可見(jiàn)光通訊的原理

可見(jiàn)光通訊（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，VLC因其能夠提供高度準確和安全的室內定位系統，而引起了眾多關(guān)注。

實(shí)施VLC系統會(huì )帶來(lái)涉及系統整合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。

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)了白熾燈源，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，彼時(shí)安裝在塔上的信號燈能在城市之間進(jìn)行基于光的通訊。19世紀初，美國軍方開(kāi)發(fā)了「太陽(yáng)照相儀」，利用鏡子中斷光線(xiàn)或轉動(dòng)鏡子來(lái)反射太陽(yáng)光。1880年，電話(huà)的發(fā)明者亞歷山大-格雷厄姆-貝爾創(chuàng )造了光電電話(huà)，透過(guò)一束可見(jiàn)光來(lái)傳輸語(yǔ)音信號。

現代VLC系統使用380奈米至750奈米光譜內的可見(jiàn)光（430太赫茲至790太赫茲）。透過(guò)對現有燈具的光進(jìn)行調制，可建立通訊，而沒(méi)有射頻技術(shù)的任何限制。


 
圖一 : VLC系統通常使用光譜中的可見(jiàn)光部分

在現代世界，使用射頻移動(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攔截，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）通訊和水下使用。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。此外，它還允許在靠近敏感設備的地方進(jìn)行無(wú)干擾通訊，如醫院和飛機上。

基于VLC的定位
室內定位可以有許多應用。在工業(yè)應用中，它可用于指導無(wú)人搬運車(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。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(shí)的多徑傳播，也會(huì )大為限制效能。VLC能夠達到幾十公分的室內定位精準度，輕松超越射頻的解決方案。

基于光的定位系統利用現有的照明系統在室內建立一個(gè)定位系統。每個(gè)LED安定器都有一個(gè)獨特的標識符，并將其編碼到驅動(dòng)燈具的訊號中，從而使光線(xiàn)被調制，不斷地傳輸其標識。由于人類(lèi)的視覺(jué)暫留原理，對這些快速的脈沖是無(wú)法察覺(jué)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(gè)（三個(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)單的三角量測算法可以計算出與每個(gè)燈具的距離，然后推算出位置。



 
圖二 : 可見(jiàn)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整合度和提升性能的器件，如本文所述的VLC系統。


 
圖三 : VLC應用架構圖

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



 
圖四 : 安森美的NCL31000先進(jìn)照明引擎

該系統的核心是個(gè)高效能（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)整合的3V3固定DC-DC轉換器和一個(gè)可調DC-DC（2V5 > 24V），適合為傳感器或其他系統零組件供電，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>14dB。

精確的線(xiàn)性調光使可見(jiàn)光通訊成為可能，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 )出現鬼影。

全面的診斷方法來(lái)自于跟蹤系統電流和電壓的模擬數字轉換器（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負荷健康監測。診斷方法包括DC-DC轉換器和LED溫度。所有數據都透過(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。

總結
在低功耗LED的推動(dòng)下，智慧照明是個(gè)重要的增長(cháng)領(lǐng)域。雖然長(cháng)的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。

雖然透過(guò)光來(lái)傳輸數據不是個(gè)新的概念，但這時(shí)代終于到來(lái)了，并且正在變得流行，因為它是高效能、穩定可靠、安全、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。

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