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可见光通信的原理

作者:Mike Sandyck(安森美(Onsemi)产品营销经理)时间:2021-09-17来源:电子产品世界收藏

可见(VLC)是一种技术,在某些应用中,它与更常用的射频(RF)相比具有显著的优势。除了从一个点到另一个点的数据传输的明显用途外,VLC因其能够提供高度准确和安全的室内定位系统而引发了众多关注。实施VLC 系统会带来涉及系统集成和电源管理的特定挑战,特别是对那些不熟悉该技术的人来说。本文将探讨VLC 的一些应用,包括VLC 定位系统的原理,并讨论最新的器件如何提供一条风险极小的设计路径。

本文引用地址:http://www.iznbh.com/article/202109/428308.htm

1   VLC:概述并与射频对比

随着 的发展,它在可靠性、功耗和发光能效方面已超过了白炽灯,照明的重要性已显著增加。然而,利用光作为传输媒介的概念并不新鲜,可以追溯到1792 年的法国,在那里,安装在塔上的信号灯能在城市之间进行基于光的通信。19 世纪初,美国军方开发了“太阳仪”,利用镜子通过中断光线或转动镜子来反射太阳光。1880 年,亚历山大·格雷厄姆·贝尔(电话的发明者)创造了他的光电电话,通过一束可见光来传输语音信号。现代VLC 系统使用(380 ~ 750)nm 光谱内的可见光(430 ~ 790)THz。通过对现有灯具的光进行调制,可建立通信,而没有射频技术的任何限制。

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在现代世界,使用射频的移动数据的急剧增加意味着非常拥挤的光谱,这可能导致干扰。VLC 通常在室内使用,最大的潜在干扰源——像太阳这样的高强度光源——并不是一个因素??杉獗纠匆彩敲馐谌ǖ拇淦刀?,不需要申请许可证,也不受附近系统对同一频段的竞争。从安全的角度来看,射频很容易穿透墙壁,所以信号可能很容易被截获,而且在高功率水平下,长期暴露在射频波中可能对人体健康有害。在低传输速度的VLC 系统中,如室内定位,不需要额外的功率放大器和信号链,从而节省了系统功耗,降低了设计复杂性。VLC 有多种潜在的应用,包括基于光的无线通信、车对车(V2V)通信和水下应用。在某些传统的射频信号会带来危险的专业应用中,如采矿或石油和天然气平台,VLC 特别有意义。它还允许在靠近敏感设备的地方如医院和飞机上进行无干扰通信。

2   基于VLC的定位

室内定位可用于许多应用。在工业应用中,它可用于指导自动导引车(AGV)在工厂和仓库周围行驶,或允许人类在大型公共建筑如机场、医院或体育场馆中导航。虽然全球定位系统(GPS)对于室外定位非常有效,但不适合在室内准确使用。信号很难穿透许多建筑物,即使穿透了,信号在墙壁和物体上反弹时的多径传播也会大大限制性能。VLC 能够达到几十厘米的室内定位精度,轻松超越基于射频的解决方案?;诠獾亩ㄎ幌低忱孟钟械恼彰飨低吃谑夷诮? 个定位系统。每个 镇流器都有1 个独一无二的标识符,并将其编码到驱动灯具的信号中,从而使光线被调制,不断地传输其标识。由于人类视觉的持久性,对这些快速的脉冲是无法察觉的,但智能手机等设备可以捕获和检测到它们。当手机处于多个(3 个或更多)灯具的范围内,每个灯具都有一个独一无二的代码,一个简单的三角测量算法可以计算出与每个灯具的距离,然后推算出位置。

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图2 可见(VLC)

3   支持VLC的技术

在VLC 领域,能效和小尺寸是所有设计人员面临的两个挑战,包括那些有设计灯具经验的设计人员。为了向所有设计人员提供支持,安森美(onsemi)提供增加智能照明系统的集成度和提升性能的器件,如本文所述的VLC 系统。

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图3 VLC应用框图

安森美的NCL31000 驱动器专门为基于LED的灯具应用而设计,是一个功能全面的器件,包括实施高能效LED 照明系统所需的所有元素。


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该系统的核心是高能效(97%)的降压LED 驱动器,支持高带宽模拟调光和PWM 调光至零电流。NCL31000 包括一个集成的3V3 固定DC-DC 转换器和一个可调DC-DC(2V5 > 24 V),适合为传感器或其他系统元器件供电,从而简化系统设计,降低设计风险,同时提高整体能效。NCL31000 的架构提供了卓越的EMI 性能,超过CISPR15/EN55015 的要求>14 dB。精确的线性调光使可见成为可能,从而可以开发出基于光的室内定位系统,同时能够以0.1%的精度真正调暗,确保在最低的调光设置下不会出现鬼光。全面的诊断方法来自于跟踪系统电流和电压的模数转换器(ADC)。以高精确度(±1%)测量输入和输出电流和电压,实现了电源能效和LED 负载健康监测。诊断方法包括DC-DC 转换器和LED 温度。所有数据都通过I2C/SPI 接口提供给外部MCU。NCL31000 的缩小版(NCL31001) 省去了多线照明解决方案中不需要的DC-DC 转换器。在这些类型的应用中,它可以作为NCL31000 的一个高性价比版本。

4   结束语

在低能耗LED 的推动下,智联照明是个重要的增长领域。虽然长使用寿命和低功耗运行是这一成功背后的两个关键驱动因素,但现代智能照明所提供的灵活性正在催生创新的新应用。虽然通过光来传输数据不是个新的概念,但这个时代终于到来了,并且正在变得流行,因为它是高能效的、稳定可靠的、安全的、没有射频面临的许多挑战。这进而使室内定位系统等更精密的应用成为可能。由于这些都是基于光,它们可以被部署在任何地方,包括在医院和采矿等不允许使用射频的地方。除了全面的互联照明解决方案组合外,安森美的NCL31000 先进引擎为设计人员开辟了新的和现有的可见光通信市场,提供高能效和全集成的解决方案,帮助产品更快地进入市场。NCL31000 也是其他一些领域的理想选择,包括专业显示器的背光、温室的多通道管理照明以及其他室内和室外的互联照明应用。

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期)



关键词: 202109 光通信 LED

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