Espectro de la Comunicación por Luz Visible (VLC)

• Rango de Longitud de Onda: El espectro de VLC se extiende desde los 380 nm hasta los 750 nm.
• Rango de Frecuencia: Este rango de longitud de onda corresponde a un espectro de frecuencia que va desde los 430 THz hasta los 770 THz.

Componentes Clave del Transmisor VLC

1. Pre-distortion (Predistorsión)

Un LED es un diodo y tiene un comportamiento no lineal, especialmente al encenderse o al saturarse. El predistorsionador añade una «distorsión» controlada a la señal para anular las no linealidades del LED, permitiendo que trabaje directamente en su zona lineal y evitando errores iniciales. Este bloque es opcional y se utiliza principalmente en transmisiones de alta velocidad.

2. Pulse Shaping (Acondicionamiento de Pulso)

Adapta la señal analógica a pulsos específicos (como los de coseno realzado) para evitar la Interferencia Intersimbólica (ISI), que ocurre cuando los pulsos se superponen a altas velocidades.

3. DC Biasing (Polarización DC)

La luz no puede ser negativa; si se inyecta un voltaje negativo a un LED, simplemente se apaga. Para evitar esto, se suma una señal de corriente continua (DC) a la señal de datos (AC).

4. LED Non-linearity (No linealidad del LED)

Este bloque representa el comportamiento físico del LED. La señal final que sale del DC Biasing se envía al LED, que emitirá la luz modulada, pero su respuesta no es perfectamente lineal.

Unidades Fundamentales de Fotometría

• Candela (cd): Mide la intensidad luminosa en una dirección específica.
  • Analogía: Imagina un faro. La candela sería la «fuerza» del haz de luz que emite en una dirección concreta. Un faro más potente tiene más candelas.
• Lumen (lm): Mide el flujo luminoso total emitido por una fuente en todas las direcciones.
  • Analogía: Si la candela es la fuerza del chorro de una manguera en una dirección, el lumen es la cantidad total de agua que sale de un aspersor que riega en 360 grados. Representa la cantidad total de «luz útil».
• Lux (lx): Mide la iluminancia, es decir, la cantidad de flujo luminoso (lúmenes) que incide sobre una superficie de 1 m².
  • Analogía y Ejemplo: Un lux es igual a un lumen por metro cuadrado. Si una lámpara de 1000 lúmenes ilumina una mesa de 1 m², la iluminancia es de 1000 lux. Si ilumina una pared de 10 m², la iluminancia será de solo 100 lux, ya que la luz se «reparte» en más superficie.
• Luminancia (Lα): Mide el brillo percibido de una superficie desde un punto de vista específico. Es la intensidad luminosa emitida por un área vista por el observador.
  • Analogía y Comparación: Dos superficies pueden tener la misma iluminancia (recibir la misma cantidad de lux), pero una puede parecer más brillante que la otra. Por ejemplo, una hoja de papel blanco reflejará más luz y tendrá una mayor luminancia (parecerá más brillante) que una de terciopelo negro bajo la misma lámpara, ya que el terciopelo absorbe más luz.

Principio de Funcionamiento: IM/DD

El principio de Modulación de Intensidad / Detección Directa (IM/DD) es el método de funcionamiento más común en VLC.

• IM (Intensity Modulation – Modulación de Intensidad): La información se codifica variando la intensidad (el brillo) de la luz emitida por el LED. La señal transmitida debe ser real y positiva.
• DD (Direct Detection – Detección Directa): En el receptor, un fotodiodo detecta directamente estas variaciones de intensidad lumínica y las convierte en una corriente eléctrica proporcional, sin necesidad de procesos complejos como en RF. Esta conversión de potencia óptica a corriente eléctrica es la base de la detección.

Componentes del Receptor VLC

1. Concentrador: Es una estructura, usualmente una semiesfera de vidrio, que recoge los rayos de luz que llegan desde diferentes ángulos y los redirige hacia un punto focal para que incidan correctamente sobre el fotodiodo. Su función es concentrar la mayor cantidad de luz posible.
2. Filtro Óptico: Es una capa translúcida (como un vidrio de color) que se coloca antes del fotodiodo para permitir el paso de ciertas longitudes de onda y bloquear interferencias (como la luz solar o de otras fuentes).
3. PD (Fotodiodo): Es el corazón del receptor. Es un semiconductor que, mediante el efecto fotoeléctrico, convierte la potencia óptica incidente (luz) en una corriente eléctrica. Realiza la conversión de dominio óptico a eléctrico.
4. TIA (Trans-Impedance Amplifier – Amplificador de Transimpedancia): La corriente generada por el fotodiodo es muy débil (del orden de microamperios). El TIA amplifica esta pequeña corriente y la convierte en un voltaje útil para el procesamiento digital.
5. DSP (Digital Signal Processor – Procesador de Señal Digital): Es la plataforma (como un Arduino, Raspberry Pi o FPGA) que se encarga de realizar todo el procesamiento digital de la señal de voltaje: sincronización, filtrado, ecualización y decodificación para recuperar los datos originales.

Configuración de Enlace

• Configuración Difusa: El transmisor ilumina una superficie reflectante (como el techo) y el receptor, apuntando hacia esa superficie, capta la luz reflejada. Esto permite la comunicación sin necesidad de una orientación precisa.

Ruido en Sistemas VLC

Ruido Shot (Shot Noise o Ruido de Disparo)

El ruido shot está asociado con el inicio del funcionamiento de un componente eléctrico o electrónico. Teóricamente, un dispositivo como un LED debería entrar directamente en su zona de operación lineal, pero en la práctica, al encenderse, genera un pico transitorio de energía.