가시광 통신의 원리
2022년 03월 04일
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가시광 통신(VLC)은 일부 애플리케이션에서 통상 사용되는 RF에 비해 상당한 이점을 제공하는 기술이다. 한 지점에서 다른 지점으로 데이터를 전송하는 용도 외에도 VLC는 매우 정확하고 안전한 실내 위치 확인 시스템을 제공할 수 있어 많은 관심을 끌고 있다.


VLC 시스템울 구현하는 것은 특히 기술에 익숙하지 않은 이들에게 시스템 통합 및 전원 관리와 관련된 당면 과제를 제시한다. 이 글에서는 VLC 위치 확인 시스템의 원리를 포함해 일부 VLC응용 애플리케이션에 대해 살펴보고, 다양한 최신 장치가 어떠한 설계 과정을 통해 위험을 관리하는지 논의한다.


VLC의 개요 및 RF와 비교


신뢰성, 전력 소비전력, 발광효율 면에서 백열등을 능가하는 LED의 발전에 따라 조명의 중요성이 크게 증가했다.


그러나 빛을 전송 매체로 사용하는 개념은 새로운 것이 아니다. 이는 1792년 프랑스에서 타워에 장착된 수신호기(세마포어)를 통해 도시 간의 빛 기반 통신을 허용했던 것까지 거슬러 올라간다. 19세기 초, 미군은 빛을 차단하거나 거울을 돌려 햇빛을 반사하는 '일광반사신호기 (헬리오그래프)’를 개발했다. 1880년, 전화기 발명가인 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 가시광선을 통해 음성 신호를 전송하는 포토폰(phtophone)을 개발했다.


현대의 VLC 시스템은 380 nm ~ 750 nm 스펙트럼(430 THz ~ 790 THz)의 가시광선을 사용한다. 기존의 조명에서 나오는 빛을 변조해 RF 기술의 한계를 넘은 통신이 가능하다.


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그림 1: VLC 시스템은 일반적으로 스펙트럼의 가시광 구간을 사용한다.



오늘날 RF를 사용하는 모바일 데이터의 급격한 증가로 인해 스텍트럼 대역이 매우 혼잡하게 되어 간섭(interference)을 초래할 수 있는 상황이 되었다. VLC는 보통 실내에서 사용되므로 간섭을 유발할 수 있는 태양과 같은 고강도 광원은 고려하지 않아도 된다. 가시광선은 또한 본질적으로 면허를 신청할 필요가 없으며 인근 시스템과 동일한 스펙트럼 구간을 두고 경쟁하는 등의 어려움을 겪을 수 있는 비면허 전송대역이다. 보안 측면에서 RF는 쉽게 벽을 관통해 신호를 가로챌 수 있으며, 높은 전력 수준에서 RF파에 장시간 노출되면 건강에 해롭기도 하다. 실내 위치 지정과 같은 저속 전송 VLC 시스템에서는 추가적인 전력 증폭기나 신호체인이 필요하지 않아 시스템 전력을 절약하고 설계 복잡성을 줄일 수 있다.


광 기반 무선 통신, 차량 대 차량(V2V) 통신 및 수중 사용을 포함하여 VLC에 대한 수많은 잠재적 응용프로그램이 존재한다. VLC는 채굴, 석유 및 가스 굴착 플랫폼과 같이 기존 RF 신호가 위험을 나타내는 특정 전문 응용분야에서 특히 유용하다. 또한 병원이나 항공기 기내 등 민감한 장비 와 가까운 곳에서 간섭 없는 통신도 지원한다.


VLC-기반 배치


현재 실내 위치 파악을 위한 많은 애플리케이션이 있다. 산업용으로는 공장이나 창고 주변의 자동유도차량(AGV)을 안내하거나 사람들이 공항, 병원, 체육관 등 대형 공공 건물을 탐색할 수 있도록 하는 데 활용된다.


위성 위치 확인 시스템(GPS)은 실외 위치 확인에 매우 효과적이지만, 실내에서 사용하기에는 정확하지 않다. 신호는 많은 건물을 통과하는데 어려움이 있으며, 만약 통과한다 해도 신호가 벽과 물체에서 반사되어 발생하는 다중 경로 전파로 인해 성능이 상당히 제한된다. VLC는 수십 센티미터 수준의 정확도를 실내 위치 확인에서 제공하며, RF 기반 솔루션을 쉽게 능가한다.


조명 기반 위치 확인 시스템은 기존의 조명 시스템을 사용해 실내에 위치 확인 시스템을 만든다. 각 LED 안정기는 고유한 식별자를 가지고 있으며, 이는 조명을 구동하는 신호로 인코딩 되어 빛을 변조해 고유한 ID를 지속적으로 전송한다. 사람의 경우 잔상효과로 인해 이러한 빠른 임펄스(impulse)를 감지할 수 없지만, 스마트폰과 같은 기기들은 이를 포착하고 감지할 수 있다.


전화기가 각각 고유한 코드를 가진 여러 조명 (3개 이상) 범위 내에 있을 때, 간단한 삼각 측량 알고리즘은 각 조명까지의 거리를 계산하고 위치를 추론할 수 있다.


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그림 2. 가시광 통신 (VLC)



VLC를 지원하는 기술


VLC 분야의 효율과 사이즈 소형화는 조명 설계 경험이 있는 설계자를 비롯해 모든 설계자가 직면한 두 가지 과제다.

모든 설계자를 지원하기 위해 온세미는 여기에서 설명한 VLC 시스템과 같은 지능형 조명 시스템의 통합을 높이고 성능을 향상시키는 장치를 제공한다.


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그림 3. VLC 애플리케이션 다이어그램



LED 기반 조명 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 온세미의 NCL31000 LED 드라이버는 고효율 LED 조명 시스템 구현에 필요한 모든 요소를 포함하는 모든 기능을 갖춘 장치이다.


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그림 4. 온세미 NCL31000의 향상된 조명 엔진



시스템의 핵심은 고대역폭 아날로그 디밍 및 PWM 디밍을 제로 전류로 지원하는 고효율(97%) 벅 LED 드라이버이다. NCL31000에는 3.3V 고정출력 DC-DC 컨버터와 조정 가능한 DC-DC(2.5V ~ 24V)가 내장되 있어 센싱 장치 또는 기타 시스템 구성 요소에 전원을 공급하기에 적합하다. 따라서 시스템 설계를 단순화하고 설계 위험을 줄이는 동시에 전반적인 효율이 향상된다. NCL31000의 아키텍처는 CISPR15 / EN55015의 요구사항을 >14dB만큼 초과하는 탁월한 EMI 성능을 제공한다.


정확도 높은 선형 디밍은 가시광 통신을 가능하게 하며, 실내 조명 기반 위치 확인 시스템 개발을 가능케 하는 동시에 0.1%의 정확도로 트루 다크(true dark)까지 디밍할 수 있어 가장 낮은 디밍 설정에서도 고스트 라이트가 발생하지 않는다.


포괄적인 진단은 시스템 전류와 전압을 추적하는 아날로그 디지털 변환기(ADC)에서 비롯된다. 입력 및 출력 전류와 전압을 높은 정확도(±1%)로 측정하면 전력 효율과 LED 부하 상태 모니터링이 가능하다. 진단에는 DC/DC 컨버터와 LED 온도가 모두 포함된다. 모든 데이터는 I2C/SPI 인터페이스를 통해 외부 MCU로 제공된다.


NCL31000의 축소 버전(NCL31001)은 다중 스트링 조명 솔루션에 필요하지 않은 DC-DC 컨버터를 포함하지 않아서, 이러한 유형의 애플리케이션에서 NCL31000보다 비용에 효율적인 제품이 될 수 있다.


요약


스마트 커넥티드 조명은 저 에너지 LED의 출현으로 인해 성장하는 중요한 성장 분야이다. 긴 수명과 저 전력 동작은 이러한 성공의 두 가지 핵심요소이지만, 최신 지능형 조명이 제공하는 유연성은 혁신적인 새로운 응용프로그램을 탄생시키고 있다.


새로운 개념은 아니지만, 빛을 통한 데이터 전송은 마침내 가능하게 되었고 에너지 효율, 견고성, 안전성을 제공하면서 RF의 많은 문제가 없기 때문에 더욱 대중화되고 있다. 이는 차례로 실내 위치 확인 시스템과 같은 보다 정교한 애플리케이션을 가능하게 한다. 이들은 빛을 기반으로 하기 때문에, 병원이나 광산과 같이 RF가 차단되는 지역을 포함하여 모든 곳에 배치될 수 있다.


커넥티드 조명을 위한 종합 솔루션 포트폴리오와 함께 온세미의 NCL31000 고급 조명 엔진은 제품의 시장 출시를 가속화하는 매우 효율적이고 완전히 통합된 솔루션을 제공하며, 설계자에게 가시광 통신의 기존 시장과 더불어 새로운 시장을 열어준다. NCL31000은 또한 전문가용 디스플레이의 백라이트, 온실의 다중 채널 관리 조명 및 기타 실내/실외 연결 조명 애플리케이션 등 수많은 영역에도 적합하다.


글/ 마이크 샌딕(Mike Sandyck), 온세미 제품 마케팅 매니저

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