(57)【要約】  光データ伝送システム及び方法は、発光要素のための変調駆動電流信号を生成する前に、オフセットが正の変調値に適用される、正のみのデータ変調を用いる。オフセットは、最小駆動電流が、発光要素の電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まるようなものである。斯くして、駆動電流は、その電流対強度特性のより線形の部分に収まる。これは、歪みを低減させ、したがって、データレートの増加を可能にする。
2021523652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ信号を受信するための入力と、
発光要素と、
正のみの変調値を有する変調データ信号を提供するためにデータ信号を変調するためのモジュレータと、
前記正のみの変調値に正のＤＣオフセットを加えるためのオフセットユニットと、
前記オフセットされた変調値に基づいて電流信号を生成することにより、前記発光要素を駆動するための変調駆動電流信号を提供するためのコンバータと、
を含む、光データ伝送システムであって、
前記データ信号は、バイポーラデータ信号であり、前記変調データ信号は、ゼロにピークを持つ変調出力の確率密度関数を有する非負のＯＦＤＭ信号を含み、前記正のＤＣオフセットが変調値に加えられる結果として、最小駆動電流は、前記発光要素の電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まる、光データ伝送システム。
【請求項２】
前記発光要素はＬＥＤを含み、変調によって提供される最小ＬＥＤ駆動電流は、変調によって提供される最大ＬＥＤ駆動電流の０．０５倍〜０．２倍である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記変調駆動電流信号は、ＬＥＤ駆動電流を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記データ信号は、非線形操作によって正のみの変調値に変換される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記発光要素は、ＬＥＤを含み、ＬＥＤ駆動電流に対するＬＥＤ光出力強度の線形性は、最小ＬＥＤ駆動電流と最大ＬＥＤ駆動電流との間で、ゼロと前記最大ＬＥＤ駆動電流との間よりも大きい、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
当該システムは、デジタル−アナログコンバータを含み、前記モジュレータ及び前記オフセットユニットは、前記デジタル−アナログコンバータより前のデジタル領域に設けられる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
当該システムは、デジタル−アナログコンバータを含み、前記モジュレータは、前記デジタル−アナログコンバータより前のデジタル領域に設けられ、前記オフセットユニットは、前記デジタル−アナログコンバータより後のアナログ領域に設けられる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
当該システムは、駆動電流によって駆動されるべき前記発光要素の特性に依存して前記正のＤＣオフセットを選択するためのコントローラを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光データ伝送システムと、
光データ受信システムと、
を含む、光送受信システムであって、前記光データ受信システムは、
前記光データ伝送システムによって送信された光を受け、電気領域に変換するように構成されるフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの出力からデータ信号を復調するように構成される非負のＯＦＤＭ信号デモジュレータと、
を含む、光送受信システム。
【請求項１０】
正のみの変調値を有する変調データ信号を提供するためにデータ信号を変調することと、
前記正のみの変調値に正のＤＣオフセットを加えることと、
前記オフセットされた変調値に基づいて発光要素駆動電流を生成することと、
前記駆動電流を用いて発光要素を駆動することと、
を含む、光データ伝送方法であって、
前記データ信号は、バイポーラデータ信号であり、
前記変調データ信号は、ゼロにピークを持つ変調出力の確率密度関数を有する非負のＯＦＤＭ信号を含み、
前記正のＤＣオフセットが変調値に加えられる結果として、最小駆動電流は、前記発光要素の電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まる、光データ伝送方法。
【請求項１１】
前記発光要素は、ＬＥＤを含み、ＬＥＤ駆動電流に対するＬＥＤ光出力強度の線形性は、最小ＬＥＤ駆動電流と最大ＬＥＤ駆動電流との間で、ゼロと前記最大ＬＥＤ駆動電流との間よりも大きい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記データ信号を変調することは、前記バイポーラデータ信号に非負のＯＦＤＭ変調を適用することを含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
コンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムコード手段は、当該コンピュータプログラムがコンピュータで実行された場合、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法の処理ステップを実施するように構成される、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光データ伝送システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非コヒーレント無線通信方式が光無線通信に用いられる。周波数、振幅、強度等の特性が、送信機によって情報を送信するために使用される。
【０００３】
無線通信システムにおけるより高いデータレートの必要性及び利用可能な無免許帯域幅(unlicensed bandwidth)の不足が、無線通信のためのＲＦバンド以外のスペクトルの使用に関する研究を活発化している。紫外線、可視光、赤外線等の光無線通信は、現在及び将来の無線通信アプリケーションの帯域幅ニーズを満たす非常に大きな無免許帯域幅の可能性を提供し得る。
【０００４】
典型的に、第１世代の光無線通信システムは、非コヒーレントである必要があり得る。これは、光放射の位相を変更することが可能なコヒーレント光モジュレータの複雑さ及びコストに起因する、また、空気分子及びエアロゾルの存在下で光放射によって示される大きな散乱及び反射のために受信機で位相情報を回復することが困難であることに起因する。
【０００５】
光通信では、光出力は非負の変数(non-negative variable)である。しかしながら、一般的に使用される通信システムは、正及び負の両方の値の伝送に依存する。なぜなら、これらは、正及び負の電流によって、及び、例えば、ベクトル方向を切り替える電界を介して、任意の無線システムで発せられることができるからである。
【０００６】
直交周波数分割多重化ＯＦＤＭ(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)は、広く利用されている非常にポピュラーな変調方式であり、光通信で採用されている。ＯＦＤＭは、複数のキャリア周波数でデジタルデータを符号化する方法である。スペクトルが重なり合うように密に間隔をおいた多数の直交サブキャリア信号が、データを搬送するために発せられる。復調は、高速フーリエ変換アルゴリズムに基づく。各サブキャリアは、（直交振幅変調又は位相シフトキーイング等の）従来の変調方式を用いて低シンボルレートで変調される。これは、同じ帯域幅における従来のシングルキャリア変調方式と同様の総データレートを維持する。
【０００７】
シングルキャリア方式に対するＯＦＤＭの主な利点は、複雑な等化フィルタを使用せずに厳しいチャネル条件に対処する能力である。シンボルレートが低いため、シンボル間のガードインターバルの使用が容易であり(affordable)、シンボル間干渉（ＩＳＩ：intersymbol interference）を排除することを可能にする。
【０００８】
送信される信号の強度が変調されたデータを搬送するために使用される場合、システムは、強度変調直接検波システム（ＩＭ／ＤＤ：Intensity-Modulated Direct Detection system）と呼ばれることがある。ＩＭ／ＤＤ光システムでＯＦＤＭを使用する場合、送信されるＯＦＤＭ波形は、典型的には、波形の強度を変調するために使用されることができるように実及び正(real and positive)である。
【０００９】
これは、非コヒーレント無線ＯＦＤＭのための少なくとも２つの実装形態、すなわち、ＡＣＯ−ＯＦＤＭ(Asymmetrically-Clipped Optical OFDM)及びＤＣＯ−ＯＦＤＭ(DC-Biased Optical OFDM)をもたらしている。どちらの方法も、実数値の時間領域信号を保証するために周波数領域データのエルミート対称性(Hermitian symmetry)を用いるが、波形が正に保たれるやり方が異なり得る。ＤＣＯ−ＯＦＤＭでは、ＡＣ変調を加えた後に負の値が発生する可能性が非常に低くなるように十分な強さの、強いＤＣバイアスが加えられる。ＡＣＯ−ＯＦＤＭでは、正のサンプルのみがＯＦＤＭモジュレータから出てくるような変調であるが、大きなバイアスを避けることによって、信号電力特性の魅力的な特性を維持している。
【００１０】
ＡＣＯ−ＯＦＤＭでは、波形は、ゼロでクリッピングされ得、一方、ＤＣＯ−ＯＦＤＭでは、ＤＣオフセットが、波形の大部分(majority)が正の値を持つことを保証するために加えられ得る。高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）の特性を使用して、ＡＣＯ−ＯＦＤＭ送信機は、信号をゼロでクリッピングすることが歪みを導入しないように各サブキャリアに割り当てられるデータを調整することができる。このフィーチャは、情報を搬送することができるサブキャリアの有効数を半分にすることを犠牲にしてもたらされ得る。ＤＣＯ−ＯＦＤＭに比べて半分のサブキャリアを使用しているにもかかわらず、ＡＣＯ−ＯＦＤＭは、最もエネルギ効率がよく、ピーク対平均電力比（ＰＡＲ：peak-to-average power ratio）の低減に最良であることが示されている。
【００１１】
ＡＣＯ−ＯＦＤＭは、オンオフキーイング（ＯＯＫ：On-Off-Keying）及びパルス位置変調（ＰＰＭ：Pulse-Position Modulation）よりもチャネル容量の面で効率的であり得るので、ＩＭ／ＤＤを使用する無線光通信システムのために選択される伝送技術であり得る。
【００１２】
他の例は、Ｎ． Ｆｅｒｎａｎｄｏらによって、Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ （ＩＴＷ）， ＩＥＥＥ， Ｐａｒａｔｙ， Ｂｒａｚｉｌ： ＩＥＥＥ， Ｏｃｔ．１６−２０， ２０１１， 第５〜９頁の「Ｆｌｉｐ−ＯＦＤＭ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に、及びＷＯ ２００７／０６４１６５（及びそれに相当するＵＳ ２００９／０１７５３６５）に述べられている、いわゆるＦｌｉｐ−ＯＦＤＭである。これは、信号の負の部分を正にするためにフリッピング操作(flipping operation)を利用する。ＵＳ ２０１６／００９９８２３は、クリッピング処理を使用する別の例を開示している。
【００１３】
ＵＳ ２０１２／０５７８７２は、ＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムをより詳細に述べている。図１は、ＡＣＯ−ＯＦＤＭを使用する光ＩＭ／ＤＤＤシステムの例示的なブロック図を示す。この図は、ＵＳ ２０１２／０５７８７２から引用されている。
【００１４】
図１のＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムは、バイナリ入力データストリームを受ける。送信チェーンは、直交振幅変調（ＱＡＭ：quadrature amplitude modulation）マッパ１０、偶数サンプルゼロ挿入(Even Sample Zero Insert)ブロック１２、エルミート対称性(Hermitian Symmetry)ブロック１４、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：inverse Fast Fourier Transform）ユニット１６、パラレル−シリアルコンバータ１８、クリップ(Clip)ブロック２０、挿入サイクリックプレフィックス(insert cyclic prefix)ブロック２２、Ｄ／Ａコンバータ２４、及び光強度モジュレータ(optical intensity modulator)２６（すなわち、ＬＥＤ）を含む。これは、光領域(Optical Domain)に変換し、光チャネル(Optical Channel)２８を形成する。
【００１５】
ＯＦＤＭシンボルは、ＱＡＭマッパから取られるＮ個の複素サンプルから構成されてもよい。ＡＣＯ−ＯＦＤＭの場合、偶数サンプルゼロ挿入（ＥＳＺＩ）ブロックは、ＱＡＭマッパからＮ／４個の複素サンプルのセットを取り、ここで、ＮはＦＦＴ／ＩＦＦＴのサンプル数であり、奇数周波数サブキャリア、及び一部の実施形態では奇数周波数サブキャリアのみが情報を搬送するようにＯＦＤＭシンボル内のすべての偶数周波数サブキャリアにゼロを挿入してもよい。このようにして、非対称時間領域クリッピング(asymmetric time-domain clipping)から生じる歪みは、偶数周波数サブキャリアのみに影響を与え得る。
【００１６】
奇数周波数のサブキャリアは、それらの振幅が半分に減少され得るが、歪んでいない。ＥＳＺＩブロックはまた、変調レートがＦＦＴ／ＩＦＦＴが実行されるレートの約４分の１であってもよいので、送信機及び受信機の実装をある程度単純化してもよい。
【００１７】
エルミート対称性ブロックは、結果として得られたＮ／２個のサンプルを使用して、エルミート対称性（Ｘ（Ｎ−ｋ）＝（Ｘ＊（ｋ） ｆｏｒ ｋ ＝ ［０，Ｎ−１］）であるＮ個のサンプルを有するＯＦＤＭシンボルを作成してもよい。この対称性は、クリップされていない時間領域信号ｘ（ｎ）が実数値である(real-valued)ことを保証する。信号ｘ（ｎ）は、特定の波長のソースを強度変調するために使用されることができるように、おそらくはＬ個のサンプルのサイクリックプレフィックス（ＣＰ：cyclic prefix）を加えた後に、ゼロでクリップされてもよい。
【００１８】
吸収、散乱及び反射を呈すチャネルを介した信号の伝播後、受信機は、受信される信号の強度を直接検出してもよく、この強度をアナログ電気信号に変換してもよい。
【００１９】
受信チェーンは、（フォトダイオード等の）ディテクタ３０、アナログ−デジタルコンバータ３２、サイクリックプレフィックスを除去する及びＦＦＴウィンドウを作成する(removing the cyclic prefix and creating an FFT window)ためのユニット３６、シリアル−パラレルコンバータ３８、ＦＦＴユニット４０、チャネル推定及び補償(channel estimation and compensation)ユニット４２、奇数サンプルを選択する及び冗長性を除去する(selecting odd samples and removing redundancy)ためのユニット４４、最後に、直交振幅変調（ＱＡＭ）デマッパ４６を含む。
【００２０】
受信機は、標準的なＯＦＤＭ受信機と同様である。しかしながら、エルミート対称性ブロックによって導入される偶数周波数キャリア及び冗長キャリアは、ＱＡＭデマッパ(QAM de-mapper)では使用されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
典型的には、非負の(non-negative)ＯＦＤＭ信号は、ゼロ付近で比較的高い信号密度を持つ、片側ガウス分布(one sided Gaussian distribution)である確率分布を有する。しかしながら、（変調された光出力を生成するために使用されるべき）ＬＥＤは、ゼロ付近で（光強度出力対駆動電流の観点から）非常に非線形である。これは、通信が歪むことを意味する。
【００２２】
斯くして、ＬＥＤを用いた光データ通信にとりわけ適した変調アプローチの必要性が残っている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、特許請求の範囲によって規定される。
【００２４】
本発明の一態様による例によれば、
データ信号を受信するための入力と、
発光要素(light emitting component)と、
正のみの変調値(only positive modulated value)を有する変調データ信号を提供するためにデータ信号を変調するためのモジュレータと、
前記正のみの変調値に正のＤＣオフセット(positive DC offset)を加えるためのオフセットユニットと、
オフセットされた変調値(offset and modulated value)に基づいて電流信号を生成することにより、発光要素を駆動するための変調駆動電流信号(modulated drive current signal)を提供するためのコンバータと、
を含む、光データ伝送システムであって、
データ信号は、バイポーラデータ信号であり、
変調データ信号は、ゼロにピークを持つ変調出力の確率密度関数を有する非負のＯＦＤＭ信号(non-negative OFDM signal)を含み、
正のＤＣオフセットが変調値に加えられる結果として、最小駆動電流は、発光要素の電子対光子効率(electron-to-photon efficiency)が実質的に一定である範囲に収まる、光データ伝送システムが提供される。
【００２５】
この変調システムは、発光要素が、その電流対強度特性(its current vs. intensity characteristic)のより線形の部分に収まる電流で駆動されることを可能にする。これは、最も低い電流領域を避けることによって達成される。これは、歪みを低減させ、したがって、シンボルあたりのビット数、ひいてはデータレートを増加し、より確実に伝達されることができる。とりわけ、信号の信頼性の高い再現性は、受信機で改善される。モジュレータ、コンバータ及びオフセットユニットは、機能を明確にするためだけに、別個のエンティティとして定義されていることに留意されたい。機能は、より少ない実際のハードウェアユニット、例えば単一のデジタル処理ユニットに組み合わされてもよい。
【００２６】
本発明は、電流駆動変調システムに関する。そのようなシステムは、本質的に電圧駆動システムよりも線形である。強度対電流特性の線形部分は、例えば、電流対電圧特性の線形部分よりも広い範囲である。
【００２７】
変調駆動電流信号は、例えば、ＬＥＤ駆動電流又はレーザ駆動電流を含む。例えば、ＶＣＳＥＬが用いられてもよい。
【００２８】
オフセットは、例えば、固定電流オフセット(fixed current offset)である。オフセットの大きさは、接続される発光要素の公称駆動電流に依存する。オフセットは、例えば、ＬＥＤの場合は約２０ｍＡであってもよく、マイクロＬＥＤの場合はより低く、高出力ＬＥＤの場合はより高くてもよい。
【００２９】
オフセットは、固定され、ゆえに電流範囲の並進(translation)を提供してもよい。しかしながら、ゲインを変更することによって、より複雑なマッピングが作成されてもよい。例えば、最大電流は不変であってもよい。斯くして、オフセットによって作成されるマッピングは、単なる並進ではなく、スケーリング(scaling)及び並進であってもよい。ゲインの変更は、デジタル−アナログコンバータのレベルで実装されてもよい。
【００３０】
データ信号はバイポーラであり、変調によって正のみの変調値に変換される。
【００３１】
この変換は、典型的には、信号成分のクリッピング等の非線形操作(nonlinear operation)を含む。クリッピングは、ある閾値より下のすべての値を除去し、これらを閾値に設定することを含む。このようなハードクリッピングが使用される場合、他の手段が、埋め込まれたデータの再構成を可能にするために取られてもよい。
【００３２】
この変換は、例えば、フリップＯＦＤＭの概念と同様に、ＯＦＤＭ信号を繰り返すが、符号反転(inverted sign)は有して、２つの連続したコピーの全ての負の値をクリッピングすることにより行われてもよい。
【００３３】
変換は、例えば、クリッピングによって主に影響を受けるサブキャリアの部分がデータを搬送するために使用されない、ＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムと同様のやり方で作用してもよい。
【００３４】
非線形操作の別の例は、絶対値のみを作成することである。これは、例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ３５， Ｉｓｓｕｅ １７， Ｓｅｐｔ １， ２０１７に公開されたＲｏｕｗｅｎ Ｂａｉらの「Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｌｉｐｐｅｄ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｖａｌｕｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ＯＦＤＭ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｄｉｒｅｃｔ−Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」に開示されている。
【００３５】
また他の（例えば、反転可能な(invertable)）非線形性が、非負の信号を作成するために使用されることができる。
【００３６】
好ましくは、システムはさらに、駆動電流によって駆動されるＬＥＤ等の発光要素を含む。この場合、オフセットは、変調データを光に変換するために使用される発光要素の特定の特性を考慮して選択されてもよい。
【００３７】
好ましくは、駆動電流に対する発光要素の光出力強度の線形性は、最小駆動電流と最大駆動電流との間で、ゼロと前記最大駆動電流との間よりも大きい。
【００３８】
最小電流及び最大電流は、（例えば、ＬＥＤの最大定格電流ではなく）変調システムによって生成される最小電流及び最大電流を指すことに留意されたい。
【００３９】
斯くして、ＤＣオフセットは、（変調データ値に依存する）駆動電流と光出力との関係の線形性を改善する。
【００４０】
変調によって提供される最小ＬＥＤ駆動電流は、例えば、変調によって提供される最大ＬＥＤ駆動電流の０．０５倍〜０．２倍である。
【００４１】
これは、発光要素が、駆動特性の所望の部分における電流で駆動されることを意味する。これは、最大変調電流が最小変調電流（当該最小はオフセットの結果である）の５倍〜２０倍の範囲である、電流駆動特性の線形部分が用いられることを意味する。
【００４２】
ＬＥＤの場合、最小駆動電流は、例えば、１ｍＡ〜３０ｍＡである。最大ＬＥＤ駆動電流は、例えば、４０ｍＡ〜２００ｍＡである。しかしながら、実際の値は、使用されるべきＬＥＤのタイプに依存するであろう。
【００４３】
一例では、システムは、デジタル−アナログコンバータを含み、モジュレータ及びオフセットユニットは、デジタル−アナログコンバータより前のデジタル領域(digital domain)に設けられる。
【００４４】
別の例では、システムは、デジタル−アナログコンバータを含み、モジュレータは、デジタル−アナログコンバータより前のデジタル領域に設けられ、オフセットユニットは、デジタル−アナログコンバータより後のアナログ領域(analog domain)に設けられる。
【００４５】
斯くして、デジタル領域又はアナログ領域のいずれかで、オフセットを実装する異なる方法がある。
【００４６】
好ましくは、変調データ信号は、非負のＯＦＤＭ信号を含む。
【００４７】
ＯＦＤＭは、光データ通信で広く利用されている。ＬＥＤベースのシステムのためのオフセットの付加は、ＬＥＤの特性と変調システムをマッチ(match)させる。
【００４８】
変調データ信号は、ゼロにピークを持つ変調出力の確率密度関数を有する。変調データ信号は、ＤＣオフセット前である。この原変調方式(underlying modulation scheme)のタイプは、発光要素を用いてデータを伝送するのに必要な出力電力が比較的低いことを意味する。ＤＣオフセットの後であっても、これは、出力が低い確率が高いことを意味する。データ伝送のないアイドルタイム中、相応に電力要求は低い。確率密度関数は、例えば、ＡＣＯ−ＯＦＤＭ方式又はＦｌｉｐ ＯＦＤＭ方式の形状を有する。これは、ＤＣＯ−ＯＦＤＭ方式と比較して無駄な電力の削減を表す。
【００４９】
システムはさらに、駆動電流によって駆動されるべき発光要素の特性に依存して正のＤＣオフセットを選択するためのコントローラを含んでもよい。斯くして、オフセットは、変調方式自体の特性ではなく、発光要素の特性を考慮に入れた変調システムの適応を提供するために使用される。
【００５０】
本発明はまた、
上述した光データ伝送システムと、
光データ伝送システムの変調方法を使用して変調された光を受け、データ信号を復調するように構成される光データ受信システムと、
を含む、光送受信システムを提供する。
【００５１】
これは、同一の変調アプローチを用いて双方向通信を行うことができるユニットを提供する。
【００５２】
本発明はまた、
発光要素によって生成された変調光信号を受信するための入力であって、最小変調光強度は、発光要素の電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まる発光要素駆動電流に対応する、入力と、
光センサと、
受信データ信号を作成するためにデータ信号を復調するためのデモジュレータと、
を含む、光データ受信システムを提供する。
【００５３】
本発明はまた、
正のみの変調値を有する変調データ信号を提供するためにデータ信号を変調することと、
前記正のみの変調値に正のＤＣオフセットを加えることと、
オフセットされた変調値に基づいて発光要素駆動電流を生成することと、
ＬＥＤ駆動電流を用いて発光要素を駆動することと、
を含み、
データ信号は、バイポーラデータ信号であり、
変調データ信号は、ゼロにピークを持つ変調出力の確率密度関数を有する非負のＯＦＤＭ信号を含み、
正のＤＣオフセットが変調値に加えられる結果として、最小発光要素駆動電流は、発光要素の電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まる、光データ伝送方法を提供する。
【００５４】
好ましくは、発光要素駆動電流に対するＬＥＤ光出力強度の線形性は、最小駆動電流と最大駆動電流との間で、ゼロと前記最大駆動電流との間よりも大きい。
【００５５】
本発明はまた、
ＬＥＤによって生成された変調光信号を受信することであって、最小変調光強度は、ＬＥＤの電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まるＬＥＤ駆動電流に対応する、ことと、
光信号を電気領域(electrical domain)に変換することと、
受信データ信号を作成するためにデータ信号を復調することと、
を含む、光データ受信方法を提供する。
【００５６】
本発明は、少なくとも部分的にソフトウェアで実施されてもよい。
【００５７】
本発明のこれらの及び他の態様は、以下に述べられる実施形態を参照して明らかになり、解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
本発明のより良好な理解のために、及び、どのようにして本発明が実施され得るかをより明らかに示すために、例としてのみ、添付の図面が参照される。
【図１】図１は、既知のＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムの既知のアーキテクチャを示す。
【図２】図２は、本発明による光データ伝送及び受信システムを示す。
【図３】図３は、光データ伝送及び受信方法を示す。
【図４】図４は、駆動電流の関数としてのＬＥＤの量子効率及び出力電力を示す。
【図５】図５は、本発明による変調システムの一例、ＤＣＯ−ＯＦＤＭシステム及びＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムの確率密度関数を示す。
【図６】図６は、本発明によるシステムを提供するために図１のシステムを修正する第１の例を示す。
【図７】図７は、本発明によるシステムを提供するために図１のシステムを修正する第２の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
本発明が、図を参照して述べられる。
【００６０】
詳細な説明及び特定の例示は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示すものであるが、説明のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことが理解されるべきである。本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び有利な点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からよりよく理解されることになるであろう。図面は単に概略的なものであり、縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。同じ参照番号は、図面全体にわたって同じ又は類似の部分を示すために用いられることも理解されたい。
【００６１】
本発明は、発光要素のための変調駆動電流信号を生成する前に、オフセットが正の変調値に適用される、正のみのデータ変調を用いる光データ伝送システム及び方法を提供する。オフセットは、最小駆動電流が、発光要素の電子対光子効率が実質的に一定である範囲に収まるようなものである。斯くして、駆動電流は、電流対強度特性のより線形の部分に収まる。これは、歪みを低減させ、したがって、データレートの増加を可能にする。対応するデータ受信システム及び方法も提供される。
【００６２】
図２は、光データ伝送システム及び光データ受信システムを示す。これらは別個に使用されてもよく、又はトランシーバの異なる部分として一緒に用いられてもよい。
【００６３】
光データ伝送システムは、データ信号Ｄｉｎを受信するための入力と、正のみの変調値を有する変調データ信号を提供するためにデータ信号を変調するためのモジュレータ５０とを含む。
【００６４】
データ信号Ｄｉｎはバイポーラであり、変調によって正のみの変調値に変換される。これは、例えば、ＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムと同様のやり方で作用してもよい。しかしながら、データ信号Ｄｉｎ自体がユニポーラであってもよく、パルス振幅変調等の異なる変調方式が使用されてもよい。
【００６５】
オフセットユニット５２は、正の変調値に正のＤＣオフセットを加えるために使用される。コンバータ５４は、オフセットされた変調値に基づいて電流信号を生成することにより、変調ＬＥＤ駆動電流信号ＩＬＥＤを提供する。
【００６６】
好ましい例では、これらの駆動電流は、電気−光コンバータ(electro-optical converter)として機能する、ＬＥＤ５６を駆動するために使用される。ＶＳＣＥＬ（垂直共振器面発光レーザ(vertical-cavity surface-emitting laser)）等、異なる電子対光子効率特性を有し得る、他の電気−光コンバータが使用されてもよい。一般に、本発明は、電流駆動固体光源に関する。以下、電気−光コンバータとしてＬＥＤを例に挙げて説明する。
【００６７】
オフセットは、（図２に示されるように）ＬＥＤ駆動電流への変換前に適用されてもよく、又は変換後に適用されてもよい。さらに、実際には、モジュレータ及びオフセットユニットは、これらの両方がデジタル領域で適用される場合単一のデジタル信号プロセッサとして、コンバータ５４の機能の一部として行われるデジタル−アナログ変換より前に実装されてもよい。
【００６８】
オフセットは、例えば、固定電流オフセットである、又はその結果である。適切なオフセットの大きさは、公称駆動電流等、接続されるＬＥＤの特性に依存する。オフセットは、例えば、約２０ｍＡであってもよく、マイクロＬＥＤの場合はより低く、高出力ＬＥＤの場合はより高くてもよい。
【００６９】
オフセットは、固定され、ゆえに電流範囲の並進を提供してもよい。しかしながら、ゲインを変更することによって、オフセットによって作成されるマッピングは、単なる並進ではなく、スケーリング及び並進であってもよい。ゲインの変更は、デジタル−アナログコンバータのレベルで実装されてもよい。
【００７０】
受信システムは、フォトダイオード５８等の光センサとデモジュレータ６２とを含む。
【００７１】
任意選択的に、オフセットユニット５２によって適用されるオフセットを設定又は制御するためのコントローラ６４が設けられる。これは、オフセット（オフセット量又はその他のオフセット機能）が、特定のＬＥＤ５６に対して誂えられる(tailor)ことを可能にする。
【００７２】
図３は、
ステップ７０において、正のみの変調値を有する変調データ信号を提供するためにデータ信号を変調することと、
ステップ７１において、前記正のみの変調値に正のＤＣオフセットを加えることと、
ステップ７２において、オフセットされた変調値に基づいてＬＥＤ駆動電流を生成することと、
ステップ７３において、ＬＥＤ駆動電流を用いてＬＥＤを駆動することと、
を含む、光データ伝送方法を示す。
【００７３】
図３はまた、
ステップ７４において、変調光信号を受け、電気領域に変換することと、
ステップ７５において、復調を実行することと、
を含む、その後のデータ受信方法を示す。
【００７４】
オフセットの目的は、電流対強度特性のより線形の部分に収まる電流でＬＥＤを駆動することである。これは、最も低い電流領域を避けることによって達成される。これは、歪みを低減させ、したがって、シンボルあたりのビット数、ひいてはデータレートを増加し、より確実に伝達されることができる。とりわけ、信号の信頼性の高い再現性は、受信機で改善される。
【００７５】
受信側では、データ信号の光伝送に起因するオフセットが既に存在する。例えば、従来のシステムは、光の５０Ｈｚ又は１００Ｈｚのフリッカを除去するためのハイパスフィルタを含み、これはまた、送信側で導入されたＤＣオフセットを除去するように機能する。斯くして、信号を受信して復調するための受信側としての修正(modification)は必要ない。
【００７６】
図４は、主プロットとして、ある特定のＬＥＤ（波長４５０ｎｍを含むＧａＩｎＮ／ＧａＮマイクロ波ＬＥＤ）の外部量子効率を順方向電流の関数として示している。この例は、約１００ｍＡまでの通常の順方向電流を有する。量子効率は、電流が約１０ｍＡへと増加するにつれ急激に上昇し、その後は実質的に一定になる。斯くして、ＬＥＤの電子対光子効率は、約１０ｍＡの最小駆動電流の後、実質的に一定である。
【００７７】
実際の効率は、図に示されるように温度に依存する。
【００７８】
図４はまた、挿入プロットとして、光出力電力を順方向電流の関数として示している。この関係は、低電流における領域を除き、一般的に線形である。これは、ＬＥＤ駆動電流に対するＬＥＤ光出力強度の線形性が、（オフセットに対応する）ゼロではない最小ＬＥＤ駆動電流と最大ＬＥＤ駆動電流との間で、ゼロと前記最大ＬＥＤ駆動電流との間よりも大きいことを意味する。この線形性は、直線グラフへの適合の近さ(closeness of fit)であり、任意の適切な数学的方法によって決定されてもよい。斯くして、オフセットの使用は、ＬＥＤ５６が、その電流対強度特性のより線形の部分に収まる電流で駆動されることを意味する。これは、最も低い電流領域を避けることによって達成される。
【００７９】
上述の最小電流及び最大電流は、変調システムによって生成される最小電流及び最大電流に関連することに留意されたい。
【００８０】
図５は、変調方式が適用される場合のＬＥＤ駆動電流の確率密度を示す。これは、ＡＣＯ−ＯＦＤＭ方式及びＦｌｉｐ−ＯＦＤＭ方式の片側ガウス分布と、ＤＣＯ−ＯＦＤＭ方式のシフトされたガウス分布を示している。
【００８１】
プロット８０は、本発明のアプローチの分布である。最小駆動電流Ｉｍｉｎが存在し、それより下で確率が０である。
【００８２】
本発明は、オフセットの適用前に、変調データ信号がゼロにピークを持つ確率密度関数を有する、変調方式を利用する。この原変調方式のタイプは、ＬＥＤを用いてデータを伝送するのに必要な出力電力が比較的低いことを意味する。
【００８３】
修正された（非負の）ＯＦＤＭアプローチの使用と電流における追加のオフセットとを組み合わせる、本発明のアプローチは、信号の魅力的な確率密度をもたらす。ＤＣオフセットの後であっても、ＬＥＤ出力が低い確率は高いままである。斯くして、アイドル期間（リンクの非アクティビティ(inactivity)）中、最小限の電力しか放出されず、一方、ＤＣＯ−ＯＦＤＭアプローチは、通信に寄与しない大量のＤＣ電力を放出する。
【００８４】
既知の修正された（非負の）ＯＦＤＭアプローチは、典型的には、時折高い正のピークが存在することを避けない。しかしながら、これが問題視されないいくつかの理由がある。
【００８５】
先ず、モジュレータが過剰な正のピークをクリップする場合、ＯＦＤＭの受信は劇的に損なわれないことがよく知られている。３シグマを超えるピーク、すなわち、実効電流の３倍を超えるピーク、又は０．１％未満若しくは１％未満の時間に発生するピークは、有意な量のビットエラーを引き起こすことなく安全に除去され得ることが幾度も示されている。
【００８６】
第２に、電子回路がこれらをＬＥＤに供給するとしても、これらは稀であり、短時間である。典型的に、ＬＥＤのキャパシタンスは短絡として機能し、ジャンクションへの有害な影響を排除する。さらに、短期間の高電流バーストはＬＥＤを大幅に加熱しないため、ＬＥＤを損傷させる危険性は低く、通信リンクは、これらをＯＦＤＭによって十分に処理されるローパス挙動として経験する。
【００８７】
変調によって提供される最小ＬＥＤ駆動電流Ｉｍｉｎは、例えば、変調によって提供される最大ＬＥＤ駆動電流Ｉｍａｘの０．０５倍〜０．２倍である。これは、最大変調電流Ｉｍａｘが最小変調電流Ｉｍｉｎの５倍〜２０倍の範囲である、電流駆動特性の線形部分が用いられることを意味する。
【００８８】
最小ＬＥＤ駆動電流は、例えば、１ｍＡ〜３０ｍＡであり、この場合、最大ＬＥＤ駆動電流は、上述した最小値の５倍〜２０倍である。最大ＬＥＤ駆動電流は、例えば、４０ｍＡ〜２００ｍＡである。
【００８９】
上述したように、本発明を実施するための１つの可能な方法は、図１の既知のＡＣＯ−ＯＦＤＭアプローチを修正することである。
【００９０】
図６は、図１のアプローチの第１の可能な修正形態を示す。オフセットユニット５２は、デジタル信号処理の最後に設けられる。斯くして、システムは、デジタル−アナログコンバータ２４を含み、モジュレータ及びオフセットユニットは、デジタル−アナログコンバータより前のデジタル領域に設けられる。図２のモジュレータ５０は、構成要素１０、１２、１４、１６、１８、２０及び２２の全てを含むと考えられてもよい。図２のオフセットユニット５２は、図６においてユニット５２として示されている。この場合、図２のコンバータ５４は、Ｄ／Ａコンバータ２４によって実施される。図２のデモジュレータ６２は、ユニット３６、３８、４０、４２、４４及び４６を含む。
【００９１】
図７は、図１のアプローチの第２の可能な修正形態を示す。オフセットユニット５２は、アナログ領域に設けられる。斯くして、システムは、デジタル−アナログコンバータ２４を含み、モジュレータは、デジタル−アナログコンバータより前のデジタル領域に設けられ、オフセットユニット５２は、デジタル−アナログコンバータ２４より後のアナログ領域に設けられる。ここでも、図２のモジュレータ５０は、構成要素１０、１２、１４、１６、１８、２０及び２２の全てを含むと考えられてもよい。この場合、図２のコンバータ５４は、Ｄ／Ａコンバータ２４によって実施される。図２のオフセットユニット５２は、Ｄ／Ａコンバータ２４の後に図７においてユニット５２として示されている。ここでも、図２のデモジュレータ６２は、ユニット３６、３８、４０、４２、４４及び４６を含む。
【００９２】
斯くして、デジタル領域又はアナログ領域のいずれかで、オフセットを実装する異なる方法がある。
【００９３】
上述したように、適切なオフセットは、電気−光変換に使用されるＬＥＤに依存する。
【００９４】
オフセットは、ＬＥＤに応じて可変であってもよい。これは、送信機が結合され得るＬＥＤタイプのルックアップテーブルを持つことによって達成されてもよく、この場合、送信機は、特定のＬＥＤタイプに対して較正される。これは、設置段階中のユーザ入力に基づいてもよく、又は、例えば送信機−受信機ペアの送信信号及び受信信号に基づいてＬＥＤ特性をプロービングすることによる、特定のＬＥＤタイプの自動検出に基づいてもよい。
【００９５】
オフセットは、上述したように、単純なレベルシフトであってもよく、又はスケーリングを伴うレベルシフトであってもよい。より複雑なアプローチでは、オフセットは、特定の発光要素の既知の強度対駆動電流特性を線形化することを目的とする関数として実装されてもよい。斯くして、オフセットは、ＬＥＤ等の発光要素の静的又は動的な強度対電流関数の逆元(inverse)に関連する関数を含む。このようにして、ＬＥＤ駆動電流レベルが等間隔の(evenly spaced)光強度レベルにマッピングされることを確実にすることができる。
【００９６】
高データ速度では、好ましくは、逆関数は動的である、すなわち、ＬＥＤジャンクションの様々な領域において、ホール−電子対のビルドアップを考慮するために先行するマイクロ秒における電流の履歴を関与させることもできる。例えば、完全な非線形プレディストータ(full non-linear pre-distorter)が適用されてもよい。
【００９７】
本発明は、ＡＣＯ−ＯＦＤＭシステムに対する修正形態として詳細に示されている。しかしながら、本発明は、パルス振幅変調（ＰＡＭ：pulse amplitude modulation）技術等の他の変調技術の修正形態として適用されてもよい。
【００９８】
本発明は、例えば、可視光通信（ＶＬＣ：visible light communication）又はＩＲ通信に関心がある。光の使用の利点は、干渉の問題が回避されるように、所望の空間に残るよう拘束されることができることである。メッセージの衝突を避けることによってレイテンシは減少し、サービスの改善された品質を与える。ＶＬＣはまた、ジャミングされることができず、傍受することがより困難である。
【００９９】
上述したように、実施形態は、コントローラを利用する。コントローラは、必要とされる様々な機能を実行するために、ソフトウェア及び／又はハードウェアを用いて、種々の方法で実装されることができる。「プロセッサ」は、所要の機能を実行するように、ソフトウェア（例えば、マイクロコード）を使用してプログラムされてもよい、１つ以上のマイクロプロセッサを採用する、コントローラの一例である。コントローラは、プロセッサを用いて、又はプロセッサを用いずに実装されてもよく、また、一部の機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ（例えば、１つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ、及び関連回路）との組み合わせとして実装されてもよい。
【０１００】
本開示の様々な実施形態で採用されてもよいコントローラ構成要素の例としては、限定するものではないが、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：application specific integrated circuit）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：field-programmable gate array）が挙げられる。
【０１０１】
様々な実装形態では、プロセッサ又はコントローラは、１つ以上の記憶媒体、例えば、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及びＥＥＰＲＯＭ等の、揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリに関連付けられてもよい。記憶媒体は、１つ以上のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行されると、所要の機能を実行する、１つ以上のプログラムでエンコードされてもよい。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてもよく、あるいは、それらの記憶媒体上に記憶されている１つ以上のプログラムが、プロセッサ又はコントローラ内にロードされることができるように、可搬性であってもよい。
【０１０２】
図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。請求項では、単語「含む（comprising）」は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a）」又は「１つの（an）」は、複数を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項において列挙される、いくつかの項目の機能を果たしてもよい。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に、又は他のハードウェアの一部として供給される、光学記憶媒体又は固体媒体等の、好適な媒体において記憶／頒布されてもよいが、インターネット、又は他の有線若しくは無線の電気通信システム等を介して、他の形態で頒布されてもよい。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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