion porteuse analogique et d'amplitude réglable ; - des moyens de traitement destinés à piloter le gradateur pour régler l'amplitude de la tension porteuse et à générer un signal électrique numérique de données ; 25 - des moyens de modulation destinés à moduler la tension porteuse en fonction du signal numérique de données pour générer une tension modulée ; - au moins une diode électroluminescente comprenant des bornes entre lesquelles la tension modulée est appli- 30 quée pour générer le signal lumineux modulé. 3044846 3 Grâce au gradateur et au redresseur, le dispositif d'émission de l'invention génère, à partir de la tension d'alimentation alternative, une tension modulée et un courant permettant l'émission du signal lumineux modulé 5 par la diode électroluminescente. Le dispositif d'émission de l'invention est ainsi adapté à émettre le signal lumineux modulé sans qu'il soit nécessaire d'équiper le dispositif d'émission de l'invention d'une alimentation classique comprenant un convertisseur alter- 10 natif-continu comportant des moyens d'isolation galva- nique. Les moyens d'isolation galvanique sont généralement coûteux, lourds et encombrants : le dispositif d'émission de l'invention présente donc un coût de fabrication, une masse et un encombrement réduits. De plus, la 15 conception d'une alimentation classique est relativement complexe et donc coûteuse. Le dispositif d'émission de l'invention est plus simple à dimensionner et présente un coût de développement réduit. D'autres caractéristiques et avantages de 20 l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier, non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi 25 lesquels : - la figure 1 représente une lampe à LED dans laquelle est intégré le dispositif d'émission d'un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi de l'invention ; - la figure 2 est un schéma fonctionnel du dispositif 30 d'émission de l'invention ; 3044846 4 - la figure 3 représente une tension d'alimentation alternative du dispositif d'émission de l'invention ; - la figure 4 représente une tension en sortie d'un gradateur du dispositif d'émission de l'invention ; 5 - la figure 5 représente une tension en sortie d'un redresseur du dispositif d'émission de l'invention ; - la figure 6 représente une tension en sortie de moyens de filtrage du dispositif d'émission de l'invention ; 10 - la figure 7 représente un signal numérique de don- nées transmis par le dispositif d'émission de l'invention ; - la figure 8 représente un signal binaire basse fréquence utilisé pour transmettre par modulation de fré- 15 quence le signal numérique de données ; - la figure 9 représente un signal binaire haute fréquence utilisé pour transmettre par modulation de fréquence le signal numérique de données ; - la figure 10 représente un signal numérique modulé 20 en fréquence ; - la figure 11 représente une tension modulée appliquée aux bornes de diodes électroluminescentes du dispositif d'émission ; - la figure 12 représente deux périodes de la tension 25 modulée de la figure 11. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le dispositif d'émission d'un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi de l'invention 1 est ici intégré dans une lampe à LED 2 30 fixée au plafond d'une pièce. La lampe à LED 2 est elle- même intégrée dans un réseau de communication Li-Fi com- 3044846 5 portant notamment une pluralité de lampes à LED interconnectées semblables à la lampe à LED 2. La lampe à LED 2 est bien sûr utilisée pour éclairer la pièce en produisant de la lumière, ladite lumière 5 étant essentiellement concentrée dans un cône lumineux 3. La lampe à LED 2 est aussi utilisée pour émettre des signaux Li-Fi. Le cône lumineux 3 correspond à la couverture spatiale de l'émission des signaux Li-Fi. Les signaux Li-Fi émis par la lampe à LED 2 sont destinés à 10 être reçus par des appareils de réception divers munis d'un récepteur Li-Fi et intégrés au réseau de communication Li-Fi. Sur la figure 1, un tel appareil de réception est un téléphone mobile 4, mais il pourrait aussi s'agir d'une tablette, d'un ordinateur portable, d'un appareil 15 de mesure quelconque, d'une montre connectée, etc. Les signaux Li-Fi émis par la lampe à LED 2 permettent de transmettre des données comprenant des données de position de la lampe à LED 2 ainsi qu'un identifiant de la lampe à LED 2, en l'occurrence une adresse MAC de la 20 lampe à LED 2. L'adresse MAC constitue un identifiant unique qui identifie individuellement la lampe à LED 2. Les données transmises sont stockées dans une mémoire de la lampe à LED 2 avant leur transmission. Les signaux Li-Fi émis par la lampe à LED 2 permet- 25 tent aussi de transmettre des données différentes reçues via le réseau de communication telles que des données Internet, des données de « streaming direct », et des données diverses stockées dans la mémoire de la lampe à LED 2. 30 Les données de position de la lampe à LED 2 et l'adresse MAC de la lampe à LED 2, ainsi que les données 3044846 6 de position et les adresses MAC des autres lampes à LED du réseau de communication Li-Fi, sont utilisées par le téléphone mobile 4 pour déterminer sa propre position. Les lampes à LED du réseau de communication Li-Fi jouent 5 ainsi le rôle de balises de géolocalisation. En référence à la figure 2, le dispositif d'émission de l'invention 1 comporte tout d'abord une pluralité de diodes électroluminescentes 5 agencées selon une disposition matricielle de diodes électroluminescentes 5. Les 10 diodes électroluminescentes 5 sont connectées en série et en parallèle. Les diodes électroluminescentes 5 permettent à la lampe à LED 2 d'éclairer la pièce et d'émettre les signaux Li-Fi en faisant clignoter les diodes électroluminescentes 5. 15 Le dispositif d'émission 1 comporte des moyens de connexion 6 qui permettent de connecter le dispositif d'émission 1 et donc la lampe à LED 2 directement à une source externe 7 d'une tension alternative d'alimentation Vac, qui est en l'occurrence la tension du secteur. Le 20 dispositif d'émission 1 est donc alimenté par une tension d'alimentation alternative Vac d'amplitude élevée, qui permet au dispositif d'émission 1 de mettre en oeuvre l'éclairage et l'émission des signaux Li-Fi. Le fonctionnement du dispositif d'émission 1 est gé- 25 ré par des moyens de traitement qui comprennent un micro- contrôleur 8. Le microcontrôleur 8 est alimenté par une tension d'alimentation continue Vcc de faible amplitude, ici égale à 5 volts. La tension d'alimentation continue Vcc est générée à partir de la tension alternative Vac par 30 des moyens de conversion 9 qui comportent un limiteur de courant, un réseau de composants passifs et un régulateur 3044846 7 linéaire. La puissance électrique (et donc le courant et la tension) nécessaire à l'éclairage et à l'émission des signaux Li-Fi est issue de la tension d'alimentation alter- 5 native Vas. Pour exploiter la tension d'alimentation al- ternative Vas, le dispositif d'émission 1 comporte un détecteur de passage par zéro 12, un gradateur commandé par angle de phase 13, un redresseur 14 et des moyens de filtrage 15. 10 Le détecteur de passage par zéro 12, relié aux moyens de connexion 6, détecte les passages par zéro de la tension d'alimentation alternative Vac et génère un signal binaire de détection Sbd qui présente un niveau haut au moment du passage à zéro de la tension d'alimentation 15 alternative Vac et un niveau bas sinon. La tension d'alimentation alternative Vac et le signal binaire de détection Sbd sont aussi visibles sur la figure 3. Le signal binaire de détection Sbd est transmis par le détecteur de passage par zéro 12 au microcontrôleur 8 20 qui génère à partir du signal binaire de détection Sbd un signal de commande Sc du gradateur 13 synchronisé sur les passages par zéro de la tension d'alimentation alternative Vas. Le signal de commande Sc du gradateur 13 définit un rapport cyclique d'une tension alternative Vgrad en 25 sortie du gradateur 13, visible sur la figure 4, de pé- riode Tgrad égale à la moitié d'une période de la tension d'alimentation alternative Vac. La tension alternative Vgrad en sortie du gradateur 13 est redressée par le redresseur 14 pour obtenir une 30 tension redressée Vr de période Tr, visible sur la figure 5. La période Tr est égale à la période Tgrad - 3044846 8 La tension redressée Vr est ensuite lissée par les moyens de filtrage 15 pour obtenir une tension lissée V1 (visible sur la figure 6), suffisamment stable, de période Ti égale à la période Tgrad - 5 La tension lissée V1 forme une tension porteuse ana- logique Vp dont l'amplitude est réglable par le microcontrôleur 8 en faisant varier le rapport cyclique de la tension alternative Vgrad en sortie du gradateur 13 en utilisant Sc. La fréquence de la tension porteuse Vp est 10 égale au double de la fréquence de la tension d'alimentation alternative Vas. La tension porteuse Vp est utilisée à la fois pour alimenter la disposition matricielle de diodes électroluminescentes 5 et donc pour éclairer la pièce, mais aussi 15 pour porter le signal Li-Fi émis par la lampe à LED 2. Le signal Li-Fi est un signal lumineux modulé contenant un signal numérique de données Snd généré par le microcontrôleur 8 à partir des données à émettre (qui comprennent ici, comme cela a été dit plus tôt, des données 20 de position de la lampe à LED 2 et l'adresse MAC de la lampe à LED 2, ainsi que des données reçues via le réseau de communications). Les données Snd qui arrivent au sélecteur Ea peuvent provenir d'une mémoire interne ou d'une source externe. 25 Le signal numérique de données S'Id, visible sur la figure 7, est formé par une succession d'états hauts et d'états bas. Le signal numérique de données Snd est transformé par le microcontrôleur 8 en un signal numérique modulé en fréquence Snm (modulation FSK, pour « Frequency- 30 Shift Keying »). Le microcontrôleur 8 exécute à cet effet un multi- 3044846 9 plexeur numérique 18 (visible sur la figure 2) présentant une première entrée de données El, une deuxième entrée de données E2, une entrée d'adresse Ea et une sortie S. La première entrée de données E1 pointe vers une 5 première zone mémoire 19 dans laquelle est stockée une fréquence basse fo (ou fréquence « space ») : fo = 1 / To. La deuxième entrée de données E2 pointe vers une deuxième zone mémoire 20 dans laquelle est stockée une 10 fréquence haute f1 (ou fréquence « mark ») : fi = 1 / Ti. Le signal numérique de données Snd est appliqué sur l'entrée d'adresse Ea. Lorsque le signal numérique de données Snd présente 15 un état bas, le multiplexeur numérique 18 sélectionne la première entrée de données E1 et un signal binaire basse fréquence Sbf de fréquence fo (visible sur la figure 8) est généré en sortie S du multiplexeur numérique 18. Lorsque le signal numérique de données Snd présente 20 un état haut, le multiplexeur numérique 18 sélectionne la deuxième entrée de données E2 et un signal binaire haute fréquence Shf de fréquence f1 (visible sur la figure 9) est généré en sortie S du multiplexeur 18. Le signal numérique modulé en fréquence Snm (visible 25 aussi sur la figure 10) est ainsi produit par le multi- plexeur numérique 18 et donc par le microcontrôleur 8. Une portion 21 du signal numérique modulé en fréquence Snm à la fréquence fo correspond donc à un état bas du signal numérique de données Snd, alors qu'une portion 22 du si- 30 gnal numérique modulé en fréquence Snm à la fréquence f1 correspond à un état haut du signal numérique de données 3044846 10 Snd - Le signal numérique modulé en fréquence Snm et la tension porteuse Vp sont appliqués sur les entrées d'un multiplieur 23 qui module la tension porteuse Vp en fonc- 5 tion du signal numérique modulé en fréquence Snm et donc en fonction du signal numérique de données Snd pour générer une tension modulée Vm. La tension modulée Vm, de période Tm, est visible sur les figures 11 et 12. La tension modulée Vm est amplifiée par un amplifi- 10 cateur 24 et appliquée aux bornes des diodes électrolumi- nescentes 5 qui émettent le signal lumineux modulé Li-Fi 25. Le signal lumineux modulé Li-Fi 25 éclaire la pièce et transmet les données de position de la lampe à LED 2 et l'adresse MAC de la lampe à LED 2 ainsi qu'une plura- 15 lité de données. Avantageusement, un réflecteur 26 est disposé au regard de la disposition matricielle de diodes électroluminescentes 5. Le réflecteur 26 permet d'homogénéiser la distribution de la lumière à l'intérieur du cône lumineux 20 3. Avantageusement, la détection des passages par zéro de la tension d'alimentation alternative Vac est aussi utilisée par le dispositif d'émission et par l'appareil de réception pour synchroniser l'appareil de réception 25 avec le dispositif d'émission. Les moments où l'intensité du signal reçu par le récepteur est maximale sont acquis et utilisés à cet effet par le récepteur. La fréquence de ces maximums est le double de la fréquence de la tension du secteur. 30 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais englobe toute variante en- 3044846 11 trant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. Bien que l'on ait indiqué que le dispositif d'émission de l'invention et la lampe à LED comportent une pluralité de diodes électroluminescentes dans 5 une disposition matricielle en série et en parallèle, il est bien sûr possible de prévoir une disposition différente de diodes électroluminescentes : en série uniquement ou en parallèle uniquement. L'invention s'applique en particulier à des lampes à LED comportant une seule 10 diode électroluminescente, ou bien plusieurs dizaines de diodes électroluminescentes. Bien que l'on ait indiqué que le gradateur est un gradateur commandé par angle de phase, on pourrait aussi utiliser un gradateur différent, tel qu'un gradateur com- 15 mandé par train d'onde. Bien que les moyens de traitement décrits comportent un microcontrôleur, ceux-ci pourraient parfaitement comporter un FPGA, un DSP, un processeur, etc. De même, à la place d'une modulation en fréquence, il 20 aurait été possible de mettre en oeuvre une modulation différente, par exemple une modulation en position d'impulsions ou une modulation en tout-ou-rien ou une modulation OFDM (pour « Orthogonal frequency-division multiplexing »). 25 REVENDICATIONS1. Dispositif d'émission d'un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi comportant : - des moyens de connexion (6) à une source ex- terne (7) d'une tension d'alimentation alternative (Vas) ; un gradateur (13) et un redresseur (14) utilisés pour transformer la tension d'alimentation alternative en une tension porteuse analogique et d'amplitude réglable ; - des moyens de traitement (8) destinés à pilo- ter le gradateur pour régler l'amplitude de la tension porteuse (Vp) et à générer un signal électrique numérique de données ; des moyens de modulation (18, 23) destinés à moduler la tension porteuse en fonction du signal numé- rique de données pour générer une tension modulée ; au moins une diode électroluminescente (5) comprenant des bornes entre lesquelles la tension modulée est appliquée pour générer le signal lumineux modulé. 2. Dispositif d'émission selon la revendication 1, dans lequel une fréquence de la tension porteuse est égale au double d'une fréquence de la tension d'alimentation alternative. 3. Dispositif d'émission selon la revendication 1, comportant en outre un détecteur de passage par zéro (12) de la tension d'alimentation alternative utilisé par les moyens de traitement pour piloter le gradateur. 4. Dispositif d'émission selon la revendication 1, comportant en outre des moyens de filtrage (15) en sortie du redresseur destinés à lisser la tension por- teuse. 3044846 13 5. Dispositif d'émission selon la revendication 1, dans lequel la tension modulée est modulée selon une modulation de fréquence ou une modulation en position d'impulsions ou une modulation en tout-ou-rien ou une mo- 5 dulation OFDM. 6. Dispositif d'émission selon la revendication 1, dans lequel les moyens de traitement comportent un microcontrôleur ou un FPGA ou un DSP. 7. Dispositif d'émission selon la revendication 10 1, dans lequel les moyens de modulation comportent un multiplieur (23). 8. Dispositif d'émission selon la revendication 1, comportant en outre un amplificateur (24) connecté en sortie des moyens de modulation pour amplifier la tension 15 modulée. 9. Dispositif d'émission selon la revendication 1, dans lequel le signal électrique numérique de données comporte un identifiant de type adresse MAC. 10. Dispositif d'émission selon la revendication 20 1, comportant en outre un réflecteur (26) disposé au re- gard de au moins une diode électroluminescente. 11. Lampe à diodes électroluminescentes comportant un dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes. 25 12. Système de communication par signaux lumineux modulé de type signal Li-Fi comportant un dispositif d'émission selon l'une des revendications 1 à 11 et un appareil de réception, l'appareil de réception étant synchronisé avec le dispositif d'émission grâce à une détec- 30 tion de passages par zéro de la tension d'alimentation alternative.