照通结合 LED可见光通信市场潜力巨大 —— 文章正文2015-08-13

    TCL半导体光源研究院首席科学家 苏遵惠

    LED照明以其相对传统灯具更加节能、环保、可靠、使用寿命长等优势，作为新一代主流照明技术已得到大力推广应用。它除了用于设备仪表指示灯、交通指示灯、背光源、照明、显示外，还能作为信息传输媒介实现无线通信。

    灯光在空气中传输就类似于光纤通信中信息在光纤中传输一样，将需要传递信息的模拟信号经数字信号调制（AS-DSM），转换成高速变化、但变化幅度很小（不大于照明电平幅度的5%）的脉冲流，加载于LED照明灯具上，变成亮度高速微变化的可见光信号，通过LED照明灯具进行传输；在接收端通过光/电转换器接收，经过滤波、整形、放大将光信号转换成为电脉冲信号，再经过信号解调，将数字信号解调为我们需要的模拟信号，从而实现信息的传送与接收。这就是LED可见光通信的基本原理，使LED灯具起到既照明又进行通信的双重作用。

    可见光通信产生的背景

    可见光通信的产生缘于LED照明品质的高速发展和LED照明产品的广泛应用。目前只有LED灯具适用于可见光通信。

    可见光通信（VisibleLightCommunications）是无线通信和光通信的一种，指利用肉眼看得见的“可视光”传递信息的通信技术，简称“VLC”。可见光通信的产生缘于LED照明品质的高速发展和LED照明产品的广泛应用。

    和与之共存的白炽灯、荧光灯（节能灯）相比，LED照明灯具作为可见光通信的“媒介”具有其独特的“先天性”优势。第一，LED照明发展至今，其发光效率已超过100lm/W，实验室样品已达到280lm/W以上，远超其他灯具。第二，LED灯具的亮度可以高速调节，其调节速度可达到μs级甚至ns级，而且调节幅度大，理论上可以从0%到100%亮度范围内任意调节，这一点是可见光通信可以高速调制的保证；而荧光灯的亮度基本上不可以调节，白炽灯的亮度虽然可以通过改变电压进行调节，但是白炽灯属于热灯丝发光型灯具，亮度调节反应速度极慢，最快也在ms级，无法进行高速（Mbts或Gbts）信号调制。第三，LED芯片的光谱中心波长在可见光频谱范围内易控制，可以在制造工艺上根据载频的需要进行中心波长选择，以达到最佳中心频率；而白炽灯和荧光灯的光谱中心波长基本固定，无法进行多样性选择。第四，LED采用直流低压（恒压源或者恒流源）供电，便于脉冲信号的载频；而白炽灯、荧光灯均采用高压交流供电，其稳定度比较难以控制，不利于信号的提取和识别。

    可见，在目前的照明光源条件下，只有LED灯具适用于可见光通信，也只有在LED灯具得到广泛应用的条件下，可见光通信这一新兴通信手段才得以诞生。

    可见光通信的基本工作原理

    如果需要双向传输或多路传输，则需要进行频谱区分或多路取样调制，并加入同步识别信号和同步检测信号。

    以LED为载体的可见光通信是在不影响正常照明前提下，将信息通过调制器进行调制后，将数字信号载频到LED灯具上，通过LED灯具发出的可见光进行信号发送，接收端利用光电转换器（PD）接收含有信息的可见光，并转换为电信号，然后进行滤波、整形和放大，并从中解调出相应的模拟信息，如图2所示。

    如果需要双向传输（即下行和上行）或多路传输，则需要进行频谱区分或多路取样调制，并加入同步识别信号和同步检测信号，如图3所示。

    对于可见光通信基站的基本结构示意图如图4所示。通过信号源连接线将各个基站并联连接，在只有下行信号传输系统中，无“信息接收部分”，只能通过“信息发射部分”将光信号下行，由带有光电接收器/信号解调器的电脑或手机接收。

    LED可见光通信的突出优势

    可见光通信具有极高的能源利用效率，其通信功率仅占照明功率的5%左右，且传输简单，设备成本低廉。

    相对目前的通信方式，可见光通信的优势在如下几个方面尤其显得突出：

    1.成本低廉和节能：现在广泛使用的无线电数据传输方式，最显著的使用领域即无线移动通信（手机），为了满足对通信效果的需求，要建立大量的基站以增强通信信号。现在仅我国就有140万个基站用以增强信号，但其能源利用效率只有5%左右，大部分能量都用在冷却上。可见光通信具有极高的能源利用效率，其通信功率仅占照明功率的5%左右；其信号通过LED照明灯具所发出，传输简单，设备成本低廉。

    2.频谱资源丰富：目前用于通信、导航、雷达、广播及无线电视的电磁波从长波到毫米波全波段的频率范围是从10kHz到300GHz，全部频谱宽度不大于3×102GHz；而可见光的波长范围为380nm至780nm，频率范围为3.85×106GHz到7.89×106GHz，频谱宽度大于4×106GHz，为现有通信频谱的13333倍。显而易见，可见光通信的频谱宽度远大于现在所有可用于通信的频谱宽度。

    3.可以做到“照通结合”：全球现有400亿件室内灯和140亿件室外灯，借助广泛覆盖的照明网络实现“照中通”，“有灯的地方就可通信”，有效解决了通信的“末端接入”和“深度覆盖”问题，且基本实现通信微功耗。

    4.信息安全的通信：无线通信中的射频信号对人体有害，容易对其他设备产生电磁干扰，不适宜在电磁敏感区使用，如飞机、医院等。无线电通信还存在电磁波泄漏的可能，不适用在需要信息保密的传输场合。LED可见光通信则没有电磁干扰等问题，且具有安全性高的优势，用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至不需要信号的场所。

    LED可见光通信可应用场合

    在家庭信息智能控制系统、会议通信网络系统、公共场所的查询和导购系统等领域，可见光通信都有广阔的应用空间。

    1.家庭以电视机为信息平台的信息智能控制系统：“家庭以电视机为信息平台”、“集广播、电视、网络、报刊四合一体系建设”是我国信息产业发展规划之一。所以，建立以电视机为信息平台，以遥控器（近端控制）、手机（远程控制）为控制平台，以电视机、家用电器（照明灯具、电脑、洗衣机、电冰箱、电饭煲、空调、电动窗帘等）为控制对象的家庭信息网络建设势必会在较短的时间内启动，各家电视机制造厂商无不十分重视这一发展趋势，开始启动这一平台的综合研发和实际应用。

    2.会议通信网络系统：在大型会议室等需要信息传输的场合，建立可见光通信网络。在举办大型会议时，主办方可事先将会议资料上传到灯具上，参会人员可利用笔记本电脑等接收终端在灯下直接接收下载，而无需主办方打印大量的纸质会议资料，实现无纸化办公，节能环保。