? 【中國半導體照明網專稿】可見光通信技術，是利用熒光燈或發光二極管等發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，使燈光也加入信息使者的行列，而可見光通信技術也成為半導體照明業界關注的焦點之一。2015年更是被聯合國定為“光和光基技術國際年”。本文將重點介紹可見光通信技術的幾大基礎技術要素以及可見光通信技術的國內外研究進展，與業界分享探討?！颈疚倪x自第五期《半導體照明》雜志】
可見光通信技術之帶寬和速率
對于通信系統來說，有效性(快慢問題)、可靠性(真假問題)和通信距離是幾個核心的指標參數。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具體業務需求來確定，會涉及到視距(直線)傳播和非視距傳播兩種傳輸模式。通信系統的有效性和可靠性，是一對矛盾。一般情況下，要增加系統的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。通信距離增加會使誤碼率上升，若要保證一定的誤碼率則通信速率下降。借助于糾錯技術，只要原始誤碼率不高于某一上限值就可以通過糾錯編碼來檢錯糾錯改善誤碼率，當然這需要耗費一定的編碼資源，付出冗余代價(目前前向糾錯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，我們再來進一步了解通信系統中帶寬和速率的關系。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。若想信號傳輸的失真小，信道要有足夠的帶寬。數字信道是一種離散信道，它只能傳送離散值的數字信號，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。信道帶寬與數據傳輸速率的關系可用奈奎斯特(Nyquist)準則與香農(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據傳輸速率與信道帶寬的關系。奈奎斯特準則指出：如果時間間隔為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生相互竄擾。因此，二進制數據信號的最大數據傳輸速率Rmax與通信信道帶寬B(B=f，單位Hz)的關系為：Rmax=2f(bps) 。對于二進制數據若信道帶寬B=f=1000Hz，則最大數據傳輸速率為2000bps，多進制(M進制)的話速率可增加N=log2M倍。結論：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制調制技術提高信息傳輸速率。
香農定理則描述了有限帶寬、有隨機熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信噪比之間的關系。香農定理指出：在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數據信號時，數據傳輸速率Rmax與信道帶寬B、信噪比S/N的關系為：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)數表示。若S/N=30(dB)，那么信噪比根據公式：S/N(dB)=10×lg(S/N) 可得，S/N=1000。若帶寬B=1000Hz，則Rmax≈10kbps。香農定律給出了一個有限帶寬、有熱噪聲信道的最大數據傳輸速率的極限值。它表示對于帶寬只有1000Hz的通信信道，信噪比在30db時，無論數據采用二進制或更多的離散電平值表示，都不能用超過10kbps的速率傳輸數據。結論：對于有限帶寬、有隨機熱噪聲的信道，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際信道，要想獲得更高通信速率(信息傳輸速率)的用戶體驗，既可以通過拓展系統帶寬來實現，也可以通過新的通信技術來提高頻帶利用率(所傳輸的信息速率與系統帶寬之比值)。對于可見光通信系統來說，研究人員可以通過RGB三基色LED甚至四色LED做波分復用來提高總帶寬，還可以通過預加重和后均衡技術來提高單色光的帶寬。帶寬提高了，系統信息傳輸速率就能提高，這就像日常生活中的貨物運輸，馬路修寬(帶寬拓寬)了，貨物運輸量(信息傳輸速率)增加也容易。當然也可以利用OFDM、DMT等現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輸能力。因為OFDM技術涉及比較復雜的信號編解碼、數模和模數轉換，難以實現高速在線實時處理，通常系統只能做脈沖發送，并據此計算出一個峰值速率。也就是說，既使ECOC2014會議上報道的4色LED采用OFDM技術最高峰值速率已達5.6Gbps，也很難傳輸1路64kbps的實時數字語音業務。2011年，歐洲歐米伽計劃資助下的100Mbps的OFDM實時傳輸系統是非常有代表性的可見光傳輸演示系統。如果可見光通信系統的帶寬能拓展，則利用簡單的OOK調制技術就能實時傳輸高速信號?？蒲形墨I報道，通過帶寬拓展技術，基于10-20MHz的LED器件帶寬拓展系統帶寬到233MHz后， 1瓦功率的熒光型LED在OOK調制下單路傳輸，距離1.6米時實時傳輸速率已經超過500Mbps。
總的來說，可見光通信系統要想獲得理想的高速通信，可以從提高系統帶寬和提高頻帶利用率兩個方面同時著手。
可見光通信技術之常用調制方式
白熾燈和熒光燈這些傳統的光源因為開關速度慢，一般只用來照明。白光LED具有很好的調制特性，開關速度很快，在調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中的通信光源，在照明的同時，實現數據的傳輸。LED照明的普及和推廣為可見光通信技術的發展提供了條件和機遇，目前可見光通信技術已成為國內外研究的熱點?？梢姽馔ㄐ偶夹g作為無線通信的新技術，有很多有價值的研究方向，為了幫助大家更好地了解可見光通信技術，下面對主要涉及的調制方式，作一個簡單的介紹供大家參考。
電氣電子工程師協會(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標準，專門用來規范短距離可見光通信的相關協議。簡單來說，IEEE 802.15.7標準規定了可見光通信系統物理層中的調制方式包括：開關鍵控(OOK)、可變脈沖位置調制(VPPM)和顏色轉移鍵控(Color shift keying, CSK)。OOK調制方式是最簡單的一種調制方式，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制方式，在一個單位周期內，通過改變脈沖出現的位置，來表示“0”和“1”。VPPM在一個單元時間間隔內定義了V個時間間隙，可以通過改變V的大小以及相應的編碼，來實現PWM調光的功能。CSK調制方式是采用多顏色的光源和相應的探測器，實現信息的傳輸，支持高階調制。IEEE 802.15.7標準根據速率分類，規定了不同調制方式下采用的編碼方式，幀結構等內容，這里不再詳細闡述?？傊?，IEEE 802.15.7標準在制定調制方式時，非常注重將信息傳輸與調光功能結合，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的實際應用中是非常重要的。
在可見光通信技術研究中，除了以上幾種調制方式外，目前應用最多的就是正交頻分復用(OFDM)和多音頻調制(DMT)，由于DMT是一種特殊的OFDM調制方式，這里只簡單分析OFDM調制方式。我們知道，OOK和VPPM等簡單的調制方式，在時域的波形是規則的，在頻域是無規則的。通常我們比較容易改變時域的周期和幅度，對頻域的相關參數，比如載波頻率，進行修改，就相對較難。OOK和VPPM一般是二階調制，頻帶利用率較低。OFDM相對于OOK調制方式，是一種高頻帶利用率的調制方式，它在時域上是無規則的波形，在頻域上是規則的。我們可以通過對頻域上的載波進行分配，充分利用頻帶，進行信息傳輸。此外，OFDM經常與高階調制方式，比如M階正交幅度調制(M-QAM)等結合，可以有效地提高可見光通信系統的數據傳輸速率。同時，OFDM調制方式與PWM調光結合，正在被研究人員研究，相信采用OFDM調制方式也可以很好地兼顧照明和通信。簡單的說，在相同的器件調制帶寬下，采用高階的OFDM調制方式，系統的數據傳輸速率比OOK調制方式能高很多。OFDM調制方式雖然暫時沒有被定義在IEEE 802.15.7標準內，但是對于器件帶寬有限的可見光通信系統是充滿了誘惑力，受到了國內外研究人員的喜愛。
技術的特點總有其兩面性，OFDM技術可以實現較高的頻帶利用率，但是實現比較復雜，成本高;OOK調制頻帶利用率雖然低，但是實現起來確實非常簡單可靠，成本低。從已有的技術文獻來看，可見光通信系統采用OOK調制技術已經實現熒光型LED的單路500Mbps的實時傳輸;可見光通信系統采用OFDM調制技術已經單色LED的1000Mbps的實時傳輸;可見光通信系統采用OFDM調制技術和波分復用技術已實現紅綠藍黃四色LED的5.6Gbps的離線峰值速率?？梢哉f，通信系統的低價格和高速率不易兼得。但是我們可以根據不同的應用場合和不同的業務要求擇優選擇。
可見光通信技術之峰值速率和實時傳輸速率
可見光通信技術在媒體的關注和國家科研項目資助下，高校、科研院所、企業甚至金融資本領域都比較關注，因為缺乏統一的評價標準，科研界和產業界有點亂相。在信息領域可見光通信863項目今年中期檢查的時候專家們就建議以后要規范評價標準并說明測試條件。單純從通信速率這項指標上來說，離線處理系統的峰值速率和在線處理系統的實時傳輸速率是最容易讓人迷惑的事情。
高速的OFDM(或DMT)系統因為數據處理復雜，2011年歐洲歐米伽計劃結題時的100Mbps是目前國際上白光OFDM 實時傳輸非常有代表性的研究成果。據德國Fraunhofer Henrich Hertz Institute的官網報道，該實驗室的研究成員實現了500Mbps的以太網通信(可能是用紅光LED加OFDM技術)。德國 Fraunhofer Henrich HertzInstitute研發了單色LED的1Gbps的單向傳輸模塊，并據此推算三色LED的傳輸速率可達3Gbps(可能是用OFDM技術加波分復用技術)。
其他國內外可見光通信研究團隊，有的用Matlab軟件在計算機上生成符合要求的特定格式的測試數據，然后拷到任意波形發生器中，用該設備作為信號源調制LED，在接收端用存儲示波器存儲接收到的數據，然后拷貝回計算機中進行數據比對和誤碼率的測試;有的僅僅依靠接收端信號質量估算誤碼率(比如EVM、Q因子等參數)，因為不能實時連續傳輸數據，故稱為離線處理系統。離線處理系統，不能連續傳輸數據，故只能標注最理想的峰值速率，并估算出一個誤碼率。比如，意大利的GiulioCossu團隊利用紅綠藍黃四色LED波分復用，采用QAM和DMT技術實現了可見光通信系統離線處理的最高峰值速率5.6Gbps;復旦大學遲楠教授團隊利用紅綠藍三色LED波分復用，采用QAM和DD-LMS技術實現了可見光通信系統離線處理的最高峰值速率4.22Gbps。
OOK系統因為不涉及復雜的數據運算和數模、模數轉換，通常都是實時傳輸，其速率就是實時傳輸速率。實時傳輸系統可以通過誤碼率測試儀在線連續測量誤碼率，并可以得出一段時間的平均誤碼率。中國科學院半導體研究所利用熒光型LED，采用帶寬拓展技術(系統帶寬已拓展至233MHz)實現了熒光型LED的國際最高的可見光通信系統的單路實時傳輸速率500Mbps。從技術實用化的角度出發，OOK系統是目前最有可能小型化、產品化的。
可見光通信技術之光電探測器
光電探測器是一種基于光電效應，將光信號(光能量)轉變為電信號(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區和N區之間加入I層(本征區)，具有結電容小，量子效率高，暗電流低，工作偏壓低等特點。雪崩光電二極管(APD)內部的光生電子-空穴對通過高壓加速后能碰撞出二次電子-空穴對,可實現光電流的倍增效應。由于有碰撞電離的內部增益機制，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。
在可見光通信系統中，如何在PIN管和APD管中做出正確選擇，需要考慮以下幾個方面的因素：利用APD管可以實現比PIN管更遠的探測距離;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管價格要高很多。
可見光通信系統的光源目前主要是熒光型LED和RGB三基色LED。熒光型LED是由單色藍光和黃色熒光混合成白光;RGB三基色LED是由紅綠藍三種單色光混合成白光。對于熒光型LED來說，因為是利用藍光激發黃色熒光粉產生白光，而熒光粉的響應速度很慢，限制了通信帶寬。在熒光型LED做光源的可見光通信系統中，通常會在接收端的光電探測前面放置藍色濾光片來濾除黃色熒光成分，讓光電探測器僅對藍光進行探測，這樣能提高可見光通信系統的通信速率。目前，可見光通信系統中的光接收機正朝著高靈敏度、高帶寬以及單片集成的方向發展。其實，上述那種通過放置濾光片對光信號進行光學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、結構的合理選擇來實現。因此，對光電探測器的光譜響應范圍、噪聲特性、響應帶寬、線性度和經濟性進行綜合優化考慮，設計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基藍光LED或紫光LED加熒光粉來實現，熒光粉吸收LED發出的部分原色光，并激發出原色光互補的熒光，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LED發出的光混合出白光。例如藍光LED加黃光LED;或者紅光LED加綠光LED加藍光LED。也有一些研究者正在研制單芯片無熒光粉型白光LED，但由于技術難度大，目前仍處在實驗室研究階段沒有達到實用化水平。
目前半導體照明中使用最廣泛的光源是采用藍光LED加熒光粉構成的熒光粉型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中熒光粉的光致發光響應速度慢，其調制帶寬只有幾兆赫茲，即使在接收端濾除熒光粉對應波長的光即只測量藍光LED的調制特性，其調制帶寬也只有十幾兆赫茲。
為了提高光源的調制帶寬，在可見光通信系統中會采用紅綠藍三基色的LED或者紅綠藍黃四色的LED作為通信光源。因為這樣的一個LED光源中實際包含三個或者四個不同波長的LED芯片，所以可以采用波分復用技術獲得調制帶寬的累加，通常一個紅綠藍三基色的LED的三個芯片的調制帶寬能累加到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勢。這類光源唯一的缺點就是價格較高，目前在照明領域的使用遠不如熒光型LED普及，故要實現基于照明網絡的通信，推廣顯得有點困難。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光源的波分復用來提高光源的總調制帶寬，利用OFDM或者DMT技術結合復雜的QAM調制技術來實現較高的頻帶利用率，是目前能獲取可見光通信系統最高速率指標的共同方案。但是該方案成本很高，系統實現較為復雜，難以實現實時通信，故一般以非連續通信的方式工作，以最高峰值速率作為速率指標;也很難用誤碼率測試儀測試一段時間的誤碼累計和誤碼率，只能根據Q因子或者EVM等參數估算出誤碼率。
對于通信系統來說，系統調制帶寬的大小直接決定了系統通信速率的高低。故可見光通信領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的帶寬。比如，通過對LED結構進行優化設計以增加LED器件的調制帶寬，或是通過為LED頻響特性增加與之互補的電路設計來提高系統的總調制帶寬。一般認為，影響LED調制帶寬的主要因素是載流子壽命及RC時間常數，可以通過直接對LED有源區結構以及封裝結構進行優化減小載流子壽命或是降低RC時間，進而增加LED的調制帶寬，已有少量文獻報道了一些有效的優化結果?？梢姽馔ㄐ畔到y的速率限制主要源于LED調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，在發送端進行預加重設計或是在接收端進行均衡補償設計，可以提高總的系統調制帶寬。這里所提及的發送端的預加重和接收端的均衡補償，都是為了提高可見光通信系統調制帶寬，可以通過傳統的模擬電路設計的形式實現，也可以采用現場可編程門陣列(FPGA)更為靈活的實現，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比出發，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，假若通信領域的人能利用熒光型LED實現高速的可見光通信，或者照明領域的人能讓三基色甚至四色的LED的價格變得和熒光型LED一樣便宜，那照明與通信才能在光源上實現真正的融合。
可見光通信技術國內外研究進展
2003 年10月，日本慶應義塾大學發起并成立了產、學、研相結合的戰略聯盟-可見光通信聯盟(VLCC)，其成員是來自通信、照明系統設計和器件制造等方面的公司，其目的是通過市場研究、推廣和技術標準化，建立安全、無處不在的可見光通信網絡。
2008年，美國成立了由波士頓大學(負責發光二極管通信、計算機網絡系統技術研究)、Rensselaer 理工學院(負責新材料器件技術與系統應用研究)、新墨西哥大學(負責納米材料、器件、生物成像和顯示的測試平臺建設)組成的智能照明中心開展可見光通信技術研究。智能照明中心后來催生出了ByteLight等可見光通信應用的企業或品牌。
2008年，歐盟啟動了歐米伽計劃進行可見光通信技術研究。歐洲在可見光通信研究領域代表性的研究單位包括英國牛津大學、劍橋大學、帝國理工學院、德國西門子公司、法國電信等。英國愛丁堡大學的Harald Haas教授在2011年創造了“Li-Fi”一詞，后來在蘇格蘭政府支持下創立了PureLiFi公司從事可見光通信技術產品化研究，該公司最少已經獲得150萬英鎊(220萬美元)融資，估值最少為1400萬英鎊。據了解，PureLiFi的研究大部分還處在實驗中，已推出的少部分商業化產品基本還處在閉門內測階段。此前，美國一家醫療服務提供商成為其第一個客戶。2014年，Li-1st問世，可以實現雙向的數據傳輸，但只對合作客戶開放購買。
2008年年底，中國科學院半導體研究所按照路甬祥院長的批示，整合所內優勢研發力量，啟動了基于可見光通信的“半導體照明信息網”(Solid StateLighting Information Network，S2-link)的研究，研究范圍覆蓋材料、器件、協議和系統。
2011 年11 月28 日美國《時代》周刊公布的2011 年度全球50 大最佳發明中英國愛丁堡大學的Harald Haas教授開發出一種利用LED 燈實現光學無線上網的解決方案(Li-Fi)排在第8 位。2012年12月31日CCTV-2的創新科技“環球新銳榜”排名中基于可見光通信技術的“光怪路由”位列第3。
可見光通信學術研究的國內外進展情況
(表中內容根據已有資料整理，如有錯誤，也歡迎業內同仁指正)
表中紅色字體的四個成果分別代表RGB三色LED離線處理最高峰值速率、紅綠藍黃四色LED離線處理最高峰值速率、RGB三色LED實時傳輸最高速率、熒光型LED實時傳輸最高速率，相關論文如下：
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
