照通結合 LED可見光通信市場潛力巨大 —— 文章正文2015-08-13

    TCL半導體光源研究院首席科學家 蘇遵惠

    LED照明以其相對傳統(tǒng)燈具更加節(jié)能、環(huán)保、可靠、使用壽命長等優(yōu)勢，作為新一代主流照明技術已得到大力推廣應用。它除了用于設備儀表指示燈、交通指示燈、背光源、照明、顯示外，還能作為信息傳輸媒介實現(xiàn)無線通信。

    燈光在空氣中傳輸就類似于光纖通信中信息在光纖中傳輸一樣，將需要傳遞信息的模擬信號經(jīng)數(shù)字信號調制（AS-DSM），轉換成高速變化、但變化幅度很?。ú淮笥谡彰麟娖椒鹊?%）的脈沖流，加載于LED照明燈具上，變成亮度高速微變化的可見光信號，通過LED照明燈具進行傳輸；在接收端通過光/電轉換器接收，經(jīng)過濾波、整形、放大將光信號轉換成為電脈沖信號，再經(jīng)過信號解調，將數(shù)字信號解調為我們需要的模擬信號，從而實現(xiàn)信息的傳送與接收。這就是LED可見光通信的基本原理，使LED燈具起到既照明又進行通信的雙重作用。

    可見光通信產(chǎn)生的背景

    可見光通信的產(chǎn)生緣于LED照明品質的高速發(fā)展和LED照明產(chǎn)品的廣泛應用。目前只有LED燈具適用于可見光通信。

    可見光通信（VisibleLightCommunications）是無線通信和光通信的一種，指利用肉眼看得見的“可視光”傳遞信息的通信技術，簡稱“VLC”。可見光通信的產(chǎn)生緣于LED照明品質的高速發(fā)展和LED照明產(chǎn)品的廣泛應用。

    和與之共存的白熾燈、熒光燈（節(jié)能燈）相比，LED照明燈具作為可見光通信的“媒介”具有其獨特的“先天性”優(yōu)勢。第一，LED照明發(fā)展至今，其發(fā)光效率已超過100lm/W，實驗室樣品已達到280lm/W以上，遠超其他燈具。第二，LED燈具的亮度可以高速調節(jié)，其調節(jié)速度可達到μs級甚至ns級，而且調節(jié)幅度大，理論上可以從0%到100%亮度范圍內任意調節(jié)，這一點是可見光通信可以高速調制的保證；而熒光燈的亮度基本上不可以調節(jié)，白熾燈的亮度雖然可以通過改變電壓進行調節(jié)，但是白熾燈屬于熱燈絲發(fā)光型燈具，亮度調節(jié)反應速度極慢，最快也在ms級，無法進行高速（Mbts或Gbts）信號調制。第三，LED芯片的光譜中心波長在可見光頻譜范圍內易控制，可以在制造工藝上根據(jù)載頻的需要進行中心波長選擇，以達到最佳中心頻率；而白熾燈和熒光燈的光譜中心波長基本固定，無法進行多樣性選擇。第四，LED采用直流低壓（恒壓源或者恒流源）供電，便于脈沖信號的載頻；而白熾燈、熒光燈均采用高壓交流供電，其穩(wěn)定度比較難以控制，不利于信號的提取和識別。

    可見，在目前的照明光源條件下，只有LED燈具適用于可見光通信，也只有在LED燈具得到廣泛應用的條件下，可見光通信這一新興通信手段才得以誕生。

    可見光通信的基本工作原理

    如果需要雙向傳輸或多路傳輸，則需要進行頻譜區(qū)分或多路取樣調制，并加入同步識別信號和同步檢測信號。

    以LED為載體的可見光通信是在不影響正常照明前提下，將信息通過調制器進行調制后，將數(shù)字信號載頻到LED燈具上，通過LED燈具發(fā)出的可見光進行信號發(fā)送，接收端利用光電轉換器（PD）接收含有信息的可見光，并轉換為電信號，然后進行濾波、整形和放大，并從中解調出相應的模擬信息，如圖2所示。

    如果需要雙向傳輸（即下行和上行）或多路傳輸，則需要進行頻譜區(qū)分或多路取樣調制，并加入同步識別信號和同步檢測信號，如圖3所示。

    對于可見光通信基站的基本結構示意圖如圖4所示。通過信號源連接線將各個基站并聯(lián)連接，在只有下行信號傳輸系統(tǒng)中，無“信息接收部分”，只能通過“信息發(fā)射部分”將光信號下行，由帶有光電接收器/信號解調器的電腦或手機接收。

    LED可見光通信的突出優(yōu)勢

    可見光通信具有極高的能源利用效率，其通信功率僅占照明功率的5%左右，且傳輸簡單，設備成本低廉。

    相對目前的通信方式，可見光通信的優(yōu)勢在如下幾個方面尤其顯得突出：

    1.成本低廉和節(jié)能：現(xiàn)在廣泛使用的無線電數(shù)據(jù)傳輸方式，最顯著的使用領域即無線移動通信（手機），為了滿足對通信效果的需求，要建立大量的基站以增強通信信號?，F(xiàn)在僅我國就有140萬個基站用以增強信號，但其能源利用效率只有5%左右，大部分能量都用在冷卻上。可見光通信具有極高的能源利用效率，其通信功率僅占照明功率的5%左右；其信號通過LED照明燈具所發(fā)出，傳輸簡單，設備成本低廉。

    2.頻譜資源豐富：目前用于通信、導航、雷達、廣播及無線電視的電磁波從長波到毫米波全波段的頻率范圍是從10kHz到300GHz，全部頻譜寬度不大于3×102GHz；而可見光的波長范圍為380nm至780nm，頻率范圍為3.85×106GHz到7.89×106GHz，頻譜寬度大于4×106GHz，為現(xiàn)有通信頻譜的13333倍。顯而易見，可見光通信的頻譜寬度遠大于現(xiàn)在所有可用于通信的頻譜寬度。

    3.可以做到“照通結合”：全球現(xiàn)有400億件室內燈和140億件室外燈，借助廣泛覆蓋的照明網(wǎng)絡實現(xiàn)“照中通”，“有燈的地方就可通信”，有效解決了通信的“末端接入”和“深度覆蓋”問題，且基本實現(xiàn)通信微功耗。

    4.信息安全的通信：無線通信中的射頻信號對人體有害，容易對其他設備產(chǎn)生電磁干擾，不適宜在電磁敏感區(qū)使用，如飛機、醫(yī)院等。無線電通信還存在電磁波泄漏的可能，不適用在需要信息保密的傳輸場合。LED可見光通信則沒有電磁干擾等問題，且具有安全性高的優(yōu)勢，用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至不需要信號的場所。

    LED可見光通信可應用場合

    在家庭信息智能控制系統(tǒng)、會議通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、公共場所的查詢和導購系統(tǒng)等領域，可見光通信都有廣闊的應用空間。

    1.家庭以電視機為信息平臺的信息智能控制系統(tǒng)：“家庭以電視機為信息平臺”、“集廣播、電視、網(wǎng)絡、報刊四合一體系建設”是我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃之一。所以，建立以電視機為信息平臺，以遙控器（近端控制）、手機（遠程控制）為控制平臺，以電視機、家用電器（照明燈具、電腦、洗衣機、電冰箱、電飯煲、空調、電動窗簾等）為控制對象的家庭信息網(wǎng)絡建設勢必會在較短的時間內啟動，各家電視機制造廠商無不十分重視這一發(fā)展趨勢，開始啟動這一平臺的綜合研發(fā)和實際應用。

    2.會議通信網(wǎng)絡系統(tǒng)：在大型會議室等需要信息傳輸?shù)膱龊?，建立可見光通信網(wǎng)絡。在舉辦大型會議時，主辦方可事先將會議資料上傳到燈具上，參會人員可利用筆記本電腦等接收終端在燈下直接接收下載，而無需主辦方打印大量的紙質會議資料，實現(xiàn)無紙化辦公，節(jié)能環(huán)保。