白光led通信技術有哪些行業(yè)應用研究方案？

一、概述

時至今日，至少在蜂窩移動通信行業(yè)，對于無源互調對系統(tǒng)危害的認知已經(jīng)十分普遍，從工程角度看，無源互調測量技術以及低互調無源器件的生產制造工藝也已經(jīng)成熟。但是我們也注意到，近年來在無源互調方面的研究具有一定的局限性，大部分有關無源互調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)普遍認為低無源互調指標應該是-153dBc~-170dBc@2×43dBm，這個指標的來源是什么? 2)在一個通信系統(tǒng)中，究竟哪些無源器件需要低互調設計?一個無源器件的互調對系統(tǒng)有什么影響?如何量化這個影響?無源器件的非線性特性與整機的雜散輻射指標有什么關聯(lián)性? 3)反射互調、傳輸互調、反向互調和感應互調分別對應哪些應用場景?對本系統(tǒng)、共站共址系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)的影響如何評估? 4) 傳統(tǒng)的無源互調測試采用傳導測試模式，開場條件下會不會產生無源互調? 5) 無源器件的非線性特性對于寬帶調制射頻信號的鄰道功率有貢獻嗎? 6) MIMO系統(tǒng)中有沒有互調問題?

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

二、無源互調指標的來源

首先我們結合圖1來討論無源互調指標的定義。圖1a是收發(fā)系統(tǒng)的典型電路，兩個發(fā)射信號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，整個路徑上的無源器件在兩個合成信號的作用下會產生無源互調產物，如果互調頻率(如三階互調fIM3)落在接收頻段，就會對接收機產生干擾。

圖1a. 典型的收發(fā)系統(tǒng)

圖1b. 頻譜 圖1. 無源互調指標的來源

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，產生的三階互調頻率為913MHz，剛好落入接收頻段。

那么我們該如何定義互調頻率fIM的幅度大小?顯然，進入接收機的互調產物幅度應該不足以對接收機產生干擾，干擾信號的幅度應該比接收機靈敏度小，我們就可以將互調產物的幅度限值定義如下。 絕對值：PIM(dBm) < S -? @ (PTX1,PTX2) (1) 相對值：PIM(dBc) < S -? - PTX @ (PTX1,PTX2) (2) 其中，PIM是互調產物的幅度，與階數(shù)無關，只要落入接收頻段，無論幾階互調都需要關注;S是接收機的靈敏度;?是干擾保護比，也就是互調產物應該比靈敏度小多少，通常為6~10dB;PTX1,PTX2為兩個載頻的幅度。

式1為互調限值的絕對值表達法，解釋為在一定幅度的兩個以上載頻的作用下，互調產物應比接收機靈敏度小一定的值;式2為互調限值的相對值表達法，解釋為互調絕對值與載頻的差值，為了計算方便起見，通常假設為PTX1 = PTX2 = PTX。 以蜂窩通信系統(tǒng)為例，PTX1 = PTX2 = PTX =43dBm，S=-107dBm，?取6dB，則要求無源互調產物的幅度應小于-113dBm絕對值或-156dBc相對值，分別表達為-113dBm@2×43dBm或-156dBc@2×43dBm。這是我們常見的無源互調指標，或許是由于當初IEC在制定無源互調測試標準時參照了GSM900蜂窩基站的情況[1]，同時很多相關技術文章和產品所描述的指標都是這個數(shù)量級，因此造成了對無源互調理解的以下幾點局限性： 1) 無源互調的指標在-110 ~ -120dBm，或者-153~ -163dBc; 2) 無源互調的定義是基于20W的載頻功率; 3) 只需要關注三階互調，高階互調很小，可以忽略。

我們曾經(jīng)遇到一個案例，要測量一個雙工器的無源互調，其設計指標要求為-200dBc@2×21dBm，有些人認為這個指標不可實現(xiàn)，是不合理的。而這可能就是前面所描述的對無源互調認識的局限性，因為在大家的認知中，無源互調最好也就-170dBc。但如果從以下兩點來考慮，就可以發(fā)現(xiàn)-200dBc這項指標是合理的： 1) 這個系統(tǒng)的接收靈敏度非常高，目前地面接收機的靈敏度已經(jīng)可以做到接近-160dBm; 2) 按照載頻功率與互調相對值1:2的關系，如果將功率提高到43dBm，那么這個互調指標可以等效為-156dBc@2×43dBm，這個值就符合大家通常的認知了，而且實現(xiàn)并不困難。

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

案例：不同載頻功率比對無源互調的變化規(guī)律的影響研究。

在IEC63027標準中，建議采用2×43dBm的功率進行無源互調測試，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通信。在很多通信系統(tǒng)中，載頻信號的峰均功率比不是恒定值，載頻的幅度可能是隨機變化的，因此研究不同載頻功率比條件下無源互調的變化規(guī)律具有一定的實用意義。 我們經(jīng)過實驗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)。我們分別對帶狀線定向耦合器、同軸連接器和微帶線等三種器件進行了實驗及計算，獲得了較為一致的理論和實測結果(圖2)，最終結果表明，當總功率不變時，最大互調出現(xiàn)在兩載頻功率為1:2的位置[3]。

圖2. 載頻功率之比對三階互調的影響規(guī)律

三、如何分解系統(tǒng)中無源器件指標對系統(tǒng)的影響 我們知道，產生無源互調的必要條件是兩個或者以上的載頻同時作用在器件射頻路徑的某個點上。圖3顯示了一個典型的通信系統(tǒng)的前端，我們結合這個電路來討論各個無源器件的指標對系統(tǒng)接收機是如何產生影響的，同時也討論每個器件的指標應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。作為新型半導體室內照明燈具的典型代表，以其高亮度、光線柔和、光照均勻等特點而廣泛應用于辦公照明、教室照明、醫(yī)院照明、酒店照明等場合。隨著半導體照明技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，LED平板燈將會擁有更大的發(fā)展空間。高顯色性的醫(yī)學內窺鏡目前白光LED在醫(yī)學內窺鏡上的應用中克服了傳統(tǒng)氙氣燈光源的功耗大、壽命短等缺點，雖然其光通量以及顯色性還達不到傳統(tǒng)光源的水平，但隨著白光LED在醫(yī)學照明產品的迅猛發(fā)展，以及科研工作者的努力，具有高顯色性等優(yōu)點的高性能白光LED醫(yī)學內窺鏡為代表的醫(yī)學照明產品一定會實現(xiàn)。汽車照明隨著汽車產業(yè)的迅猛發(fā)展,汽車照明的細分領域也日新月異。LED作為一種新型的光源,正被應用在汽車照明系統(tǒng)中,白光LED也作為汽車的前照光源被應用。由于白光LED具有方向性好，響應快，耐沖擊等優(yōu)點，在LED燈的市場份額占有率將會大幅度提高。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在顯示器的應用正促進寬色域、高亮度顯示技術的發(fā)展。在機器視覺和半導體設備、3D成像和打印、太陽能和光伏發(fā)電、生命科學和醫(yī)療等產品的研發(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+導光板的簡單形狀組合，在過去的時代尚能使用，在AI時代，達到光學精度級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)出的可見光進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術。它使用普通的LED燈具作為發(fā)射器和接收器，通過調制LED燈具發(fā)出的光的明暗閃爍信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。LED可見光通信技術的優(yōu)勢在于其無需授權頻譜、高速傳輸、低功耗、保密性好、健康無害等特點。

LED可見光通信技術的基本原理是將需要傳輸?shù)男畔⑦M行編碼，然后通過調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，并將其轉換為電信號，然后進行濾波、整形和放大，從中解調出相應的模擬信息。如果需要雙向傳輸或多路傳輸，則需要進行頻譜區(qū)分或多路取樣調制，并加入同步識別信號和同步檢測信號。

LED可見光通信技術可以應用于多個領域，例如室內導航、智能家居、智能交通、醫(yī)療保健等。在室內導航方面，可以利用LED可見光通信技術實現(xiàn)室內定位和導航，提高室內導航的精度和便捷性。在智能家居方面，可以使用LED可見光通信技術實現(xiàn)智能家居設備的控制和數(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可見光通信技術實現(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可見光通信技術實現(xiàn)醫(yī)療設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，提高醫(yī)療保健的質量和效率。LED可見光通信技術是一種具有廣闊應用前景和發(fā)展空間的無線通信技術，可以滿足不同領域的特殊需求，并推動相關行業(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用潛力。通過在LED燈具上安裝特殊的光學器件和控制器，可以實現(xiàn)可見光的精準控制和調制，從而實現(xiàn)高精度定位。

一種常見的LED可見光定位技術是利用多個LED燈具發(fā)出的光信號，通過測量這些光信號在待測目標上的接收時間和強度，計算出待測目標的位置坐標。這種技術可以實現(xiàn)米級甚至厘米級的定位精度，具有功耗低、成本低、壽命長、高速率、無輻射、應用廣、無需布設額外接入點等特點，在日常生活、公共服務、軍事管理等領域都有較高的應用價值。LED可見光通信技術還可以與圖像傳感器等技術結合使用，實現(xiàn)更精準的定位和導航。例如，在智能家居領域，可以使用LED可見光通信技術結合圖像傳感器實現(xiàn)室內定位和導航，提高智能家居的便捷性和用戶體驗。

LED可見光通訊在智能交通系統(tǒng)(ITS)中有廣泛的應用前景。智能交通系統(tǒng)是指在道路交通基礎設施、城市公共交通以及道路運輸系統(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)布為目標的一體化的，可以實現(xiàn)智能管理的交通運輸系統(tǒng)。

在智能交通系統(tǒng)中，LED可見光通訊技術可以用于實現(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可見光通訊技術實現(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可見光通訊技術還可以用于實現(xiàn)交通信號燈的控制和調度，提高交通流的效率和道路利用率。LED可見光通訊技術還可以與圖像傳感器、GPS等技術結合使用，實現(xiàn)更精準的車輛定位和導航。例如，在智能交通系統(tǒng)中，可以使用LED可見光通信技術結合圖像傳感器實現(xiàn)車輛位置的精準定位，從而提高交通管理的效率和準確性。

毋庸置疑，LED燈具將成為智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)信息社會中的重要的“連接”媒介或者信息采集入口。而未來隨著室內定位技術的成熟，在大型室內空間、導航互動、人流實時監(jiān)控、消防疏散等領域必將轉變?yōu)榛拘枨?，推動光定位的標準化、標配化?？梢?，未來室內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，找到其應用的最佳突破口，才能真正實現(xiàn)“可見光”下的共贏。