(57)【要約】  本発明は光送信器（Ｔｘ）と光受信器（Ｒｘ）と非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネル（Ｋ）とを有するデータ伝送システムに関する。データ伝送チャネル（Ｋ）を介して送信器（Ｔｘ）から受信器（Ｒｘ）へ伝送すべきデータ信号（Ｓｉｇ）の前置等化のために、送信器（Ｔｘ）に前置して前置等化装置（ＰＤ）が設けられている。データ伝送チャネル（Ｋ）は所定の制約の中で不変の伝送条件を有している。伝送されるべきデータ信号（Ｓｉｇ）の伝送は送信器（Ｔｘ）の予め決められた最大帯域幅で行われる。
2010536210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光送信器（Ｔｘ）と、光受信器（Ｒｘ）と、非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネル（Ｋ）とを有するデータ伝送システムにおいて、
−  前記データ伝送チャネル（Ｋ）を介して前記送信器（Ｔｘ）から前記受信器（Ｒｘ）へ伝送すべきデータ信号（Ｓｉｇ）の前置等化のために、前記送信器（Ｔｘ）に前置して前置等化装置（ＰＤ）が設けられており、
−  前記データ伝送チャネル（Ｋ）は所定の制約の中で不変の伝送条件を有しており、
−  伝送されるべきデータ信号（Ｓｉｇ）の伝送が前記送信器（Ｔｘ）の予め決められた最大帯域幅で行われる、ことを特徴とするデータ伝送システム。
【請求項２】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）の帯域幅が制限されない、請求項１記載のデータ伝送システム。
【請求項３】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）として、前記送信器（Ｔｘ）と前記受信器（Ｒｘ）の間の自由空間におけるデータ信号（Ｓｉｇ）の指向性データ伝送が用いられる、請求項１又は２記載のデータ伝送システム。
【請求項４】
前記データ伝送チャネルが拡散反射を有していない、請求項３記載のデータ伝送システム。
【請求項５】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）が前記送信器（Ｔｘ）と前記受信器（Ｒｘ）の間のポイントツーポイント接続として形成されている、請求項１から４のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項６】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）の帯域幅制限が前記送信器（Ｔｘ）及び／又は前記受信器（Ｒｘ）の帯域幅よりも大きい、請求項１から５のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項７】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）が前記送信器（Ｔｘ）から前記受信器（Ｒｘ）へのデータ伝送のみを許可する、請求項１から６のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項８】
前記送信器（Ｔｘ）が発光ダイオード（ＬＥＤ）、とりわけ白色ＬＥＤ又は赤外線ＬＥＤである、請求項１から７のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項９】
前記送信器（Ｔｘ）が蛍光灯である、請求項１から７のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項１０】
前記送信器（Ｔｘ）がレーザである、請求項１から７のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項１１】
前記送信器（Ｔｘ）が電球である、請求項１から７のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項１２】
前記受信器（Ｒｘ）がフォトダイオード、とりわけＰＩＮダイオードである、請求項１から１１のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項１３】
前記データ信号（Ｓｉｇ）の受信後の等化を行うために、前記受信器（Ｒｘ）に接続された等化器（ＥＱ）に前記データ信号（Ｓｉｇ）を供給することができる、請求項１から１２のいずれか１項記載のデータ伝送システム。
【請求項１４】
光送信器（Ｔｘ）と、光受信器（Ｒｘ）と、非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネル（Ｋ）とを有するデータ伝送システムにおけるデータ伝送方法において、
−  前記データ伝送チャネル（Ｋ）を介して前記送信器（Ｔｘ）から前記受信器（Ｒｘ）へ伝送すべきデータ信号（Ｓｉｇ）を前記送信器（Ｔｘ）に前置された前置等化装置（ＰＤ）において前置等化し、
−  前記データ信号（Ｓｉｇ）を、所定の制約の中で不変の伝送条件を有する前記データ伝送チャネル（Ｋ）を介して前記受信器（Ｒｘ）へと伝送し、
−  伝送すべき前記データ信号（Ｓｉｇ）の伝送を前記送信器（Ｔｘ）の予め決められた最大帯域幅で行う、ことを特徴とするデータ伝送方法。
【請求項１５】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）の帯域幅が制限されない、請求項１４記載のデータ伝送方法。
【請求項１６】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）として、前記送信器（Ｔｘ）と前記受信器（Ｒｘ）の間の自由空間におけるデータ信号（Ｓｉｇ）の指向性データ伝送を用いる、請求項１４又は１５記載のデータ伝送方法。
【請求項１７】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）として、前記送信器（Ｔｘ）と前記受信器（Ｒｘ）の間のポイントツーポイント接続を使用する、請求項１６項記載のデータ伝送方法。
【請求項１８】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）の帯域幅制限が前記送信器（Ｔｘ）及び／又は前記受信器（Ｒｘ）の帯域幅よりも大きい、請求項１４から１７のいずれか１項記載のデータ伝送方法。
【請求項１９】
前記データ伝送チャネル（Ｋ）が前記送信器（Ｔｘ）から前記受信器（Ｒｘ）へのデータ伝送のみを許可する、請求項１４から１８のいずれか１項記載のデータ伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信器と光受信器と非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネルとを有するデータ伝送システムに関する。本発明はまたこのようなデータ伝送システムにおける伝送方法にも関する。
【０００２】
いわゆる自由空間伝送、とりわけ、光源の光パワーの高速変調による非コヒーレント光を用いた近距離データ伝送では、４０Ｍビット／秒を超えるデータ伝送速度は例えばオンオフキーイング（ＯＯＫ）のような単純な変調方法を使用したのでは実現できず、不利である。その理由は、送信器及び受信器の最小変調帯域幅がデータ信号のぼやけを生じ、その結果、送信シンボルの重畳が生じかねないからである。データ伝送規格ＩｒＤＡ（赤外線データ協会）におけるＩＲ（赤外線）ＬＥＤ又は蛍光灯も、そのようなデータ伝送システムにおいて例えば可視光を伝送するための光源として使用することができる。原則として、白色ＬＥＤも光源として使用できる。しかしながら、白色ＬＥＤの効率は連続的に改善されてきているので、使用可能な変調帯域幅に制限が生じ、そのため高いデータ伝送速度の達成が妨げられる。
【０００３】
伝送チャネルにおける帯域幅制限は、周知のように、高いスペクトル効率によって妨げられることがありうる。こうした場合には、例えば多段変調を用いてよい。この場合、伝送シンボルの重畳が生じない限りシンボルが形成される。データ伝送速度を上げるために、論理"１"及び論理"０"の代わりに、より高い値を有するシンボル、例えば論理"２"、"３"、"４"等を送信してもよい。その場合、振幅は例えば論理"１"（パルス振幅変調ＰＡＭ）の２、３又は４倍の大きさである。ディジタルイメージングでは、グレースケールがこの多段変調に相当する。
【０００４】
したがって、前記パルス振幅変調では、２ビットをそれぞれのシンボルで、つまり"００"、"０１"、"１０"又は"１１"で伝送することができる。このことは、Ｎ個の異なる振幅／グレースケールｌｏｇ2（Ｎ）を用いれば、変調方法としてオンオフキーイングを用いた場合よりも多くのビットを１シンボルにつき伝送することができるということを意味している。例えばオンオフキーイングにおいて伝送速度を２５Ｍビット／秒に制限した場合、２5＝３２の振幅／グレースケールで１２５Ｍビット／秒を伝送することができる。
【０００５】
すべての多段変調方法にとって、複数の振幅／グレースケールを互いにはっきりと区別できるように、受信器が受信した出力及び信号対雑音比がオンオフキーイングの場合よりも大きくなければならないということは共通している。また、データ伝送システムの線形性を改善しなければならないという点でも共通している。
【０００６】
赤外線無線伝送チャネルによるデータ伝送と関連して、伝送チャネルを介して伝送すべきデータ信号の前置等化の使用が公知である（K. L. Sterckx and J. M. H. Elmirghani, "On the Use of Pre-distortion Equalization in Infrared Wireless Communication Connections" IEEE International Conference on Communications, Vol. 7, Pgs. 2166-2170, 2001参照）。ここでは、無指向性伝送の特殊な例、すなわち、伝送中に送信器と受信器が互いを「見る」できる伝送を例として、なぜ送信器による光放射出力のかなりの部分が拡散反射するのかが調べられている。このような反射は室内の壁及び／又は備品によって発生しうる。この文献に記載されているデータ伝送では、自由空間チャネルに帯域幅制限が存在する。つまり、例えば壁での単一又は複数の反射の結果として、伝送シンボルの「ぼやけ」が発生する。この文献に記載されているデータ伝送システムは、前置等化が自由空間チャネルの伝達関数に依存しているという点で不利である。例えば、伝達関数はデータ伝送システムが所在する室内に家具があるか、またどのような家具があるかに依存する。しかし、その結果として、前置等化をそれぞれの環境と変化に適合させなければならなくなる。この適合は、そもそも可能だとして、前置等化を自由空間チャネルにおける変化に適合させるために、受信器の戻りチャネルを必要とする。このため、このようなデータ伝送システムはシステムの観点からは複雑すぎであり、また高価にすぎる。
【０００７】
それゆえ、本発明の課題は、光源の光パワーの高速変調による非コヒーレント光を用いて、４０Ｍビット／秒を超える、特に１００Ｍビット／秒を超える伝送速度での近距離データ伝送を可能にする、データ伝送システム及びデータ伝送システムにおけるデータの伝送方法を提供することである。
【０００８】
これらの課題は、請求項１に記載されたデータ伝送システムと、請求項１４に記載された本発明によるデータ伝送システムにおけるデータ伝送方法とによって解決される。有利な実施形態はそれぞれ従属請求項から明らかとなる。
【０００９】
光送信器と、光受信器と、非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネルとを有する本発明によるデータ伝送システムでは、送信器から受信器へとデータ伝送チャネルを介して送信されたデータ信号の前置等化のために、送信器に前置等化装置が前置されている。データ伝送チャネルは所定の制約の中で不変の伝送条件を有している。伝送されるべきデータ信号は送信器の予め決められた最大帯域幅で伝送される。
【００１０】
非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネルとは、送信器が非コヒーレント光を出力し、受信器が非コヒーレント光を受信するように形成されているということを意味している。
【００１１】
本発明は直接伝送に前置等化を用いるという原理に基づいている。直接伝送の特質は、この種の伝送チャネルの場合、反射が無視できるということにある。したがって、不変の伝送条件が存在する。帯域幅制限された非コヒーレント伝送チャネルでのデータ伝送速度を上げるために前置等化を用いることは、データ伝送システムの線形性に対する要求が格段に低いという点で多段変調に比べて有利である。さらに、送信器への等化の割り当ては、非拡散伝送チャネルの場合、先行技術に比べて受信器の複雑さが明らかに低下するという利点を有している。さらにもう１つの利点は、等化が送信器に前置されている、つまり、等化が送信器内で行われるため、実際に存在する受信器を例えばオンオフキーイングのために使用できるということにある。
【００１２】
有利には、データ伝送チャネルは帯域幅の点で制限されない。
【００１３】
有利には、データ伝送チャネルとして、送信器と受信器の間の自由空間におけるデータ信号の指向性データ伝送が用いられる。ここで、さらに、データ伝送チャネルに拡散反射が生じないようにしてもよい。データ伝送チャネルは送信器と受信器の間のポイントツーポイント接続として形成してもよい。直接接続を使用することにより、前置等化が送信器と受信器の固定された伝達関数のみに依存し、伝送チャネルの伝達関数には依存しないという利点がもたらされる。これにより、特に簡単かつ低コストで本発明によるデータ伝送システムを提供することができる。こうして、例えば、データ伝送システムの伝送速度に影響を与えずに、送信器の所在位置（例えば部屋）を変えることができる。
【００１４】
別の有利な実施形態によれば、データ伝送チャネルの帯域幅制限は送信器及び／又は受信器の帯域幅よりも広い。刊行物 J. Grubor, O. C. Gaete, J. W. Walewski, S. Randel und K. -D. Langer, "High Speed Wireless Indoor Communication via Visible Light" in ITG-Fachtagung ,,Breitbandversorgung in Deutschland - Vielfalt fuer alle?", ITG-Fachbericht Band 198, Seite 201, Berlin, Deutschland, 7. bis 8. Maerz 2007では、送信器として天井灯を使用したデータ伝送の場合について、一般的な事務室の伝送チャネルの帯域幅は２００ＭＨｚ以上であり、一般的な非コヒーレント送信器（光源）及び受信器の帯域幅を遥かに超えていることが示されている。後者の帯域幅は通常は５０ＭＨｚ未満である。送信器として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、特に白色ＬＥＤ又は赤外線ＬＥＤ、蛍光灯、レーザ、電球を使用してもよい。
【００１５】
Grubor他に記載されているようなデータ伝送シナリオにおいて本発明によるデータ伝送システムを使用することの利点は、前置等化を環境変化に適応させなくてもよいという点にある。その結果、前置等化はすでに使用される送信器と受信器の製造時に適合させることができ、それにより結果として連続的に高い伝送速度が保証される。
【００１６】
データ伝送システムの別の実施形態によれば、データ伝送チャネルは送信器から受信器へのデータ伝送しか許可しない。これはいわゆるシンプレックス接続である。その場合、従来の技術とは違い、前置等化の適応のための戻りチャネルが必要ない。
【００１７】
受信器は例えばフォトダイオード、とりわけＰＩＮ（Positive Intrinsic Negative）ダイオードとして形成されたフォトダイオードであってよい。
【００１８】
別の実施形態では、さらに、データ信号受信後のさらなる等化を行うために、受信器と接続された等化器にデータ信号を供給してよい。
【００１９】
光送信器と光受信器と非コヒーレント光に基づいたデータ伝送チャネルとを有するデータ伝送システムにおける本発明によるデータ伝送方法では、送信器から受信器へデータ伝送チャネルを介して伝送すべきデータ信号が、送信器に前置された前置等化装置において前置等化される。データ信号は、所定の制約の中で不変の伝送条件を有するデータ伝送チャネルを介して、受信器へと伝送される。その際、データ信号の伝送は送信器の予め決められた最大帯域幅で行われる。
【００２０】
本発明による方法は、本発明によるデータ伝送システムに関連して説明した利点と同じ利点を有している。
【００２１】
本発明による方法の１つの実施形態では、データ伝送チャネルの帯域幅は制限されない。
【００２２】
さらに、データ伝送チャネルとして、送信器と受信器の間の自由空間における、とりわけ拡散反射のない、データ信号の指向性データ伝送が用いられる。
【００２３】
本発明による方法の別の実施形態によれば、データ伝送チャネルとして、送信器と受信器の間のポイントツーポイント接続が用いられる。
【００２４】
別の実施形態では、データ伝送チャネルの帯域幅制限は送信器及び／又は受信器の帯域幅よりも広く選ばれる。
【００２５】
さらに、データ伝送チャネルは送信器から受信器へのデータ伝送しか許可せず、これにより単方向通信が提供される。
【００２６】
以下では、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】非コヒーレント光を用いた近距離データ伝送において生じる、選択された変調帯域幅に依存する変調されたデータ信号のぼやけの問題を示す。
【図１Ｂ】非コヒーレント光を用いた近距離データ伝送において生じる、選択された変調帯域幅に依存する変調されたデータ信号のぼやけの問題を示す。
【図２】本発明によるデータ伝送システムの概略図を示す。
【００２８】
図１Ａは、光源の光パワーの高速変調による非コヒーレント光を用いた近距離データ伝送において生じる問題を示している。図１Ａの上のグラフには、伝送すべきデータ信号が電流パルスの形で示されている。電流パルスは例えば論理"１"に相当する。図１Ａの下のグラフでは、帯域幅制限が高ければ、送信器の特性、つまり、例えば発光ダイオード、蛍光灯、電球又はレーザのような光源の特性ゆえに、Ｋ１で表された光パワーP_optの波形が生じる。この波形は近似的に電流パルスの波形に一致しており、理想的である。帯域幅制限が低ければ、Ｋ２で示されている「ぼやけ」のある波形が電流パルスから生じる。ここで、受信器にとっては、この「ぼやけた」波形から、論理"１"が伝送されたのか、論理"０"が伝送されたのかを識別しなければならないという問題が存在する。図１Ａからは、帯域幅制限が原因となって、送信器に供給された信号（ここでは電流パルス）に応じた光パワーP_optの放射が生じるということが直ちに明らかである。発光ダイオードの場合、発光ダイオードのサイズ、選ばれた材料及び効率によって帯域幅制限が生じる。
【００２９】
このことから生じる第１の問題は図１Ｂを見れば良く分かる。図１Ｂでは、データ伝送システムの送信器に例えばビット列"１０１"が供給される。ここでは、送信器から放射された光パワーP_optを考察するに当たって、低い帯域幅制限（図１Ａの曲線Ｋ２に相当）をもつ送信器が前提される。図１Ｂの下のグラフから分かるように、受信器は受信した光パワーから送信されたビット列"１０１"を復号しなければならない。しかし、このビット列はデータ信号の「ぼやけ」のせいで誤りを含んでいる。送信器の伝送特性のゆえに、それぞれ論理"１"に対応する点Ｐ１及びＰ３は同じ大きさの光パワーP_optを有している。それに対して、点Ｐ２及びＰ４は、両方とも論理"０"に対応しているが、異なる大きさの光パワーP_optを有している。それゆえ、受信器にとって、特に点Ｐ２が論理"１"に対応しているのか、論理"０"に対応しているのかを判定することは難しい。
【００３０】
第２の問題は、例えば受信器アナログ電子回路における、避けられない雑音のせいで、論理"０"と論理"１"の間の有効距離がさらに小さくなってしまうことにある。それゆえ、ぼやけがきつく、相応して雑音も大きい場合には、ビット列（"１０１"列）において"１"と"０"の間に有意な違いを見て取ることができない。
【００３１】
図２には、上記の問題を回避するとともに、非コヒーレント光による近距離データ伝送において例えば１００Ｍビット／秒の高いデータ伝送速度を達成する本発明の方法の概略図が示されている。データ伝送システムは、ワイヤレス光伝送チャネルＫを介してデータ信号Ｓｉｇを受信器Ｒｘに伝送する送信器Ｔｘを有している。送信器Ｔｘには前置等化装置ＰＤが前置されている。前置等化装置ＰＤには伝送すべきデータ信号Ｓｉｇ’が供給される。ここで、送信器Ｔｘから伝送されるべき信号は、送信器から放射される光パワーP_optが例えば受信器Ｒｘによって簡単に復号されうる矩形信号（データ信号Ｓｉｇを参照）となるように、前置等化装置ＰＤによって処理される。
【００３２】
高いデータ伝送速度を達成するための前提は、伝送チャネルＫが安定していること、つまり、所定の制約の中で不変の伝送条件を有しており、理想的には帯域幅制限されていないことである。このために、データ伝送チャネルＫとして、送信器Ｔｘと受信器Ｒｘの間の自由空間における、とりわけ拡散反射のない、データ信号の指向性データ伝送を用いることができる。データ伝送チャネルＫはとりわけ送信器と受信器の間のポイントツーポイント接続として形成してもよい。その際、反射による伝送チャネルＫの帯域幅制限が送信器Ｔｘと受信器Ｒｘの帯域幅を遥かに超えていると有利である。これは例えば送信器Ｔｘをレーザ、発光ダイオード（白色光又はＬＥＤ）、電球又は蛍光灯として形成することにより保証される。レーザの場合、これは選択される変調周波数がどれくらい高いのかに依存する。現在流通しているレーザダイオードの変調帯域幅はＧＨｚ領域内にあり、潜在的に部屋の帯域幅制限を超えている。
【００３３】
前置等化は送信器Ｔｘに組み込むこともできるが、この前置等化が行われるおかげで、受信器Ｒｘは前置等化の適応調整のための戻りチャネルを必要としない。それゆえ、伝送チャネルＫはシンプレックス接続又は単方向接続として実施することができる。
【００３４】
前置等化は環境変化に適応する必要がないので、既に製造時に、使用する光源と受信器に適合させることができる。このことによって既に連続的に高い伝送速度が保証される。
【００３５】
帯域幅制限された非コヒーレント伝送区間にわたってデータ伝送速度を上げるために前置等化を使用することは、冒頭に述べた多段変調に比べて、データ伝送システムの線形性に対する要求が低いという点で有利である。
【００３６】
さらに、等化を送信器内に位置づけること、又は送信側で等化を行うこと（前置等化）は、伝送区間が非拡散性である場合、受信器Ｒｘの複雑さを低く抑えることができるという利点を有している。
【００３７】
直接接続（ポイントツーポイント接続）だけに限れば、前置等化が送信器と受信器の固定的な伝達関数にのみ依存し、伝送チャネルの伝達関数には依存しないという利点が得られる。したがって、伝送速度に影響を与えることなく、送信器を別の部屋に配置することができる。
【００３８】
前置等化のもう１つの利点は、オンオフキーイング変調方法で使用されるような従来の受信器を利用できるという点にある。
【００３９】
選択的には、図２に示されているように、必須の前置等化に加えて、データ信号Ｓｉｇを必要に応じてさらに改善するために受信側にも等化装置ＥＱを設けてよい。
【図１Ａ】
2010536210.tif 000003
【図１Ｂ】
2010536210.tif 000004
【図２】
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【国際調査報告】
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2010536210.tif 000007
2010536210.tif 000008
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