Bootstrap-Tranzimpedanzverstärker (schmatisch) [6]

Datenübertragung mit diffus abgestrahltem Infrarotlicht

Diffus oder schwach gebündeltes Infrarotlicht eignet sich nicht nur zur Übertragung von Informationen mit sehr geringen Datenraten wie bei der Fernbedienung. Da mit den geeigneten opto-elektronischen Komponenten Modulationsfrequenzen bis etwa 50 MHz möglich sind, können auch Übertragungen mit mittleren Datenraten realisiert werden.

Bootstrap-Transimpedanzversträrker [6]Beispielsweise sind mehrsprachige Übertragungen bei Konferenzen mit simultanen Übersetzungen möglich [1]. Weiterhin ist es möglich, ein Netzwerk mit mehreren aktiven Teilnehmern zu realisieren [2].

Der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts erstreckt sich von 400 nm bis 700 nm. Für die Datenübertragung ist der angrenzende Bereich bei etwa 850 nm optimal. Beispiele für gut geeignete opto-elektronische Bauelemente sind sendeseitig die LED „TSFF5410“ [3] und empfangsseitig die PIN-Diode „S6968-01“ [4].

Bei der PIN-Diode ist eine große aktive Fläche wichtig, da es prinzipiell nur sehr eingeschränkt möglich ist, Licht, das aus einem großen Winkelbereich einfällt, auf eine kleine Fläche zu konzentrieren. Eine leichte Verbesserung ist durch eine plankonvexe Linse zu erreichen, die direkt mit der Diode verbunden ist. Bei vielen Dioden ist diese Linse bereits integriert. Eine weitere leichte Verbesserung lässt sich durch eine asphärische Linse erzielen [5]. Alternativ kann auch ein trichterförmiger Konzentrator verwendet werden [6].

Silizium PIN-Dioden sind in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1100 nm lichtempfindlich. Empfehlenswert ist ein Filter, der den Bereich des sichtbaren Lichts unterhalb von 700 nm ausblendet. Dieser ist bei vielen Dioden bereits integriert. Theoretisch könnte man mit Hilfe eines Interferenzfilters den empfangenen Wellenlängenbereich noch weiter eingrenzen. Aufgrund der starken Winkelabhängigkeit der Mittenfrequenz sind diese Filter in dieser Anwendung allerdings nicht geeignet.

Die Reichweite der Übertragungsstrecke ist durch das Rauschen des Empfängers begrenzt. Es gibt 2 wesentliche Rauschquellen. Zum einen das Schrotrauschen der Empfangsdiode und zum anderen das Rauschen der Eingangsstufe des Verstärkers. Die Diode liefert einen Strom, der proportional zur Leistung des auftreffenden Lichts ist.

Das Schrotrauschen ist proportional zum Gleichstrom der Diode und damit proportional zur Lichtleistung. In geschlossenen Räumen dominiert in der Regel das Rauschen der Eingangsstufe. Auf die Diode folgt ein Strom-Spannungswandler. Dieser muss einen niederohmigen Eingang haben, weil der Eingangswiderstand mit der Kapazität der Diode einen Tiefpass bildet. Dieser Wandler wird in der Regel als Transimpedanzverstärker realisiert. Dabei wird ein invertierender Verstärker mit einem Widerstand rückgekoppelt. Wegen des starken Einfluss des Rauschens der Eingangsstufe kann es sinnvoll sein, den invertierenden Verstärker diskret aufzubauen. Eine mögliche Schaltung ist in [6] angegeben. Sehr kritisch ist die Verbindung zwischen Verstärker und Diode. Diese Leitung sollte möglichst kurz sein.

Für die Modulation des Lichts bietet sich on-off keying als einfach zu realisierendes und energieeffizientes Verfahren an [2], [6]. Charakteristisch für dieses Verfahren sind ein dominantes Bit (Licht) sowie ein rezessives Bit (kein Licht). Das kann benutzt werden, um einerseits in einem Netzwerk Kollisionen aufzulösen [7] oder um nicht autorisierte Eingriffe in eine Übertragung zu erkennen [8]. Eine höhere Datenrate als mit on-off keying kann mit Hilfe von orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) erzielt werden, wie es  auch von dem neuen Mobilfunkstandard LTE verwendet wird. Allerdings stellt dieses Verfahren hohe Anforderungen an die Dynamik und die Linearität der Übertragungsstrecke. Da bei der optischen Übertragung im Gegensatz zur Hochfrequenz kein zum Wert Null symmetrisches Signal möglich ist, muss eine Modifikation des OFDM verwendet werden.

In Bezug auf den Sender gelten die gleichen Regeln wie für LEDs für Beleuchtungszwecke. LEDs dürfen nicht parallel geschaltet werden, weil die Verteilung des Stroms nicht kontrollierbar ist. Wird on‑off keying verwendet, besteht die Möglichkeit bei kurzen Pulsen mit einem höheren Strom zu arbeiten. Für die TSFF5410 ist beispielsweise ein maximaler Dauerstrom von 100 mA angegeben, während der zulässige kurzzeitige Maximalstrom bei 1 A liegt.

Kritisch ist die Auswahl des Treibers für den Strom der LED. Werden mehrere LEDs (z.B. 10) in Serie geschaltet, muss der Treiber eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen. Andererseits muss die Grenzfrequenz ausreichend hoch sein. Geeignet sind Bipolartransistoren, die auch in Sendeendstufen verwendet werden [9]. Zu beachten ist die Augensicherheit des Senders [10]. Im Bereich des nahen Infrarots ist das besonders kritisch, da kein Lidschlussreflex erfolgt, obwohl eine schädigende Wirkung uneingeschränkt vorhanden ist.

Von Reinhard Meschenmoser, Mescheltana GmbH.

Literatur:

[1]    Produktbeschreibung: Bosch Security Systems North America, Integrus System,
Stand 01.03.13
http://products.boschsecurity.us/en/TAMS/products/bxp/CATM880ce1923dae4d8ec51a0f593ce34ab3

[2]    Roviras, D, Lescure, M, Chapuis, C., Meschenmoser, R: ISDN MOBILE TERMINALS VIA INDOOR DIFFUSE INFRARED CHANNEL. ESPRIT Conference 91, Bruxelles, November 1991, pp. 615‑627, 1991
http://aei.pitt.edu/39309/1/Esprit.1991.Conf..pdf

[3]    Datenblatt der Fa. Vishay „TSFF5410”
http://www.vishay.com/docs/81091/tsff5410.pdf

[4]    Datenblatt der Fa. Hamamatsu „S6968“ http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s6801_etc_kpin1046e02.pdf

[5]    Patentschrift „optoelektronischer Strahlungsempfänger“ https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?window=1&space=menu&content=treffer&action=pdf&docid=DE000004225512C1

[6]    Dissertation Mike Wolf TU Ilmenau „Zur breitbandigen Infrarot-Indoorkommunikation“ http://www.db-thueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-2008/ilm1-2002000132.pdf

[7]    Patentschrift „Verfahren zur Codierung von dreiwertigen logischen Zuständen“ https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?window=1&space=menu&content=treffer&action=pdf&docid=DE000004242733A1

[8]    Patentschrift „Verfahren zur Übertragung von Daten“ https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?window=1&space=menu&content=treffer&action=pdf&docid=DE000019904092B4

[9]    Datenblatt der Fa. NXP „BFG591“
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BFG591.pdf

[10] Fischer, T R: Augensicherheit von Leuchtdioden – Anwendung der aktuellen Normen. Photonik 2/2005 http://www.photonik.de/index.php?id=fachaufsaetze&L=1&artid=160&np=9

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.