МОДУЛЯЦИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ КОДИРОВАННОГО СВЕТА
MODULATION FOR ENCODED LIGHT TRANSMISSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе кодированного света. В частности, оно относится к способам и устройствам для управления по меньшей мере одним источником света, выполненным с возможностью испускания кодированного света в системе кодированного света, и для декодирования такого кодированного света в информационную последовательность.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Источники света в настоящее время применяются в системах освещения, состоящих из большого числа источников света. С момента введения светодиодного освещения несколько параметров этих источников света могут изменяться и управляться в системе источников света. Такие параметры включают в себя интенсивность света, цвет света, цветовую температуру света и даже направление света. Изменяя и управляя этими параметрами различных источников света, проектировщик света или пользователь системы имеет возможность генерировать световые сцены. Этот процесс часто называют настройкой сцены, и он, как правило, является довольно сложным процессом из-за большого числа источников света и параметров, которыми необходимо управлять. Как правило, для каждого источника света требуется один контроллер или канал управления. Это затрудняет управление системой из более чем десяти источников света.
Чтобы сделать возможным более интуитивное и простое управление источниками света и чтобы создавать сцены, ранее было предложено встраивание информационных последовательностей, таких как невидимые идентификаторы, в световой выход осветительных устройств. Такое встраивание идентификаторов может быть основано на уникальной модуляции видимого света (VL) осветительного устройства или на размещении дополнительного инфракрасного (ИК) источника света в осветительном устройстве и уникальной модуляции этого ИК-света. Манчестерский код обычно используется в качестве средств для модуляции кодированного света.
Встраивание идентификаторов в свет будет называться кодированным светом (CL). Связь, использующая CL, будет называться связью через видимый свет (VLC). Для передачи CL обычно рассматриваются светоизлучающие диоды (LED), которые допускают приемлемую высокую частоту модуляции и полосу пропускания. Это, в свою очередь, может иметь следствием быстрый отклик системы управления. Идентификаторы, однако, также могут быть встроены в свет других источников света, таких как лампы накаливания, галогенные, флуоресцентные лампы и разрядные лампы высокой интенсивности (HID). Эти идентификаторы источников света, также называемые кодами, предусматривают идентификацию и оценку интенсивности отдельных локальных вкладов в освещение. Это может быть применено в приложениях по управлению светом, таких как пусконаладочные работы, выбор источника света и интерактивная настройка сцены. Эти приложения находят применение, например, в домах, офисах, магазинах и больницах. Следовательно, эти идентификаторы источника света дают возможность простой и интуитивной операции управления системой освещения, которая, в противном случае, была бы очень сложной.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с вышеизложенным, желательно, чтобы встраивание кодированной информации (например, пакетов) в световой выход источника света было невидимым для пользователей, которые заинтересованы в функции освещения источника света. Другими словами, может быть желательным, чтобы кодирование света не приводило к видимому мерцанию. Это требование означает, что спектр модулирующего кода не должен содержать низких частот. Поскольку источники света, подключенные к обычной электрической сети, как правило, производят сильные помехи, например, при постоянном токе, 50 Гц или 100 Гц, может быть выгодно подавлять эти помехи соответствующей фильтрацией в приемнике. Чтобы не слишком сильно снижать желаемый сигнал этой фильтрацией, выгодно, чтобы желаемый сигнал отсутствовал в тех местах спектра, где существуют помехи. Это соображение также подразумевает, что спектр модулирующего кода не должен содержать низких частот. Также может быть желательным, чтобы спектр модулирующего кода не содержал высоких частот по той причине, что может быть трудно реализовать схемы в дешевых устройствах управления для источников света на основе LED для таких высоких частот.
Также желательно на стороне приемника иметь возможность обнаруживать цифровую информацию, содержащуюся в VLC, даже в присутствии помех от других источников света, как, например, солнце, люминесцентная лампа или трубка, лампа накаливания и т.д. Следовательно, может быть желательным, чтобы спектр модулированного сигнала не содержал какого-либо вклада в положениях частот спектра, где существуют такие помехи.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть эти проблемы и предоставить способы, устройства и системные подходы, которые решают или по меньшей мере уменьшают проблемы, затронутые выше; например, путем предоставления способов, устройств и системных подходов, которые допускают более хорошее спектральное ограничение, в частности, для низких частот, чем современные устройства данной области техники, имея при этом сравнимую сложность.
В целом вышеописанные цели достигаются с помощью способов и устройств в соответствии с прилагаемыми независимыми пунктами формулы изобретения.
1
k
K
k
1
k
K
k
k
k
k,1
k,2
k,1
k
k,2
k,2
k
i
В соответствии с первым аспектом, вышеописанные цели достигаются с помощью устройства управления светом для управления по меньшей мере одним источником света, выполненным с возможностью испускания кодированного света на основе сигнала управления, при этом устройство управления светом содержит: приемник, выполненный с возможностью приема последовательности u=[u, ..., u, ..., u] символов u источника, представляющих собой информационную последовательность источника информации; блок обработки, выполненный с возможностью из последовательности символов источника определять последовательность z=[z, ..., z, ..., z] символов z канала, формирующих сигнал управления; передатчик, выполненный с возможностью предоставления по меньшей мере одному источнику света сигнала управления, тем самым управляя по меньшей мере одним источником света; при этом блок обработки выполнен с возможностью определения последовательности символов z канала путем преобразования каждого символа u источника в момент времени k в составной символ z=(z, z) канала, содержащий по меньшей мере один первый символ z канала, один из которых идентичен u, и по меньшей мере один второй символ z канала, выбранный из множества M, где z является функцией символа u источника и по меньшей мере одного последующего и/или предыдущего символа u источника, i≠k, при этом преобразование приводит к тому, что спектральная плотность мощности у нулевой частоты последовательности z символов канала равна нулю, и сигнал управления тем самым дает возможность того, что видимое мерцание не присутствует в кодированном свете, испускаемом по меньшей мере одним источником света.
Предложенные преобразования создают возможность для более хорошего спектрального ограничения, в частности, для низких частот, чем, например, Манчестерский импульс, при этом имея сравнимую сложность.
k,2
k-l+1
k+1
k
(4L)
2
Символ z может быть имеющим знак взвешенным средним L элементов u+u для l=1, ... L, приводя к тому, что спектральная плотность мощности последовательности z символов канала затухает как (fT), где f означает частоту в Гц, а T означает время в секундах для передачи u. Спектр Манчестерского кодирования затухает как f для f, близких к нулю. Таким образом, предложенная схема кодирования затухает быстрее, чем Манчестерское кодирование.
В соответствии со вторым аспектом, вышеописанные цели достигаются с помощью осветительного устройства, содержащего по меньшей мере один источник света, средство модуляции и устройство управления светом в соответствии с вышесказанным, при этом средство модуляции выполнено с возможностью, в соответствии с сигналом управления, предоставляемым устройством управления светом, модуляции кодированного света, который должен испускаться по меньшей мере одним источником света.
1
k
K
k
1
k
K
k
k
k
k,1
k,2
k,1
k
k,2
k,2
k
i
В соответствии с третьим аспектом, вышеописанные цели достигаются с помощью способа управления по меньшей мере одним источником света, выполненным с возможностью испускания кодированного света на основе сигнала управления, при этом способ состоит в том, что: принимают последовательность u=[u, ..., u, ..., u] символов u источника, представляющих собой информационную последовательность источника информации; определяют последовательность z=[z, ..., z, ..., z] символов z канала, формирующих сигнал управления из последовательности символов источника; предоставляют по меньшей мере одному источнику света сигнал управления, тем самым управляя по меньшей мере одним источником света; при этом последовательность символов z канала определяется путем преобразования каждого символа u источника в момент времени k в составной символ z=(z, z) канала, содержащий по меньшей мере один первый символ z канала, один из которых идентичен u, и по меньшей мере один второй символ z канала, выбранный из множества M, где z является функцией символа u источника и по меньшей мере одного последующего и/или предыдущего символа u источника, i≠k, при этом преобразование приводит к тому, что спектральная плотность мощности у нулевой частоты последовательности z символов канала равна нулю, и сигнал управления тем самым дает возможность того, что видимое мерцание не присутствует в кодированном свете, испускаемом по меньшей мере одним источником света.
1
k
K
k
k,1
k,2
1
k
K
k
k
k,1
k,2
i
В соответствии с четвертым аспектом, вышеописанные цели достигаются с помощью декодера информации для декодирования информационной последовательности из сигнала, принятого из детектора света, при этом сигнал служит признаком того, что кодированный свет испущен по меньшей мере из одного источника света, управляемого устройством управления светом в соответствии с вышесказанным, содержащего: приемник, выполненный с возможностью приема сигнала из детектора света, при этом сигнал характеризует последовательность z=[z, ..., z, ..., z] символов z=(z, z) канала; блок обработки, выполненный с возможностью определения из сигнала последовательности û=[û, ..., û, ..., û] декодированных символов û источника, формирующих декодированную информационную последовательность; при этом блок управления выполнен с возможностью определения последовательности декодированных символов û источника, посредством чего декодированный символ û источника определяется из разности между z и взвешенным средним по меньшей мере одного символа z канала и одного последующего и/или предыдущего символа z канала, i≠k.
Блок обработки может содержать декодер с жестким решением. Декодер с жестким решением может быть выполнен с возможностью определения последовательности декодированных символов û источника в качестве знака упомянутой разности. Такой декодер может позволить быстрое и точное декодирование.
1
k
K
k
k,1
k,2
1
k
K
k
k
l,1
l,2,L
l,2,R
k,2,L
k,2
k,2,R
k,2
Согласно пятому аспекту, вышеописанные цели достигаются с помощью декодера информации для декодирования информационной последовательности из сигнала, принятого из детектора света, при этом сигнал служит признаком того, что кодированный свет испущен по меньшей мере из одного источника света, управляемого устройством управления светом в соответствии с вышесказанным, содержащего: приемник, выполненный с возможностью приема сигнала из детектора света, при этом сигнал характеризует последовательность z=[z, ..., z, ..., z] символов z=(z, z) канала; блок обработки, выполненный с возможностью определения из сигнала последовательности û=[û, ..., û, ..., û] декодированных символов û источника, формирующих декодированную информационную последовательность; при этом блок управления выполнен с возможностью определения последовательности декодированных символов û источника, посредством чего декодированный символ û источника определяется путем взятия линейных комбинаций z и половины символов z и z для значений l в окрестности k, где z является первой половиной z, а z является второй половиной z.
N-1
N-1
N
Блок обработки может быть выполнен с возможностью определения последовательности декодированных символов û источника посредством использования согласованного фильтра, имеющего набор коэффициентов, содержащих последовательность [-1, 0, 1, 1] в терминах половин символов. В соответствии с вариантом осуществления, согласованный фильтр имеет 2N+4 коэффициента в терминах половин символов, начиная с последовательности [-1, 0], за которой следует N пар коэффициентов, колеблющихся между [1, 1] и [-1, -1], до N-й пары, которая равна [(-1), (-1)], и заканчивая последовательностью [0, (-1)].
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, изложенных в формуле изобретения. Подобным образом преимущества первого аспекта применяются ко второму аспекту, третьему аспекту, четвертому аспекту и пятому аспекту, и наоборот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеописанные и другие аспекты настоящего изобретения будут более подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие вариант(ы) осуществления изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует систему освещения в соответствии с вариантом осуществления;
фиг.2 иллюстрирует источник света в соответствии с вариантом осуществления;
фиг.3 иллюстрирует декодер информации в соответствии с вариантом осуществления;
фиг.4a-4c иллюстрируют кодеры регистров сдвига в соответствии с вариантами осуществления;
фиг.5 иллюстрирует декодер регистра сдвига в соответствии с вариантом осуществления;
фиг.6a-e иллюстрируют последовательности импульсов для символов источника и символов канала в соответствии с вариантами осуществления;
фиг.7a-7g иллюстрируют спектральные представления последовательностей символов канала в соответствии с вариантами осуществления;
фиг.8a-8b представляют собой блок-схемы в соответствии с вариантами осуществления.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описанные ниже варианты осуществления приведены в качестве примера, так что это раскрытие будет всесторонним и полным и будет полностью передавать объем изобретения специалистам в данной области техники. Одинаковые номера ссылаются на идентичные элементы на всем протяжении.
Фиг.1 иллюстрирует систему 1 освещения, которая содержит по меньшей мере один источник света, схематически обозначенный номером 2 позиции. По меньшей мере один источник 2 света может быть осветительным устройством и/или быть частью системы управления освещением, таким образом система 1 освещения может быть обозначена как система кодированного освещения. Осветительное устройство может содержать по меньшей мере один источник 2 света. Термин "источник света" означает устройство, которое используется для предоставления света в помещении в целях освещения объектов в помещении. Помещение в этом контексте представляет собой, как правило, комнату в квартире или помещение в офисе, спортивный зал, помещение в общественном месте или часть наружной среды, такой как часть улицы. Каждый источник 2 света способен испускать кодированный свет, как схематично проиллюстрировано стрелкой 6. Испущенный свет, таким образом, содержит модулированную часть, связанную с кодированным светом, содержащую информационные последовательности. Испущенный свет также может содержать немодулированную часть, связанную с вкладом в освещение. Каждый источник 2 света может быть связан с рядом настроек освещения, помимо прочего относящихся к вкладу в освещение источника света, таких как цвет, цветовая температура и интенсивность испущенного света. Вообще вклад в освещение источника света может быть определен как усредненный по времени выход света, испущенного источником 2 света. Источник 2 света будет дополнительно описан со ссылкой на фиг.2.
Как было отмечено выше, по меньшей мере один источник 2 света испускает информационные последовательности через видимый свет 6. Перед тем как информационные последовательности испускаются через видимый свет 6, они преобразуются в последовательность символов канала для формирования модулированного сигнала. Этот сигнал модуляции может затем действовать как сигнал управления, чтобы управлять по меньшей мере одним источником света. Сигнал управления может тем самым определить последовательность импульсов, которая переключает по меньшей мере один источник 2 света между испусканием света (в состоянии "ВКЛ") и неиспусканием света (в состоянии "ВЫКЛ").
Система 1 освещения дополнительно содержит устройство, называемое декодером 4 информации. Декодер 4 информации выполнен с возможностью декодирования информационной последовательности из кодированного света, испущенного по меньшей мере одним источником 2 света. Декодер 4 информации будет дополнительно описан со ссылкой на фиг.3.
Система 1 освещения может дополнительно содержать другие устройства 10, выполненные с возможностью управления и/или предоставления информации по меньшей мере одному источнику 2 света.
Фиг.2 схематически иллюстрирует источник 2 света в терминах ряда функциональных блоков. Источник 2 света содержит эмиттер 14 для испускания кодированного света. Эмиттер 14 может содержать один или более LED, но также мог бы содержать один или более источник FL или HID, и т.д. Вообще схемы кодирования могут использовать несколько источников света. Например, 3-уровневая схема кодирования может иметь два LED, использующих преобразования (ВЫКЛ, ВЫКЛ) для уровня "-A", (ВКЛ, ВЫКЛ) для уровня "0" и (ВКЛ, ВКЛ) для уровня "+A". Как определяются уровни - раскрыто ниже. Эмиттер управляется устройством 18 управления светом. Устройство 18 управления светом может содержать или быть частью блока 16 обработки, такого как центральный процессор (CPU). По существу устройство 18 управления светом содержит приемник 20 и передатчик 24. Приемник 20 может быть выполнен с возможностью получения настроек, информации управления, параметров кода и тому подобного. Приемник 20 может быть приемником, выполненным с возможностью получения кодированного света. Приемник 20 может содержать инфракрасный интерфейс для получения инфракрасного света. Альтернативно приемник 20 может быть радиоприемником для получения переданной по беспроводной связи информации. Кроме того, альтернативно приемник 20 может содержать разъем для получения информации, переданной по проводной связи. Провод может быть кабелем линии электропередачи. Провод может быть компьютерным кабелем. Информация, относящаяся к настройкам, информация управления, параметры кода и тому подобное могут храниться в памяти 22.
1
k
K
k
1
k
K
k
Устройство 18 управления светом может получать информацию через приемник 20, связанный с информационной последовательностью, которая должна быть передана посредством кодированного света источником 2 света. Например, используя блок 16 обработки, устройство 18 управления светом может изменить кодирование кодированного света, так что кодированный свет, испускаемый эмиттером 14, будет содержать информационную последовательность (кодированную версию информационной последовательности). Чтобы достичь такой передачи, устройство 18 управления светом может быть выполнено с возможностью осуществления ряда функций. Например, приемник 20 выполнен с возможностью получения последовательности u=[u, ..., u, ..., u] символов u источника, представляющих информационную последовательность источника информации. Блок 16 обработки выполнен с возможностью определения из последовательности символов источника последовательности z=[z, ..., z, ..., z] символов z канала, формирующих сигнал управления. Передатчик 24 выполнен с возможностью предоставления источнику 2 света сигнала управления, тем самым управляя источником 2 света. Эти функции будут описаны более подробно ниже со ссылкой на блок-схему на фиг.8a. Альтернативно, источник 2 света не содержит устройство управления светом. Устройство 18 управления светом может таким образом быть частью системы 1 освещения.
1
k
K
k
k,1
k,2
1
k
K
k
Декодер 4 информации может быть выполнен с возможностью обнаружения и получения света, такого как кодированный свет, содержащего информационные последовательности, испущенные по меньшей мере одним источником 2 света, а также света, испущенного источниками света вне системы 1 освещения (не показаны). Приемник 4 выполнен с возможностью определения из обнаруженного и полученного света информационных последовательностей, переданных по меньшей мере одним источником 2 света. Функциональная блок-схема для декодера 4 информации в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения приведена на фиг.3. Декодер 4 информации содержит приемник 34, выполненный с возможностью получения сигнала из детектора 32 света, при этом сигнал служит признаком последовательности z=[z, ..., z, ..., z] символов z=(z, z) канала. Декодер 4 информации дополнительно содержит блок 26 обработки, выполненный с возможностью определения из сигнала последовательности û=[û, ..., û, ..., û] декодированных символов û источника, формирующих декодированную информационную последовательность. Чтобы достичь такого определения, декодер 4 информации может быть выполнен с возможностью осуществления ряда функций. Эти функции будут описаны ниже со ссылкой на блок-схему на фиг.8b. Декодер 4 информации может дополнительно содержать память 28 и передатчик 30. Память 28 может хранить инструкции, относящиеся к функциям для оценки информационной последовательности. Передатчик 30 может использоваться, чтобы передавать информацию по меньшей мере одному источнику 2 света в системе 1 освещения.
Как было отмечено выше, перед тем как информационные последовательности испускаются через видимый свет 6, они преобразуются в последовательность символов канала для формирования модулированного сигнала. Преобразование включает в себя определение схемы модуляции, с помощью которой должна модулироваться последовательность символов канала. Манчестерский код (или бифазный код) обычно используется в качестве средств для модуляции кодированного света. В Манчестерском кодировании каждый входной бит (также называемый пользовательским битом) преобразуется в пару символов канала, где символы канала в каждой паре имеют различные знаки. А именно, "1" преобразуется в пару {+1, -1}, в то время как "0" преобразуется в пару {-1, +1} (или наоборот). Очевидно, что Манчестерский код свободен от DC, поскольку средняя передаваемая амплитуда равна нулю. Фиг.7a иллюстрирует по номеру 52 позиции представление частоты (в форме спектральной плотности мощности, PSD) переданного колебательного сигнала для примера со скоростью передачи данных 500 пользовательских бит/сек с использованием Манчестерского кода. Однако из-за относительно медленного затухания PSD видимое мерцание может быть привнесено в испущенный свет.
Эта проблема может быть преодолена с помощью способов, устройств и идей системы, как раскрыто ниже, которые предоставляют преобразования из символов u источника в символы z канала, приводя к тому, что PSD у нулевой частоты последовательности z символов канала равна нулю, и где PSD имеет более быстрое затухание, чем Манчестерский код. Сигнал управления (т.е. сигнал, основанный на последовательности символов канала, сгенерированных устройством 18 управления светом, и используемый для управления по меньшей мере одним источником 2 света) тем самым дает возможность того, что видимое мерцание не присутствует в кодированном свете, испущенном по меньшей мере одним источником 2 света. Средства для предоставления такого преобразования, а также декодирования информационной последовательности, которая была смодулирована таким преобразованием, будут раскрыты ниже. Вкратце, предоставляется набор преобразований, которые могут быть рассмотрены как модификация Манчестерского правила кодовой модуляции, которое переводит биты в колебательные сигналы. Предложенные преобразования особенно полезны для передачи информации, встроенной в свет. Хорошие низкочастотные свойства обеспечивают отсутствие видимого мерцания и низкую восприимчивость к низкочастотным помехам. В частности, предложенные преобразования дают возможность улучшения "свободного от DC" свойства Манчестерского кода, таким образом приводя к намного меньшему видимому мерцанию (или даже к полному отсутствию мерцания) испущенного кодированного света, при этом улучшая подавление 50 Гц и 100 Гц помех в декодере информации для заданной (низкой) скорости передачи битов благодаря более быстрому затуханию PSD. Такие различные аспекты системы модуляции для связи через видимый свет будут рассмотрены ниже.
k
k
k,1
k,2
k,1
k,2
k,2
k
k+1
k,1
k,1
k
k,2
k,2
k
k+1
k,1
k,2
0
В соответствии с первым предложенным преобразованием, каждый пользовательский бит u, u∈{-1, +1} из строки пользовательских битов u преобразуется в группу двух символов (z, z) канала, где z, z∈{-1, 0, +1}, где z зависит от u текущей группы и u следующей группы. Таким образом, преобразование для z определено как z=u, а преобразование для z определено как: u=-(u+u)/2. Последовательность символов z канала, таким образом, формируется парами двух символов (z, z) канала. Одним из преимуществ кодирования с использованием первого предложенного преобразования над Манчестерским кодированием является спектр мощности, как, например, спектральная плотность мощности, который соответствует преобразованию Фурье автокорреляционной функции последовательности канала. Для амплитудной модуляции с амплитудой A около среднего уровня A последовательность z символов канала передается с амплитудой A0+A·z. Спектр мощности для Манчестерского кодирования, таким образом, равен
,
где T представляет собой время передачи пользовательского бита. Для первого предложенного преобразования спектр мощности равен
.
2
4
2
4
Таким образом, спектр первого предложенного преобразования сильнее подавляется вокруг частот, которые являются кратными 2/T, чем в Манчестерском кодировании. В частности, для частот, близких к нулю, Манчестерский спектр мощности составляет O(f), тогда как спектр мощности для первого предложенного преобразования составляет O(f). Другими словами, спектр Манчестерского кодирования затухает как f для f, близких к нулю, тогда как спектр мощности, использующий первое предложенное преобразование, затухает как f для f, близких к нулю. По номеру 54 позиции на фиг.7b PSD для первого предложенного преобразования сравнивается с Манчестерским (бифазным) преобразованием по номеру 56 позиции для равной скорости передачи пользовательских битов соответственно. Как может быть видно на этой фигуре, первое предложенное преобразование имеет значительно более широкую зону отсутствия сигнала вокруг DC (нулевой частоты), чем Манчестерское (бифазное) преобразование.
k
k,1
k,1
k,1
k,2
k,1
k
k,2
k,2
k,1
k+1,1
k,2
1
j
N
j
j-1
N
1
Если спектральная "дыра" вокруг DC должна быть расширена, первое предложенное преобразование может быть расширено до второго класса предложенных преобразований. В соответствии с модуляцией, использующей второе предложенное преобразование, один бит u∈{-1, +1} источника преобразуется в слово [z  ... z  ... z , z], содержащее N+1 символов, где первые N символов определены как: z =(-1)u, для j=1, ... , N, и где z определено преобразованием z=-(z +z )/2. Эффект второго предложенного преобразования заключается в том, что полоса сигнала сдвигается вверх по частоте, таким образом освобождая низкие частоты. Второе предложенное преобразование может рассматриваться как вид фазовой модуляции квадратной несущей, где объединяющий символ z служит для "сглаживания" переходов для сохранения требуемой полосы пропускания маленькой. Фиг.7c показывает по номеру 58 позиции PSD для второго предложенного преобразования для N=2 в сравнении с Манчестерским импульсом по номеру 60 позиции и преобразованием, определенным как [+1, -1, -1, +1], по номеру 62 позиции, все при одной и той же скорости передачи битов в 500 бит/сек. Фиг.7d показывает по номеру 64 позиции PSD для второго предложенного преобразования для N=4 все для одной и той же скорости передачи битов в 500 бит/сек и снова в сравнении с Манчестерским импульсом по номеру 66 позиции и преобразованием, определенным как [+1, -1, -1, +1], по номеру 68 позиции.
k
k
4L
Однако даже более сильное подавление, чем достигнутое первым и вторым предложенными преобразованиями, может быть необходимо в некоторых применениях. Первое и второе предложенные преобразования могут быть дополнительно расширены до класса третьих предложенных преобразований. Класс третьих предложенных преобразований обозначен целым числом L и включает в себя преобразование символов u источника в имеющие значение 3L символы z канала. Результирующий переданный сигнал (когда используется амплитудная модуляция) имеет низкую мощность на низких частотах и затухает как (fT), где f представляет собой частоту, а T - время передачи бита. Соответствующий пороговый приемник согласованного фильтра имеет подобное подавление низкочастотных помех. Для L=1 покрывается первое предложенное преобразование. Для L=2 схема дает хороший баланс между практичностью и желаемыми низкочастотными свойствами.
k
k,1
k,2
k,1
k
k,2
В частности, в соответствии с классом третьих предложенных преобразований каждый символ z канала представляет собой пару (z, z), где z=u, и где промежуточные символы z будут выбраны как
,
L,l
где для заданного значения L коэффициенты a определяются условием, что
,
так что спектр мощности
представляет собой .
L,l
Для каждого значения L поиск коэффициентов a является вопросом линейной алгебры. Результаты для первых нескольких значений L представляют собой
k,2
L
Промежуточные символы z, будучи взвешенной суммой L троичных символов, могут принимать 3 различных значений. Как было отмечено выше, для L=1 покрывается первое предложенное преобразование. Установка L=2 дает существенное низкочастотное улучшение над L=1, сохраняя при этом количество уровней, ограниченное девятью, а именно значения во множестве:
.
Поскольку максимальная амплитуда составляет 5/4 в этом случае по сравнению с 1 для L=1, максимальная глубина A модуляции для L=2 составляет 4/5 раз максимальной амплитуды для L=1.
2
Последовательность пользовательских битов, таким образом, преобразуется в последовательность символов канала, как описано выше. Эти символы канала передаются по каналу (т.е. по меньшей мере от одного источника 2 света к декодеру 4 информации) с использованием связи через видимый свет, например, с использованием амплитудной модуляции. В декодере 4 информации полученные 'мягкие' символы могут быть отправлены через согласованный фильтр, а расчетная последовательность источника, или пользовательские биты, может быть обнаружена посредством пороговой схемы (с использованием, например, знаковой функции), см. ниже. Фиг.7e показывает PSD как функцию fT, разделенную на AT, для Манчестерского кодирования по номеру 76 позиции, а также для третьего класса предложенного преобразования для L=1 по номеру 72 позиции, L=2 по номеру 74 позиции и L=3 по номеру 78 позиции соответственно. Как отмечено на фигуре, частотный разрыв вблизи нулевой частоты увеличивается с увеличением L.
k
k
k,1
k,2
k,1
k,2
low
high
low
high
k
k
k,1
k,2
k,1
k,2
high
low
high
low
Как раскрыто выше, в соответствии с первым предложенным преобразованием, каждый пользовательский бит u, u∈{-1, +1}, из строки пользовательских битов u преобразуется в группу двух символов (z, z) канала, где z, z∈{-1, 0, +1}. Первое и второе предложенные преобразования, для которых выходной колебательный сигнал, таким образом, может принимать значения в троичном алфавите {A, 0, A}, могут быть дополнительно расширены до класса четвертых предложенных преобразований, для которых выходной колебательный сигнал принимает значения в двоичном алфавите {A, A}. Таким образом, для класса четвертых предложенных преобразований каждый пользовательский бит u, u∈{-1, +1} из строки пользовательских битов u преобразуется в группу двух символов (z, z) канала, где z, z∈{-1, +1}. Следовательно, тогда как первое и второе предложенные преобразования обычно требуют трех световых выходных уровней, четвертое предложенное преобразование обычно требует только двух световых выходных уровней; для первого и второго предложенных преобразований колебательный сигнал, соответствующий символу +1, может, как раскрыто выше, быть импульсом с высокой амплитудой A, колебательный сигнал, соответствующий символу -1, может быть импульсом с низкой амплитудой A, а колебательный сигнал, соответствующий символу '0', может быть импульсом с амплитудой (A+A)/2.
k,2
high
low
0
Для класса четвертых предложенных преобразований символ '0', который используется только для z, и, следовательно, имеет ненулевую поддержку в [T/2, T), может быть сформирован с использованием комбинации амплитуды A высокого уровня и амплитуды A низкого уровня, поддерживая при этом спектр мощности низкой частоты четвертого порядка. Для колебательного сигнала '0' W(t) с поддержкой в [T/2, T) требования, таким образом, могут быть сформулированы как:
.
0
0
low
0
high
Если количество изменений уровня внутри символа ограничено, количество колебательных сигналов, удовлетворяющих этим ограничениям, конечно. Минимальное число изменений уровня для такого колебательного сигнала W(t) составляет два, и в этом случае есть две возможности: первая возможность имеет W(t)=A для t∈[T/2, 5T/8) и [7T/8, T) и W(t)=A для t∈[5T/8, 7T/8), вторая возможность является такой же, как первая, но с поменянными местами высоким и низким уровнями.
+
-
+-
-+
+-
-+
Обозначим W колебательный сигнал для передачи символа '+1' и W колебательный сигнал для передачи символа '-1'. Символ '0' может, таким образом, быть передан как колебательный сигнал, обозначенный W, если ему предшествует символ '+1', и за ним следует символ '-1', и как иной колебательный сигнал, обозначенный W, если ему предшествует символ '-', и за ним следует символ '+'. Например, если колебательные сигналы W и W удовлетворяют следующим условиям (которые, таким образом, соответствуют условиям a), b) и c) выше):
,
спектральная плотность мощности свободна от дельта пиков на ненулевых частотах и имеет поведение низкой частоты четвертого порядка.
+-
-+
+-
-+
С одним изменением уровня внутри каждого колебательного сигнала W и W никакое изменение уровня при переходах между символом '0' и предшествующими символами и никакое изменение уровня при переходах между символом '0' и следующим за ним символом, W и W не может быть выбрано как
+-
high
+-
low
W(t)=A для всех t∈[T/2, 5T/4), и W(t)=A для всех t∈[5T/4, T)
-+
low
-+
high
W(t)=A для всех t∈[T/2, 5T/4), и W(t)=A для всех t∈[5T/4, T).
k,2
+-
-+
k
k+1
k
k+1
k,2
+-
+-
-+
k,2
+-
high
low
-+
low
high
Таким образом, z представлено посредством либо W, либо W в зависимости от значений u и u. Если u=+1 и u=-1, то z представлено посредством W и наоборот. Кроме того, поскольку W и W меняют уровни, каждое z также будет менять уровни и в соответствии с вышесказанным будет состоять из двух подчастей; для W первая подчасть будет иметь значение A, а вторая подчасть будет иметь значение A, а для W первая подчасть будет иметь значение A, а вторая подчасть будет иметь значение A. По номеру 92 позиции на фиг.7f-7g, где фиг.7g дает увеличенную версию вокруг нулевой частоты графика на фиг.7f, PSD для четвертого предложенного преобразования сравнивается с Манчестерским (бифазным) преобразованием по номеру 94 позиции и первым предложенным преобразованием по номеру 96 позиции для равных скоростей передачи пользовательских битов. Как может быть видно на фиг.7f-7g, четвертое предложенное преобразование имеет более узкую зону отсутствия сигнала вокруг DC (нулевой частоты), чем первое предложенное преобразование, но все еще более широкую, чем Манчестерское (бифазное) преобразование.
k,2
k,1
k+1,1
k+1
k
+-
k+1,1
-+
k+1,1
N-1
1
N
1
1
Использование двух различных колебательных сигналов для промежуточных символов (т.е. символов '0') также может быть применено для класса вторых предложенных преобразований. В частности, если троичный символ z, который должен быть вставлен между z  и z , представляет собой '0' (т.е. если u=(-1) u), колебательный сигнал W может быть использован, если z =-1, и колебательный сигнал W может быть использован, если z =1.
k,2
k,1
k,2
k,2
k,1
k,2
k,1
k+1,1
L
Для третьего класса предложенных преобразований z может, в соответствии с вышесказанным, принимать 3 различных значений, некоторые из которых больше чем +1, или меньше чем -1. Значения z и z символа третьего класса предложенных преобразований могут быть масштабированы, так что они все будут лежать в интервале [-1, 1]. В качестве примера, для L=2 возможные значения становятся -1, -9/10, -4/5, -1/10, 0, 1/10, 4/5, 9/10, 1 для z и -4/5, +4/5 для z. Колебательный сигнал, представляющий символ z, может быть сформирован с использованием высокого уровня для доли (1+z)/2 времени передачи символа и низкого уровня для доли (1-z)/2 времени передачи символа. Кроме того, для символов z три 'высоких' значения 4/5, 9/10 и 1 символа могут возникнуть только между парой символов (z, z), равных (-4/5, -4/5), поэтому для высоких значений символа колебательный сигнал может предпочтительно начинаться и заканчиваться 'высокими' и иметь 'низкую' часть в середине. Подобным образом, колебательные сигналы для трех низких значений -1, -9/10 и -4/5 символа могут начинаться и заканчиваться 'низкими' и иметь 'высокую' часть в середине. Три 'средних' значения -1/10, 0, 1/10 символа могут возникнуть только между парой (-4/5, 4/5) или (4/5, -4/5), поэтому для этих символов может быть предпочтительно иметь два различных колебательных сигнала; первый колебательный сигнал, начинающийся 'низким' и заканчивающийся 'высоким', другой колебательный сигнал, начинающийся 'высоким' и заканчивающийся 'низким', и где используется колебательный сигнал, который согласуется с соседними уровнями сигнала.
В целом, как Манчестерское кодирование, так и кодирование, основанное на первом предложенном преобразовании, допускают простой пороговый приемник, основанный на согласованных фильтрах:
и
,
k
соответственно, где z в правой части показывает полученные части в декодере 4 информации. Низкочастотное подавление этих фильтров напрямую относится к спектрам мощности соответствующих сигналов. Простая реализация декодера для первого предложенного преобразования может, таким образом, содержать интегрирующий фильтр со сбросом для каждого полученного символа z канала. Декодер с жестким решением может, таким образом, вычислять выражение
k
k
и сравнивать результат с порогом 0 для выбора между переданным +1 или -1 (т.е. либо u=+1, либо u=-1). Из этого и вышесказанного специалист в данной области техники понимает, как согласованный пороговый приемник может быть реализован для второго и третьего предложенных преобразований, соответственно. В частности, пороговый приемник согласованного фильтра для третьего предложенного преобразования может быть выражен как
,
где z-значения в правой части представляют собой измеренные значения этих символов в приемнике.
k,1
k-1,2
k,2
Вышеприведенное выражение (z-(z+z)/2) для первого предложенного преобразования соответствует выходу приемника, имеющего согласованный фильтр с коэффициентами [-1/2, 1, -1/2] фильтра. Подобным образом, согласованные фильтры, соответствующие предложенному второму классу преобразования, могут иметь следующие наборы коэффициентов:
N=1: [-1/2, 1, -1/2]
N=2: [-1/2, 1, -1, 1/2]
N=3: [-1/2, 1, -1, 1, -1/2]
N=4: [-1/2, 1, -1, 1, -1, 1/2]
и так далее (как отмечено выше, для N=1 второй класс преобразования соответствует первому преобразованию).
k
k
high
low
k
high
low
k
high
low
В общих чертах основанный на согласованном фильтре приемник свертывает коэффициенты фильтра с полученным колебательным сигналом и затем выводит значения в выборочные моменты. Если пользовательскому биту u предшествуют и за ним следуют пользовательские биты с таким же значением, символы, предшествующие и следующие за символом, соответствующим биту, имеют противоположное значение, так что свертка с согласованным фильтром дает u·(A-A)·T/2. Если один из соседних битов имеет противоположный знак, один из соседних символов представляет собой '0', и выход согласованного фильтра представляет собой (3/4)·u·(A-A)·T/2. Кроме того, если оба соседних бита имеют противоположный знак, выход согласованного фильтра представляет собой (1/2)·u·(A-A)·T/2.
k,2
k,2
k,2,L
k,2
k,2,R
k,2,L
k,2
k,2,R
k,2
k
l,1
l,2,L
l,2,R
Приемник для четвертого предложенного преобразования также может быть основан на согласованном фильтре. В частности, вышеупомянутый пороговый приемник согласованного фильтра для первого предложенного преобразования может также использоваться для четвертого предложенного преобразования с хорошими результатами. В общих чертах для оптимального декодирования четвертого преобразования приемнику необходимо учитывать уровни сигнала в обеих половинах символа колебательного сигнала, представляющего символ z (для всех k), т.е. символы, которые могут представлять '0'. Обозначим первую половину z как z, а вторую половину z как z. Другими словами, z соответствует z для t∈[T/2, 5T/4), а z соответствует z для t∈[5T/4, T) внутри каждого интервала [0, T). Таким образом, декодирование u включает в себя взятие линейных комбинаций z, z и z для значений l в окрестности k. В частности, согласованный фильтр для четвертого предложенного преобразования может предпочтительно иметь импульсную переходную характеристику, соответствующую коэффициентам [-1, 0, +1, +1, 0, -1] фильтра, и, следовательно, быть разделенным на шесть блоков, каждый имеющий продолжительность T/4. Таким образом, для этих коэффициентов фильтра выходной сигнал не зависит от значения соседних битов.
Коэффициенты фильтра согласованного фильтра для четвертого предложенного преобразования могут также использоваться в основанном на согласованном фильтре приемнике для первого предложенного преобразования. Использование коэффициентов фильтра согласованного фильтра для четвертого предложенного преобразования в основанном на согласованном фильтре приемнике для первого предложенного преобразования может для пользовательских битов, которые обнаружены посредством взятия знака выходного сигнала согласованного фильтра, уменьшить вероятность некорректного обнаружения вследствие дополнительного шума, если один или оба из соседних пользовательских битов имеют противоположный знак. В частности, для класса вторых предложенных преобразований согласованные фильтры могут иметь следующие наборы коэффициентов в терминах 'половин символов':
N=1: [-1, 0, 1, 1, 0, -1]
N=2: [-1, 0, 1, 1, -1, -1, 0, 1]
N=3: [-1, 0, 1, 1, -1, -1, 1, 1, 0, -1]
N=4: [-1, 0, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 0, 1]
N-1
N-1
N
и так далее (как отмечено выше, для n=1 второй класс преобразований соответствует первому преобразованию). Таким образом, в целом согласованный фильтр может иметь 2N+4 коэффициентов в терминах 'половин символов'. Коэффициенты могут начинаться с последовательности [-1, 0]. За этой стартовой последовательностью затем могут следовать N пар коэффициентов, колеблющихся между [1, 1] и [-1, -1] до N-й пары, которая равна [(-1), (-1)]. Коэффициенты могут затем заканчиваться последовательностью [0, (-1)]. Приемник может использовать либо фильтр для декодирования, либо преобразование с одинаковым значением N, конечно же. Фильтры для четвертого преобразования в равной степени хороши или лучше, чем фильтры для первого или второго преобразований. Обнаружение масштабированного третьего класса предложенных преобразований может требовать более высокой временной точности (как, например, передискретизации в детекторе), чем для первоначально предложенного третьего класса преобразований. Однако согласованный фильтр для основанной на амплитуде системы L=2 может использоваться в детекторе для вышеописанных масштабированных символов, тем самым уменьшая требования к временной точности.
k+1
k
k,1
k
k,2
k
k+1
k,1
k,2
Как кодер (т.е. процесс преобразования), так и декодер (обратный процесс преобразования) могут быть реализованы с использованием регистров сдвига. Фиг.4a иллюстрирует по номеру 36 позиции реализацию на регистрах сдвига кодера, основанного на первом предложенном преобразовании. Последовательность u источника подается в регистр сдвига, имеющий две ячейки памяти, одна для хранения u и одна для хранения u. z напрямую получается из u. z получается прибавлением сначала u и u, а затем умножением этой суммы на множитель -1/2. z и z затем преобразуются в последовательную форму в мультиплексоре (mux) для формирования финальной последовательности z символов канала.
k+1
k
k,1
k,1
k,1
k,1
k,1
k,1
k
k,1
k
k,1
k
k,1
k
k,1
k,1
k,1
k,1
k,2
k,1
k+1
k,1
k,2
1
n
N
n
n
n
n
1
n
N
N
Фиг.4b иллюстрирует по номеру 38 позиции реализацию на регистрах сдвига кодера, основанного на втором предложенном преобразовании. Последовательность u источника подается в регистр сдвига, имеющий две ячейки памяти, одна для хранения u и одна для хранения u. z формируется как последовательность z=[z , ..., z , ..., z ], где каждый z  получается из последовательности альтернированных u со знаком; z =u, если n является нечетным, и z =-u, если n является четным. Другими словами, чтобы получить z , u либо умножается на +1 (т.е. не требуется никакой операции), либо на -1. Результирующая последовательность z=[z , ..., z , ..., z ] затем подается в мультиплексор (mux). z получается прибавлением сначала z  и u, а затем умножением этой суммы на множитель -1/2. z и z затем преобразуются в последовательную форму в мультиплексоре для формирования финальной последовательности z символов канала.
k+2
k+1
k
k-1
k,1
k
k,2
k+2
k+1
k
k-1
k+2
k+1
k
k-1
k,2
k,2
k+2
k+1
k
k-1
k,1
k,2
Фиг.4c иллюстрирует по номеру 40 позиции реализацию на регистрах сдвига кодера, основанного на третьем предложенном преобразовании. Для L=2 последовательность u источника подается в регистр сдвига, имеющий четыре ячейки памяти для хранения u, u, u и u, соответственно. z напрямую получается из u. z получается из взвешенной суммы u, u, u и u, соответственно. Как было отмечено выше, весовые множители для L=2 равны 1/16, -9/16, -9/16 и 1/16, соответственно. Таким образом, согласно первой реализации u, u, u и u сначала умножаются на 1, -9, -9 и 1, соответственно, затем складываются, а затем умножаются на множитель 1/16, чтобы получить z. Альтернативно, z может быть найден путем непосредственного умножения u, u, u и u на 1/16, -9/16, -9/16 и 1/16, соответственно, таким образом устраняя необходимость для дополнительного множителя. z и z затем преобразуются в последовательную форму в мультиплексоре (mux) для формирования финальной последовательности z символов канала.
k,1
k,2
k,2
k-1,2
k,2
k-1,2
k,2
k,1
Фиг.5 иллюстрирует по номеру 42 позиции реализацию на регистрах сдвига декодера, основанного на первом предложенном преобразовании. Полученная последовательность z канала подается в демультиплексор (dmux) для получения z и z. z подается в регистр сдвига, имеющий две ячейки памяти, одна для хранения z и одна для хранения z. z и z складываются и умножаются на множитель -1/2. Расчетная последовательность û источника затем получается путем сложения результата этого умножения с z и затем взятия знака суммы.
k,2
Фиг.6a-d дают пример применения первого предложенного преобразования. Фиг.6a иллюстрирует по номеру 44 позиции последовательность u=[-1, -1, +1, +1, -1, ...] источника, которая помимо прочего может представлять информационную последовательность [0, 0, 1, 1, 0, ...]. Представление колебательного сигнала для последовательности u источника проиллюстрировано по номеру 46 позиции на фиг.6b, где каждый бит источника имеет продолжительность времени T секунд. Для иллюстративной цели только амплитуда колебательного сигнала ограничена интервалом от -1 до +1, но вообще она может быть от -A до +A, если используется амплитудная модуляция с амплитудой A. Как понимает специалист в данной области техники, в равной степени возможны другие способы модуляции, помимо амплитудной модуляции. Фиг. 6c иллюстрирует по номеру 48 позиции соответствующую последовательность символов z канала, т.е. z=[-1, +1, -1, 0, +1, -1, +1, 0, -1, ?, ...], где "?" является либо "0", либо "+1", в зависимости от следующего символа источника. Представление колебательного сигнала для последовательности z канала проиллюстрировано по номеру 50 позиции на фиг.6d. Таким образом, преобразование подобно бифазному, если следующие друг за другом пользовательские биты одинаковые. Однако если два следующих друг за другом бита не одинаковые, первое предложенное преобразование выводит "0" в качестве бита z слияния, что приводит к гладкому переходу переданного колебательного сигнала, таким образом предотвращая генерирование частот, которые "очень далеки" от квазинесущей частоты (500 Гц в примере выше).
k
k+1
k,2
+-
-+
+-
-+
high
low
Фиг.6e дает пример применения четвертого предложенного преобразования, используемого для того же примера, что и для фиг.6a-d, т.е. для последовательности u=[-1, -1, +1, +1, -1, ...] источника, которая, помимо прочего, может представлять информационную последовательность [0, 0, 1, 1, 0, ...]. Представление колебательного сигнала для последовательности z канала для четвертого предложенного преобразования проиллюстрировано по номеру 90 позиции на фиг.6e. Представление колебательного сигнала подобно представлению первого предложенного преобразования, проиллюстрированного на фиг.6d. Однако если два следующих друг за другом пользовательских бита u, u не одинаковы, четвертое предложенное преобразование не выдает '0' в качестве бита z слияния, а вместо этого выдает либо W (если ему предшествует символ '+1' и за ним следует символ '-1'), либо W (если ему предшествует символ '-1' и за ним следует символ '+1'), где W и W определяются в соответствии с вышесказанным и где для настоящего примера A='+1' и A='-1'.
Применение предложенных преобразований подходит для связи через видимый свет (VLC) между лампами или между лампами и пультом управления. В терминах стека OSI (Open Systems Interconnection, Взаимодействие Открытых Систем), определяющих такую связь, это сформировало бы часть определения физического уровня. Специалист в данной области техники осознает, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Наоборот, многие модификации и варианты возможны в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Например, хотя раскрытые варианты осуществления были проиллюстрированы в контексте окружения кодированного света, предложенные преобразования применимы к общей передаче данных и передаче информации, как, например, радиосвязь. Раскрытое устройство управления светом может быть затем заменено устройством управления, выполненным с возможностью управления радиопередатчиком. Подобным образом декодер информации может быть выполнен с возможностью декодирования информационной последовательности из полученного радиосигнала. Кроме того, различные уровни, включенные в отдельные символы канала, были преобразованы в амплитуду переданного уровня света. Эти уровни могут быть преобразованы в схему широтно-импульсной модуляции (которая также может быть подходящей для системы VLC, основанной на LED). Предложенные схемы могут даже быть реализованы таким образом, что декодер информации не должен определять, какая система (амплитудной модуляции или широтно-импульсной модуляции) используется в передатчике.