TCL半导体光源研究院**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（Visible Light Communications）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。**，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。**，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，*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*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，*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**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**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。其市场容量较大，是容易推广的领域之一。

3.室内非可直接接收可见光通信网络系统：解决诸如整栋办公楼内可见光通信局域网系统，非可直接接收可见光区域信息传输辅助其他通信方式互联互通传输，或将调制信息传输至各个需要信息的楼层，再在各个可直接接收空间建立基站进行通信，以建立整栋办公楼通信系统。

本系统特别适用于政府及其各个部门内部的通信系统，其市场容量较大，是容易推广的领域之一。另外，本模式也可应用于宾馆、酒店的管理系统。

4.公共场所的查询和导购系统：如城市图书馆、大专院校图书馆、科研机构图书馆等可建立图书查询及导引系统，便于图书类型及图书目录的查询及导引。

商场、超市导引系统，可用手机为接收器，通过可见光通信系统，引导顾客尽快地选购商品。也可以向顾客发布诸如“新商品信息”、“特价商品信息”等，引导顾客消费。

大型医院的导医系统，其主要功能是引导患者进行挂号、诊室就医、化验、检查、处置、注射、缴费、取药、住院等医疗全过程，方便患者，节约其寻找、问询的时间。

5.定位系统：建立可见光通信系统进行矿下人员的实时定位监控与记录，随时掌握矿下人员分布状况。一旦发生矿难，可及时掌握人员分布状况和发生矿难区域，给紧急救援赢得宝贵的时间。

还可以利用车辆前后LED信号灯以及LED路灯、LED交通指示灯，建立室外交通车载定位系统，实现车辆间的间距控制以及防碰撞保护、车辆与交通管控系统间的违规监控、实时路况等数据的高速交互，以保证车辆的行车**，也为车辆严重违章、重大车祸等提供相应线索和依据。

6.可视化**支付系统：利用可见光通信定向辐射、快速衰减以及可视化传输等特点，实现手机的新型**支付。相比传统无线支付方式，避免了电磁泄漏问题；相比接触式支付方式，免除了额外设备。

国内外研究概况及需要重视的问题

由于技术标准的滞后，使调制/解调方式多样化，导致专用IC的研制、通信协议的规范滞后，单元系统构成也是五花八门。

1.发展现状：可见光通信由英国爱丁堡大学工程学院教授哈拉尔德·哈斯发明以来，发达国家对其研究起步较早，并且投入大量人力、物力开展可见光通信研究。

2008年，欧盟设置家庭吉比特接入计划（OMEGA），构建家庭区域*后1公里宽带通信网，集成VLC技术，实现通信速率1Gbps；美国国家科学基金会（NSF）建立可见光通信研究中心，计划10年内开发出LED无线通信智能照明通信架构；2011年，爱丁堡大学哈斯教授提出Li-Fi概念，让可见光通信以一种全新理念进入全世界视野。

2013年，德国海因里希赫兹研究院、英国爱丁堡大学与牛津大学等国际代表性研究机构将可见光通信的带宽扩展为180MHz，实时速率512Mbit/s，离线速率10Gbit/s。

我国的可见光通信研究虽然起步较晚，近年来也取得了一批实质性的研究成果。以信息工程大学与北京大学、清华大学等为代表的研发团队将带宽扩展为230MHz，实时速率325Mbit/s，离线速率4Gbit/s，达到了与世界先进水平接近或相同的程度。

2.亟待解决的问题：由于技术标准的滞后，使调制/���调方式多样化，导致专用IC的研制、通信协议的规范（特别是与现有通信方式的互联互通和通信协议的规范）滞后，单元系统构成五花八门，同时原创性**的系统性研究与申请也有待完善。

2014年8月28日，全球可见光通信大会暨中国可见光通信产业技术**战略联盟大会在广州揭开帷幕，标志着我国可见光通信的研发与产业化进入快速的发展阶段。希望战略联盟尽快计划和部署相关标准、**、专用IC、单元系统和通信协议等方面的研究，并在各级政府的支撑下加快产业化进程。

3.发展与展望：往往在一项新技术诞生后，由于人们对其认知的局限性，开始只会停留在现有需求的基础上进行替代性应用，而发展到后来，则很可能会“面目全非”。 如手机的发展，从“解决无线电话”的目的出发进行研制，到发送信息、上网、视频电话、微信、照相机、摄像机等等，发展出很多连当初***都没想到的功能。

随着技术进一步成熟，VLC系统的应用范围也会继续扩展，出现新的应用领域。我们坚信，从产生、应用、发展、扩充到再发现、再发展，VLC技术的应用将出现我们目前想象不到的结果。