白光led通信技术有哪些行业应用研究方案？

一、概述

时至今日，至少在蜂窝移动通信行业，对于无源互调对系统危害的认知已经十分普遍，从工程角度看，无源互调测量技术以及低互调无源器件的生产制造工艺也已经成熟。但是我们也注意到，近年来在无源互调方面的研究具有一定的局限性，大部分有关无源互调的讨论都是基于器件角度，而类似以下的这些问题，往往被业界所忽略： 1) 行业普遍认为低无源互调指标应该是-153dBc~-170dBc@2×43dBm，这个指标的来源是什么? 2)在一个通信系统中，究竟哪些无源器件需要低互调设计?一个无源器件的互调对系统有什么影响?如何量化这个影响?无源器件的非线性特性与整机的杂散辐射指标有什么关联性? 3)反射互调、传输互调、反向互调和感应互调分别对应哪些应用场景?对本系统、共站共址系统和其他通信系统的影响如何评估? 4) 传统的无源互调测试采用传导测试模式，开场条件下会不会产生无源互调? 5) 无源器件的非线性特性对于宽带调制射频信号的邻道功率有贡献吗? 6) MIMO系统中有没有互调问题?

在任何通信系统中，无源器件的非线性特性不应被孤立看待，无源互调的理论和工程应用研究应该是一个系统性的问题，这就是本文中想要探讨的。

二、无源互调指标的来源

首先我们结合图1来讨论无源互调指标的定义。图1a是收发系统的典型电路，两个发射信号fTX1和fTX2分别经过功率放大器、环流器，由合路器合成后进入双工器的TX端，经过双工器滤波后从天线辐射到空中。从双工器ANT端口以后一直到天线，整个路径上的无源器件在两个合成信号的作用下会产生无源互调产物，如果互调频率(如三阶互调fIM3)落在接收频段，就会对接收机产生干扰。

图1a. 典型的收发系统

图1b. 频谱 图1. 无源互调指标的来源

以GSM900为例，下行频段是925-960MHz，上行频段是880-915MHz。如果fTX1和fTX2分别为935MHz和959MHz，产生的三阶互调频率为913MHz，刚好落入接收频段。

那么我们该如何定义互调频率fIM的幅度大小?显然，进入接收机的互调产物幅度应该不足以对接收机产生干扰，干扰信号的幅度应该比接收机灵敏度小，我们就可以将互调产物的幅度限值定义如下。 绝对值：PIM(dBm) < S -∆ @ (PTX1,PTX2) (1) 相对值：PIM(dBc) < S -∆ - PTX @ (PTX1,PTX2) (2) 其中，PIM是互调产物的幅度，与阶数无关，只要落入接收频段，无论几阶互调都需要关注;S是接收机的灵敏度;∆是干扰保护比，也就是互调产物应该比灵敏度小多少，通常为6~10dB;PTX1,PTX2为两个载频的幅度。

式1为互调限值的绝对值表达法，解释为在一定幅度的两个以上载频的作用下，互调产物应比接收机灵敏度小一定的值;式2为互调限值的相对值表达法，解释为互调绝对值与载频的差值，为了计算方便起见，通常假设为PTX1 = PTX2 = PTX。 以蜂窝通信系统为例，PTX1 = PTX2 = PTX =43dBm，S=-107dBm，∆取6dB，则要求无源互调产物的幅度应小于-113dBm绝对值或-156dBc相对值，分别表达为-113dBm@2×43dBm或-156dBc@2×43dBm。这是我们常见的无源互调指标，或许是由于当初IEC在制定无源互调测试标准时参照了GSM900蜂窝基站的情况[1]，同时很多相关技术文章和产品所描述的指标都是这个数量级，因此造成了对无源互调理解的以下几点局限性： 1) 无源互调的指标在-110 ~ -120dBm，或者-153~ -163dBc; 2) 无源互调的定义是基于20W的载频功率; 3) 只需要关注三阶互调，高阶互调很小，可以忽略。

我们曾经遇到一个案例，要测量一个双工器的无源互调，其设计指标要求为-200dBc@2×21dBm，有些人认为这个指标不可实现，是不合理的。而这可能就是前面所描述的对无源互调认识的局限性，因为在大家的认知中，无源互调最好也就-170dBc。但如果从以下两点来考虑，就可以发现-200dBc这项指标是合理的： 1) 这个系统的接收灵敏度非常高，目前地面接收机的灵敏度已经可以做到接近-160dBm; 2) 按照载频功率与互调相对值1:2的关系，如果将功率提高到43dBm，那么这个互调指标可以等效为-156dBc@2×43dBm，这个值就符合大家通常的认知了，而且实现并不困难。

从上述案例以及式1(式2)可以发现，一个通信系统中无源互调与接收机灵敏度和载频功率有关，无源互调限值及测试遵循真实使用环境模拟原则： 1) 无源互调限值取决于系统接收机的灵敏度以及发射机的功率; 2) 只要落入接收频段的无源互调都应被关注，与互调阶数无关。

案例：不同载频功率比对无源互调的变化规律的影响研究。

在IEC63027标准中，建议采用2×43dBm的功率进行无源互调测试，通常要求两载频电平的偏差不超过0.5dB，这种情况适用于蜂窝移动通信。在很多通信系统中，载频信号的峰均功率比不是恒定值，载频的幅度可能是随机变化的，因此研究不同载频功率比条件下无源互调的变化规律具有一定的实用意义。 我们经过实验并提出了以下的拟合公式： PIM dBm = C0 + C1P1dBm + C2P2 dBm (3) 上式中，C0、C1、C2为拟合系数。我们分别对带状线定向耦合器、同轴连接器和微带线等三种器件进行了实验及计算，获得了较为一致的理论和实测结果(图2)，最终结果表明，当总功率不变时，最大互调出现在两载频功率为1:2的位置[3]。

图2. 载频功率之比对三阶互调的影响规律

三、如何分解系统中无源器件指标对系统的影响 我们知道，产生无源互调的必要条件是两个或者以上的载频同时作用在器件射频路径的某个点上。图3显示了一个典型的通信系统的前端，我们结合这个电路来讨论各个无源器件的指标对系统接收机是如何产生影响的，同时也讨论每个器件的指标应该如何确定以保证性能和成本的平衡。家居照明的自然光型LED平板灯由于LED本身具有丰富的色彩，采用多色LED可以制作出更接近自然光的平板灯。作为新型半导体室内照明灯具的典型代表，以其高亮度、光线柔和、光照均匀等特点而广泛应用于办公照明、教室照明、医院照明、酒店照明等场合。随着半导体照明技术的不断创新和发展，LED平板灯将会拥有更大的发展空间。高显色性的医学内窥镜目前白光LED在医学内窥镜上的应用中克服了传统氙气灯光源的功耗大、寿命短等缺点，虽然其光通量以及显色性还达不到传统光源的水平，但随着白光LED在医学照明产品的迅猛发展，以及科研工作者的努力，具有高显色性等优点的高性能白光LED医学内窥镜为代表的医学照明产品一定会实现。汽车照明随着汽车产业的迅猛发展,汽车照明的细分领域也日新月异。LED作为一种新型的光源,正被应用在汽车照明系统中,白光LED也作为汽车的前照光源被应用。由于白光LED具有方向性好，响应快，耐冲击等优点，在LED灯的市场份额占有率将会大幅度提高。液晶显示器背光源LED作为液晶显示器背光源可以提供良好的色彩饱和度，提高显示色域，以RGB LED白光光源为背光源甚至可以将色域提高到120%NTSC以上。白光LED在显示器的应用正促进宽色域、高亮度显示技术的发展。在机器视觉和半导体设备、3D成像和打印、太阳能和光伏发电、生命科学和医疗等产品的研发过程中，我们经常需要一些比较精密的LED光源，目前市场上主要是LED+导光板的简单形状组合，在过去的时代尚能使用，在AI时代，达到光学精度级别的光源才能满足您的需求。

LED可见光通信(VLC)是一种利用LED灯具发出的可见光进行数据传输的无线通信技术。它使用普通的LED灯具作为发射器和接收器，通过调制LED灯具发出的光的明暗闪烁信号来实现数据传输。LED可见光通信技术的优势在于其无需授权频谱、高速传输、低功耗、保密性好、健康无害等特点。

LED可见光通信技术的基本原理是将需要传输的信息进行编码，然后通过调制器将编码后的信息加载到LED灯具发出的可见光上。接收端使用光电探测器(PD)接收带有信息的可见光，并将其转换为电信号，然后进行滤波、整形和放大，从中解调出相应的模拟信息。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。

LED可见光通信技术可以应用于多个领域，例如室内导航、智能家居、智能交通、医疗保健等。在室内导航方面，可以利用LED可见光通信技术实现室内定位和导航，提高室内导航的精度和便捷性。在智能家居方面，可以使用LED可见光通信技术实现智能家居设备的控制和数据传输，提高智能家居的智能化程度。在智能交通方面，可以使用LED可见光通信技术实现车辆之间的通信和协同控制，提高交通的安全性和效率。在医疗保健方面，可以使用LED可见光通信技术实现医疗设备之间的数据传输和监控，提高医疗保健的质量和效率。LED可见光通信技术是一种具有广阔应用前景和发展空间的无线通信技术，可以满足不同领域的特殊需求，并推动相关行业的数字化、智能化发展。

LED可见光通讯在光定位方面有很大的应用潜力。通过在LED灯具上安装特殊的光学器件和控制器，可以实现可见光的精准控制和调制，从而实现高精度定位。

一种常见的LED可见光定位技术是利用多个LED灯具发出的光信号，通过测量这些光信号在待测目标上的接收时间和强度，计算出待测目标的位置坐标。这种技术可以实现米级甚至厘米级的定位精度，具有功耗低、成本低、寿命长、高速率、无辐射、应用广、无需布设额外接入点等特点，在日常生活、公共服务、军事管理等领域都有较高的应用价值。LED可见光通信技术还可以与图像传感器等技术结合使用，实现更精准的定位和导航。例如，在智能家居领域，可以使用LED可见光通信技术结合图像传感器实现室内定位和导航，提高智能家居的便捷性和用户体验。

LED可见光通讯在智能交通系统(ITS)中有广泛的应用前景。智能交通系统是指在道路交通基础设施、城市公共交通以及道路运输系统上建立起来的，集成了信息采集处理、融合与交换、分析以及控制，以信息的发布为目标的一体化的，可以实现智能管理的交通运输系统。

在智能交通系统中，LED可见光通讯技术可以用于实现车辆之间的通信和协同控制，提高交通的安全性和效率。例如，在车辆之间可以通过LED可见光通讯技术实现车辆距离、速度、方向等信息的传递，避免交通事故的发生。此外，LED可见光通讯技术还可以用于实现交通信号灯的控制和调度，提高交通流的效率和道路利用率。LED可见光通讯技术还可以与图像传感器、GPS等技术结合使用，实现更精准的车辆定位和导航。例如，在智能交通系统中，可以使用LED可见光通信技术结合图像传感器实现车辆位置的精准定位，从而提高交通管理的效率和准确性。

毋庸置疑，LED灯具将成为智慧城市、物联网、云计算、移动互联网、大数据信息社会中的重要的“连接”媒介或者信息采集入口。而未来随着室内定位技术的成熟，在大型室内空间、导航互动、人流实时监控、消防疏散等领域必将转变为基本需求，推动光定位的标准化、标配化。可见，未来室内光定位市场空间将有巨大潜力可挖，而开采这座金矿还需企业间的通力合作，找到其应用的最佳突破口，才能真正实现“可见光”下的共赢。