科普文章

  • 可见光通信科普——国内外研究进展

    可见光通信技术在媒体的关注和国家科研项目资助下,高校、科研院所、企业甚至金融资本领域都比较关注,因为缺乏统一的评价标准,科研界和产业界有点乱相。在信息领域可见光通信863项目今年中期检查的时候专家们就建议以后要规范评价标准并说明测试条件。单纯从通信速率这项指标上来说,离线处理系统的峰值速率和在线处理系统的实时传输速率是最容易让人迷惑的事情。

    高速的OFDM(或DMT)系统因为数据处理复杂,2011年欧洲欧米伽计划结题时的100Mbps是国际上最有代表性的白光OFDM 实时传输系统。其他一般用Matlab软件在计算机上生成符合要求的特定格式的测试数据,然后拷到任意波形发生器中,用该设备作为信号源调制LED,在接收端用存储示波器存储接收到的数据,然后拷贝回计算机中进行数据比对和误码率的测试(或者仅根据接收端星座图的质量估算误码率),所以该速率常称为峰值速率。OOK系统因为不涉及复杂的数据运算和数模、模数转换,通常都是实时传输,其速率就是实时传输速率。从技术实用化的角度出发,OOK系统是目前最有可能小型化、产品化的。下图是可见光通信学术研究的国内外进展情况。

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    表中红色字体的四个成果分别代表RGB三色LED离线处理最高峰值速率、红绿蓝黄四色LED离线处理最高峰值速率、RGB三色实时传输最高速率、荧光型LED实时传输最高速率,论文如下:

        1. Yuanquan Wang, Xingxing Huang, Junwen Zhang, Yiguang Wang, and Nan Chi*. Enhanced performance of visible light communication employing 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 at indoor distances (1.5 m) in Proc. of ECOC, Cannes, France, 2014, We.3.6.4

        3. N. Fujimoto, and Y. Shohei, " The fastest visible light transmissions of 662 Mb/s by a blue LED, 600 Mb/s by a red LED, and 520 Mb/s by a green LED based on simple OOK-NRZ modulation of a commercially available RGB-type white LED using pre-emphasis and post-equalizing techniques; in Proc. of ECOC, Cannes, France, 2014, P.7.7.

        4. H. Li, X. Chen, J. Guo and H. Chen, A 550 Mbit/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light LED for practical high-speed low complexity application, Opt. Express 22(22) 27203–27213 (2014).

     

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  • 可见光通信科普——带宽和速率

    对于通信系统来说,有效性(快慢问题)、可靠性(真假问题)和通信距离是几个核心的指标参数。其中有效性可以用带宽或者通信速率来描述;可靠性可以用误码率来描述;至于通信距离则根据具体业务需求来确定,会涉及到视距(直线)传播和非视距传播两种传输模式。通信系统的有效性和可靠性,是一对矛盾。一般情况下,要增加系统的有效性,就得降低可靠性,反之亦然。通信距离增加会使误码率上升,若要保证一定的误码率则通信速率下降。借助于纠错技术,只要原始误码率不高于某一上限值就可以通过纠错编码来检错纠错改善误码率,当然这需要耗费一定的编码资源,付出冗余代价(目前前向纠错的误码率上限要求是3.8×10-3),通常我们说的8B10B编码就是用10位编码来传递原始的8位信息码,编码效率降为80%

    了解了以上一些基本概念,我们再来进一步了解通信系统中带宽和速率的关系。模拟信道的带宽 B=f2-f1 其中f1定义为信道能够通过的最低频率,f2定义为信道能够通过的最高频率,两者都是由信道的物理特性决定的。若想信号传输的失真小,信道要有足够的带宽。数字信道是一种离散信道,它只能传送离散值的数字信号,信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉冲序列的最高速率。信道带宽与数据传输速率的关系可用奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定律描述。

    奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。奈奎斯特准则指出:如果时间间隔为π/ω(ω=2πf),通过理想通信信道传输窄脉冲信号,则前后码元之间不产生相互窜扰。因此,二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽BB=f,单位Hz)的关系为:Rmax2f(bps) 。对于二进制数据若信道带宽B=f=1000Hz,则最大数据传输速率为2000bps,多进制(M进制)的话速率可增加Nlog2M倍。结论:对于有限带宽、无噪声信道,可以通过提高带宽来提高信息传输速率,在带宽一定的条件下还可以通过使用多进制调制技术提高信息传输速率。

     香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。香农定理指出:在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为: RmaxB×log2(1+S/N) 式中,Rmax单位为bps,带宽B单位为Hz,信噪比S/N通常以dB(分贝)数表示。若S/N=30(dB),那么信噪比根据公式: S/N(dB)=10×lg(S/N) 可得,S/N1000。若带宽B=1000Hz,则Rmax10kbps。香农定律给出了一个有限带宽、有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值。它表示对于带宽只有1000Hz的通信信道,信噪比在30db时,无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示,都不能用超过10kbps的速率传输数据。结论:对于有限带宽、有随机热噪声的信道,可以通过提高带宽来提高信息传输速率,在带宽一定的条件下还可以通过提高信噪比来提高信息传输速率。

    不管是无噪声的理想信道还是有噪声的实际信道,要想获得更高通信速率(信息传输速率)的用户体验,既可以通过拓展系统带宽来实现,也可以通过新的通信技术来提高频带利用率(所传输的信息速率与系统带宽之比值)。对于可见光通信系统来说,研究人员可以通过RGB三基色LED甚至四色LED做波分复用来提高总带宽,还可以通过预加重和后均衡技术来提高单色光的带宽。带宽提高了,系统信息传输速率就能提高,这就像日常生活中的货物运输,马路修宽(带宽拓宽)了,货物运输量(信息传输速率)增加也容易。当然也可以利用OFDM DMT等现代通信手段提高频带利用率,这样在带宽一定的前提下还可以进一步提高信息传输速率,这好比在马路宽度一定的前提下,靠提高汽车载重量提高货物整体运输能力。因为OFDM技术涉及比较复杂的信号编解码、数模和模数转换,难以实现高速在线实时处理,通常系统只能做脉冲发送,并据此计算出一个峰值速率。也就是说,既使ECOC2014会议上报道的4LED采用OFDM技术最高峰值速率已达5.6Gbps,也很难传输164kbps的实时数字语音业务。2011年,欧洲欧米伽计划资助下的100MbpsOFDM实时传输系统是非常有代表性的可见光传输演示系统。如果可见光通信系统的带宽能拓展,则利用简单的OOK调制技术就能实时传输高速信号。科研文献报道,通过带宽拓展技术,基于10-20MHzLED器件带宽拓展系统带宽到233MHz后, 1瓦功率的荧光型LEDOOK调制下单路传输,距离1.6米时实时传输速率已经超过500Mbps

    总的来说,可见光通信系统要想获得理想的高速通信,可以从提高系统带宽提高频带利用率两个方面同时着手。

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  • 可见光通信科普——可见光通信系统中的常用调制方式

    白炽灯和荧光灯这些传统的光源因为开关速度慢,一般只用来照明。白光LED具有很好的调制特性,开关速度很快,在调制频率很高的情况下,明暗变化不容易被人的肉眼所察觉。因此白光LED也可以作为可见光通信系统中的通信光源,在照明的同时,实现数据的传输。LED照明的普及和推广为可见光通信技术的发展提供了条件和机遇,目前可见光通信技术已成为国内外研究的热点。可见光通信技术作为无线通信的新技术,有很多有价值的研究方向,为了帮助大家更好地了解可见光通信技术,下面对主要涉及的调制方式,作一个简单的介绍供大家参考。

    电气电子工程师协会(IEEE)在可见光通信兼顾照明和通信的原则下,制定了IEEE 802.15.7标准,专门用来规范短距离可见光通信的相关协议。简单来说,IEEE 802.15.7标准规定了可见光通信系统物理层中的调制方式包括:开关键控(OOK)、可变脉冲位置调制(VPPM)和颜色转移键控(Color shift keying, CSK)。OOK调制方式是最简单的一种调制方式,可以用“1”表示灯亮,用“0”表示灯灭,这里的亮或灭不一定是全亮或全灭,可以是明和暗。VPPM是可变的脉冲位置调制方式,在一个单位周期内,通过改变脉冲出现的位置,来表示“0”“1”VPPM在一个单元时间间隔内定义了V个时间间隙,可以通过改变V的大小以及相应的编码,来实现PWM调光的功能。CSK调制方式是采用多颜色的光源和相应的探测器,实现信息的传输,支持高阶调制。IEEE 802.15.7标准根据速率分类,规定了不同调制方式下采用的编码方式,帧结构等内容,这里不再详细阐述。总之,IEEE 802.15.7标准在制定调制方式时,非常注重将信息传输与调光功能结合,兼顾了可见光通信中照明和通信双重功能,这在可见光通信系统的实际应用中是非常重要的。

    在可见光通信技术研究中,除了以上几种调制方式外,目前应用最多的就是正交频分复用(OFDM)和多音频调制(DMT),由于DMT是一种特殊的OFDM调制方式,这里只简单分析OFDM调制方式。我们知道,OOKVPPM等简单的调制方式,在时域的波形是规则的,在频域是无规则的。通常我们比较容易改变时域的周期和幅度,对频域的相关参数,比如载波频率,进行修改,就相对较难。OOKVPPM一般是二阶调制,频带利用率较低。OFDM相对于OOK调制方式,是一种高频带利用率的调制方式,它在时域上是无规则的波形,在频域上是规则的。我们可以通过对频域上的载波进行分配,充分利用频带,进行信息传输。此外,OFDM经常与高阶调制方式,比如M阶正交幅度调制(M-QAM)等结合,可以有效地提高可见光通信系统的数据传输速率。同时,OFDM调制方式与PWM调光结合,正在被研究人员研究,相信采用OFDM调制方式也可以很好地兼顾照明和通信。简单的说,在相同的器件调制带宽下,采用高阶的OFDM调制方式,系统的数据传输速率比OOK调制方式能高很多。OFDM调制方式虽然暂时没有被定义在IEEE 802.15.7标准内,但是对于器件带宽有限的可见光通信系统是充满了诱惑力,受到了国内外研究人员的喜爱。

    技术的特点总有其两面性,OFDM技术可以实现较高的频带利用率,但是实现比较复杂,成本高;OOK调制频带利用率虽然低,但是实现起来确实非常简单可靠,成本低。从已有的技术文献来看,可见光通信系统采用OOK调制技术已经实现荧光型LED的单路500Mbps实时传输;可见光通信系统采用OFDM调制技术已经单色LED1000Mbps实时传输;可见光通信系统采用OFDM调制技术和波分复用技术已实现红绿蓝黄四色LED5.6Gbps 离线峰值速率。可以说,通信系统的低价格和高速率不易兼得。但是我们可以根据不同的应用场合和不同的业务要求择优选择。

     

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  • 可见光通信科普——峰值速率和实时传输速率

    可见光通信技术在媒体的关注和国家科研项目资助下,高校、科研院所、企业甚至金融资本领域都比较关注,因为缺乏统一的评价标准,科研界和产业界有点乱相。在信息领域可见光通信863项目今年中期检查的时候专家们就建议以后要规范评价标准并说明测试条件。单纯从通信速率这项指标上来说,离线处理系统的峰值速率和在线处理系统的实时传输速率是最容易让人迷惑的事情。

    高速的OFDM(或DMT)系统因为数据处理复杂,2011年欧洲欧米伽计划结题时的100Mbps是目前国际上白光OFDM 实时传输非常有代表性的研究成果。据德国Fraunhofer Henrich Hertz Institute的官网报道,该实验室的研究成员实现了500Mbps的以太网通信(可能是用红光LEDOFDM技术)。德国 Fraunhofer Henrich Hertz Institute研发了单色LED1Gbps的单向传输模块,并据此推算三色LED的传输速率可达3Gbps(可能是用OFDM技术加波分复用技术)。

    其他国内外可见光通信研究团队,有的用Matlab软件在计算机上生成符合要求的特定格式的测试数据,然后拷到任意波形发生器中,用该设备作为信号源调制LED,在接收端用存储示波器存储接收到的数据,然后拷贝回计算机中进行数据比对和误码率的测试;有的仅仅依靠接收端信号质量估算误码率(比如EVMQ因子等参数),因为不能实时连续传输数据,故称为离线处理系统。离线处理系统,不能连续传输数据,故只能标注最理想的峰值速率,并估算出一个误码率。比如,意大利的Giulio Cossu团队利用红绿蓝黄四色LED波分复用,采用QAMDMT技术实现了可见光通信系统离线处理的最高峰值速率5.6Gbps;复旦大学迟楠教授团队利用红绿蓝三色LED波分复用,采用QAMDD-LMS技术实现了可见光通信系统离线处理的最高峰值速率4.22Gbps

    OOK系统因为不涉及复杂的数据运算和数模、模数转换,通常都是实时传输,其速率就是实时传输速率。实时传输系统可以通过误码率测试仪在线连续测量误码率,并可以得出一段时间的平均误码率。中国科学院半导体研究所利用荧光型LED,采用带宽拓展技术(系统带宽已拓展至233MHz)实现了荧光型LED的国际最高的可见光通信系统的单路实时传输速率500Mbps。从技术实用化的角度出发,OOK系统是目前最有可能小型化、产品化的。

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  • 可见光通信科普——荧光型LED和三基色LED

    可见光通信的商用白光LED光源目前主要有两类:最常见的是基于荧光粉的LED,可以用GaN基蓝光LED或紫光LED加荧光粉来实现,荧光粉吸收LED发出的部分原色光,并激发出原色光互补的荧光,原色光和荧光混合出白光;另外一类是多芯片组合的白光LED,不同颜色的多个LED发出的光混合出白光。例如蓝光LED加黄光LED;或者红光LED加绿光LED加蓝光LED。也有一些研究者正在研制单芯片无荧光粉型白光LED,但由于技术难度大,目前仍处在实验室研究阶段没有达到实用化水平。

    目前半导体照明中使用最广泛的光源是采用蓝光LED加荧光粉构成的荧光粉型LED,如果用它作为可见光通信的光源,其较低的器件调制带宽是限制可见光通信传输速率的重要因素。由于荧光粉型LED中荧光粉的光致发光响应速度慢,其调制带宽只有几兆赫兹,即使在接收端滤除荧光粉对应波长的光即只测量蓝光LED的调制特性,其调制带宽也只有十几兆赫兹。

    为了提高光源的调制带宽,在可见光通信系统中会采用红绿蓝三基色的LED或者红绿蓝黄四色的LED作为通信光源。因为这样的一个LED光源中实际包含三个或者四个不同波长的LED芯片,所以可以采用波分复用技术获得调制带宽的累加,通常一个红绿蓝三基色的LED的三个芯片的调制带宽能累加到40MHz左右。这种三基色或者四色LED没有荧光粉余辉的不利影响,作为通信光源是有优势。这类光源唯一的缺点就是价格较高,目前在照明领域的使用远不如荧光型LED普及,故要实现基于照明网络的通信,推广显得有点困难。但是对于大部分从事可见光通信的科研人员来说,利用三基色甚至四色LED光源的波分复用来提高光源的总调制带宽,利用OFDM或者DMT技术结合复杂的QAM调制技术来实现较高的频带利用率,是目前能获取可见光通信系统最高速率指标的共同方案。但是该方案成本很高,系统实现较为复杂,难以实现实时通信,故一般以非连续通信的方式工作,以最高峰值速率作为速率指标;也很难用误码率测试仪测试一段时间的误码累计和误码率,只能根据Q因子或者EVM等参数估算出误码率。

     

    对于通信系统来说,系统调制带宽的大小直接决定了系统通信速率的高低。故可见光通信领域的科研人员都在想办法提高LED光源或者可见光通信系统的带宽。比如,通过对LED结构进行优化设计以增加LED器件的调制带宽,或是通过为LED频响特性增加与之互补的电路设计来提高系统的总调制带宽。一般认为,影响LED调制带宽的主要因素是载流子寿命及RC时间常数,可以通过直接对LED有源区结构以及封装结构进行优化减小载流子寿命或是降低RC时间,进而增加LED的调制带宽,已有少量文献报道了一些有效的优化结果。可见光通信系统的速率限制主要源于LED调制特性中对高频信号的限制,这与从前的低通信道对通信系统的限制十分相似,因此针对不包含荧光粉的白光LED以及包含荧光粉的白光LED光源的频响特性,在发送端进行预加重设计或是在接收端进行均衡补偿设计,可以提高总的系统调制带宽。这里所提及的发送端的预加重和接收端的均衡补偿,都是为了提高可见光通信系统调制带宽,可以通过传统的模拟电路设计的形式实现,也可以采用现场可编程门阵列(FPGA)更为灵活的实现,目前已有众多研究者对此展开研究并取得了很多好的成果

    总的来说,照明工程师从照明的性价比出发,喜欢选用荧光型LED作为照明光源,可见光通信的研究人员为了获得较高的器件调制带宽,愿意选择三基色甚至四色的LED作为通信光源。所以,假若通信领域的人能利用荧光型LED实现高速的可见光通信,或者照明领域的人能让三基色甚至四色的LED的价格变得和荧光型LED一样便宜,那照明与通信才能在光源上实现真正的融合。

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  • 可见光通信科普——可见光通信光电探测器

    光电探测器是一种基于光电效应,将光信号(光能量)转变为电信号(电能量)的器件。光电探测器按照工作波段分,有紫外光探测器、可见光探测器和红外光探测器。

    可见光通信系统中常用的光电探测器有PIN 管和雪崩光电二极管(APD)PIN管是在光电二极管的P区和N区之间加入I层(本征区),具有结电容小,量子效率高,暗电流低,工作偏压低等特点。雪崩光电二极管(APD) 内部的光生电子-空穴对通过高压加速后能碰撞出二次电子-空穴对,可实现光电流的倍增效应。由于有碰撞电离的内部增益机制,它比普通光电二极管的灵敏度高得多,但是APD管引入了雪崩增益噪声。APD管的信噪比与倍增因子成正比,但是倍增因子受温度影响较大。

    在可见光通信系统中,如何在PINAPD中做出正确选择,需要考虑以下几个方面的因素:利用APD管可以实现比PIN管更远的探测距离;使用APD管需要提供比PIN管更高的反向偏置电压APD管的暗电流一般大于PIN管;APD管比PIN价格要高很多。

    可见光通信系统的光源目前主要是荧光型LEDRGB三基色LED。荧光型LED是由单色蓝光和黄色荧光混合成白光;RGB三基色LED是由红绿蓝三种单色光混合成白光。对于荧光型LED来说,因为是利用蓝光激发黄色荧光粉产生白光,而荧光粉的响应速度很慢,限制了通信带宽。在荧光型LED做光源的可见光通信系统中,通常会在接收端的光电探测前面放置蓝色滤光片来滤除黄色荧光成分,让光电探测器仅对蓝光进行探测,这样能提高可见光通信系统的通信速率。目前,可见光通信系统中的光接收机正朝着高灵敏度、高带宽以及单片集成的方向发展。其实,上述那种通过放置滤光片对光信号进行光学滤波的处理方式也可以通过对光电探测器镀膜或者通过光电探测器材料、结构的合理选择来实现。因此,对光电探测器的光谱响应范围、噪声特性、响应带宽、线性度和经济性进行综合优化考虑,设计出与可见光通信光源匹配的光电探测器具有非常重要的意义。

         

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