可見(jiàn)光通信的原理

可見(jiàn)光通信（VLC）是一種技術(shù)，在某些應用中，它與更常用的射頻（RF）相比具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。除了從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的數據傳輸的明顯用途外，VLC因其能夠提供高度準確和安全的室內定位系統而引發(fā)了眾多關(guān)注。實(shí)施VLC 系統會(huì )帶來(lái)涉及系統集成和電源管理的特定挑戰，特別是對那些不熟悉該技術(shù)的人來(lái)說(shuō)。本文將探討VLC 的一些應用，包括VLC 定位系統的原理，并討論最新的器件如何提供一條風(fēng)險極小的設計路徑。

1   VLC：概述并與射頻對比

隨著(zhù)LED 的發(fā)展，它在可靠性、功耗和發(fā)光能效方面已超過(guò)了白熾燈，照明的重要性已顯著(zhù)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(jìn)行基于光的通信。19 世紀初，美國軍方開(kāi)發(fā)了“太陽(yáng)儀”，利用鏡子通過(guò)中斷光線(xiàn)或轉動(dòng)鏡子來(lái)反射太陽(yáng)光。1880 年，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（電話(huà)的發(fā)明者）創(chuàng )造了他的光電電話(huà)，通過(guò)一束可見(jiàn)光來(lái)傳輸語(yǔ)音信號?，F代VLC 系統使用（380 ～ 750）nm 光譜內的可見(jiàn)光（430 ～ 790）THz。通過(guò)對現有燈具的光進(jìn)行調制，可建立通信，而沒(méi)有射頻技術(shù)的任何限制。

在現代世界，使用射頻的移動(dòng)數據的急劇增加意味著(zhù)非常擁擠的光譜，這可能導致干擾。VLC 通常在室內使用，最大的潛在干擾源——像太陽(yáng)這樣的高強度光源——并不是一個(gè)因素?？梢?jiàn)光本來(lái)也是免授權的傳輸頻段，不需要申請許可證，也不受附近系統對同一頻段的競爭。從安全的角度來(lái)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(cháng)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 系統中，如室內定位，不需要額外的功率放大器和信號鏈，從而節省了系統功耗，降低了設計復雜性。VLC 有多種潛在的應用，包括基于光的無(wú)線(xiàn)通信、車(chē)對車(chē)（V2V）通信和水下應用。在某些傳統的射頻信號會(huì )帶來(lái)危險的專(zhuān)業(yè)應用中，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備的地方如醫院和飛機上進(jìn)行無(wú)干擾通信。

2   基于VLC的定位

室內定位可用于許多應用。在工業(yè)應用中，它可用于指導自動(dòng)導引車(chē)（AGV）在工廠(chǎng)和倉庫周?chē)旭?，或允許人類(lèi)在大型公共建筑如機場(chǎng)、醫院或體育場(chǎng)館中導航。雖然全球定位系統（GPS）對于室外定位非常有效，但不適合在室內準確使用。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(shí)的多徑傳播也會(huì )大大限制性能。VLC 能夠達到幾十厘米的室內定位精度，輕松超越基于射頻的解決方案?；诠獾亩ㄎ幌到y利用現有的照明系統在室內建立1 個(gè)定位系統。每個(gè)LED 鎮流器都有1 個(gè)獨一無(wú)二的標識符，并將其編碼到驅動(dòng)燈具的信號中，從而使光線(xiàn)被調制，不斷地傳輸其標識。由于人類(lèi)視覺(jué)的持久性，對這些快速的脈沖是無(wú)法察覺(jué)的，但智能手機等設備可以捕獲和檢測到它們。當手機處于多個(gè)（3 個(gè)或更多）燈具的范圍內，每個(gè)燈具都有一個(gè)獨一無(wú)二的代碼，一個(gè)簡(jiǎn)單的三角測量算法可以計算出與每個(gè)燈具的距離，然后推算出位置。

圖2 可見(jiàn)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計人員面臨的兩個(gè)挑戰，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的集成度和提升性能的器件，如本文所述的VLC 系統。

圖3 VLC應用框圖

安森美的NCL31000 LED 驅動(dòng)器專(zhuān)門(mén)為基于LED的燈具應用而設計，是一個(gè)功能全面的器件，包括實(shí)施高能效LED 照明系統所需的所有元素。

該系統的核心是高能效（97%）的降壓LED 驅動(dòng)器，支持高帶寬模擬調光和PWM 調光至零電流。NCL31000 包括一個(gè)集成的3V3 固定DC-DC 轉換器和一個(gè)可調DC-DC（2V5 > 24 V），適合為傳感器或其他系統元器件供電，從而簡(jiǎn)化系統設計，降低設計風(fēng)險，同時(shí)提高整體能效。NCL31000 的架構提供了卓越的EMI 性能，超過(guò)CISPR15/EN55015 的要求>14 dB。精確的線(xiàn)性調光使可見(jiàn)光通信成為可能，從而可以開(kāi)發(fā)出基于光的室內定位系統，同時(shí)能夠以0.1%的精度真正調暗，確保在最低的調光設置下不會(huì )出現鬼光。全面的診斷方法來(lái)自于跟蹤系統電流和電壓的模數轉換器（ADC）。以高精確度（±1%）測量輸入和輸出電流和電壓，實(shí)現了電源能效和LED 負載健康監測。診斷方法包括DC-DC 轉換器和LED 溫度。所有數據都通過(guò)I2C/SPI 接口提供給外部MCU。NCL31000 的縮小版（NCL31001） 省去了多線(xiàn)照明解決方案中不需要的DC-DC 轉換器。在這些類(lèi)型的應用中，它可以作為NCL31000 的一個(gè)高性?xún)r(jià)比版本。

4   結束語(yǔ)

在低能耗LED 的推動(dòng)下，智聯(lián)照明是個(gè)重要的增長(cháng)領(lǐng)域。雖然長(cháng)使用壽命和低功耗運行是這一成功背后的兩個(gè)關(guān)鍵驅動(dòng)因素，但現代智能照明所提供的靈活性正在催生創(chuàng )新的新應用。雖然通過(guò)光來(lái)傳輸數據不是個(gè)新的概念，但這個(gè)時(shí)代終于到來(lái)了，并且正在變得流行，因為它是高能效的、穩定可靠的、安全的、沒(méi)有射頻面臨的許多挑戰。這進(jìn)而使室內定位系統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(jìn)引擎為設計人員開(kāi)辟了新的和現有的可見(jiàn)光通信市場(chǎng)，提供高能效和全集成的解決方案，幫助產(chǎn)品更快地進(jìn)入市場(chǎng)。NCL31000 也是其他一些領(lǐng)域的理想選擇，包括專(zhuān)業(yè)顯示器的背光、溫室的多通道管理照明以及其他室內和室外的互聯(lián)照明應用。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）