可見光通信的原理

可見光通信（VLC）是一種技術(shù)，在某些應(yīng)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@用途外，VLC因其能夠提供高度準確和安全的室內(nèi)定位系統(tǒng)而引發(fā)了眾多關(guān)注。實施VLC 系統(tǒng)會帶來涉及系統(tǒng)集成和電源管理的特定挑戰(zhàn)，特別是對那些不熟悉該技術(shù)的人來說。本文將探討VLC 的一些應(yīng)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(fēng)險極小的設(shè)計路徑。

1   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，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，在那里，安裝在塔上的信號燈能在城市之間進行基于光的通信。19 世紀初，美國軍方開發(fā)了“太陽儀”，利用鏡子通過中斷光線或轉(zhuǎn)動鏡子來反射太陽光。1880 年，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（電話的發(fā)明者）創(chuàng)造了他的光電電話，通過一束可見光來傳輸語音信號。現(xiàn)代VLC 系統(tǒng)使用（380 ～ 750）nm 光譜內(nèi)的可見光（430 ～ 790）THz。通過對現(xiàn)有燈具的光進行調(diào)制，可建立通信，而沒有射頻技術(shù)的任何限制。

在現(xiàn)代世界，使用射頻的移動數(shù)據(jù)的急劇增加意味著非常擁擠的光譜，這可能導(dǎo)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。可見光本來也是免授權(quán)的傳輸頻段，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截獲，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(shè)計復(fù)雜性。VLC 有多種潛在的應(yīng)用，包括基于光的無線通信、車對車（V2V）通信和水下應(yīng)用。在某些傳統(tǒng)的射頻信號會帶來危險的專業(yè)應(yīng)用中，如采礦或石油和天然氣平臺，VLC 特別有意義。它還允許在靠近敏感設(shè)備的地方如醫(yī)院和飛機上進行無干擾通信。

2   基于VLC的定位

室內(nèi)定位可用于許多應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用中，它可用于指導(dǎo)自動導(dǎo)引車（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(dǎo)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。信號很難穿透許多建筑物，即使穿透了，信號在墻壁和物體上反彈時的多徑傳播也會大大限制性能。VLC 能夠達到幾十厘米的室內(nèi)定位精度，輕松超越基于射頻的解決方案?；诠獾亩ㄎ幌到y(tǒng)利用現(xiàn)有的照明系統(tǒng)在室內(nèi)建立1 個定位系統(tǒng)。每個LED 鎮(zhèn)流器都有1 個獨一無二的標識符，并將其編碼到驅(qū)動燈具的信號中，從而使光線被調(diào)制，不斷地傳輸其標識。由于人類視覺的持久性，對這些快速的脈沖是無法察覺的，但智能手機等設(shè)備可以捕獲和檢測到它們。當(dāng)手機處于多個（3 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，一個簡單的三角測量算法可以計算出與每個燈具的距離，然后推算出位置。

圖2 可見光通信(VLC)

3   支持VLC的技術(shù)

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

圖3 VLC應(yīng)用框圖

安森美的NCL31000 LED 驅(qū)動器專門為基于LED的燈具應(yīng)用而設(shè)計，是一個功能全面的器件，包括實施高能效LED 照明系統(tǒng)所需的所有元素。

該系統(tǒng)的核心是高能效（97%）的降壓LED 驅(qū)動器，支持高帶寬模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光至零電流。NCL31000 包括一個集成的3V3 固定DC-DC 轉(zhuǎn)換器和一個可調(diào)DC-DC（2V5 > 24 V），適合為傳感器或其他系統(tǒng)元器件供電，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低設(shè)計風(fēng)險，同時提高整體能效。NCL31000 的架構(gòu)提供了卓越的EMI 性能，超過CISPR15/EN55015 的要求>14 dB。精確的線性調(diào)光使可見光通信成為可能，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(shè)置下不會出現(xiàn)鬼光。全面的診斷方法來自于跟蹤系統(tǒng)電流和電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)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 負載健康監(jiān)測。診斷方法包括DC-DC 轉(zhuǎn)換器和LED 溫度。所有數(shù)據(jù)都通過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(zhuǎn)換器。在這些類型的應(yīng)用中，它可以作為NCL31000 的一個高性價比版本。

4   結(jié)束語

在低能耗LED 的推動下，智聯(lián)照明是個重要的增長領(lǐng)域。雖然長使用壽命和低功耗運行是這一成功背后的兩個關(guān)鍵驅(qū)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(yīng)用。雖然通過光來傳輸數(shù)據(jù)不是個新的概念，但這個時代終于到來了，并且正在變得流行，因為它是高能效的、穩(wěn)定可靠的、安全的、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(yīng)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。除了全面的互聯(lián)照明解決方案組合外，安森美的NCL31000 先進引擎為設(shè)計人員開辟了新的和現(xiàn)有的可見光通信市場，提供高能效和全集成的解決方案，幫助產(chǎn)品更快地進入市場。NCL31000 也是其他一些領(lǐng)域的理想選擇，包括專業(yè)顯示器的背光、溫室的多通道管理照明以及其他室內(nèi)和室外的互聯(lián)照明應(yīng)用。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）