Snel contact zonder stekkers en snoeren

Kort na de uitvinding van de photophone begon radiotransmissie zijn opmars en tot aan de dag van vandaag vormen radiogolven de basis voor draadloze communicatiesystemen. Slechts een paar kleine toepassingen maken nu gebruik van communicatie met licht. Voorbeelden zijn afstandsbedieningen en draadloze koptelefoons.

In een hedendaags draadloos, optisch communicatiesysteem bestaan de zendertjes uit light-emitting diodes (LEDs). Deze LEDs zetten elektrische signalen om in infrarode lichtpulsen. Een fotodiode vangt dat uitgezonden licht op en zet het infrarode licht weer om in een elektrisch signaal. De elektrische signaaltjes uit de fotodiode kunnen pas verder bewerkt worden als ze eerst versterkt zijn.
Electrogram

,,Draadloze optische communicatie is niet een erg moeilijk onderwerp, maar wel zeer veelzijdig en multidisciplinair omdat aspecten uit de optica en elektronica een rol spelen. In mijn onderzoek heb ik vooral geprobeerd om richtlijnen op te zetten voor ontwerpers. Een aanzienlijk onderdeel vormde natuurlijk het onderzoek naar de signaal-ruisverhouding en naar de snelheid van de informatieoverdracht”, vertelt Rob Otte. ,,Maar ook het gebruikte vermogen is belangrijk. Want een draadloos communicatiesysteem moet draagbaar klein zijn. Batterijen zijn op dit moment de beperkende factor.”

Voor medische toepassingen is de eis van een laag vermogen van doorslaggevend belang. In het AMC ziekenhuis ontwikkelen onderzoekers sensoren die gemeten elektrogramsignalen (ECG’s) met behulp van infrarood licht naar een computer sturen. Specialisten meten ECG’s nu op door één of twee sensoren op de huid van een patiënt te plakken maar kunnen geen afbeelding van het hart maken. Technisch is dit wel mogelijk door bijvoorbeeld 128 sensoren op de huid te plaatsen. Maar een apparaat met 128 sensoren en evenzovele draden vormt een te groot obstakel op een intensive care afdeling. Optische transmissie van de gegevens biedt uitkomst omdat interferentie met telefoons en andere elektrische apparaten niet mogelijk is. Voorwaarde is wel dat de batterijen voor de sensoren klein genoeg zijn.

,,Om zoveel mogelijk stroom te besparen, heb ik een speciale modulatietechniek aanbevolen”, vertelt Rob Otte. ,,Een modulatietechniek is niets anders dan een afspraak op welke manier de LEDs de informatie uitzenden. De zogenaamde puls-positiemodulatie werkt zeer efficiënt als er ruis aanwezig is.” De eerste prototypes werken nu met zijn methode. Het systeem is ook voor sporters interessant om tijdens inspanningen hun hartslag te laten volgen of voor patiënten in de thuiszorg.
Gloeilampen

Infrarood licht dat niet afkomstig is van de LEDs veroorzaakt ongewenste signalen (fotoruis) in de fotodiodes die het licht ontvangen. Om de belangrijkste bron van deze fotoruis te achterhalen heeft Otte de spectra van verschillende lampen doorgemeten. Hij ontdekte dat gloeilampen verhoudingsgewijs veel infrarood licht uitzenden en dus zorgen voor een constante, hoge achtergrond van het ruisniveau. TL-buizen produceren weliswaar veel minder infrarood licht maar flikkeren wel. Dat levert weer andere problemen op. Maar in een kamer met ramen blijft overdag het zonlicht de grootste boosdoener.

Ruis op zich is geen probleem zolang de signaal-ruisverhouding groot genoeg is. Hoe groter de fotodiode hoe beter de signaal-ruis verhouding. Otte: ,,Een simpele en goedkope oplossing is het vergrootglas. Met een vergrootglas voor de fotodiode lijkt de diode groter en werkt hij beter.”

Voor bepaalde toepassingen moet de transmissie van informatie vooral snel gebeuren. Bij computers geldt dit in het bijzonder. Otte heeft ook dit probleem onderzocht en vond dat de snelheid vooral beperkt wordt door lichtgolven die vanmuren en plafonds weerkaatsen. Radiogolven zien muren niet omdat hun golflengte veel groter is. Licht heeft een golflengte die veel kleiner is dan de muur dik is. De muren en plafonds weerkaatsen 70 tot 90 procent van het licht.

Het weerkaatste licht beperkt de snelheid van transmissie omdat dit licht later aankomt bij de fotodiode. Stel dat de weerkaatste golven 30 meter extra afleggen. Uit de waarde voor de lichtsnelheid volgt dan dat dit licht de diode 100 nanoseconden later bereikt. Deze tijd moet je in ieder geval wachten totdat je een nieuw signaal kunt verzenden. Anders gezegd, deze wachttijd komt overeen met een maximale snelheid van 10 Mega-bit per seconde. Dit is ongeveer de snelheid van interne computernetwerken van universiteiten. Ter vergelijking: een modem is op dit moment driehonderd keer langzamer.

,,In de nabije toekomst zal infrarood communicatie een belangrijke rol spelen in computernetwerken”, voorspelt Rob Otte. ,,Een beetje stoer notebook heeft al een infrarood interface voor draadloze communicatie met andere notebooks of met randapparaten. Als de benodigde infrastructuur aanwezig is, kun je een kamer binnen gaan en direct je e-mail lezen of op het web gaan surfen. Geen geklungel met snoertjes en toch snel.”

Communicatie

,,Veiling mobiel net levert rijk 1,8 miljard op”, kopte de Volkskrant een week geleden. Mobiel bellen is in; het zal de komende jaren een grote vlucht nemen, zo verwachten deskundigen. Telefoonaanbieders proberen hun markt veilig te stellen door mobiele-telefoonfrequenties te kopen van de overheid. Het aantal frequenties is beperkt (want er bestaan strenge regels voor het gebruik van de bandbreedte) en dat kan in de komende jaren een grote belemmering vormen voor het mobiele net.

Voor communicatie met infrarood licht gelden bijna geen beperkingen. ,,Voor specifieke toepassingen binnenshuis is optische, draadloze communicatie daarom een goed alternatief”, vertelt Rob Otte van de vakgroep elektronica van de subfaculteit Elektrotechniek. ,,Maar optische communicatie vormt geen oplossing voor mobiele telefonie, omdat infrarode golven een te klein bereik hebben. De intensiteit van het zonlicht vormt een ander probleem. Bovendien verbreken gebouwen die tussen zender en ontvanger staan de transmissie. Maar binnenshuis zijn dit juist voordelen. Iedereen zal er in de toekomst mee te maken krijgen.”
Fotofoon

Om draadloos informatie over te brengen over een grote afstand, is meer nodig dan spraak. De mens heeft altijd naar alternatieven gezocht, denk bijvoorbeeld aan het maken van signalen met bepaalde armbewegingen, het ontsteken van vuren of aan de rooksignalen van de Indianen.In 1880 ontwikkelde Bell al het eerste optische-communicatiesysteem dat hij de photophone noemde.

Kort na de uitvinding van de photophone begon radiotransmissie zijn opmars en tot aan de dag van vandaag vormen radiogolven de basis voor draadloze communicatiesystemen. Slechts een paar kleine toepassingen maken nu gebruik van communicatie met licht. Voorbeelden zijn afstandsbedieningen en draadloze koptelefoons.

In een hedendaags draadloos, optisch communicatiesysteem bestaan de zendertjes uit light-emitting diodes (LEDs). Deze LEDs zetten elektrische signalen om in infrarode lichtpulsen. Een fotodiode vangt dat uitgezonden licht op en zet het infrarode licht weer om in een elektrisch signaal. De elektrische signaaltjes uit de fotodiode kunnen pas verder bewerkt worden als ze eerst versterkt zijn.
Electrogram

,,Draadloze optische communicatie is niet een erg moeilijk onderwerp, maar wel zeer veelzijdig en multidisciplinair omdat aspecten uit de optica en elektronica een rol spelen. In mijn onderzoek heb ik vooral geprobeerd om richtlijnen op te zetten voor ontwerpers. Een aanzienlijk onderdeel vormde natuurlijk het onderzoek naar de signaal-ruisverhouding en naar de snelheid van de informatieoverdracht”, vertelt Rob Otte. ,,Maar ook het gebruikte vermogen is belangrijk. Want een draadloos communicatiesysteem moet draagbaar klein zijn. Batterijen zijn op dit moment de beperkende factor.”

Voor medische toepassingen is de eis van een laag vermogen van doorslaggevend belang. In het AMC ziekenhuis ontwikkelen onderzoekers sensoren die gemeten elektrogramsignalen (ECG’s) met behulp van infrarood licht naar een computer sturen. Specialisten meten ECG’s nu op door één of twee sensoren op de huid van een patiënt te plakken maar kunnen geen afbeelding van het hart maken. Technisch is dit wel mogelijk door bijvoorbeeld 128 sensoren op de huid te plaatsen. Maar een apparaat met 128 sensoren en evenzovele draden vormt een te groot obstakel op een intensive care afdeling. Optische transmissie van de gegevens biedt uitkomst omdat interferentie met telefoons en andere elektrische apparaten niet mogelijk is. Voorwaarde is wel dat de batterijen voor de sensoren klein genoeg zijn.

,,Om zoveel mogelijk stroom te besparen, heb ik een speciale modulatietechniek aanbevolen”, vertelt Rob Otte. ,,Een modulatietechniek is niets anders dan een afspraak op welke manier de LEDs de informatie uitzenden. De zogenaamde puls-positiemodulatie werkt zeer efficiënt als er ruis aanwezig is.” De eerste prototypes werken nu met zijn methode. Het systeem is ook voor sporters interessant om tijdens inspanningen hun hartslag te laten volgen of voor patiënten in de thuiszorg.
Gloeilampen

Infrarood licht dat niet afkomstig is van de LEDs veroorzaakt ongewenste signalen (fotoruis) in de fotodiodes die het licht ontvangen. Om de belangrijkste bron van deze fotoruis te achterhalen heeft Otte de spectra van verschillende lampen doorgemeten. Hij ontdekte dat gloeilampen verhoudingsgewijs veel infrarood licht uitzenden en dus zorgen voor een constante, hoge achtergrond van het ruisniveau. TL-buizen produceren weliswaar veel minder infrarood licht maar flikkeren wel. Dat levert weer andere problemen op. Maar in een kamer met ramen blijft overdag het zonlicht de grootste boosdoener.

Ruis op zich is geen probleem zolang de signaal-ruisverhouding groot genoeg is. Hoe groter de fotodiode hoe beter de signaal-ruis verhouding. Otte: ,,Een simpele en goedkope oplossing is het vergrootglas. Met een vergrootglas voor de fotodiode lijkt de diode groter en werkt hij beter.”

Voor bepaalde toepassingen moet de transmissie van informatie vooral snel gebeuren. Bij computers geldt dit in het bijzonder. Otte heeft ook dit probleem onderzocht en vond dat de snelheid vooral beperkt wordt door lichtgolven die vanmuren en plafonds weerkaatsen. Radiogolven zien muren niet omdat hun golflengte veel groter is. Licht heeft een golflengte die veel kleiner is dan de muur dik is. De muren en plafonds weerkaatsen 70 tot 90 procent van het licht.

Het weerkaatste licht beperkt de snelheid van transmissie omdat dit licht later aankomt bij de fotodiode. Stel dat de weerkaatste golven 30 meter extra afleggen. Uit de waarde voor de lichtsnelheid volgt dan dat dit licht de diode 100 nanoseconden later bereikt. Deze tijd moet je in ieder geval wachten totdat je een nieuw signaal kunt verzenden. Anders gezegd, deze wachttijd komt overeen met een maximale snelheid van 10 Mega-bit per seconde. Dit is ongeveer de snelheid van interne computernetwerken van universiteiten. Ter vergelijking: een modem is op dit moment driehonderd keer langzamer.

,,In de nabije toekomst zal infrarood communicatie een belangrijke rol spelen in computernetwerken”, voorspelt Rob Otte. ,,Een beetje stoer notebook heeft al een infrarood interface voor draadloze communicatie met andere notebooks of met randapparaten. Als de benodigde infrastructuur aanwezig is, kun je een kamer binnen gaan en direct je e-mail lezen of op het web gaan surfen. Geen geklungel met snoertjes en toch snel.”