JP2008514083A - 自由空間光伝送用送信装置 - Google Patents

Abstract

本発明は自由空間光伝送のための送信装置であり、１つ以上の放電ランプにより生成される赤外線帯域及び／又は可視帯域及び／又は紫外線帯域の電磁波を使用する、空間を介する伝送のための送信装置に関する。本装置は、その入力端子（１）によりＡＣエネルギー分配システムへ接続される。主フィルタ（２）は、整流器（３）、力率補正回路（４）、低電圧電源（５）及びインバータ（８）を備える電力回路により生成される導電性電磁妨害を低減させる。インバータ（８）は熱陰極蛍光ランプ（１０）に接続される直列インダクタ（９）とキャパシタ（１２）とに接続され、並列キャパシタ（１１）は上記ランプの最適開始を可能にする。配電線（６）を介する伝送のための受信機はインバータ（８）のスイッチの状態を制御する制御回路（７）に印加される「復調信号」を配信する。生成される光は、「復調信号」の関数として変調される。

Description

本発明は、１つ以上の放電ランプにより生成される赤外線帯域及び／又は可視帯域及び／又は紫外線帯域の電磁波を使用する、空間を介する伝送のための送信装置に関する。

２００４年９月２０日に出願された「自由空間における光伝送のための送信装置」と題するフランス国特許出願第０４０９９３９号は、本参照により開示に含まれる。

本明細書において、「光」という用語は、可視光及び／又は赤外光及び／又は紫外光を含む可能性のある電磁放射線を指す。本明細書において、「放電ランプ」という表現は、任意のタイプの放電ランプを指す。このランプは、例えば低圧放電ランプ、例えば水銀蒸気蛍光管であってもよく、又は小型蛍光ランプ又はナトリウム蒸気ランプ、その他であってもよい。このランプは、例えば高圧放電ランプ、例えばヨウ化金属ランプ等であってもよい。

光伝送に放電ランプを使用する考案は、とりわけ特許文献１〜５のような幾つかの特許出願において既に開示されている。

また、２０ｋＨｚを超える周波数で放電ランプにより生成される光を変調する可能性も、とりわけ非特許文献１及び２のような幾つかの技術の通信において確立されている。

米国特許第３，９００，４０４号に対応する「光通信システム」と題するマーティン・アール・ダックスによる１９７５年の出願。（The application of Martin R. Dachs entitled "Optical communication system" corresponding to the patent number 3,900,404 of the United States of America, of 1975.） 特開昭６０−０３２４４３号公報に対応する仲田眞一による１９８５年に公開された出願。（The application of Shinichi Nakada corresponding to the Japanese patent number JP60032443, published in 1985.） 「放電ランプ用駆動装置の動作方法と駆動装置」と題するラーズ・ベルクヴィストによる１９９０年に公開されたＰＣＴ出願（国際公開ＷＯ９０１２４７９）。（The PCT application of Lars Bergkvist entitled "A method in the operation of a drive device for electric discharge lamps and a drive device" (PCT document number WO9012479), published in 1990.） 「データ送信システム」と題するトレバー・ティー・グレイによる１９９０年に公開されたＰＣＴ出願（国際公開ＷＯ９０１３０６７）。（The PCT application of Trevor T. Gray, entitled "Data transmission system", (PCT document number WO9013067), published in 1990.） 米国特許第５，６５７，１４５号に対応する「蛍光管を使用する送信のための変調とコーディング」と題するマイケル・スミスによる１９９７年のＰＣＴ出願。（The PCT application of Michael Smith, entitled "Modulation and coding for transmission using fluorescent tubes" corresponding to the patent number 5,657,145 of the United States of America, of 1997.） アール・シー・パーキンス、ダブリュー・エム・ホニグ共著、論文「市販の蛍光管からの青色及び紫外線における高輝度パルス式光源」、ＩＥＥＥフォトニックテクノロジーレターズで発行、第３巻、第１号、第９１−９２頁、１９９１年１月。（The article of R.C.Perkins and W.M.Honig entitled ""A High-Intensity Pulsed Light Source in Blue and UV from Commercial Fluorescent Tubes" published in IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 3, No. 1, January 1991, pages 91 to 92.） ディー・ケー・ジャクソン他著、論文「ＦｉａｔＬｕｘ：蛍光ランプのデジタルトランシーバ」、ＩＥＥＥトランザクションズ・オン・インダストリー・アプリケーションズで発行、第３４巻、第３号、第６２５−６３０頁、１９９８年５／６月。（The article of D.K.Jackson et al. entitled "Fiat Lux: A Fluorescent Lamp Digital Transceiver" published in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.34, No.3, May/June 1998, pages 625 to 630.） エヌ・パヴリドー、エー・ジェイ・ハンフィンク、ジェイ・ヤツダニ及びビー・ホナリー共著、論文「電力線通信：最新技術と将来的傾向」、ＩＥＥＥコミュニケーションマガジンで発行、第４１巻、第４号、第３４−４０頁、２００３年４月。（The article of N.Pavlidou, A.J.Han Vinck, J.Yazdani and B.Honary entitled "Power Line Communication: State of the Art and Future Trends" published in the IEEE Communications Magazine, Vol.41, No.4, April 2003, pages 34 to 40.） イー・ビグリエーリ、論文「極めて不快なチャネルのためのコーディング及び変調」、ＩＥＥＥコミュニケーションマガジンで発行、第４１巻、第５号、第９２−９８頁、２００３年５月。（E.Biglieri entitled "Coding and Modulation for a Horrible Channel" published in the IEEE Communications Magazine, Vol.41, No.5, May 2003, at the pages 92 to 98.） イー・デング、エス・クック共著「単一ステージ、高力率のランプバラスト」、１９９４ＩＥＥＥパワーエレクトロニクス応用会議及び展覧会会報、ＡＰＥＣ’９４で発行、第４４１−４４９頁、１９９４年。（E.Deng and S.Cuk entitled "Single Stage, high power factor, lamp ballast", published in Proceedings ofthe 1994 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC'94, 1994, at the pages 441 to 449）

当業者には、放電ランプにより生成される光が多くの方法で変調され得ることにより、この光は実際に送信に使用され得ることが知られている。一般的に、「ランプ電流」は適切に変調されて異なる複数の放電ランプへ供給される必要がある。この「ランプ電流」は、「制御装置」によって生成される。第１の例によれば、ランプ電流は、変調が重畳される直流で作られる、常に同じ方向へ流れる電流であってもよい。上述のマーティン・アール・ダックスの出願はこのタイプの装置に関するものであるが、第１に、放電ランプの電気特性はこの手法に従う制御装置が複雑になる（若しくは低効率である）類のものであること、第２に、放電ランプは一般的にＤＣ成分を有する電流を流されるようには設計されていないことから、この手法は実装が困難である。第２の例によれば、ランプ電流は、適切に変調された、ＡＣエネルギー分配システムの周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）における電流であってもよく、この手法は、放電ランプに直列するインダクタを備える古典的な電磁バラストの使用と互換性がある。上述のマイケル・スミス及びトレバー・ティー・グレイの出願は、このタイプの装置に関連している。第３の例によれば、ランプ電流は、電子バラストの場合のように、但し適切に変調された、インバータによって生成される高周波電流（例えば、可聴雑音を回避する２０ｋＨｚより高い周波数の電流）であってもよい。上述の仲田眞一及びラーズ・ベルクヴィストの出願は、このタイプの方法に関連している。

当業者には、高周波電流の使用が、より長い放電ランプの寿命、及びより優れた発光効率をもたらすことが知られている。しかしながら、経験上、生成される光束の変調の可能性及び性能は放電ランプのタイプ及び変調に使用される周波数帯等の他の複数のパラメータに依存する点を忘れるべきではない。

具体的には、ランプ電流が高周波電流であるとき、若しくは変調が高周波成分を含むとき、当業者は、制御装置と放電ランプとの間の配線が可能な限り短いことが望ましい点を理解している。この配線を短く保つことの優位点は、例えば、装置全体の電磁的適合性、電気的安全性又は効率に関連している。実際には、制御装置と放電ランプとの間の短い配線は、１つ以上のランプを含む各照明装置がその固有の制御装置を備えることを含意し、これは、最新技術により、２つの区別可能な配線が使用され、一方の配線は、例えばＡＣエネルギー分配システムへの接続を使用して電源を各照明装置へ供給するために使用され、他方の配線は各照明装置によって送信されるべき信号を配信するために使用されることを含意する。

上記先行技術によれば、ランプへ送られるべき信号を配信するための手段に関する問題は、２つの別々の配線の使用が照明のみを目的とする照明装置用の古典的な配線より明らかに高価であることから、全ての出願で満足な方法では採り上げられていない。唯一の配線を利用するために、各照明装置へ送られるべき信号を、無線リンクを使用して配信するように計画することが可能ではあるが、この解決法は、無線スペクトルを使用しないという自由空間光伝送の主たる優位点を帳消しにする。

本発明の目的は、周知の方法及び装置における制限事項のない、その入力信号を配信するための別々の配線を必要としない自由空間光伝送のための送信装置にある。

本発明は自由空間光伝送のための送信装置に関し、本装置は、
−第１に、送信用光源として使用される１つ以上の放電ランプを備えることと、
−第２に、配電線を介する伝送のためであって、その出力において「復調信号」を配信することのできる受信機を備え、上記「復調信号」は、上記送信装置への給電を可能にする端子において現出する信号を復調することによって取得されることと、
−第３に、上記「復調信号」は制御装置の入力へ印加され、上記制御装置は上記１つ以上の放電ランプにより生成される光を上記「復調信号」の関数として変調することとを特徴とする。

配電線を介する伝送のための受信機は、本発明の送信装置の給電端子に現出する信号を活用する。これらの配電線は、例えばＤＣエネルギー分配システム、低電圧の公衆ネットワークへ接続されるＡＣエネルギー分配システム、船舶用配電システム、その他である、任意の種類のエネルギー分配システムに属するものであってもよい。

配電線を介する伝送のための受信機は、英語で「ｐｏｗｅｒ−ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（電力線通信）」又は「ＰＬＣ」と呼ぶ場合もある配電線を介する伝送のためのシステムにおける受信部である。このようなシステムの特徴及び可能な実装は専門家には周知であり、幾つかの態様が非特許文献３に開示されている。欧州連合において適用される規則によれば、配電線を介する伝送の幾つかに割り当てられる周波数は３ｋＨｚより高いということは留意されるべきである。従って、本発明によれば、配電線を介する伝送のための受信機は、送信装置への給電を可能にする端子において現出する３ｋＨｚより高い周波数の信号を復調することによって「復調信号」を得ることができる。

配電線を介する伝送のためのシステムにより送信される信号は、任意のデジタル又はアナログ変調方法を使用して得られるデジタル信号又はアナログ信号であってよい。

非特許文献４は、配電線を介する伝送の場合、単一搬送波の変調は技術的に良い解決法でない場合が多いことを教示している。従って、本発明の装置の特徴は、配電線を介する伝送のための受信機が、幾つかの搬送波又はスペクトル拡散技術を使用する変調方法を利用することであってもよい。例えば、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭとも呼ばれる）等の幾つかの搬送波を使用する変調方法は、優れた結果をもたらすことがある。

既知の装置及び方法の場合がそうであるように、本発明による装置の放電ランプにより生成される光が多くの方法で変調され得ることは明らかであり、「ランプ電流」は、例えば変調が重畳される直流で作られる、常に同じ方向へ流れる電流であってもよく、若しくは例えばＡＣエネルギー分配システムの周波数における適切に変調された電流であっても、例えば適切な方法で変調された高周波電流であってもよい。

放電ランプに高周波ランプ電流を供給することがしばしば効果的であることは、先に述べた。従って、本発明による装置の特徴は、上記１つ以上の放電ランプが１５ｋＨｚより高い周波数のＡＣ電流を供給されることであってもよい。

本発明による装置の特徴は、ＡＣ電流が、その位相又はその周波数の変化を用いる方法に従って変調されることであってもよい。当業者には、放電ランプに高周波電流が供給されるとき、この変調方法は実装が容易であることを理解している。スイッチモードの制御装置を実装する特に単純な方法は、例えば上述のディー・ケー・ジャクソンらによる論文に開示されている。また本発明による装置の特徴は、ランプ電流が、その振幅の変化を用いる方法に従って変調されるＡＣ電流であることであってもよい。この結果は、例えばスイッチモードの制御装置のデューティサイクルの変化を使用して得られてもよいことは、当業者には明らかである。

一般的に、光の変調は観察者に感知できないものであることが望ましい。この結果は残像現象によって達成され得るものであり、高速で十分な発光の変化の場合にフリッカの知覚を排除する。従って、本発明による装置の特徴は、光の変調に対応する光束の変化が２４Ｈｚ未満の周波数で実質的に何の成分も含まないことであってもよい。変調によっては、この２４Ｈｚという限度は、観察者が変調の存在を知覚しないことに適切である。但し、変調によっては、例えば２００Ｈｚという、より高い限度の使用が有益である場合もある。

光の変調が知覚されないものであれば、本発明の装置により生成される光は、それが可視光であれば、照明に必要とされる特徴を有してもよいことは明らかである。従って、本発明による装置の特徴は、生成される光が照明にも使用されることであってもよい。

この場合、本発明による装置は、通常の照明装置に見えるように設計されてもよいことが留意される。従って、本発明による装置の特徴は、その自由空間光伝送機能が秘密のものであり、その見かけ上の機能は照明にあることであってもよい。

所定の用途に必要とされる特徴を達成するために、本発明による装置は、最も適切なタイプの放電ランプを使用してもよい。具体的には、本発明による装置の特徴は、上記１つ以上の放電ランプが、結局のところ蛍光材料を含む場合のある低圧放電ランプであることであってもよい。具体的には、本発明による装置の特徴は、上記１つ以上の放電ランプが高圧放電ランプであることであってもよい。

他の優位点及び特徴は、添付の図面を参照して非限定的な例により行われる本発明の特定の実施形態に関する以下の説明から、より明らかとなるであろう。

非限定的な例として与えられる本発明の装置の一例として、図１に、その入力端子（１）によりＡＣエネルギー分配システムへ接続された本発明による装置が示されている。主フィルタ（２）は、電磁適合性に関する規制に従って、電力回路により１５０ｋＨｚを超える周波数で生成される導電性電磁妨害の効果的な低減を可能にする。電力回路は、整流器（３）、力率補正回路（４）、低電圧電源（５）及びインバータ（８）を備える。専門家には周知である力率補正回路（４）は、非絶縁昇圧変換器であり、これは、主フィルタから正弦波電流を引き出す。従って、これは、電磁適合性に関する規制に従って、低発光の高調波電流を供給する。またこれは、事前調整をも提供する。インバータ（８）はプッシュプル切換段を備え、その出力は、熱陰極蛍光ランプ（１０）に直列に接続される直列インダクタ（９）と、キャパシタ（１２）とに接続され、並列キャパシタ（１１）は、例えば非特許文献５に開示されている蛍光ランプの電子バラストに通常使用される構造に即して、上記ランプの最適開始を可能にする。配電線（６）を介する伝送のための受信機は、その出力において「復調信号」を配信し、上記「復調信号」は、２つの入力端子（１）に現出する３ｋＨｚを超える周波数の信号を復調することから取得される。これらの「復調信号」は制御回路（７）の入力に印加され、上記制御回路（７）は、インバータ（８）のスイッチ（例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）の状態を制御する信号を生成する。上記制御回路（７）及びインバータ（８）は切換モードの制御装置を構成し、上記制御装置は、生成される光もまた「復調信号」の関数として変調されるような方法で、熱陰極蛍光ランプ（１０）を介して流れるランプ電流を「復調信号」の関数として変調する。低電圧電源（５）は、配電線（６）を介する伝送のための受信機及び制御回路（７）に電力を供給する。

図１には、入力端子（１）のレベルでのアース、接地又は保護接地線への接続は示されていないが、このような接続が、例えば電気的安全性及び／又は電磁適合性のために存在することは明らかであると思われる。

図１に示す例による装置は、それが照明専用の一般的な照明装置に見えるように構築される。また「復調信号」も、例えば照明強度のオン／オフ切換又は変更（調光）等の照明機能に関連する機能である、光の変調以外の機能のために使用されてもよい。

図１に示す例による装置において、インバータ（８）は周波数約６２ｋＨｚの周波数変調されたランプ電流を生成し、これは、周波数約１２４ｋＨｚの周波数変調された光を生成する。このタイプの定包絡線変調には、観察者が知覚できる光の変調を暗示しないという優位点がある。専門家は、直列インダクタ（９）及びキャパシタ（１２）のインピーダンスの変化に関わらず、周波数変調を振幅変調なしに達成するためには制御回路（７）をどのようにして設計することができるか、即ち、スイッチの状態を制御する信号は周波数を変調されかつデューティサイクルを変調されなければならないことを理解している。一方で、周波数の変調に使用される周波数帯が、残像性によって感知できないものになるだけの高さの周波数しか含んでいなければ、上述のディー・ケー・ジャクソンらの論文に説明されているように、周波数変調によって誘導される振幅変調は許容されてもよく、デューティサイクルの変調は不要になる。

本発明の装置によって、配電線を介する伝送のためのシステムの送信機によって送られる信号は光信号に変換され、上記光信号は光伝送に適する受信機を使用して受信されてもよい。この光伝送は、ワイヤも無線も用いずに送信を可能にする。こうして送信される光信号は、音声、データ、その他に対応するものであってもよい。これらの光信号は、本発明による装置内部を起源とする、例えば、専門家には周知であるように、上記制御装置の幾分かの電気量から推定され得るランプの経年変化に関する他の情報も含んでもよい。

本発明による装置は、あるデータセットのための変調された光の発光が、例えば、エネルギー分配システムを介して送信される信号に関連する同期を使用して、正しく決定された時間に行われるようなものであってもよい。このように、本発明による幾つかの装置は各々が変調された光を生成してもよく、これらの変調は同一であり、位相変調である。これは、これらの本発明による装置のうちの幾つかにより生成される光を受信する光伝送用受信機によって受信される信号を増加させることになる。

また、同じエネルギー分配システムへ接続される本発明による幾つかの異なる装置が、専門家には周知のアドレス割り当て方法を使用して異なる光信号を生成することも可能である。

本発明による自由空間光伝送用装置は特に、建物内で、外部を起源とする無線周波障害及び電磁妨害に全く影響されないような方法で情報をブロードキャストすることに適する。用途としては多くが可能であり、例えば、上述のトレバー・ティー・グレイによる出願に関与する、大量販売に使用される商業用施設内の価格に関するデータ送信に適用される。

深刻な事故又は災害という状況において、無線送信の能力は飽和状態になる、若しくは著しく妨害される場合が多いことから、本発明による装置は、特に、建物内の非常用送信システムに実装されてもよい。この用途の場合、本発明による装置は安全照明機能も有することが可能である。

本発明による装置は、距離を隔てて捕捉されることが予想される無線送信を使用しないことから、特に生成する光が光伝送用受信機に到達し得ず、この光が上記受信機のためのものでない場合には秘密送信に特に適する。

本発明の一実施形態を示す図である。

Claims (10)

1. 自由空間光伝送のための送信装置において、
   −第１に、送信用光源として使用される１つ以上の放電ランプを備えることと、
   −第２に、配電線を介する伝送のためであって、その出力において「復調信号」を配信することのできる受信機を備え、上記「復調信号」は、上記送信装置への給電を可能にする端子において現出する信号を復調することによって取得されることと、
   −第３に、上記「復調信号」は制御装置の入力へ印加され、上記制御装置は上記１つ以上の放電ランプにより生成される光を上記「復調信号」の関数として変調することとを特徴とする装置。
2. 上記配電線を介する伝送のための受信機は、複数の搬送波又はスペクトル拡散技術を使用する変調方法を利用することを特徴とする請求項１の装置。
3. 上記１つ以上の放電ランプは１５ｋＨｚより高い周波数のＡＣ電流を供給されることを特徴とする請求項１又は２のいずれかの装置。
4. 上記ＡＣ電流は、その位相又はその周波数の変化を用いる方法に従って変調されることを特徴とする請求項３の装置。
5. 上記ＡＣ電流は、その振幅の変化を用いる方法に従って変調されることを特徴とする請求項３の装置。
6. 上記光の変調に対応する光束の変化は、２４Ｈｚ未満の周波数で実質的に何の成分も含まないことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの装置。
7. 上記生成される光は照明用にも使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの装置。
8. その自由空間光伝送機能は秘密であり、その見かけ上の機能は照明にあることを特徴とする請求項７の装置。
9. 上記１つ以上の放電ランプは低圧放電ランプであり、これらは結局のところ蛍光材料を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの装置。
10. 上記１つ以上の放電ランプは高圧放電ランプであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの装置。

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