“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”實(shí)施以來(lái)，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，除了為照明行業(yè)自身注入活力，還帶動(dòng)了LED相關(guān)領(lǐng)域研究的深入開(kāi)展，可見(jiàn)光通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。研究發(fā)現(xiàn)使用LED在進(jìn)行照明的同時(shí)，利用內(nèi)半導(dǎo)體調(diào)制特性進(jìn)行信息傳遞，這或可解決無(wú)線(xiàn)通信中日益嚴(yán)峻的頻譜問(wèn)題。但由于目前一些技術(shù)瓶頸的存在，距離可見(jiàn)光通信走出實(shí)驗(yàn)室，“飛入尋常百姓家”，尚需時(shí)日。

眾所周知，光具有單向傳輸特性，整個(gè)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)層面面臨的最主要挑戰(zhàn)在于建立一個(gè)穩(wěn)定的上行反饋鏈路。業(yè)內(nèi)有提出使用射頻進(jìn)行上行反饋的方案，也有使用無(wú)線(xiàn)激光進(jìn)行反饋鏈路的方案，還有使用其他頻率或者顏色的可見(jiàn)光信號(hào)進(jìn)行上行反饋鏈路創(chuàng)建的方案。但這些方案均有一些不同程度的“先天不足”。比如射頻反饋的引入，破壞了可見(jiàn)光通信無(wú)電磁干擾的先天優(yōu)勢(shì)，比如無(wú)線(xiàn)激光反饋的引入導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)的安全性存疑。但這些方案還有一個(gè)共同的缺陷在于需要單獨(dú)引入從信源產(chǎn)生到信宿接受的一整套設(shè)備來(lái)單獨(dú)構(gòu)建反饋鏈路。

該申報(bào)項(xiàng)目提出的“照明+無(wú)源雙向可見(jiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù)”是在不改變?cè)姓彰鹘Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)直接對(duì)照明LED信號(hào)調(diào)制進(jìn)行下行光鏈路通信，利用“離焦型貓眼”逆向調(diào)制器件對(duì)接收到的照明光源進(jìn)行調(diào)制加載上行信息，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光系統(tǒng)的上行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)源雙向可見(jiàn)光通信。

“離焦型貓眼”逆向調(diào)制器主要基于“貓眼效應(yīng)”構(gòu)建，由光學(xué)透鏡、壓電陶瓷片、調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路以及回波接收電路組成。

圖1“貓眼”結(jié)構(gòu)的原理圖

“貓眼”結(jié)構(gòu)的調(diào)制原理如圖1所示。發(fā)射機(jī)發(fā)出的光線(xiàn)使用透鏡匯聚到焦平面，裝有反射結(jié)構(gòu)的焦平面在調(diào)制器控制下進(jìn)行前后移動(dòng)，將反射光在通過(guò)透鏡回到同一光路位于焦平面處的反射平面在軸向偏離焦平面的情況下，這種“離焦”會(huì)引起光束后向反射回波的發(fā)散而使光束回波強(qiáng)度減小，也就是光束回波功率隨反射面偏離焦平面的距離的增大而減小。

“貓眼”效應(yīng)能夠使入射光原路返回，所以“貓眼”逆向調(diào)制器具有與角反射器相同的逆向反射特性。將“貓眼”結(jié)構(gòu)與調(diào)制器結(jié)合，可以構(gòu)建“貓眼”逆向調(diào)制器。調(diào)制器放置于貓眼逆向反射器焦平面處，入射光束通過(guò)“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)聚焦在調(diào)制器表面，從而產(chǎn)生受調(diào)制器控制作用的反射光。

圖2離焦反射原理

根據(jù)焦平面處反射鏡的移動(dòng)方向不同，“貓眼”逆向調(diào)制器具有正向離焦和反向離焦兩種狀態(tài)，正向離焦是反射鏡往靠近透鏡的方向振動(dòng)，反向離焦的振動(dòng)方向與之相反。正向和反向離焦的原理如圖2所示，圖（a）為正向離焦示意圖，圖（b）為反向離焦示意圖。

“離焦型貓眼”逆向調(diào)制系統(tǒng)工作時(shí)，主動(dòng)照明光源首先向上行調(diào)制端發(fā)送調(diào)制光束，由于白光LED的發(fā)散角度很大，在上行調(diào)制端的接收聚焦透鏡和“貓眼”逆向調(diào)制器并排放置，均處于LED光源的有效照明區(qū)域內(nèi)。在接收端，通過(guò)逆向調(diào)制器對(duì)下行鏈路的光信號(hào)進(jìn)行二次調(diào)制，將上行信息調(diào)制到下行的光路上，反射回照明端，照明端的光接收機(jī)接收返回的光信號(hào)，從中分離出上行調(diào)制信號(hào)，并發(fā)送給解調(diào)器作解調(diào)，實(shí)現(xiàn)雙工通信鏈路，圖3為照明+無(wú)源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。

圖3照明+無(wú)源可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

本系統(tǒng)相比傳統(tǒng)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，具有優(yōu)點(diǎn)如下：

1.本系統(tǒng)使用照明光源的調(diào)制與逆調(diào)制實(shí)現(xiàn)了單一可見(jiàn)光源的雙向通信，相比其他系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是實(shí)現(xiàn)了“無(wú)源”可見(jiàn)光通信。

2本系統(tǒng)中所使用的逆向調(diào)制器為“離焦型貓眼”貓眼逆向調(diào)制器，與角錐棱鏡型逆向調(diào)制器器相比，具有視場(chǎng)角大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，適用于室內(nèi)可見(jiàn)光通信這種光束發(fā)散角較大的通信系統(tǒng)。“離焦型貓眼”逆向調(diào)制器由聚焦透鏡和調(diào)制反射器組成，其中調(diào)制反射器使用鍍反射膜的壓電陶瓷片。通過(guò)給壓電陶瓷片上加上不同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制反射膜在透鏡焦平面的離焦量，影響返回光信號(hào)強(qiáng)度大小，實(shí)現(xiàn)逆向調(diào)制功能。

3.本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

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