白光led通信技術(shù)有哪些行業(yè)應(yīng)用研究方案？

一、概述

時(shí)至今日，至少在蜂窩移動(dòng)通信行業(yè)，對(duì)于無源互調(diào)對(duì)系統(tǒng)危害的認(rèn)知已經(jīng)十分普遍，從工程角度看，無源互調(diào)測量技術(shù)以及低互調(diào)無源器件的生產(chǎn)制造工藝也已經(jīng)成熟。但是我們也注意到，近年來在無源互調(diào)方面的研究具有一定的局限性，大部分有關(guān)無源互調(diào)的討論都是基于器件角度，而類似以下的這些問題，往往被業(yè)界所忽略： 1) 行業(yè)普遍認(rèn)為低無源互調(diào)指標(biāo)應(yīng)該是-153dBc~-170dBc@2×43dBm，這個(gè)指標(biāo)的來源是什么? 2)在一個(gè)通信系統(tǒng)中，究竟哪些無源器件需要低互調(diào)設(shè)計(jì)?一個(gè)無源器件的互調(diào)對(duì)系統(tǒng)有什么影響?如何量化這個(gè)影響?無源器件的非線性特性與整機(jī)的雜散輻射指標(biāo)有什么關(guān)聯(lián)性? 3)反射互調(diào)、傳輸互調(diào)、反向互調(diào)和感應(yīng)互調(diào)分別對(duì)應(yīng)哪些應(yīng)用場景?對(duì)本系統(tǒng)、共站共址系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)的影響如何評(píng)估? 4) 傳統(tǒng)的無源互調(diào)測試采用傳導(dǎo)測試模式，開場條件下會(huì)不會(huì)產(chǎn)生無源互調(diào)? 5) 無源器件的非線性特性對(duì)于寬帶調(diào)制射頻信號(hào)的鄰道功率有貢獻(xiàn)嗎? 6) MIMO系統(tǒng)中有沒有互調(diào)問題?

在任何通信系統(tǒng)中，無源器件的非線性特性不應(yīng)被孤立看待，無源互調(diào)的理論和工程應(yīng)用研究應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，這就是本文中想要探討的。

二、無源互調(diào)指標(biāo)的來源

首先我們結(jié)合圖1來討論無源互調(diào)指標(biāo)的定義。圖1a是收發(fā)系統(tǒng)的典型電路，兩個(gè)發(fā)射信號(hào)fTX1和fTX2分別經(jīng)過功率放大器、環(huán)流器，由合路器合成后進(jìn)入雙工器的TX端，經(jīng)過雙工器濾波后從天線輻射到空中。從雙工器ANT端口以后一直到天線，整個(gè)路徑上的無源器件在兩個(gè)合成信號(hào)的作用下會(huì)產(chǎn)生無源互調(diào)產(chǎn)物，如果互調(diào)頻率(如三階互調(diào)fIM3)落在接收頻段，就會(huì)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。

圖1a. 典型的收發(fā)系統(tǒng)

圖1b. 頻譜 圖1. 無源互調(diào)指標(biāo)的來源

以GSM900為例，下行頻段是925-960MHz，上行頻段是880-915MHz。如果fTX1和fTX2分別為935MHz和959MHz，產(chǎn)生的三階互調(diào)頻率為913MHz，剛好落入接收頻段。

那么我們?cè)撊绾味x互調(diào)頻率fIM的幅度大小?顯然，進(jìn)入接收機(jī)的互調(diào)產(chǎn)物幅度應(yīng)該不足以對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾，干擾信號(hào)的幅度應(yīng)該比接收機(jī)靈敏度小，我們就可以將互調(diào)產(chǎn)物的幅度限值定義如下。 絕對(duì)值：PIM(dBm) < S -? @ (PTX1,PTX2) (1) 相對(duì)值：PIM(dBc) < S -? - PTX @ (PTX1,PTX2) (2) 其中，PIM是互調(diào)產(chǎn)物的幅度，與階數(shù)無關(guān)，只要落入接收頻段，無論幾階互調(diào)都需要關(guān)注;S是接收機(jī)的靈敏度;?是干擾保護(hù)比，也就是互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該比靈敏度小多少，通常為6~10dB;PTX1,PTX2為兩個(gè)載頻的幅度。

式1為互調(diào)限值的絕對(duì)值表達(dá)法，解釋為在一定幅度的兩個(gè)以上載頻的作用下，互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)比接收機(jī)靈敏度小一定的值;式2為互調(diào)限值的相對(duì)值表達(dá)法，解釋為互調(diào)絕對(duì)值與載頻的差值，為了計(jì)算方便起見，通常假設(shè)為PTX1 = PTX2 = PTX。 以蜂窩通信系統(tǒng)為例，PTX1 = PTX2 = PTX =43dBm，S=-107dBm，?取6dB，則要求無源互調(diào)產(chǎn)物的幅度應(yīng)小于-113dBm絕對(duì)值或-156dBc相對(duì)值，分別表達(dá)為-113dBm@2×43dBm或-156dBc@2×43dBm。這是我們常見的無源互調(diào)指標(biāo)，或許是由于當(dāng)初IEC在制定無源互調(diào)測試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)參照了GSM900蜂窩基站的情況[1]，同時(shí)很多相關(guān)技術(shù)文章和產(chǎn)品所描述的指標(biāo)都是這個(gè)數(shù)量級(jí)，因此造成了對(duì)無源互調(diào)理解的以下幾點(diǎn)局限性： 1) 無源互調(diào)的指標(biāo)在-110 ~ -120dBm，或者-153~ -163dBc; 2) 無源互調(diào)的定義是基于20W的載頻功率; 3) 只需要關(guān)注三階互調(diào)，高階互調(diào)很小，可以忽略。

我們?cè)?jīng)遇到一個(gè)案例，要測量一個(gè)雙工器的無源互調(diào)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為-200dBc@2×21dBm，有些人認(rèn)為這個(gè)指標(biāo)不可實(shí)現(xiàn)，是不合理的。而這可能就是前面所描述的對(duì)無源互調(diào)認(rèn)識(shí)的局限性，因?yàn)樵诖蠹业恼J(rèn)知中，無源互調(diào)最好也就-170dBc。但如果從以下兩點(diǎn)來考慮，就可以發(fā)現(xiàn)-200dBc這項(xiàng)指標(biāo)是合理的： 1) 這個(gè)系統(tǒng)的接收靈敏度非常高，目前地面接收機(jī)的靈敏度已經(jīng)可以做到接近-160dBm; 2) 按照載頻功率與互調(diào)相對(duì)值1:2的關(guān)系，如果將功率提高到43dBm，那么這個(gè)互調(diào)指標(biāo)可以等效為-156dBc@2×43dBm，這個(gè)值就符合大家通常的認(rèn)知了，而且實(shí)現(xiàn)并不困難。

從上述案例以及式1(式2)可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)通信系統(tǒng)中無源互調(diào)與接收機(jī)靈敏度和載頻功率有關(guān)，無源互調(diào)限值及測試遵循真實(shí)使用環(huán)境模擬原則： 1) 無源互調(diào)限值取決于系統(tǒng)接收機(jī)的靈敏度以及發(fā)射機(jī)的功率; 2) 只要落入接收頻段的無源互調(diào)都應(yīng)被關(guān)注，與互調(diào)階數(shù)無關(guān)。

案例：不同載頻功率比對(duì)無源互調(diào)的變化規(guī)律的影響研究。

在IEC63027標(biāo)準(zhǔn)中，建議采用2×43dBm的功率進(jìn)行無源互調(diào)測試，通常要求兩載頻電平的偏差不超過0.5dB，這種情況適用于蜂窩移動(dòng)通信。在很多通信系統(tǒng)中，載頻信號(hào)的峰均功率比不是恒定值，載頻的幅度可能是隨機(jī)變化的，因此研究不同載頻功率比條件下無源互調(diào)的變化規(guī)律具有一定的實(shí)用意義。 我們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)并提出了以下的擬合公式： PIM dBm = C0 + C1P1dBm + C2P2 dBm (3) 上式中，C0、C1、C2為擬合系數(shù)。我們分別對(duì)帶狀線定向耦合器、同軸連接器和微帶線等三種器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及計(jì)算，獲得了較為一致的理論和實(shí)測結(jié)果(圖2)，最終結(jié)果表明，當(dāng)總功率不變時(shí)，最大互調(diào)出現(xiàn)在兩載頻功率為1:2的位置[3]。

圖2. 載頻功率之比對(duì)三階互調(diào)的影響規(guī)律

三、如何分解系統(tǒng)中無源器件指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響 我們知道，產(chǎn)生無源互調(diào)的必要條件是兩個(gè)或者以上的載頻同時(shí)作用在器件射頻路徑的某個(gè)點(diǎn)上。圖3顯示了一個(gè)典型的通信系統(tǒng)的前端，我們結(jié)合這個(gè)電路來討論各個(gè)無源器件的指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)接收機(jī)是如何產(chǎn)生影響的，同時(shí)也討論每個(gè)器件的指標(biāo)應(yīng)該如何確定以保證性能和成本的平衡。家居照明的自然光型LED平板燈由于LED本身具有豐富的色彩，采用多色LED可以制作出更接近自然光的平板燈。作為新型半導(dǎo)體室內(nèi)照明燈具的典型代表，以其高亮度、光線柔和、光照均勻等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于辦公照明、教室照明、醫(yī)院照明、酒店照明等場合。隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，LED平板燈將會(huì)擁有更大的發(fā)展空間。高顯色性的醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡目前白光LED在醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡上的應(yīng)用中克服了傳統(tǒng)氙氣燈光源的功耗大、壽命短等缺點(diǎn)，雖然其光通量以及顯色性還達(dá)不到傳統(tǒng)光源的水平，但隨著白光LED在醫(yī)學(xué)照明產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，以及科研工作者的努力，具有高顯色性等優(yōu)點(diǎn)的高性能白光LED醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡為代表的醫(yī)學(xué)照明產(chǎn)品一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。汽車照明隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,汽車照明的細(xì)分領(lǐng)域也日新月異。LED作為一種新型的光源,正被應(yīng)用在汽車照明系統(tǒng)中,白光LED也作為汽車的前照光源被應(yīng)用。由于白光LED具有方向性好，響應(yīng)快，耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，在LED燈的市場份額占有率將會(huì)大幅度提高。液晶顯示器背光源LED作為液晶顯示器背光源可以提供良好的色彩飽和度，提高顯示色域，以RGB LED白光光源為背光源甚至可以將色域提高到120%NTSC以上。白光LED在顯示器的應(yīng)用正促進(jìn)寬色域、高亮度顯示技術(shù)的發(fā)展。在機(jī)器視覺和半導(dǎo)體設(shè)備、3D成像和打印、太陽能和光伏發(fā)電、生命科學(xué)和醫(yī)療等產(chǎn)品的研發(fā)過程中，我們經(jīng)常需要一些比較精密的LED光源，目前市場上主要是LED+導(dǎo)光板的簡單形狀組合，在過去的時(shí)代尚能使用，在AI時(shí)代，達(dá)到光學(xué)精度級(jí)別的光源才能滿足您的需求。

LED可見光通信(VLC)是一種利用LED燈具發(fā)出的可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)。它使用普通的LED燈具作為發(fā)射器和接收器，通過調(diào)制LED燈具發(fā)出的光的明暗閃爍信號(hào)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。LED可見光通信技術(shù)的優(yōu)勢在于其無需授權(quán)頻譜、高速傳輸、低功耗、保密性好、健康無害等特點(diǎn)。

LED可見光通信技術(shù)的基本原理是將需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼，然后通過調(diào)制器將編碼后的信息加載到LED燈具發(fā)出的可見光上。接收端使用光電探測器(PD)接收帶有信息的可見光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行濾波、整形和放大，從中解調(diào)出相應(yīng)的模擬信息。如果需要雙向傳輸或多路傳輸，則需要進(jìn)行頻譜區(qū)分或多路取樣調(diào)制，并加入同步識(shí)別信號(hào)和同步檢測信號(hào)。

LED可見光通信技術(shù)可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如室內(nèi)導(dǎo)航、智能家居、智能交通、醫(yī)療保健等。在室內(nèi)導(dǎo)航方面，可以利用LED可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位和導(dǎo)航，提高室內(nèi)導(dǎo)航的精度和便捷性。在智能家居方面，可以使用LED可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸，提高智能家居的智能化程度。在智能交通方面，可以使用LED可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛之間的通信和協(xié)同控制，提高交通的安全性和效率。在醫(yī)療保健方面，可以使用LED可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，提高醫(yī)療保健的質(zhì)量和效率。LED可見光通信技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展空間的無線通信技術(shù)，可以滿足不同領(lǐng)域的特殊需求，并推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展。

LED可見光通訊在光定位方面有很大的應(yīng)用潛力。通過在LED燈具上安裝特殊的光學(xué)器件和控制器，可以實(shí)現(xiàn)可見光的精準(zhǔn)控制和調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位。

一種常見的LED可見光定位技術(shù)是利用多個(gè)LED燈具發(fā)出的光信號(hào)，通過測量這些光信號(hào)在待測目標(biāo)上的接收時(shí)間和強(qiáng)度，計(jì)算出待測目標(biāo)的位置坐標(biāo)。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)米級(jí)甚至厘米級(jí)的定位精度，具有功耗低、成本低、壽命長、高速率、無輻射、應(yīng)用廣、無需布設(shè)額外接入點(diǎn)等特點(diǎn)，在日常生活、公共服務(wù)、軍事管理等領(lǐng)域都有較高的應(yīng)用價(jià)值。LED可見光通信技術(shù)還可以與圖像傳感器等技術(shù)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航。例如，在智能家居領(lǐng)域，可以使用LED可見光通信技術(shù)結(jié)合圖像傳感器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位和導(dǎo)航，提高智能家居的便捷性和用戶體驗(yàn)。

LED可見光通訊在智能交通系統(tǒng)(ITS)中有廣泛的應(yīng)用前景。智能交通系統(tǒng)是指在道路交通基礎(chǔ)設(shè)施、城市公共交通以及道路運(yùn)輸系統(tǒng)上建立起來的，集成了信息采集處理、融合與交換、分析以及控制，以信息的發(fā)布為目標(biāo)的一體化的，可以實(shí)現(xiàn)智能管理的交通運(yùn)輸系統(tǒng)。

在智能交通系統(tǒng)中，LED可見光通訊技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)車輛之間的通信和協(xié)同控制，提高交通的安全性和效率。例如，在車輛之間可以通過LED可見光通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛距離、速度、方向等信息的傳遞，避免交通事故的發(fā)生。此外，LED可見光通訊技術(shù)還可以用于實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的控制和調(diào)度，提高交通流的效率和道路利用率。LED可見光通訊技術(shù)還可以與圖像傳感器、GPS等技術(shù)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的車輛定位和導(dǎo)航。例如，在智能交通系統(tǒng)中，可以使用LED可見光通信技術(shù)結(jié)合圖像傳感器實(shí)現(xiàn)車輛位置的精準(zhǔn)定位，從而提高交通管理的效率和準(zhǔn)確性。

毋庸置疑，LED燈具將成為智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)信息社會(huì)中的重要的“連接”媒介或者信息采集入口。而未來隨著室內(nèi)定位技術(shù)的成熟，在大型室內(nèi)空間、導(dǎo)航互動(dòng)、人流實(shí)時(shí)監(jiān)控、消防疏散等領(lǐng)域必將轉(zhuǎn)變?yōu)榛拘枨?，推?dòng)光定位的標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)配化?？梢姡磥硎覂?nèi)光定位市場空間將有巨大潛力可挖，而開采這座金礦還需企業(yè)間的通力合作，找到其應(yīng)用的最佳突破口，才能真正實(shí)現(xiàn)“可見光”下的共贏。