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可见光通讯（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，VLC因其能够提供高度准确和安全的室内定位系统，而引起了众多关注。

实施VLC系统会带来涉及系统整合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。

VLC：概述并与射频对比
随着LED的发展，它在可靠性、功耗和发光能效方面已超过了白炽灯源，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，彼时安装在塔上的信号灯能在城市之间进行基于光的通讯。19世纪初，美国军方开发了「太阳照相仪」，利用镜子中断光线或转动镜子来反射太阳光。1880年，电话的发明者亚历山大-格雷厄姆-贝尔创造了光电电话，透过一束可见光来传输语音信号。

现代VLC系统使用380奈米至750奈米光谱内的可见光（430太赫兹至790太赫兹）。透过对现有灯具的光进行调制，可建立通讯，而没有射频技术的任何限制。


 
图一 : VLC系统通常使用光谱中的可见光部分

在现代世界，使用射频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。可见光本来也是免授权的传输频段，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拦截，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）通讯和水下使用。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。此外，它还允许在靠近敏感设备的地方进行无干扰通讯，如医院和飞机上。

基于VLC的定位
室内定位可以有许多应用。在工业应用中，它可用于指导无人搬运车（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。讯号很难穿透许多建筑物，即使穿透了，讯号在墙壁和物体上反弹时的多径传播，也会大为限制效能。VLC能够达到几十公分的室内定位精准度，轻松超越射频的解决方案。

基于光的定位系统利用现有的照明系统在室内建立一个定位系统。每个LED安定器都有一个独特的标识符，并将其编码到驱动灯具的讯号中，从而使光线被调制，不断地传输其标识。由于人类的视觉暂留原理，对这些快速的脉冲是无法察觉的，但智能型手机等设备可以捕获和检测到它们。

当手机处于多个（三个或更多）灯具的范围内，每个灯具都有一个独一无二的代码，一个简单的三角量测算法可以计算出与每个灯具的距离，然后推算出位置。



 
图二 : 可见光通讯（VLC）

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整合度和提升性能的器件，如本文所述的VLC系统。


 
图三 : VLC应用架构图

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



 
图四 : 安森美的NCL31000先进照明引擎

该系统的核心是个高效能（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包括一个整合的3V3固定DC-DC转换器和一个可调DC-DC（2V5 > 24V），适合为传感器或其他系统零组件供电，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>14dB。

精确的线性调光使可见光通讯成为可能，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影。

全面的诊断方法来自于跟踪系统电流和电压的模拟数字转换器（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负荷健康监测。诊断方法包括DC-DC转换器和LED温度。所有数据都透过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。

总结
在低功耗LED的推动下，智慧照明是个重要的增长领域。虽然长的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。

虽然透过光来传输数据不是个新的概念，但这时代终于到来了，并且正在变得流行，因为它是高效能、稳定可靠、安全、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。

（本文作者Mike Sandyck为安森美产品营销经理）

关键词： ​可见光通讯 VLC