可見光通訊的原理

可見光通訊（VLC）是一種技術，在某些應用中，它與更常用的射頻（RF）相比具有顯著的優(yōu)勢。除了從一個點到另一個點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿黠@用途，VLC因其能夠提供高度準確和安全的室內(nèi)定位系統(tǒng)，而引起了眾多關注。

實施VLC系統(tǒng)會帶來涉及系統(tǒng)整合和電源管理的特定挑戰(zhàn)，特別是對那些不熟悉該技術的人來說。本文將探討VLC的一些應用，包括VLC定位系統(tǒng)的原理，并討論最新的器件如何提供一條風險極小的設計路徑。

VLC：概述并與射頻對比
隨著LED的發(fā)展，它在可靠性、功耗和發(fā)光能效方面已超過了白熾燈源，照明的重要性已顯著增加。

然而，利用光作為傳輸媒介的概念并不新鮮，可以追溯到1792年的法國，彼時安裝在塔上的信號燈能在城市之間進行基于光的通訊。19世紀初，美國軍方開發(fā)了「太陽照相儀」，利用鏡子中斷光線或轉動鏡子來反射太陽光。1880年，電話的發(fā)明者亞歷山大-格雷厄姆-貝爾創(chuàng)造了光電電話，透過一束可見光來傳輸語音信號。

現(xiàn)代VLC系統(tǒng)使用380奈米至750奈米光譜內(nèi)的可見光（430太赫茲至790太赫茲）。透過對現(xiàn)有燈具的光進行調(diào)制，可建立通訊，而沒有射頻技術的任何限制。


 
圖一 : VLC系統(tǒng)通常使用光譜中的可見光部分

在現(xiàn)代世界，使用射頻移動數(shù)據(jù)的急劇增加意味著非常擁擠的光譜，這可能導致干擾。VLC通常在室內(nèi)使用，最大的潛在干擾源--像太陽這樣的高強度光源--并不是一個因素?？梢姽獗緛硪彩敲馐跈嗟膫鬏旑l段，不需要申請許可證，也不受附近系統(tǒng)對同一頻段的競爭。

從安全的角度來看，射頻很容易穿透墻壁，所以信號可能很容易被攔截，而且在高功率水平下，長期暴露在射頻波中可能對人體健康有害。 在低傳輸速度的VLC系統(tǒng)中，如室內(nèi)定位，不需要額外的功率放大器和信號鏈，從而節(jié)省了系統(tǒng)功耗，降低了設計復雜性。

VLC有多種潛在的應用，包括基于光的無線通信、車對車（V2V）通訊和水下使用。在某些傳統(tǒng)的射頻信號會帶來危險的專業(yè)應用中，如采礦或石油和天然氣平臺，VLC特別有意義。此外，它還允許在靠近敏感設備的地方進行無干擾通訊，如醫(yī)院和飛機上。

基于VLC的定位
室內(nèi)定位可以有許多應用。在工業(yè)應用中，它可用于指導無人搬運車（AGV）在工廠和倉庫周圍行駛，或允許人類在大型公共建筑如機場、醫(yī)院或體育場館中導航。

雖然全球定位系統(tǒng)（GPS）對于室外定位非常有效，但不適合在室內(nèi)準確使用。訊號很難穿透許多建筑物，即使穿透了，訊號在墻壁和物體上反彈時的多徑傳播，也會大為限制效能。VLC能夠達到幾十公分的室內(nèi)定位精準度，輕松超越射頻的解決方案。

基于光的定位系統(tǒng)利用現(xiàn)有的照明系統(tǒng)在室內(nèi)建立一個定位系統(tǒng)。每個LED安定器都有一個獨特的標識符，并將其編碼到驅動燈具的訊號中，從而使光線被調(diào)制，不斷地傳輸其標識。由于人類的視覺暫留原理，對這些快速的脈沖是無法察覺的，但智能型手機等設備可以捕獲和檢測到它們。

當手機處于多個（三個或更多）燈具的范圍內(nèi)，每個燈具都有一個獨一無二的代碼，一個簡單的三角量測算法可以計算出與每個燈具的距離，然后推算出位置。



 
圖二 : 可見光通訊（VLC）

支持VLC的技術
在VLC領域，能效和小尺寸是所有設計人員面臨的兩個挑戰(zhàn)，包括那些有設計燈具經(jīng)驗的設計人員。為了向所有設計人員提供支持，安森美（onsemi）提供增加智能照明系統(tǒng)的整合度和提升性能的器件，如本文所述的VLC系統(tǒng)。


 
圖三 : VLC應用架構圖

安森美的NCL31000 LED驅動器專門為LED的燈具應用而設計，是一個功能全面的器件，包括實施高效能LED照明系統(tǒng)所需的所有元素。



 
圖四 : 安森美的NCL31000先進照明引擎

該系統(tǒng)的核心是個高效能（97%）的降壓LED驅動器，支持高帶寬模擬調(diào)光和PWM調(diào)光至零電流。NCL31000包括一個整合的3V3固定DC-DC轉換器和一個可調(diào)DC-DC（2V5 > 24V），適合為傳感器或其他系統(tǒng)零組件供電，從而簡化系統(tǒng)設計，降低設計風險，同時提高整體能效。NCL31000的架構提供了卓越的EMI性能，超過CISPR15 / EN55015的要求>14dB。

精確的線性調(diào)光使可見光通訊成為可能，從而可以開發(fā)出基于光的室內(nèi)定位系統(tǒng)，同時能夠以0.1%的精度真正調(diào)暗，確保在最低的調(diào)光設置下不會出現(xiàn)鬼影。

全面的診斷方法來自于跟蹤系統(tǒng)電流和電壓的模擬數(shù)字轉換器（ADC）。以高精確度（±1%）測量輸入和輸出電流和電壓，實現(xiàn)了電源能效和LED負荷健康監(jiān)測。診斷方法包括DC-DC轉換器和LED溫度。所有數(shù)據(jù)都透過I2C/SPI接口提供給外部MCU。

NCL31000的縮小版（NCL31001）省去了多線照明解決方案中不需要的DC-DC轉換器。在這些類型的應用中，它可以作為NCL31000的一個高性價比版本。

總結
在低功耗LED的推動下，智慧照明是個重要的增長領域。雖然長的使用壽命和低功耗運行是這一成功背后的兩個關鍵驅動因素，但現(xiàn)代智能照明所提供的靈活性正在催生創(chuàng)新的新應用。

雖然透過光來傳輸數(shù)據(jù)不是個新的概念，但這時代終于到來了，并且正在變得流行，因為它是高效能、穩(wěn)定可靠、安全、沒有射頻面臨的許多挑戰(zhàn)。這進而使室內(nèi)定位系統(tǒng)等更精密的應用成為可能。由于這些都是基于光，它們可以被部署在任何地方，包括在醫(yī)院和采礦等不允許使用射頻的地方。

（本文作者Mike Sandyck為安森美產(chǎn)品營銷經(jīng)理）