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可见光通信—传输介质为空气

        科学上没有平坦的大道,真理的长河中有无数礁石险滩。只有不畏攀登的采药者,只有不怕巨浪的弄潮儿,才能登上高峰采得仙草,深入水流觅得骊珠。—华罗庚
        白光发光二极管(LED)是第四代节能环保照明产品,因为它使用寿命长、尺寸小、易驱动、效率高。白光LED的响应灵敏度非常高,具有良好的调制特性,它在照明的同时,可作为无线通信网络的接入点。将室内的通信基站与白光LED照明设备结合到一起,并将其接入其他通信网络,这就是可见光通信。
         在无线光通信领域标准化方面,已经提出了许多版本的数据链路协议,点到点协议有VLCC/IEEE 802.15.7(可见光)、IrDA/IEEE802.15.3(红外光);点到多点协议有IEEE 812.15.7/OWMAC(可见光)、OWMAC(红外光)。光无线媒体接入控制(OWMAC)协议规定的数据速率为128~1024Mbit/s,是半双工或者全双工通信,比如,可见光(如波长450nm)系统,数据速率采用100Mbit/s,覆盖范围12m2;红外光(如波长850nm)系统,数据速率采用300Mbit/s,覆盖范围30m2。在可见光通信标准方面,有一个可见光通信协会(VLCC),它是一个使用LED提供可见光通信系统的日本标准联盟。
可见光通信
       日前,中国电子技术标准化研究院和全国信息技术标准化技术委员无线局域网标准工作组联合发布了可见光通信标准化白皮书,其中对国内可见光通信产业化现状进行了深入分析,并就可见光通信技术、应用、芯片、标准化等方面提出了针对性的建议。

一、 白光LED发光原理

1. LED工作原理

       从6.1.3节可知,发光二极管(LED)是通过电子从高能级跃迁到低能级,发出频谱宽度在几百纳米以下的光,如图12.4.1所示。可见光光谱的波长范围为380~760nm,人眼感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,各自都是一种单色光。白光是由多种单色光合成的复合光,早在1666年,就被英国物理学家牛顿发现(见3.3.2节)。
LED的发光机理及分类
图12.4.1 LED的发光机理及分类
a)LED——光的自发辐射b)面发射LEDc)边发射LED
       LED有面发光型和边发光型两类。面发光LED的出光面与PN结平面平行,如图12.4.1b所示。边发光LED与普通的LD相同,从PN结的一个端面(与结平面垂直)出光,如图12.4.1c所示。
        发光二极管的材料主要是III-V族化合物半导体,如GaP、GaAs、GaN等,半导体材料往往折射率较高(如GaAs,n=3.6),故在材料与空气的界面易发生全反射,使光不能完全辐射出去,如图12.4.2a所示。为了提高面发光LED的耦合效率,通常将LED芯片封装在塑料半透镜的中心,如图12.4.2b和图12.4.2c所示。透明塑料的折射率为1.5,光输出是图12.4.2a的4倍,而且造价也低,因而被大量使用。
面发光LED的结构[6]
图12.4.2  面发光LED的结构[6]
a)面发射LED发散角大,部分光出现全反射b)加微透镜聚光LEDc)半球形塑料封装LED

2. 白光是如何实现的

       白光LED实际上是蓝光和黄光的混合光,因为黄色是红色和绿色的混合色,所以将蓝色和黄色混合,相当于将红色、绿色和蓝色三色混合,当然会显示白色。白光LED的出现,主要归功于氮化镓铟(GaInN)高亮度蓝光LED的研制成功。一种典型的白光LED结构如图12.4.3a所示,它是将磷光体半球体覆盖GaInN芯片,该芯片在加上电压后发出蓝光,部分蓝光激发Y3Al5O12: Ce3+磷光体中的发光中心Ce3+,发出黄光,然后蓝光和黄光混合就变成了肉眼看到的白光,其光谱图如图12.4.3b所示。由此可见,这种白光LED综合采用了电致发光和光致发光的原理。电致发光是一种直接把电能转换成光能的物理现象。光致发光是在磷光体中,发光中心(催化剂)首先被高频光激发,高能量光子首先被吸收,然后以低能量光子发射的一种发光现象。彩色阴极射线管(CRT)显示器和等离子体(PDP)平板显示器就是光致发光的例子。
可见光通信——传输介质为空气(图4)
图12.4.3白光LED的结构和光谱形成的过程
a)典型白光LED结构b)白光LED光谱的形成
       借助分别独立驱动单独发射红光、绿光和蓝光(RGB)的三基色芯片,就可以得到白光或256个颜色中的任意一种颜色。

3. LED特性及应用

       PN结材料的能带决定了LED的光谱特性,其峰值波长由禁带宽度所决定,如式(6.1.4)所示。LED发出的是非相干光,所以光谱宽带Δλ1/2为几十到上百毫微米,如图12.4.4a所示。
       LED的工作电流一般在十到数十毫安,发射功率一般在几百微瓦到毫瓦量级。P-I特性曲线的线性区很宽,无阈值电流。在电流较大时,PN结发热,发光效率降低,出现饱和现象,如图12.4.4b所示。
可见光通信——传输介质为空气(图5)
图12.4.4LED的特性a)频谱特性b)P-I特性
 
       LED适用于低速低频短距离的应用场合,可以直接调制,其基本电路如图12.4.6所示。对InGaAsPLED,其调制带宽在50~140MHz范围内。边发光LED的调制带宽为几百兆赫,而面LED仅为几十兆赫。目前已有各种各样的IC芯片可供驱动LED使用。
       LED可用于仪器仪表的指示灯,如将单个LED拼成符号、字符或纵横矩阵排列,可显示符号、字符、图形和广告显示屏等。GaAs LED发光波长867nm,与Si光探测器有最佳的光谱匹配,是各种遥控器、光耦合器、光电检测系统的关键器件。
       由于LED耗电少,使用寿命长,目前LED照明技术已是一种新型节能、环保替代技术。如果将光伏电池与LED装配在一起,则白天由光伏电池收集阳光,转化成电能存储,晚上供给LED发光,运用于城市亮化工程,可有效地消减城市用电,也为游牧区和边远山区提供了一种照明方案

二、可见光通信系统

       室内LED光通信系统中,采用半漫反射链路配置,发射机为调制的白光LED阵列光源,安装在天花板或墙壁上,具有较大的发散角,多个阵列光源可以使得直射光信号覆盖到室内所有角落,有效降低阴影和遮挡的影响。位于桌面的光接收机接收来自发射机的光信号。在室内可见光通信系统中,考虑到照明的需要,直射链路在信道中占主导地位,同时也存在着一部分漫反射链路。
       通常,可见光通信采用强度调制-直接检测(IM/DD)技术,强度调制可分为模拟强度光调制和数字强度光调制。模拟强度光调制是模拟电信号线性地直接调制LED的输出光功率,如图12.4.5a所示。当调制信号是数字信号时,调制原理与模拟强度调制相同,只要用脉冲波取代正弦波即可,如图12.4.5b所示,工作点均选在P-I特性的线性区,以免引起信号失真。
可见光通信——传输介质为空气(图6)
图12.4.5LED的强度调制
a)模拟强度调制b)数字强度调制
       LED驱动电路多种多样,有对模拟信号的驱动电路,有对数字信号驱动的驱动电路,图12.4.6只表示出几种样式。
可见光通信接收机的主要部分是光电二极管及紧随其后的前置放大器,光电二极管产生的信号光电流流经前置放大器的输入阻抗时,将产生信号光电压,使用大的负载电阻RL,可使该电压增大,因此,窄带系统常常使用高阻抗前置放大器,如图12.4.7a所示。同时,大的RL可减小热噪声和提高接收机灵敏度。高输入阻抗前置放大器的主要缺点是它的带宽窄,因为带宽Δf=(2πRLCT)-1,CT是总的输入电容,包括光电二极管结电容和前放输入级晶体管输入电容。假如接收机灵敏度不是主要关心的问题,人们可以简单地减小RL,增加接收机带宽,这样的接收机就是跨阻抗前置放大器,如图12.4.7b所示。
可见光通信——传输介质为空气(图7)
图12.4.6LED驱动电路
a)直接驱动电路b)模拟信号输入c)提供恒定电流的结型晶体管d)数字电路驱动LED
可见光通信——传输介质为空气(图8)
图12.4.7光接收机前置放大器
a)高输入阻抗窄带放大器b)跨阻抗宽带放大器
       可见光通信技术原理是将需要传输的信息编码成一段特殊信号,用OOK调制方式将这个信号加到LED灯具的驱动电流上,如图12.4.8所示,使LED灯具以极高的频率闪烁。虽然人眼看不到这种闪烁,但是通过光探测器可以检测到这种高频闪烁,并将其解调还原为原来的信息,从而通过灯具完成信息传输的目的。白光通信具有保密性强,不占用无线信道资源,可以集成到灯具中。
       国外已有一些产品可供选择,比如有一款产品的参数是,广播速率100Mbit/s,通信距离2m,覆盖面积10m2,嵌入天花板的LED发射源为16个。
可见光通信——传输介质为空气(图9)
图12.4.8可见光通信

三、可见光通信上行链路

可见光通信的上行链路有以下3种方案。

(1) 射频上行链路

       目前,射频通信技术已经相当成熟,人们熟知的Wi-Fi(IEEE802.11)已广泛应用在室内通信。

(2) 红外光上行链路

      以RGB 3色LED中的473nm蓝色光作为系统下行链路信号源,以中心波长850nm的红外LED作为上行链路,上下行均采用离散多音频(DMT)方式进行调制,构成波分双工系统。接收则采用APD探测器,其前端分别放置850nm和473nm的带通滤光片,用于消除上下行间的干扰和抑制背景噪声。

(3) 激光上行链路

       以1550nm激光作为上行数据信号载波光束,以白光LED作为下行链路,构成一套波分全双工的通信系统。接收端采用APD探测器,其前端放置1550nm窄带滤光片。

四、 可见光通信应用

可见光通信应用领域宽广,现举例说明如下。
(1) 照明与通信
       LED照明灯除满足照明需求外,也可以在室内环境下广播信息。
(2) 视觉信号与数据传输
       交通信号灯主要通过颜色变化给人们提供信号,而将数据通信与信号灯结合,则可为交通管理提供更好的安全可靠性。
       基于可见光通信技术的新型媒体广告电视屏幕,室外大型商场、超市、写字楼LED屏幕、路灯及家庭内部LED照明灯均是一种隐式广告发布平台。
(3) 室外显示与数据通信
       火车站、机场的LED显示屏通常用于显示信息,如果将信息和数据直接传输给用户手持终端,将会给用户提供很大便利,这是一种直接使用屏幕的数据传输与交互方式。
(4) 室内定位
      可见光可用于矿下通信与定位、地下停车场车辆定位、大型楼宇室内人员三维定位、超市物品展示与导购员定位、博物馆展品无线讲解员定位等典型行业。
      在消防人员进入现场救火时,为确保消防人员的人身安全,在其制服上按上定位纽扣,使消防人员现场救援可视化;在公共场所,发生恐怖袭击或者突发灾难时,室内定位技术会让后台指挥人员实时了解现场动向,以便及时有效地进行处置。机场室内定位技术可运用在可疑物品跟踪上,只要系统发现该物品进入了不该进入的区域,就立刻报警。
工业4.0时代,通过室内定位技术让整个生产流程可视化和可追踪化。
       在监狱/医院,在每个犯人/病人手上装一个不可拆卸的手环,只要系统检查到有人单独在一个房间里停留时间过长,系统就会报警,以防止事故发生。
       不过,无论国外还是国内,对于可见光通信的具体应用大多数处于实验室研究阶段,并未形成规模化的应用。
       可见,光通信目前仅是Wi-Fi、蓝牙技术的补充和一定范围内的替代。