Feb. 07, 2022

VLC可見光通訊應用於LED照明

使用光傳輸通話的歷史比無線電還早，可追朔到1880年貝爾實驗室。Visible Light Communications為可見光通訊，可見光的頻率介於400 THz（波長780 nm）至800 THz（波長375 nm）之間。而VLC是一種數據通信技術，它使用可見光作為載體，屬於低數據傳輸(kb / s)。

圖一、可見光在無線頻段範圍

圖二、LED驅動電流載入VLC訊號

Lifi在 5 米（16 英尺）的距離上使用白光 LED 時通訊其速度可以到500 Mbit/s，在實驗室條件下使用5個LED在相對長距離上可達到100 Mbit/s

現有射頻標準的補充技術 IEEE 802.15.7 Visible Light Communication Task Group. (https://www.ieee802.org/15/pub/TG7.html)

與VLC 系統有一個區別就是Lifi與 Wi-Fi 類似，但Lifi是一允許雙向傳輸光的VLC 形式。不同的是，它不是無線電頻譜，而是通過配備特殊芯片的LED燈泡控制，利用可見光譜來傳輸資料。

VLC – Indoor Positioning (室內定位) 要點歸納

1. 可調光功能透過 MCU 來控制並傳輸資料。
2. 利用平均的LED輸出電流來載入人的眼睛所看不見得訊號。
3. 手機或平板上的 image sensor (圖像感測器) 可以接收並讀取資料。
4. 利用手機處理器來計算出位置訊息。

圖三、微處理器利用 i2c, PWM控制LED 驅動IC

圖四、LED驅動電流載入VLC訊號

圖五、用手機影像感測器接收並解碼出資料

可見光通訊對比於無線電的優勢VLC – Advantages v.s. RF

1. 抗干擾 (Higher immunity)

對於訊號反射較不敏感 (如充滿金屬的環境空間，金屬會吸收電磁波。)
不易被附近的無線電發射源干擾。
不易被其他通訊系統影響。

更適合於電磁干擾敏感的場域，如：飛行器、醫療院所、有爆炸風險的場域等。

2. 可擴展性 Scalability

當接收端裝置增加時, 不會有訊號飽和的問題。

3. 高安全性 Higher security

本質上可接收到光才可以通訊 (光線不能穿牆。)
可利用光源定位。

4. 系統相對簡單 Less complexity

不需要額外的電源放大器供給無線電發射，可以節省能源與降低複雜度。

圖六、市售手機的鏡頭即可接收

利用可見光通訊達到室內定位 Indoor Positioning through VLC

如何達成?

每個LED燈泡可以設定單獨的ID，並布建於建物內。
LED透過可見光通訊傳輸至接收器端。
接收裝置接收到訊號並解碼後計算出位置訊息。
接收裝置可以是攝像鏡頭或是光二極體 (photodiode)。
精確度可以準確到 30 公分。

Accuracies below 30cm are achievable in the field

市場訊息

知名照明品牌 Philips 發起了一個燈具認證計畫 “Yellow Dot”, 只要燈具經過認證並符合相關測試條件即可取得 Logo (見圖七)，測項條件的定義了PWM (Pulse-width modulation, 脈波寬度調變, Duty Cycle (佔空比) 與Symbol rate(符元率) 等有關參數。