? 【中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)專稿】可見光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼難分辨的高速明暗變化光信號來傳輸信息。可見光通訊的出現(xiàn)，使燈光也加入信息使者的行列，而可見光通信技術(shù)也成為半導(dǎo)體照明業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。2015年更是被聯(lián)合國定為“光和光基技術(shù)國際年”。本文將重點(diǎn)介紹可見光通信技術(shù)的幾大基礎(chǔ)技術(shù)要素以及可見光通信技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展，與業(yè)界分享探討。【本文選自第五期《半導(dǎo)體照明》雜志】
可見光通信技術(shù)之帶寬和速率
對于通信系統(tǒng)來說，有效性(快慢問題)、可靠性(真假問題)和通信距離是幾個(gè)核心的指標(biāo)參數(shù)。其中有效性可以用帶寬或者通信速率來描述;可靠性可以用誤碼率來描述;至于通信距離則根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求來確定，會(huì)涉及到視距(直線)傳播和非視距傳播兩種傳輸模式。通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，是一對矛盾。一般情況下，要增加系統(tǒng)的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。通信距離增加會(huì)使誤碼率上升，若要保證一定的誤碼率則通信速率下降。借助于糾錯(cuò)技術(shù)，只要原始誤碼率不高于某一上限值就可以通過糾錯(cuò)編碼來檢錯(cuò)糾錯(cuò)改善誤碼率，當(dāng)然這需要耗費(fèi)一定的編碼資源，付出冗余代價(jià)(目前前向糾錯(cuò)的誤碼率上限要求是3.8×10-3)，通常我們說的8B10B編碼就是用10位編碼來傳遞原始的8位信息碼，編碼效率降為80%。
了解了以上一些基本概念，我們再來進(jìn)一步了解通信系統(tǒng)中帶寬和速率的關(guān)系。模擬信道的帶寬 B=f2-f1 其中f1定義為信道能夠通過的最低頻率，f2定義為信道能夠通過的最高頻率，兩者都是由信道的物理特性決定的。若想信號傳輸?shù)氖д嫘。诺酪凶銐虻膸挕?shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送離散值的數(shù)字信號，信道的帶寬決定了信道中能不失真的傳輸脈沖序列的最高速率。信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系可用奈奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則與香農(nóng)(Shanon)定律描述。
奈奎斯特定理描述了有限帶寬、無噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系。奈奎斯特準(zhǔn)則指出：如果時(shí)間間隔為π/ω(ω=2πf)，通過理想通信信道傳輸窄脈沖信號，則前后碼元之間不產(chǎn)生相互竄擾。因此，二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與通信信道帶寬B(B=f，單位Hz)的關(guān)系為：Rmax=2f(bps) 。對于二進(jìn)制數(shù)據(jù)若信道帶寬B=f=1000Hz，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率為2000bps，多進(jìn)制(M進(jìn)制)的話速率可增加N=log2M倍。結(jié)論：對于有限帶寬、無噪聲信道，可以通過提高帶寬來提高信息傳輸速率，在帶寬一定的條件下還可以通過使用多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)提高信息傳輸速率。
香農(nóng)定理則描述了有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信噪比之間的關(guān)系。香農(nóng)定理指出：在有隨機(jī)熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與信道帶寬B、信噪比S/N的關(guān)系為：Rmax=B×log2(1+S/N) 式中，Rmax單位為bps，帶寬B單位為Hz，信噪比S/N通常以dB(分貝)數(shù)表示。若S/N=30(dB)，那么信噪比根據(jù)公式：S/N(dB)=10×lg(S/N) 可得，S/N=1000。若帶寬B=1000Hz，則Rmax≈10kbps。香農(nóng)定律給出了一個(gè)有限帶寬、有熱噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值。它表示對于帶寬只有1000Hz的通信信道，信噪比在30db時(shí)，無論數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制或更多的離散電平值表示，都不能用超過10kbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。結(jié)論：對于有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲的信道，可以通過提高帶寬來提高信息傳輸速率，在帶寬一定的條件下還可以通過提高信噪比來提高信息傳輸速率。
不管是無噪聲的理想信道還是有噪聲的實(shí)際信道，要想獲得更高通信速率(信息傳輸速率)的用戶體驗(yàn)，既可以通過拓展系統(tǒng)帶寬來實(shí)現(xiàn)，也可以通過新的通信技術(shù)來提高頻帶利用率(所傳輸?shù)男畔⑺俾逝c系統(tǒng)帶寬之比值)。對于可見光通信系統(tǒng)來說，研究人員可以通過RGB三基色LED甚至四色LED做波分復(fù)用來提高總帶寬，還可以通過預(yù)加重和后均衡技術(shù)來提高單色光的帶寬。帶寬提高了，系統(tǒng)信息傳輸速率就能提高，這就像日常生活中的貨物運(yùn)輸，馬路修寬(帶寬拓寬)了，貨物運(yùn)輸量(信息傳輸速率)增加也容易。當(dāng)然也可以利用OFDM、DMT等現(xiàn)代通信手段提高頻帶利用率，這樣在帶寬一定的前提下還可以進(jìn)一步提高信息傳輸速率，這好比在馬路寬度一定的前提下，靠提高汽車載重量提高貨物整體運(yùn)輸能力。因?yàn)镺FDM技術(shù)涉及比較復(fù)雜的信號編解碼、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，難以實(shí)現(xiàn)高速在線實(shí)時(shí)處理，通常系統(tǒng)只能做脈沖發(fā)送，并據(jù)此計(jì)算出一個(gè)峰值速率。也就是說，既使ECOC2014會(huì)議上報(bào)道的4色LED采用OFDM技術(shù)最高峰值速率已達(dá)5.6Gbps，也很難傳輸1路64kbps的實(shí)時(shí)數(shù)字語音業(yè)務(wù)。2011年，歐洲歐米伽計(jì)劃資助下的100Mbps的OFDM實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)是非常有代表性的可見光傳輸演示系統(tǒng)。如果可見光通信系統(tǒng)的帶寬能拓展，則利用簡單的OOK調(diào)制技術(shù)就能實(shí)時(shí)傳輸高速信號。科研文獻(xiàn)報(bào)道，通過帶寬拓展技術(shù)，基于10-20MHz的LED器件帶寬拓展系統(tǒng)帶寬到233MHz后， 1瓦功率的熒光型LED在OOK調(diào)制下單路傳輸，距離1.6米時(shí)實(shí)時(shí)傳輸速率已經(jīng)超過500Mbps。
總的來說，可見光通信系統(tǒng)要想獲得理想的高速通信，可以從提高系統(tǒng)帶寬和提高頻帶利用率兩個(gè)方面同時(shí)著手。
可見光通信技術(shù)之常用調(diào)制方式
白熾燈和熒光燈這些傳統(tǒng)的光源因?yàn)殚_關(guān)速度慢，一般只用來照明。白光LED具有很好的調(diào)制特性，開關(guān)速度很快，在調(diào)制頻率很高的情況下，明暗變化不容易被人的肉眼所察覺。因此白光LED也可以作為可見光通信系統(tǒng)中的通信光源，在照明的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。LED照明的普及和推廣為可見光通信技術(shù)的發(fā)展提供了條件和機(jī)遇，目前可見光通信技術(shù)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。可見光通信技術(shù)作為無線通信的新技術(shù)，有很多有價(jià)值的研究方向，為了幫助大家更好地了解可見光通信技術(shù)，下面對主要涉及的調(diào)制方式，作一個(gè)簡單的介紹供大家參考。
電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)在可見光通信兼顧照明和通信的原則下，制定了IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)，專門用來規(guī)范短距離可見光通信的相關(guān)協(xié)議。簡單來說，IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可見光通信系統(tǒng)物理層中的調(diào)制方式包括：開關(guān)鍵控(OOK)、可變脈沖位置調(diào)制(VPPM)和顏色轉(zhuǎn)移鍵控(Color shift keying, CSK)。OOK調(diào)制方式是最簡單的一種調(diào)制方式，可以用“1”表示燈亮，用“0”表示燈滅，這里的亮或滅不一定是全亮或全滅，可以是明和暗。VPPM是可變的脈沖位置調(diào)制方式，在一個(gè)單位周期內(nèi)，通過改變脈沖出現(xiàn)的位置，來表示“0”和“1”。VPPM在一個(gè)單元時(shí)間間隔內(nèi)定義了V個(gè)時(shí)間間隙，可以通過改變V的大小以及相應(yīng)的編碼，來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光的功能。CSK調(diào)制方式是采用多顏色的光源和相應(yīng)的探測器，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，支持高階調(diào)制。IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)速率分類，規(guī)定了不同調(diào)制方式下采用的編碼方式，幀結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，這里不再詳細(xì)闡述。總之，IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)在制定調(diào)制方式時(shí)，非常注重將信息傳輸與調(diào)光功能結(jié)合，兼顧了可見光通信中照明和通信雙重功能，這在可見光通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中是非常重要的。
在可見光通信技術(shù)研究中，除了以上幾種調(diào)制方式外，目前應(yīng)用最多的就是正交頻分復(fù)用(OFDM)和多音頻調(diào)制(DMT)，由于DMT是一種特殊的OFDM調(diào)制方式，這里只簡單分析OFDM調(diào)制方式。我們知道，OOK和VPPM等簡單的調(diào)制方式，在時(shí)域的波形是規(guī)則的，在頻域是無規(guī)則的。通常我們比較容易改變時(shí)域的周期和幅度，對頻域的相關(guān)參數(shù)，比如載波頻率，進(jìn)行修改，就相對較難。OOK和VPPM一般是二階調(diào)制，頻帶利用率較低。OFDM相對于OOK調(diào)制方式，是一種高頻帶利用率的調(diào)制方式，它在時(shí)域上是無規(guī)則的波形，在頻域上是規(guī)則的。我們可以通過對頻域上的載波進(jìn)行分配，充分利用頻帶，進(jìn)行信息傳輸。此外，OFDM經(jīng)常與高階調(diào)制方式，比如M階正交幅度調(diào)制(M-QAM)等結(jié)合，可以有效地提高可見光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，OFDM調(diào)制方式與PWM調(diào)光結(jié)合，正在被研究人員研究，相信采用OFDM調(diào)制方式也可以很好地兼顧照明和通信。簡單的說，在相同的器件調(diào)制帶寬下，采用高階的OFDM調(diào)制方式，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率比OOK調(diào)制方式能高很多。OFDM調(diào)制方式雖然暫時(shí)沒有被定義在IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，但是對于器件帶寬有限的可見光通信系統(tǒng)是充滿了誘惑力，受到了國內(nèi)外研究人員的喜愛。
技術(shù)的特點(diǎn)總有其兩面性，OFDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的頻帶利用率，但是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，成本高;OOK調(diào)制頻帶利用率雖然低，但是實(shí)現(xiàn)起來確實(shí)非常簡單可靠，成本低。從已有的技術(shù)文獻(xiàn)來看，可見光通信系統(tǒng)采用OOK調(diào)制技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)熒光型LED的單路500Mbps的實(shí)時(shí)傳輸;可見光通信系統(tǒng)采用OFDM調(diào)制技術(shù)已經(jīng)單色LED的1000Mbps的實(shí)時(shí)傳輸;可見光通信系統(tǒng)采用OFDM調(diào)制技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)已實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)黃四色LED的5.6Gbps的離線峰值速率。可以說，通信系統(tǒng)的低價(jià)格和高速率不易兼得。但是我們可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合和不同的業(yè)務(wù)要求擇優(yōu)選擇。
可見光通信技術(shù)之峰值速率和實(shí)時(shí)傳輸速率
可見光通信技術(shù)在媒體的關(guān)注和國家科研項(xiàng)目資助下，高校、科研院所、企業(yè)甚至金融資本領(lǐng)域都比較關(guān)注，因?yàn)槿狈y(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，科研界和產(chǎn)業(yè)界有點(diǎn)亂相。在信息領(lǐng)域可見光通信863項(xiàng)目今年中期檢查的時(shí)候?qū)＜覀兙徒ㄗh以后要規(guī)范評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并說明測試條件。單純從通信速率這項(xiàng)指標(biāo)上來說，離線處理系統(tǒng)的峰值速率和在線處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸速率是最容易讓人迷惑的事情。
高速的OFDM(或DMT)系統(tǒng)因?yàn)閿?shù)據(jù)處理復(fù)雜，2011年歐洲歐米伽計(jì)劃結(jié)題時(shí)的100Mbps是目前國際上白光OFDM 實(shí)時(shí)傳輸非常有代表性的研究成果。據(jù)德國Fraunhofer Henrich Hertz Institute的官網(wǎng)報(bào)道，該實(shí)驗(yàn)室的研究成員實(shí)現(xiàn)了500Mbps的以太網(wǎng)通信(可能是用紅光LED加OFDM技術(shù))。德國 Fraunhofer Henrich HertzInstitute研發(fā)了單色LED的1Gbps的單向傳輸模塊，并據(jù)此推算三色LED的傳輸速率可達(dá)3Gbps(可能是用OFDM技術(shù)加波分復(fù)用技術(shù))。
其他國內(nèi)外可見光通信研究團(tuán)隊(duì)，有的用Matlab軟件在計(jì)算機(jī)上生成符合要求的特定格式的測試數(shù)據(jù)，然后拷到任意波形發(fā)生器中，用該設(shè)備作為信號源調(diào)制LED，在接收端用存儲示波器存儲接收到的數(shù)據(jù)，然后拷貝回計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)比對和誤碼率的測試;有的僅僅依靠接收端信號質(zhì)量估算誤碼率(比如EVM、Q因子等參數(shù))，因?yàn)椴荒軐?shí)時(shí)連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，故稱為離線處理系統(tǒng)。離線處理系統(tǒng)，不能連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，故只能標(biāo)注最理想的峰值速率，并估算出一個(gè)誤碼率。比如，意大利的GiulioCossu團(tuán)隊(duì)利用紅綠藍(lán)黃四色LED波分復(fù)用，采用QAM和DMT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可見光通信系統(tǒng)離線處理的最高峰值速率5.6Gbps;復(fù)旦大學(xué)遲楠教授團(tuán)隊(duì)利用紅綠藍(lán)三色LED波分復(fù)用，采用QAM和DD-LMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可見光通信系統(tǒng)離線處理的最高峰值速率4.22Gbps。
OOK系統(tǒng)因?yàn)椴簧婕皬?fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換，通常都是實(shí)時(shí)傳輸，其速率就是實(shí)時(shí)傳輸速率。實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)可以通過誤碼率測試儀在線連續(xù)測量誤碼率，并可以得出一段時(shí)間的平均誤碼率。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所利用熒光型LED，采用帶寬拓展技術(shù)(系統(tǒng)帶寬已拓展至233MHz)實(shí)現(xiàn)了熒光型LED的國際最高的可見光通信系統(tǒng)的單路實(shí)時(shí)傳輸速率500Mbps。從技術(shù)實(shí)用化的角度出發(fā)，OOK系統(tǒng)是目前最有可能小型化、產(chǎn)品化的。
可見光通信技術(shù)之光電探測器
光電探測器是一種基于光電效應(yīng)，將光信號(光能量)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?電能量)的器件。光電探測器按照工作波段分，有紫外光探測器、可見光探測器和紅外光探測器。
可見光通信系統(tǒng)中常用的光電探測器有PIN 管和雪崩光電二極管(APD)。PIN管是在光電二極管的P區(qū)和N區(qū)之間加入I層(本征區(qū))，具有結(jié)電容小，量子效率高，暗電流低，工作偏壓低等特點(diǎn)。雪崩光電二極管(APD)內(nèi)部的光生電子-空穴對通過高壓加速后能碰撞出二次電子-空穴對,可實(shí)現(xiàn)光電流的倍增效應(yīng)。由于有碰撞電離的內(nèi)部增益機(jī)制，它比普通光電二極管的靈敏度高得多，但是APD管引入了雪崩增益噪聲。APD管的信噪比與倍增因子成正比,但是倍增因子受溫度影響較大。
在可見光通信系統(tǒng)中，如何在PIN管和APD管中做出正確選擇，需要考慮以下幾個(gè)方面的因素：利用APD管可以實(shí)現(xiàn)比PIN管更遠(yuǎn)的探測距離;使用APD管需要提供比PIN管更高的反向偏置電壓;APD管的暗電流一般大于PIN管;APD管比PIN管價(jià)格要高很多。
可見光通信系統(tǒng)的光源目前主要是熒光型LED和RGB三基色LED。熒光型LED是由單色藍(lán)光和黃色熒光混合成白光;RGB三基色LED是由紅綠藍(lán)三種單色光混合成白光。對于熒光型LED來說，因?yàn)槭抢盟{(lán)光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，而熒光粉的響應(yīng)速度很慢，限制了通信帶寬。在熒光型LED做光源的可見光通信系統(tǒng)中，通常會(huì)在接收端的光電探測前面放置藍(lán)色濾光片來濾除黃色熒光成分，讓光電探測器僅對藍(lán)光進(jìn)行探測，這樣能提高可見光通信系統(tǒng)的通信速率。目前，可見光通信系統(tǒng)中的光接收機(jī)正朝著高靈敏度、高帶寬以及單片集成的方向發(fā)展。其實(shí)，上述那種通過放置濾光片對光信號進(jìn)行光學(xué)濾波的處理方式也可以通過對光電探測器鍍膜或者通過光電探測器材料、結(jié)構(gòu)的合理選擇來實(shí)現(xiàn)。因此，對光電探測器的光譜響應(yīng)范圍、噪聲特性、響應(yīng)帶寬、線性度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合優(yōu)化考慮，設(shè)計(jì)出與可見光通信光源匹配的光電探測器具有非常重要的意義。
可見光通信技術(shù)之熒光型LED和三基色LED
可見光通信的商用白光LED光源目前主要有兩類：最常見的是基于熒光粉的LED，可以用GaN基藍(lán)光LED或紫光LED加熒光粉來實(shí)現(xiàn)，熒光粉吸收LED發(fā)出的部分原色光，并激發(fā)出原色光互補(bǔ)的熒光，原色光和熒光混合出白光;另外一類是多芯片組合的白光LED，不同顏色的多個(gè)LED發(fā)出的光混合出白光。例如藍(lán)光LED加黃光LED;或者紅光LED加綠光LED加藍(lán)光LED。也有一些研究者正在研制單芯片無熒光粉型白光LED，但由于技術(shù)難度大，目前仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段沒有達(dá)到實(shí)用化水平。
目前半導(dǎo)體照明中使用最廣泛的光源是采用藍(lán)光LED加熒光粉構(gòu)成的熒光粉型LED，如果用它作為可見光通信的光源，其較低的器件調(diào)制帶寬是限制可見光通信傳輸速率的重要因素。由于熒光粉型LED中熒光粉的光致發(fā)光響應(yīng)速度慢，其調(diào)制帶寬只有幾兆赫茲，即使在接收端濾除熒光粉對應(yīng)波長的光即只測量藍(lán)光LED的調(diào)制特性，其調(diào)制帶寬也只有十幾兆赫茲。
為了提高光源的調(diào)制帶寬，在可見光通信系統(tǒng)中會(huì)采用紅綠藍(lán)三基色的LED或者紅綠藍(lán)黃四色的LED作為通信光源。因?yàn)檫@樣的一個(gè)LED光源中實(shí)際包含三個(gè)或者四個(gè)不同波長的LED芯片，所以可以采用波分復(fù)用技術(shù)獲得調(diào)制帶寬的累加，通常一個(gè)紅綠藍(lán)三基色的LED的三個(gè)芯片的調(diào)制帶寬能累加到40MHz左右。這種三基色或者四色LED沒有熒光粉余輝的不利影響，作為通信光源是有優(yōu)勢。這類光源唯一的缺點(diǎn)就是價(jià)格較高，目前在照明領(lǐng)域的使用遠(yuǎn)不如熒光型LED普及，故要實(shí)現(xiàn)基于照明網(wǎng)絡(luò)的通信，推廣顯得有點(diǎn)困難。但是對于大部分從事可見光通信的科研人員來說，利用三基色甚至四色LED光源的波分復(fù)用來提高光源的總調(diào)制帶寬，利用OFDM或者DMT技術(shù)結(jié)合復(fù)雜的QAM調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)較高的頻帶利用率，是目前能獲取可見光通信系統(tǒng)最高速率指標(biāo)的共同方案。但是該方案成本很高，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，故一般以非連續(xù)通信的方式工作，以最高峰值速率作為速率指標(biāo);也很難用誤碼率測試儀測試一段時(shí)間的誤碼累計(jì)和誤碼率，只能根據(jù)Q因子或者EVM等參數(shù)估算出誤碼率。
對于通信系統(tǒng)來說，系統(tǒng)調(diào)制帶寬的大小直接決定了系統(tǒng)通信速率的高低。故可見光通信領(lǐng)域的科研人員都在想辦法提高LED光源或者可見光通信系統(tǒng)的帶寬。比如，通過對LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以增加LED器件的調(diào)制帶寬，或是通過為LED頻響特性增加與之互補(bǔ)的電路設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的總調(diào)制帶寬。一般認(rèn)為，影響LED調(diào)制帶寬的主要因素是載流子壽命及RC時(shí)間常數(shù)，可以通過直接對LED有源區(qū)結(jié)構(gòu)以及封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化減小載流子壽命或是降低RC時(shí)間，進(jìn)而增加LED的調(diào)制帶寬，已有少量文獻(xiàn)報(bào)道了一些有效的優(yōu)化結(jié)果。可見光通信系統(tǒng)的速率限制主要源于LED調(diào)制特性中對高頻信號的限制，這與從前的低通信道對通信系統(tǒng)的限制十分相似，因此針對不包含熒光粉的白光LED以及包含熒光粉的白光LED光源的頻響特性，在發(fā)送端進(jìn)行預(yù)加重設(shè)計(jì)或是在接收端進(jìn)行均衡補(bǔ)償設(shè)計(jì)，可以提高總的系統(tǒng)調(diào)制帶寬。這里所提及的發(fā)送端的預(yù)加重和接收端的均衡補(bǔ)償，都是為了提高可見光通信系統(tǒng)調(diào)制帶寬，可以通過傳統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)更為靈活的實(shí)現(xiàn)，目前已有眾多研究者對此展開研究并取得了很多好的成果。
總的來說，照明工程師從照明的性價(jià)比出發(fā)，喜歡選用熒光型LED作為照明光源，可見光通信的研究人員為了獲得較高的器件調(diào)制帶寬，愿意選擇三基色甚至四色的LED作為通信光源。所以，假若通信領(lǐng)域的人能利用熒光型LED實(shí)現(xiàn)高速的可見光通信，或者照明領(lǐng)域的人能讓三基色甚至四色的LED的價(jià)格變得和熒光型LED一樣便宜，那照明與通信才能在光源上實(shí)現(xiàn)真正的融合。
可見光通信技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展
2003 年10月，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)發(fā)起并成立了產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的戰(zhàn)略聯(lián)盟-可見光通信聯(lián)盟(VLCC)，其成員是來自通信、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)和器件制造等方面的公司，其目的是通過市場研究、推廣和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立安全、無處不在的可見光通信網(wǎng)絡(luò)。
2008年，美國成立了由波士頓大學(xué)(負(fù)責(zé)發(fā)光二極管通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)研究)、Rensselaer 理工學(xué)院(負(fù)責(zé)新材料器件技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用研究)、新墨西哥大學(xué)(負(fù)責(zé)納米材料、器件、生物成像和顯示的測試平臺建設(shè))組成的智能照明中心開展可見光通信技術(shù)研究。智能照明中心后來催生出了ByteLight等可見光通信應(yīng)用的企業(yè)或品牌。
2008年，歐盟啟動(dòng)了歐米伽計(jì)劃進(jìn)行可見光通信技術(shù)研究。歐洲在可見光通信研究領(lǐng)域代表性的研究單位包括英國牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)、帝國理工學(xué)院、德國西門子公司、法國電信等。英國愛丁堡大學(xué)的Harald Haas教授在2011年創(chuàng)造了“Li-Fi”一詞，后來在蘇格蘭政府支持下創(chuàng)立了PureLiFi公司從事可見光通信技術(shù)產(chǎn)品化研究，該公司最少已經(jīng)獲得150萬英鎊(220萬美元)融資，估值最少為1400萬英鎊。據(jù)了解，PureLiFi的研究大部分還處在實(shí)驗(yàn)中，已推出的少部分商業(yè)化產(chǎn)品基本還處在閉門內(nèi)測階段。此前，美國一家醫(yī)療服務(wù)提供商成為其第一個(gè)客戶。2014年，Li-1st問世，可以實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸，但只對合作客戶開放購買。
2008年年底，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所按照路甬祥院長的批示，整合所內(nèi)優(yōu)勢研發(fā)力量，啟動(dòng)了基于可見光通信的“半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)”(Solid StateLighting Information Network，S2-link)的研究，研究范圍覆蓋材料、器件、協(xié)議和系統(tǒng)。
2011 年11 月28 日美國《時(shí)代》周刊公布的2011 年度全球50 大最佳發(fā)明中英國愛丁堡大學(xué)的Harald Haas教授開發(fā)出一種利用LED 燈實(shí)現(xiàn)光學(xué)無線上網(wǎng)的解決方案(Li-Fi)排在第8 位。2012年12月31日CCTV-2的創(chuàng)新科技“環(huán)球新銳榜”排名中基于可見光通信技術(shù)的“光怪路由”位列第3。
可見光通信學(xué)術(shù)研究的國內(nèi)外進(jìn)展情況
(表中內(nèi)容根據(jù)已有資料整理，如有錯(cuò)誤，也歡迎業(yè)內(nèi)同仁指正)
表中紅色字體的四個(gè)成果分別代表RGB三色LED離線處理最高峰值速率、紅綠藍(lán)黃四色LED離線處理最高峰值速率、RGB三色LED實(shí)時(shí)傳輸最高速率、熒光型LED實(shí)時(shí)傳輸最高速率，相關(guān)論文如下：
1.Yuanquan Wang, Xingxing Huang, JunwenZhang, Yiguang Wang, and Nan Chi*. “Enhanced performance of visible light communicationemploying 512-QAM N-SC-FDE and DD-LMS,” Opt. Express 22(13) 15328-15334 (2014).
2.Cossu, G.; Wajahat, A.; Corsini, R.; Ciaramella, E.“5.6 Gbit/s downlink and 1.5 Gbit/s uplink optical wireless transmission atindoor distances (≥ 1.5 m)” in Proc. of ECOC, Cannes,France, 2014, We.3.6.4
3.N. Fujimoto, and Y. Shohei, " “Thefastest visible light transmissions of 662 Mb/s by a blue LED, 600 Mb/s by ared LED, and 520 Mb/s by a green LED based on simple OOK-NRZ modulation of acommercially available RGB-type white LED using pre-emphasis andpost-equalizing techniques”; in Proc. of ECOC, Cannes, France, 2014, P.7.7.
4.Honglei Li, Xiongbin Chen *, Junqing Guo, Hongda Chen . “A 550 Mbit/s real-time visible lightcommunication system based on phosphorescent white light LED for practicalhigh-speed low complexity application,” Opt. Express 22(22) 27203-27213 (2014).
(文章來源：陳雄斌的科研主頁 http://www.escience.cn/people/jason
