可見光通訊的原理

可見光通訊（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(shì)。除了從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿黠@用途，VLC因其能夠提供高度準(zhǔn)確和安全的室內(nèi)定位系統(tǒng)，而引起了眾多關(guān)注。

實(shí)施VLC系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)涉及系統(tǒng)整合和電源管理的特定挑戰(zhàn)，特別是對(duì)那些不熟悉該技術(shù)的人來(lái)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(xiǎn)極小的設(shè)計(jì)路徑。

VLC：概述并與射頻對(duì)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(guó)，彼時(shí)安裝在塔上的信號(hào)燈能在城市之間進(jìn)行基于光的通訊。19世紀(jì)初，美國(guó)軍方開發(fā)了「太陽(yáng)照相儀」，利用鏡子中斷光線或轉(zhuǎn)動(dòng)鏡子來(lái)反射太陽(yáng)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(lái)傳輸語(yǔ)音信號(hào)。

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(duì)現(xiàn)有燈具的光進(jìn)行調(diào)制，可建立通訊，而沒有射頻技術(shù)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(dòng)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(yáng)這樣的高強(qiáng)度光源--并不是一個(gè)因素。可見光本來(lái)也是免授權(quán)的傳輸頻段，不需要申請(qǐng)?jiān)S可證，也不受附近系統(tǒng)對(duì)同一頻段的競(jìng)爭(zhēng)。

從安全的角度來(lái)看，射頻很容易穿透墻壁，所以信號(hào)可能很容易被攔截，而且在高功率水平下，長(zhǎng)期暴露在射頻波中可能對(duì)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(hào)鏈，從而節(jié)省了系統(tǒng)功耗，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

VLC有多種潛在的應(yīng)用，包括基于光的無(wú)線通信、車對(duì)車（V2V）通訊和水下使用。在某些傳統(tǒng)的射頻信號(hào)會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)的專業(yè)應(yīng)用中，如采礦或石油和天然氣平臺(tái)，VLC特別有意義。此外，它還允許在靠近敏感設(shè)備的地方進(jìn)行無(wú)干擾通訊，如醫(yī)院和飛機(jī)上。

基于VLC的定位
室內(nèi)定位可以有許多應(yīng)用。在工業(yè)應(yīng)用中，它可用于指導(dǎo)無(wú)人搬運(yùn)車（AGV）在工廠和倉(cāng)庫(kù)周圍行駛，或允許人類在大型公共建筑如機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院或體育場(chǎng)館中導(dǎo)航。

雖然全球定位系統(tǒng)（GPS）對(duì)于室外定位非常有效，但不適合在室內(nèi)準(zhǔn)確使用。訊號(hào)很難穿透許多建筑物，即使穿透了，訊號(hào)在墻壁和物體上反彈時(shí)的多徑傳播，也會(huì)大為限制效能。VLC能夠達(dá)到幾十公分的室內(nèi)定位精準(zhǔn)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(gè)定位系統(tǒng)。每個(gè)LED安定器都有一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)識(shí)符，并將其編碼到驅(qū)動(dòng)燈具的訊號(hào)中，從而使光線被調(diào)制，不斷地傳輸其標(biāo)識(shí)。由于人類的視覺暫留原理，對(duì)這些快速的脈沖是無(wú)法察覺的，但智能型手機(jī)等設(shè)備可以捕獲和檢測(cè)到它們。

當(dāng)手機(jī)處于多個(gè)（三個(gè)或更多）燈具的范圍內(nèi)，每個(gè)燈具都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的代碼，一個(gè)簡(jiǎn)單的三角量測(cè)算法可以計(jì)算出與每個(gè)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(shù)
在VLC領(lǐng)域，能效和小尺寸是所有設(shè)計(jì)人員面臨的兩個(gè)挑戰(zhàn)，包括那些有設(shè)計(jì)燈具經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員。為了向所有設(shè)計(jì)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(yīng)用架構(gòu)圖

安森美的NCL31000 LED驅(qū)動(dòng)器專門為L(zhǎng)ED的燈具應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一個(gè)功能全面的器件，包括實(shí)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(jìn)照明引擎

該系統(tǒng)的核心是個(gè)高效能（97%）的降壓LED驅(qū)動(dòng)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(gè)整合的3V3固定DC-DC轉(zhuǎn)換器和一個(gè)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)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>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(shí)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(huì)出現(xiàn)鬼影。

全面的診斷方法來(lái)自于跟蹤系統(tǒng)電流和電壓的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。以高精確度（±1%）測(cè)量輸入和輸出電流和電壓，實(shí)現(xiàn)了電源能效和LED負(fù)荷健康監(jiān)測(cè)。診斷方法包括DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。在這些類型的應(yīng)用中，它可以作為NCL31000的一個(gè)高性價(jià)比版本。

總結(jié)
在低功耗LED的推動(dòng)下，智慧照明是個(gè)重要的增長(zhǎng)領(lǐng)域。雖然長(zhǎng)的使用壽命和低功耗運(yùn)行是這一成功背后的兩個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)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。

雖然透過光來(lái)傳輸數(shù)據(jù)不是個(gè)新的概念，但這時(shí)代終于到來(lái)了，并且正在變得流行，因?yàn)樗歉咝?、穩(wěn)定可靠、安全、沒有射頻面臨的許多挑戰(zhàn)。這進(jìn)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。

（本文作者M(jìn)ike Sandyck為安森美產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理）