موضوع مقاله: مخابرات نور مرئی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # مخابرات نور مرئی | مقدمه: در حوزه مخابرات و ارتباطات، عبارت ارتباطات نور مرئی به استفاده از طیف مرئی (نور با بسامد ۴۰۰ تا ۸۰۰ تراهرتز/طول موج ۷۸۰ تا ۳۷۵ نانومتر) به عنوان محیط انتقال اشاره دارد. | ## بخش 1: مخابرات نور مرئی | این فناوری از لامپ فلورسنت (لامپ‌های معمولی، نه دستگاه‌های ارتباطی ویژه) برای ارسال سیگنال با نرخ ۱۰ کیلوبیت بر ثانیه استفاده، یا حتی از ال‌ئی‌دی برای رسیدن به سرعت ۵۰۰ مگابیت بر ثانیه در فواصل کوتاه بهره می‌برد. سامانه‌هایی مانند RONJA می‌توانند در فواصل اترنت را با سرعت ۱۰ مگابیت بر ثانیه منتقل کنند. حسگر نوری استفاده‌شده در این دستگاه‌ها، در واقع آرایه‌ای از فوتودیودها (پیکسل‌ها) است و در برخی کاربردها ممکن است استفاده از آرایه‌ها نسبت به یک فوتودیود منفرد ترجیح داشته باشد. ارتباطات نور مرئی می‌تواند به عنوان یک محیط ارتباطی برای رایانش فراگیر استفاده شود، زیرا دستگاه‌های نوردهنده (مانند لامپ‌های داخل و خارج ساختمان، تلویزیون‌ها، تابلوهای ترافیکی، نمایشگرهای تجاری و چراغ‌های جلو و عقب خودروها) در همه جا استفاده می‌شوند. کاربردها یکی از ویژگی‌های اصلی وی‌اِل‌سی، ناتوانی نور در عبور از موانع فیزیکی کدر است. این ویژگی را می‌توان نقطه ضعف وی‌اِل‌سی دانست، زیرا در برابر تداخل ناشی از اشیاء فیزیکی آسیب‌پذیر است. اما در عین حال یکی از نقاط قوت آن نیز محسوب می‌شود: برخلاف امواج رادیویی، امواج نوری در فضاهای بسته‌ای که در آن ارسال می‌شوند محدود می‌مانند و همین امر یک سد امنیتی فیزیکی ایجاد می‌کند که نیازمند دسترسی فیزیکی گیرنده به محل انتقال سیگنال است. یکی از کاربردهای نویدبخش وی‌اِل‌سی، سامانه موقعیت‌یابی فضاهای داخلی است که مشابه جی‌پی‌اِس بوده و برای کار در فضاهای بسته‌ای که سیگنال‌های ماهواره‌ای جی‌پی‌اِس به آن نمی‌رسد طراحی شده است. به عنوان مثال، ساختمان‌های تجاری، مراکز خرید، پارکینگ‌ها، و همچنین متروها و تونل‌ها، همگی کاربردهای ممکن برای سامانه‌های موقعیت‌یابی داخلی مبتنی بر وی‌اِل‌سی هستند. علاوه بر این، هنگامی که لامپ‌های وی‌اِل‌سی قادر باشند همزمان روشنایی و انتقال داده را انجام دهند، می‌توانند جایگزین لامپ‌های سنتی تک‌منظوره شوند. با افزایش تعداد دستگاه‌های مجهز به اینترنت اشیاء، ارتباط از طریق امواج رادیویی ممکن است با تداخل مواجه شود. لامپ‌های مجهز به وی‌اِل‌سی می‌توانند هر دوی داده و دستورها را میان چنین دستگاه‌هایی منتقل کنند. بازمی‌گردد، که دانشمند اسکاتلندی‌تبار به نام الکساندر گراهام بل فوتوفون را اختراع کرد. فوتوفون دستگاهی بود که گفتار را با استفاده از نور خورشید مدوله‌شده در فاصله چند صد متری منتقل می‌کرد. کارهای پژوهشی جدیدتر از سال ۲۰۰۳ در آزمایشگاه ناکاگاوا، در دانشگاه کیئو، ژاپن، با استفاده از ال‌ئی‌دی‌ها برای انتقال داده از طریق نور مرئی آغاز شد. در سال ۲۰۰۶، پژوهشگران CICTR در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، ترکیبی از مخابرات ازطریق خط‌نیرو و ال‌ئی‌دی‌های نور سفید را برای ارائه دسترسی باند پهن در کاربردهای داخلی پیشنهاد دادند.M. در ژانویه ۲۰۱۰، تیمی از پژوهشگران زیمنس و مؤسسه تله‌کام فرانهوفر، مؤسسه هاینریش هرتز در برلین، انتقال داده با سرعت ۵۰۰ مگابیت بر ثانیه با استفاده از ال‌ئی‌دی‌ سفید در فاصله و ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه در فواصل بلندتر را با استفاده از پنج ال‌ئی‌دی نمایش برسانند. در دسامبر ۲۰۱۰، سنت کلاود (مینه‌سوتا) قراردادی با شرکت LVX در مینه‌سوتا امضا کرد و نخستین شهری شد که این فناوری را به صورت تجاری به کار گرفت. در ژوئیه ۲۰۱۱، در ارائه‌ای در تد انتقال زنده ویدئوی اچ‌دی از یک لامپ ال‌ئی‌دی معمولی نمایش داده شد و اصطلاح لای-فای به عنوان زیرمجموعه‌ای از فناوری وی‌اِل‌سی مطرح شد. اخیراً، سامانه موقعیت‌یابی فضاهای داخلی مبتنی بر وی‌اِل‌سی به موضوعی جذاب تبدیل شده است. مؤسسه پژوهشی ABI پیش‌بینی می‌کند که این فناوری می‌تواند کلید ورود به بازار ۵ میلیارد دلاری موقعیت‌یابی داخلی باشد. | ## بخش 2: مخابرات نور مرئی | گروه COWA در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و سایر پژوهشگران در سراسر جهان نیز در این زمینه فعال بوده‌اند. کاربرد اخیر دیگر در حوزه اسباب‌بازی‌هاست که به لطف پیاده‌سازی کم‌هزینه و ساده، تنها به یک ریزکنترل‌گر و یک ال‌ئی‌دی به عنوان جبهه نوری نیاز دارد. اخیراً دیودهای نورگسیل ارگانیک (Oال‌ئی‌دی) به عنوان فرستنده-گیرنده نوری برای ایجاد ارتباط وی‌اِل‌سی با سرعت تا ۱۰ مگابیت بر ثانیه به کار گرفته شده‌اند. در مه ۲۰۱۵، شرکت فیلیپس با فروشگاه زنجیره‌ای کارفور همکاری کرد تا خدمات مبتنی بر موقعیت‌یابی وی‌اِل‌سی را در یک هایپرمارکت در لیل (فرانسه) به تلفن‌های هوشمند خریداران ارائه دهد. در ژوئن ۲۰۱۵، دو شرکت چینی Kuang-Chi و بانک پینگ آن با همکاری یک کارت پرداخت معرفی کردند که اطلاعات را از طریق نور مرئی منحصر به فرد منتقل می‌کرد. در مارس ۲۰۱۷، فیلیپس نخستین خدمات مبتنی بر موقعیت‌یابی وی‌اِل‌سی را برای خریداران در آلمان راه‌اندازی کرد. به عنوان نخستین سوپرمارکت در آلمان، یک فروشگاه Edeka در دوسلدورف-بیلک از این سامانه استفاده می‌کند که دقت موقعیت‌یابی ۳۰ سانتی‌متر ارائه می‌دهد و این نیازهای خاص فروشگاه‌های مواد غذایی را برآورده می‌کند. سامانه‌های موقعیت‌یابی داخلی مبتنی بر وی‌اِل‌سی می‌توانند در مکان‌هایی مانند بیمارستان‌ها، خانه‌های سالمندان، انبارها و دفاتر بزرگ برای مکان‌یابی افراد و کنترل وسایل نقلیه رباتیک داخلی به کار روند. مدولاسیون تغییر شکلی است که سیگنال نوری برای نمایش نمادهای مختلف به خود می‌گیرد تا داده رمزنگاری/رمزگشایی شود. برخلاف انتقال رادیویی، مدولاسیون وی‌اِل‌سی مستلزم آن است که سیگنال نوری حول یک مقدار مثبت dc مدوله شود که مسئول جنبه روشنایی لامپ است. بنابراین، مدولاسیون یک سیگنال متناوب حول سطح dc مثبت خواهد بود و در فرکانسی که به اندازه کافی بالا باشد تا برای چشم انسان غیرقابل تشخیص باشد. به دلیل این هم‌نهشتی سیگنال‌ها، پیاده‌سازی فرستنده وی‌اِل‌سی معمولاً نیازمند یک مبدل dc با راندمان بالا، توان بالا و پاسخ کند برای تأمین بایاس ال‌ئی‌دی جهت روشنایی است و همچنین یک تقویت‌کننده با راندمان کمتر، توان کمتر و سرعت پاسخ‌دهی بیشتر برای سنتز مدولاسیون جریان ac لازم است. تکنیک‌های مختلفی برای مدولاسیون وجود دارند که سه گروه اصلی را تشکیل می‌دهند: انتقال مدوله‌شده تک‌حاملی انتقال مدوله‌شده چندحاملی انتقال مبتنی بر پالس انتقال مدوله‌شده تک‌حاملی انتقال مدوله‌شده تک‌حاملی شامل تکنیک‌های مدولاسیونی است که برای شکل‌های سنتی انتقال مانند رادیو به کار رفته‌اند. یک موج سینوسی به سطح dc روشنایی افزوده می‌شود و اطلاعات دیجیتال در ویژگی‌های موج کدگذاری می‌شود. با تغییر بین دو یا چند مقدار مختلف یک ویژگی مشخص، نمادهای نسبت‌داده‌شده به هر مقدار روی لینک نوری ارسال می‌شوند. تکنیک‌های ممکن عبارتند از کلیدگذاری تغییر دامنه ، کلیدگذاری تغییر فاز و کلیدزنی تغییر فرکانس . در این میان، FSK قادر به انتقال بیت با نرخ بالاتر است، زیرا امکان تفکیک آسان‌تر نمادها با تغییر فرکانس وجود دارد. تکنیک اضافی دیگری به نام مدولاسیون دامنه-فاز مربعی نیز پیشنهاد شده که در آن هم دامنه و هم فاز ولتاژ سینوسی به طور همزمان تغییر می‌کند تا تعداد نمادهای ممکن افزایش یابد. انتقال مدوله‌شده چندحاملی انتقال مدوله‌شده چندحاملی به همان روش انتقال تک‌حاملی عمل می‌کند، اما دو یا چند موج سینوسی به طور همزمان برای انتقال داده مدوله می‌شوند. با این حال، در انتقال‌های چندمسیره (جایی که گیرنده مستقیماً در مقابل فرستنده نیست و انتقال به بازتاب نور وابسته است) مزیت عمده‌ای دارد. انتقال مبتنی بر پالس انتقال مبتنی بر پالس شامل تکنیک‌های مدولاسیونی است که داده به جای موج سینوسی، روی یک موج پالسی کدگذاری می‌شود. | ## بخش 3: مخابرات نور مرئی | برخلاف سیگنال‌های متناوب سینوسی که میانگین دوره‌ای همواره صفر است، امواج پالسی مبتنی بر حالت بالا-پایین، به طور ذاتی به مقادیر میانگین غیر صفر منجر می‌شوند. این امر دو مزیت عمده برای مدولاسیون‌های مبتنی بر پالس به همراه دارد: می‌توان آن را تنها با یک مبدل dc پرقدرت و با راندمان بالا با پاسخ کند و یک کلید قدرت با سرعت بالا برای اعمال جریان در لحظات خاص به ال‌ئی‌دی پیاده‌سازی کرد. از آنجا که مقدار میانگین به عرض پالس سیگنال داده وابسته است، همان کلیدی که انتقال داده را انجام می‌دهد می‌تواند تنظیم روشنایی را هم انجام دهد و به این ترتیب طراحی مبدل dc را ساده‌تر کند. به دلیل این مزایای مهم، این مدولاسیون‌های قابل کم‌نورکردن (دیمرکردن) در استاندارد آی‌تریپل‌ئی ۸۰۲٫۱۵٫۷: ارتباطات نوری مرئی تعریف شده‌اند که سه تکنیک مدولاسیون را شامل می‌شود: کلیدگذاری خاموش-روشن مدولاسیون موقعیت پالسی متغیر کلیدگذاری تغییر رنگ کلیدگذاری خاموش-روشن در تکنیک کلیدگذاری خاموش–روشن ، ال‌ئی‌دی به طور مکرر روشن و خاموش می‌شود و نمادها با عرض پالس متمایز می‌شوند. از آنجا که داده در عرض پالس کدگذاری می‌شود، اطلاعات ارسالی در صورت اصلاح‌نشدن، روی سطح روشنایی تأثیر می‌گذارد: برای مثال، رشته‌ای با چند مقدار '۱' بیشتر نسبت به رشته‌ای با چند مقدار '۰' روشن‌تر به نظر می‌رسد. برای رفع این مشکل، مدولاسیون نیازمند یک پالس جبرانی است که در دوره داده برای تراز کردن روشنایی افزوده می‌شود. اما اطلاعات کدگذاری‌شده روی عرض پالس به راحتی قابل تفکیک و رمزگشایی است، بنابراین پیچیدگی فرستنده با سادگی گیرنده جبران می‌شود. مدولاسیون موقعیت پالسی متغیر در مدولاسیون موقعیت پالسی متغیر نیز ال‌ئی‌دی به طور مکرر روشن و خاموش می‌شود اما نمادها با موقعیت پالس در دوره داده کدگذاری می‌شوند. هرگاه پالس در ابتدای دوره داده قرار گیرد، نماد ارسالی به عنوان عدد منطقی '۰' و در صورتی که پالس انتهای دوره داده باشد به عنوان عدد منطقی '۱' استاندارد می‌شود. از آنجا که اطلاعات با محل قرارگیری پالس در دوره داده کدگذاری می‌شود، هر دو پالس می‌توانند عرض یکسان داشته باشند و نیازی به نماد جبرانی نیست. تنظیم روشنایی توسط الگوریتم فرستنده و با انتخاب عرض مناسب پالس‌های داده انجام می‌شود. با این حال، رمزگشایی کمی پیچیده‌تر بوده و این پیچیدگی عمدتاً ناشی از کدگذاری اطلاعات در لبه‌های بالارونده مختلف هر نماد است که نمونه‌برداری در ریزکنترل‌گر را دشوار می‌کند. همچنین، برای رمزگشایی محل پالس در دوره داده، گیرنده باید به نحوی با فرستنده همگام باشد و دقیقاً بداند دوره داده چه زمانی شروع می‌شود و چقدر طول می‌کشد. کلیدگذاری تغییر رنگ کلیدگذاری تغییر رنگ که در استاندارد آی‌تریپل‌ئی ۸۰۲٫۱۵٫۷ شرح داده شده، یک روش مدولاسیون شدت مبتنی بر شدت برای وی‌اِل‌سی است. CSK مبتنی بر شدت است زیرا سیگنال مدوله‌شده در هر لحظه رنگی برابر با جمع فیزیکی شدت‌های آنی سه ال‌ئی‌دی (قرمز/سبز/آبی) دارد. با این حال، این تغییرات آنی در رنگ ارسال‌شده برای انسان قابل تشخیص نیست زیرا حساسیت زمانی بینایی انسان محدود است. زیرا هیچ کدام از "آستانه همجوشی سوسو زدن" و "آستانه همجوشی رنگ" نمی‌توانند تغییرات زمانی کوتاه‌تر از ۰.۰۱ ثانیه را تشخیص دهند. بنابراین انتقال داده ا زطریق ال‌ئی‌دی‌ها به گونه‌ای تنظیم می‌شود که به طور میانگین زمانی (بر مبنای CFF و CCF) به یک رنگ ثابت برسند. انسان‌ها تنها همین رنگ تنظیم‌شده را می‌بینند که در طول زمان ثابت به نظر می‌رسد و رنگ‌های لحظه‌ای که با سرعت زیاد تغییر می‌کنند قابل تشخیص نیستند. | ## جمع‌بندی | به بیان دیگر، انتقال CSK در حالی که دنباله نمادها به سرعت در فام تغییر می‌کند، شار نوری میانگین زمانی ثابتی را حفظ می‌کند.