Übertragung von Kommunikationssignalen mit sichtbarem Licht

Ihre Forschung hat auf Methoden hingewiesen, die von TV-Fernbedienungen verwendet werden, die eine verfeinerte Datenübertragung haben, die robust ist. Eine sichtbare LED- Verbindung unterscheidet sich optisch kaum von der optischen Infrarotverbindung, die universell von allen Fernbedienungen verwendet wird. Vielleicht wäre etwas Forschung zu diesen hervorragenden IR-Fernbedienungs-Empfängerchips gut investierte Zeit. Vishay beschreibt die Interna etwas ausführlicher in dieser Notiz: Schaltungsbeschreibung der IR-Empfänger-Fernbedienung
Schade, dass diese IR-Fernbedienungs-Empfänger-Chips alle optisch undurchlässig für sichtbares Licht sind (sie akzeptieren nur Infrarot-Wellenlängen länger als etwa 750 nm). Dieser optische Filter ist der einzige Grund , warum diese Chips nicht mit einer sichtbaren roten LED-Lichtquelle verwendet werden können.
Ihr Vorschlag, zwischen 30-35 kHz zu wechseln. Modulation ist auch ein vernünftiger Ansatz. Ein Fotodetektor, Bandpassfilter, Begrenzer in einem PLL-Detektor wie LM567 oder 4046 könnte das empfangene Signal verarbeiten. Wenn kein Signal vorhanden ist, erhalten Sie wahrscheinlich Datenmüll, daher wäre ein Datenprotokoll mit Prüfsummen- oder CRC-Paketen angemessen. Hier ist eine Idee für ein "Front-End" eines optischen Empfängers, das den PLL-Demodulator speisen könnte ...

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wenn Sie können, wählen Sie eine hocheffiziente ROTE LED (nicht grün) mit einer engen Strahlbreite von 8 Grad oder weniger und einer klaren (nicht diffusen) Kunststofflinse. Sie müssen es ziemlich vorsichtig auf den empfangenden Fotodetektor richten. Sie können diese LED einfach mit 30/35 KHz modulieren. Rechteckwelle von einer digitalen Quelle.
Silizium-Fototransistoren haben den besten Wirkungsgrad für Infrarot, erkennen aber immer noch sichtbares ROTES Licht ausreichend gut, aber nicht so viel GRÜNES Licht von Ihrer LED. Es könnte ein normaler Fototransistor mit klarer Linse verwendet werden, mit einer abgestimmten Last, die eine LC-abgestimmte Schaltung (abgestimmt auf 33 KHz) umfasst. Ein großer Bias-Widerstand (3,3 Megaohm) trägt zur Verbesserung der AC-Reaktion bei 33 kHz bei. Das Umgebungslicht im Raum sorgt ebenfalls für zusätzliche Vorspannung. Das geladene Q des LC-Bandpasses sollte für Ihre Anwendung kleiner als zehn sein.

Ich überlege, die LED mit zwei festgelegten Frequenzen zu modulieren, sagen wir 30 kHz und 35 kHz, wobei die Fotodiode mit einem für 35 kHz ausgelegten Bandpassfilter verbunden wird, sodass der Ausgang des Filters eine logische Eins ist, wenn meine LED mit 35 kHz und einer Logik moduliert wird 0, wenn es bei 30 kHz mod ist

Sie könnten Strom sparen, indem Sie einfach die LED ganz ausschalten, um eine 0 zu übertragen, anstatt ein Signal zu übertragen und es an den Empfänger zu werfen.

Oder Sie könnten das effektive SNR verbessern, wenn Sie einen Empfänger verwenden, der sowohl 30 als auch 35 kHz erkennen kann, aber den Unterschied zwischen ihnen erkennen kann.

Wenn Sie es schaffen, das Signal richtig zu modulieren und zu demodulieren, sollten Sie kein großes Problem haben. Infrarot-LED-Photodioden-Paare helfen, Interferenzen zu reduzieren, insbesondere wenn Sie sie so wählen, dass eine mit der höchsten Empfindlichkeit der anderen emittiert. Wenn Sie eine Art Verstärker für das Fotodiodensignal verwenden, achten Sie auch darauf, das System zu stabilisieren, da sie bei nicht sorgfältiger Implementierung zum Schwingen neigen (insbesondere bei immer höheren Frequenzen, wenn die Verstärkung abfällt).

Ein alternativer Ansatz für dieses Problem besteht darin, analoge Daten einzulesen und die Verarbeitung im digitalen Bereich durchzuführen.

Die Verwendung einer Technik wie Kreuzkorrelation würde wahrscheinlich gut funktionieren, es könnte für diese Anwendung etwas übertrieben sein, sollte aber ziemlich robust sein. Der typische Weg, dies anzuwenden, wäre, das Ergebnis von zwei Kreuzkorrelationen zu subtrahieren und einen einzelnen Zyklus der zwei Frequenzen als Fenster für die zwei Kreuzkorrelationen zu verwenden. (Dies könnte auch leicht erweitert werden, um mehr Frequenzen oder Muster für komplexere Codierungen zu erkennen.)

Die Modulation, von der Sie sprechen, ist Binary Frequency Shift Keying . Ich denke, das ist etwas Ähnliches wie der TSOP- Sensor. Aber es funktioniert in IR. Und ich halte es ehrlich gesagt für übertrieben für VLC.

Wenn Sie wirklich "sichtbare" Lichtkommunikation wollen, brauchen Sie nur einen ausreichend guten Fotodetektor. Ich habe einige Fotodioden verwendet, die selbst bei 9600 Baud einigermaßen gut funktionieren (ich habe UART als meinen Modulator/Demodulator verwendet). Die verwendete Empfängerschaltung war ein Transimpedanzverstärker , um eine Spannungswellenform aus dem Fotodiodenstrom zu erhalten, gefolgt von einem Komparator. Sie würden nur eine ausreichend helle LED benötigen, um die Reichweite zu erhöhen. Ich musste die Komparatorschwelle manuell einstellen, aber Sie könnten eine automatische Verstärkungsregelung implementieren, um dieses Problem zu lösen.

Eine sehr einfache Filtermethode besteht darin, Ihren Sensor mit getöntem Kunststoff abzudecken (wenn Sie rote LEDs verwenden, bedecken Sie Ihren Sensor mit grünen und blauen Filtern). Sie filtern das Lichtsignal effektiv durch einen Bandpass. Wenn Sie auf der Schaltung mit einer Datenrate von 10 kHz arbeiten, sollte ein passiver RC-Hochpassfilter zum Blockieren von 50 Hz / 60 Hz-Rauschen ausreichen. Denn wenn Sie darüber nachdenken, stammt das Umgebungslicht entweder von der Sonne / Gleichstromquelle wie einer Taschenlampe, dh ihrem Gleichstrom, oder von einer netzbetriebenen Lichtquelle, dh einer Welle von 50 Hz / 60 Hz. Ein Hochpassfilter sollte das Rauschen entfernen.

Als ich damals, als Dinosaurier die Erde durchstreiften, ein ähnliches System entwarf und baute (na ja, einfaches Pulsen ("0-1-0 ... usw.") des Senders, fand ich ein Stück mattschwarz mit 25 mm Durchmesser Plastikrohr, vielleicht 50 mm bis 75 mm lang, mit den Sende- und Empfangsgeräten an den anderen Enden dieser kurzen Röhren, löste alle Probleme, die ich hatte, als die Elektronik Streusignale von Tageslicht oder künstlichem Licht aufnahm.

Bevor ein Redakteur vorspringt, um dies zu löschen, schlage ich vor, dass dies der Inbegriff einer elektronischen Antwort ist, weil meine Plastikrohrstücke mit einem "Schlag" jede unerwünschte Quelle elektromagnetischer Interferenzen ausreichend herausgefiltert haben. Perfekte Lösung. Richten Sie den Empfänger nur nicht auf das Fenster oder die Beleuchtungskörper.

Ein kurzes Stück Rohr bestimmte in meinem Fall auch die Freiheitsgrade im gesamten elektronischen Design. Und ist nicht jede Elektronik genau auf die Umgebung zugeschnitten, in der sie eingesetzt werden soll? Ein Stück Rohr bestimmt die Elektronik - hier alles normal...

Warum habe ich die Rohrabschirmung am Sender verwendet? Ausschließlich aufgrund der spezifischen Anforderungen dieser bestimmten Installation. Unter vielen anderen Umständen hätte ich mich nicht um eine Senderrohrabschirmung gekümmert.