Desarrollo de convertidores cc/cc para transmision de informacion desde sistemas de iluminacion leds"/ development of dc/dc converters for visual light communication (vlc) in led lighting systems

Resumen

Actualmente, la mayor parte de las comunicaciones inal´ambricas est´an basadas en la utilizaci´on del espectro de radio frecuencia (Radio Frequency, (RF)), el cual siguiendo el crecimiento actual y el proyectado para el futuro se ver´a saturado en los pr´oximos an˜os. Las principales razones de la sobreutilizaci´on de las actuales tec- nolog´ıas inal´ambricas son la aparici´on de nuevos usuarios conectados a la red, la integraci´on de funcionalidades de comunicaci´on en m´as equipos y a la demanda de mayores velocidades de transmisi´on. Ante este panorama y las estimaciones de creci- miento en el futuro, los esfuerzos de encontrar tecnolog´ıas inal´ambricas alternativas o complementarias han aumentado en las u´ltimas d´ecadas. La tecnolog´ıa de comuni- caci´on mediante luz visible (Visible Light Communication, (VLC)) se presenta como una alternativa a las comunicaciones inal´ambricas basadas en el espectro de RF y una soluci´on a su creciente sobreutilizaci´on. Si bien existe un amplio trabajo de in- vestigaci´on y desarrollo en muchas a´reas de esta tecnolog´ıa, existe muy poco trabajo en la investigaci´on sobre la implementaci´on de transmisores VLC y, en particular, de c´omo aumentar el rendimiento en los drivers VLC en sistemas que manejan altos niveles de potencia. La mayor parte del trabajo centrado en transmisores est´a enfo- cado en esquemas de modulaci´on de banda base basados en pulsos, pero hay muy poco trabajo enfocado en disen˜ar transmisores VLC de alto rendimiento utilizando esquemas de modulaci´on m´as eficientes espectralmente, como son los de portadora u´nica y multi-portadora. Por lo tanto, el objetivo de este documento de Tesis es la investigaci´on y propuesta de soluciones, arquitecturas y t´ecnicas que mejoren el ren- dimiento de drivers VLC que puedan reproducir esquemas de modulaci´on complejos, consiguiendo alto rendimiento y altas tasas binarias de transmisi´on de informaci´on. En este trabajo se exploran y proponen soluciones basados en las diferentes topo- log´ıas y estrategias de control de drivers VLC como: drivers VLC integrados, drivers VLC basado en circuiter´ıa especializada y drivers VLC basados en la divisi´on de la potencia. Este documento de Tesis est´a organizado como se describe a continuaci´on: Cap´ıtulo 1: Introduccio´n a las comunicaciones inal´ambricas median- te luz visible (VLC): Este primer cap´ıtulo de Tesis introduce la tecnolog´ıa VLC y el fundamento te´orico y t´ecnico que la respalda. Un an´alisis de las motivaciones de su investigaci´on, las ventajas y las desventajas de esta tecno- log´ıa y una comparativa con otras tecnolog´ıas inal´ambricas de comunicaci´on actualmente utilizadas permite definir el estado actual de la tecnolog´ıa VLC y su futuro desarrollo. Adema´s, el an´alisis de las ventajas y desventajas de la tecnolog´ıa VLC ayuda a definir sus campos de aplicaci´on y su trabajo futuro, donde se centra gran parte de la investigaci´on en VLC y su futuro despliegue e implementaci´on. Tambi´en se analizan los campos de investigaci´on y aplicaci´on actuales de la tecnolog´ıa. Finalmente, se presentan los est´andares actuales so- bre VLC, el desarrollo de redes h´ıbridas con otras tecnolog´ıas inal´ambricas, las a´reas de aplicaci´on m´as prometedoras, las plataformas de investigaci´on y los productos comerciales propuestos. Cap´ıtulo 2: Estudio del LED como emisor de luz en sistemas VLC: En este cap´ıtulo se estudian con m´as detalle las caracter´ısticas del LED de iluminaci´on como transmisor de informaci´on de la tecnolog´ıa VLC. En los sis- temas de iluminaci´on basados en LEDs, el objetivo principal es la obtenci´on de un nivel de iluminaci´on constante. Este nivel puede ser controlado median- te dimming, donde se producen variaciones de din´amica lenta y controlada de la iluminaci´on emitida por el LED. Por ello, los LEDs de iluminaci´on son disen˜ados principalmente para esta funci´on, donde factores como el coste, la vida u´til, la eficiencia y el espectro de emisi´on son los m´as importantes para su disen˜o y su desarrollo. Debido a la inmadurez en el desarrollo de la tec- nolog´ıa VLC, no existen en la actualidad LEDs de iluminaci´on comerciales disen˜ados tambi´en para implementar en ellos la capacidad de comunicaci´on. En un futuro, estos LEDs ser´an adaptados desde su disen˜o, no solamente para realizar la tarea de iluminaci´on, sino tambi´en a los diferentes requerimientos de la tecnolog´ıa VLC. Debido a esto, el estudio de las capacidades del LED de iluminaci´on para su uso en las comunicaciones se hace imprescindible, donde la respuesta del LED y su capacidad de modificar r´apidamente la luz emiti- da se vuelven cr´ıticas. Esto permite definir, no solamente las caracter´ısticas tradicionalmente m´as relevantes, sino tambi´en los l´ımites que impone la tec- nolog´ıa LED en los sistemas VLC. Par´ametros nuevos como el ancho de banda y la alta linealidad en el LED se vuelven cruciales en su uso para transmitir informaci´on, definiendo as´ı sus l´ımites de trabajo tanto el´ectricos como en fre- cuencia. Adema´s, se vuelve importante el an´alisis de la degradaci´on del LED al ser usado en VLC, debido al aumento de la frecuencia de trabajo del mismo. Cap´ıtulo 3: Transmisores VLC basados en amplificadores de poten- cia de radiofrecuencia: En este cap´ıtulo se presentan diferentes soluciones de drivers VLC basados en el uso de circuiter´ıa especializada mediante el uso de amplificadores de potencia de RF Radio Frequency Power Amplifier, (RFPA). En este caso, la elecci´on de la topolog´ıa del driver VLC est´a estrecha- mente relacionada con el esquema de modulaci´on utilizado. Los drivers VLC basados en transistores conmutando los LEDs resultan ser las implementacio- nes m´as sencillas para esquemas de modulaci´on basados en pulsos, pero no los m´as indicados para esquemas de modulaci´on m´as complejas de portadora u´nica o multi-portadora. Usando estos esquemas se aumenta la capacidad de comunicaci´on, a costa de complicar la implementaci´on del driver VLC. Los drivers VLC basados en el uso de circuiter´ıa especializada son la implementa- ci´on m´as sencilla para an˜adir la funci´on de comunicaci´on a un driver de LEDs tradicional (disen˜ado u´nicamente para la funci´on de iluminaci´on), pudiendo as´ı reproducir esquemas de modulaci´on complejos. En este tipo de soluci´on, la funci´on de polarizaci´on es implementada mediante el uso de un driver de LEDs tradicional, mientras que la funci´on de comunicaci´on es an˜adida mediante el uso de un RFPA. En este cap´ıtulo se exploran las diferentes propuestas de im- plementaci´on de estos drivers VLC, poniendo especial inter´es en par´ametros como la linealidad, el ancho de banda y el rendimiento de los RFPA. Adem´as, se analizan diferentes t´ecnicas usadas tradicionalmente en aplicaciones de RF que mejoran el rendimiento y linealidad de estos RFPA, y que pueden ser utilizadas en VLC y adaptadas con mejoras intr´ınsecas en su implementaci´on. Finalmente, entre las t´ecnicas de RF analizadas, se validan experimentalmente las t´ecnicas de outphasing y ayuda lineal, y su adaptaci´on a VLC basada en la suma de luces. Cap´ıtulo 4: Transmisores VLC basados en convertidores CC/CC: En este cap´ıtulo se estudian diferentes drivers VLC basados en convertido- res CC/CC de respuesta r´apida. El principal objetivo del uso de convertidores CC/CC es conseguir drivers VLC que au´nen a la vez las ventajas de los drivers VLC basados en el uso de RFPA y los drivers VLC basados en transistores conmutando los LEDs. El objetivo es alcanzar tasas binarias altas, como en el caso del uso de RFPAs, implementando esquemas de modulaci´on comple- jos. Por otro lado, se busca tambi´en alcanzar rendimientos altos, como las alcanzadas en drivers VLC basados en transistores conmutando los LEDs. Las soluciones est´an divididas en drivers VLC integrados y en drivers VLC basados en la divisi´on de la potencia. Los drivers VLC integrados se basan en la modificaci´on del driver de LEDs tradicional con la finalidad de proveerlo de la funci´on de comunicaci´on. Esta modificaci´on exige que el convertidor tenga una alta frecuencia de conmutaci´on y una respuesta r´apida a su salida. De esta manera, el convertidor CC/CC es capaz de generar ambas funcionalidades, polarizar y generar la sen˜al de comu- nicaci´on. En este cap´ıtulo se explica la adaptaci´on y el control del convertidor reductor como driver VLC integrado. Adem´as, se analizan las desventajas producidas por dicha adaptaci´on, sirviendo como punto de partida para la presentaci´on de nuevas propuestas basadas en el convertidor reductor con el fin de subsanarlas. Finalmente, de entre las diferentes modificaciones del con- vertidor reductor CC/CC, se valida experimentalmente la implementaci´on de un driver integrado VLC basado en el convertidor reductor CC/CC de doble fase. Por otro lado, tras analizar las desventajas de los drivers VLC integrados, se explora la posibilidad de diferentes topolog´ıas basadas en m´as de un con- vertidor para mejorar las prestaciones del driver VLC. Diferentes propuestas basadas en la t´ecnica de dividir la potencia entre diferentes convertidores son presentadas en este cap´ıtulo como mejora de los drivers VLC integrados. Es- tas propuestas, basadas en el disen˜o de dos convertidores especializados y con diferentes requisitos de disen˜o, permiten la optimizaci´on de cada convertidor para una de las dos funciones concretas (polarizaci´on y comunicaci´on), consi- guiendo mejoras significativas con respecto a los drivers VLC integrados. Dos prototipos de drivers VLC basados en la divisi´on de la potencia se han cons- truido, validado experimentalmente y comparado con el objetivo de comprobar sus funcionalidades. Cap´ıtulo 5: Conclusiones y trabajo futuro: El documento de Tesis termi- na con unas conclusiones generales, la propuesta de trabajo futuro y un listado de las contribuciones m´as relevantes obtenidas durante la realizaci´on de este trabajo. Nowadays, the majority of the wireless communications are based on the Radio Frequency (RF) spectrum, which is projected to become saturated in the following years at the current and projected growth. The main reasons behind the current overuse of the wireless communications are mainly the rapid increase on the number of users, new appliances with wireless connectivity and the demand of faster connec- tion speed. Taking into account the current and future situation, the main effort in the last decade is focused on finding new wireless technologies to either substitute or complement the current communication technologies. This is where the Visible Light Communication (VLC) is presented as an alternative and solution for the overuse of the RF spectrum. Although there is a huge research effort around VLC, there is limited work about the design of the VLC transmitter and, in particular, about the design of high power and high efficiency VLC drivers. Most of the VLC drivers are based on pulse-based modulation schemes, but there is limited work on the design of high efficiency VLC drivers using other modulation schemes with higher spectral efficiency, such as single carrier or multi carrier modulation schemes. Therefore, the main objective of this Thesis work is focused on researching and proposing new solutions, architectures or techniques to improve the efficiency of the VLC drivers able to achieve high communication performance due to the use of high spectral ef- ficiency modulation schemes. Throughout this Thesis work, different topologies for VLC drivers are proposed and analysed: VLC driver based on specialized circuitry such as RF Power Amplifier (RFPA), integrated VLC drivers based on integrating all the VLC functionalities in the LED driver, and VLC drivers based on splitting the power between two DC/DC converters. This Thesis is organized as follows: Chapter 1: Introduction to the wireless communication based on visible light communication (VLC): This first chapter is an introduc- tion to the VLC technology and its theoretical and technical foundations. The exploration of the motivations, the advantages and the disadvantages of the VLC technology, and the comparison with other present wireless communica- tion technologies allows to define its state of the art, future development and application niches. Finally, the chapter ends with the analysis of the standar- dization process of the VLC technology, the new and future research fields, the proposed research platforms and the commercial products currently available on the market. Chapter 2: Study of the LED capability as VLC emitter: This chapters gives a more detailed analysis of the characteristics of the LEDs designed for lighting applications and its use in VLC transmitters. From the device point of view, the present LEDs are meant to be used in lighting applications, where a constant light is required. This lighting level can be controlled by applying dimming techniques which slowly modifies this level. Due to this fact, impor- tant factors on the design of lighting LED are cost, life span, efficiency and the emitted light spectrum. Because of the immaturity of the VLC techno- logy, there are no commercially available LEDs that are designed specifically for VLC. Due to this situation, the analysis of the lighting LED and its use in VLC becomes necessary, where the capability of the LED to generate fast variations on its light becomes critical. New parameters such as bandwidth and high linearity are key when they are used in VLC systems and, therefore, they impose both electrical and frequency working constrains. Moreover, the effect of the degradation of the LED in VLC systems becomes important due to the different nature of the application. Chapter 3: VLC transmitters based on radio frequency power ampli- fiers: This chapter presents different solutions for VLC drivers based on the use of specific circuitry such as Radio Frequency Power Amplifiers (RFPA). The selection of the VLC driver directly depends on the modulation scheme used. VLC drivers based on transistors switching the LED are the simplest ones, but they are only capable of reproducing pulse-based modulation sche- mes. More complex modulation schemes, such as single carrier or multi carrier, can achieve higher spectral efficiency and higher bit rates, but the design of the VLC drivers becomes more complex. VLC drivers based on the use of specific circuitry are the simplest implementation of VLC drivers capable of reproducing complex modulation schemes, when the biasing task is perfor- med by a traditional LED driver and the communication task is performed by an RFPA. This chapter explores the different implementations of this kind of VLC drivers, where parameters such as linearity, bandwidth and efficiency become important. The analysis concludes that it is not possible to achieve high linearity and high efficiency by using directly RFPAs. Due to this, the use of techniques to either improve the linearity or the efficiency of RFPAs are studied and adapted to VLC. Finally, among the different RF techniques, the outphasing technique and the linear assisted technique are adapted to VLC by means of the sum of the light concept. All these techniques are experimentally validated. Chapter 4: VLC transmitters based on DC/DC converters: In this chapter, the study of different VLC drivers based on fast response DC/DC converters is proposed. These VLC drivers can combine the advantages of both VLC drivers based on transistors and RFPAs; therefore, they can achieve high efficiency and high communication performance at the same time. These VLC drivers based on fast response DC/DC converters can be divided into integrated VLC drivers and VLC drivers based on the split of the power. The integrated VLC drivers are based on the modification of the traditional LED driver, making them able to provide the communication task. This modi- fication implies the use of high switching frequencies and fast response DC/DC converters in order to generate the necessary communication signals for VLC. This chapter analyses the adaptation and the control of the buck DC/DC converter as VLC driver. From this adaptation, the main disadvantages are studied, which are taken as a starting point to propose different modifications of the traditional buck DC/DC converter in order to overcome the disadvanta- ges. Finally, the use of a two-phase DC/DC buck converter is experimentally validated as an integrated VLC driver. On the other hand, the VLC drivers based on the split of the power is other approach to solve the disadvantages of the traditional buck DC/DC converter adapted to VLC. Different architectures that divides the power between two different converters are studied and proposed in this chapter. This technique, based on dividing the power between two converters (one optimized for the biasing task and the other optimized for the communication task) is able to outperformed the integrated VLC drivers in terms of efficiency and commu- nication performance by means of a more complex design and control. Two prototypes based on different approaches to the split of the power technique are built, experimentally validated and compared. Chapter 5: Conclusions and future work: This Thesis ends with the general conclusions drawn from this research work, the proposal of future work and a summary of the contributions.